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湖南会同杉木人工林林冠近上空的太阳辐射平衡及环境能量研究

作　者: 崔莎莎
导　师: 康文星
学　校: 中南林业科技大学
专　业: 生态学
关键词: 杉木人工林辐射平衡反射率动能潜热能环境能量
分类号: S791.27
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

森林对能量的再分配对区域乃至全球的气候有着重要影响,再分配的结果又影响着植被光合生产力的分布,了解能量再分配后的平衡特征不仅对认识森林的生态效应有重要意义,也为其光合生产力研究提供了环境参数。本研究依据湖南会同地区杉木人工林梯度塔2008年的测定数据,分析了杉木人工林太阳辐射中总辐射、净辐射、反射辐射、有效辐射、长波辐射的在不同时间尺度上的分布特征及不同季节太阳辐射分配率的差异；并将杉木人工林林冠层及其近上层空间分为三个层次,A层距离地面14.1m,B层距离地面22.6m,C层距离地面32.5m。分析了不同梯度的太阳辐射能、内能、位能、全位能、动能、潜热能、显热能和温湿能等环境能量的年变化及其垂直分布,具体研究结果如下：在日尺度上,各辐射分量日总量的大小依次为QUL(34.54 MJ·m-2·d-1)>QDL(32.59MJ·m-2·d-1)>>Q(10.26 MJ·m-2·d-1)>Qr(0.80 MJ·m-2·d-1)。除QDL外,其余3种辐射的年变化大致呈单峰形变化,Q与Qr在不同季节的日变化均呈规则的单峰曲线,而QDL和QUL的日变化大致呈波浪形。两个时间尺度上,长波辐射的变异系数(CV)均远小于短波辐射,波长相同时上行辐射的CV小于下行辐射。在日尺度上,反射率的日变化曲线呈U型；在月尺度上,2008年杉木人工林反射率的平均值为8.0%,干季反射率小于雨季,且波动性较大。在不同的时间尺度上,影响各太阳辐射通量特征、反射率的主要因素,因此,在分析太阳辐射特征和辐射通量间的相互关系时,必须充分考虑尺度效应的影响。杉木人工林生态系统的太阳总辐射年总量为3 844.97 MJ·m-2,其中雨季为2537.06 MJ·m-2,占66.0%,干季仅占34.0%,为1 307.91 MJ·m-2；净辐射年总量为2828.02 MJ·m-2,雨季占69.4%远高于干季的30.6%；有效辐射和反射辐射分别为710.42MJ·m-2和288.09 MJ·m-2,雨季占全年总量的值分别为51.1%和70.0%。就全年太阳辐射的分配率而言,净辐射在各分量中分配率(23.5%)最大,其次是有效辐射(19.0%),反射辐射(7.5%)最小。不同季节太阳辐射分配率亦有所不同,反射辐射和净辐射均是在旱季小于雨季,有效辐射则相反。从位能的定义可知,位能随高度的升高而增大,而所选的三个空间层次最大距离地面仅32.5m,由重力作用产生的位能很小,因此,林地环境的全位能几乎有内能组成。B层的内能和全位能最大,C层次之,A层最小。以上三种环境能量的年变化均为单峰曲线,夏季最大,冬季最小。就风速和动能的大小而言,三个层次自下而上不断增大,C层年平均风速可达1.175m·s-1,这与林冠层对风速的减弱作用是分不开的,同时也说明动能是从大气上空向下传递的。三个层次中B层的温度和显热能最高,可见在太阳辐射转化为显热的过程中,林冠层起着桥梁的作用,成了直接的热源。不同层次的潜热能的年变化均表现为夏季>秋季>春季>冬季,影响潜热能的主要因素除林冠对降水的截留作用外还有林木的蒸腾作用及林地的蒸散。温湿能为显热能和潜热能的总和,其年变化与潜热能相似,最大值出现在夏季,最小值出现在冬季,这主要是两方面的原因造成的,一方面由于提供温湿能的能量来源冬季比夏季少得多,另一方面,冬季林木处于休眠期,蒸腾缓慢,环境的蒸散能力也较弱,提供的水汽量相对较少。本研究对林分进行杉木林林冠近上空的辐射平衡、环境能量的分析讨论,不仅为水分、碳平衡研究中牵涉到此类问题的理论方法的探讨提供依据,同时为确定该地区水热结构优化模式与改善区域小气候提供理论依据。并通过寻求适合杉木林生长的能量配比,为造林和抚育管理和衡量人工林分结构合理性提供了重要依据,也为如何评价人工林的生态效益提供理论依据。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-11
