水分利用效率耦合碳水过程的空间尺度分析及其在通量模拟中的应用

本研究以中国通量网（ChinaFLUX）长白山站为实验研究平台，以针阔混交林为研究对象，采用LI6400光合/蒸腾测定技术和涡度相关技术，研究环境因素和叶氮含量对针阔混交林水分利用效率(WUE)的影响，量化冠层WUE和植物单叶WUE之间的关系，寻找大叶模式下单叶向冠层尺度转换的关键尺度转换因子，建立冠层尺度上的WUE模型，改进大叶模式的碳水通量模拟精度。研究结果可补充单叶和冠层WUE关系研究的不足，为冠层尺度上的碳水耦合循环模型研究提供借鉴。

本项目以中国通量网（ChinaFLUX）长白山站为实验研究平台，以针阔混交林为研究对象，研究环境因素和叶片氮含量对针阔混交林水分利用效率（WUE）的影响，探讨了充分考虑冠层内微气象条件和叶片氮含量随冠层深度的变化对提高冠层NEE模拟精度的重要性。研究结果表明：. （1）长白山针阔混交林叶片氮含量随着冠层深度的增加呈线性降低趋势，叶片氮含量随树高的变化斜率夏季>秋季>春季，不同树种叶片氮含量随冠层深度变化的差异以春季最大、秋季次之、夏季最小。未发现大叶模型假设下的叶片氮含量随冠层深度呈指数递减的规律，表明大叶模式模拟冠层碳水通量存在理论缺陷。. （2）随着冠层深度的增加，各树种叶片尺度的光合速率、最大光合速率、蒸腾速率和气孔导度下降，潜在的水分利用效率下降。冠层内叶片的水分利用效率与叶片氮含量和气孔导度皆呈显著的线性关系。在温度恒定且无水分胁迫情况下，冠层内叶片的水分利用效率可以表示为叶片氮含量和入射的光合有效辐射的函数。. （3）长白山针阔混交林冠层水分利用效率存在明显的日变化和季节变化特征。冠层尺度的日最大水分利用效率的季节变化呈单峰曲线的分布形式，最大值出现在夏季，土壤温度、相对湿度、风速、饱和差和叶面积指数是控制日水分利用效率季节变化的主要因子。在日时间尺度上，冠层水分利用效率最大值多出现在上午，温度、相对湿度、水汽压差、风速是控制水分利用效率日变化的主要因子。. （4）充分考虑冠层内微气象条件和叶片氮含量变化的多层模型具有更高的NEE模拟能力，多层模型模拟误差在各个季节皆小于大叶模式模拟的误差。多层模型中是否考虑温度对羧化速率和电子传递速率的影响，对NEE的模拟精度会产生较大的影响，特别是在温度较低的生长季的前期和后期，不考虑温度对羧化速率和电子传递速率的影响，会导致冠层NEE的系统性高估。为保证多层模型的模拟精度，冠层的分层数不应少于5层。. （5）由于受天气条件的限制，主要树种分层光合测定的困难致使光合数据不理想。虽然本项目尝试给出了