1 绪论  11-22
  1.1 研究目的和意义  11-12
  1.2 国内外研究概况  12-22
    1.2.1 能量生态学的研究概况  12-13
    1.2.2 森林能量环境研究进展  13
    1.2.3 森林小气候的研究概述  13-16
    1.2.4 能量平衡的研究概述  16-22
2 研究地概况与研究内容和方法  22-28
  2.1 试验地概况  22-23
  2.2 研究内容和观测方法  23-24
    2.2.1 观测内容  23
    2.2.2 观测方法  23-24
  2.3 计算方法  24-28
    2.3.1 辐射平衡  24-25
    2.3.2 林冠近上空环境能量的计算方法  25-28
3 杉木人工林林冠层近上空的太阳辐射特征  28-46
  3.1 太阳辐射各分量的日变化  28-36
    3.1.1 典型天气下两种短波辐射的日变化  28-29
    3.1.2 典型天气下两种长波辐射的日变化  29-32
    3.1.3 典型天气下净辐射的日变化规律  32-34
    3.1.4 林冠近上空太阳辐射幅值及其出现时间的变化  34-35
    3.1.5 太阳辐射各分量日总量的变化  35-36
  3.2 太阳辐射各分量年变化特征  36-37
  3.3 反射率  37-41
    3.3.1 典型天气下反射率的日变化  37
    3.3.2 反射率与太阳高度角的关系  37-39
    3.3.3 反射率与降雨量的关系  39-40
    3.3.4 反射率的季节变化  40-41
  3.4 各辐射分量之间的关系  41-42
    3.4.1 两种短波辐射之间的关系  41
    3.4.2 两种长波辐射间的关系  41-42
    3.4.3 净辐射与其他辐射的关系  42
  3.5 辐射通量的年总量与分配率特征  42-44
  3.6 本章小结  44-46
4 杉木人工林林冠层近上层空间的环境能量  46-60
  4.1 太阳辐射能  46
  4.2 内能、位能和全位能  46-48
  4.3 动能  48-50
    4.3.1 风速的年变化与空间变化  48-49
    4.3.2 动能的年变化与空间变化  49-50
  4.4 显热能  50-52
    4.4.1 温度特征  50-51
    4.4.2 显热能的空间变化  51-52
    4.4.3 显热能的年变化  52
  4.5 潜热能  52-56
    4.5.1 降水量与蒸发量  52-53
    4.5.2 相对湿度和水汽压的特征  53-54
    4.5.3 潜热能的垂直分布  54-55
    4.5.4 潜热能的年变化  55-56
  4.6 温湿能  56-57
  4.7 压力能  57-58
  4.8 环境的总能量和各种能量比  58-59
  4.9 本章小结  59-60
5 结论与讨论  60-63
  5.1 结论  60-62
    5.1.1 杉木人工林冠层近上空的辐射平衡研究  60-61
    5.1.2 杉木人工林冠层近上空的环境能量  61-62
  5.2 讨论  62-63
6 创新点与不足  63-65
  6.1 创新点  63
  6.2 存在的问题与不足  63-65
参考文献  65-74
附录  74-75
攻读学位期间的主要学术成果  75-76
致谢  76

湖南会同杉木人工林林冠近上空的太阳辐射平衡及环境能量研究

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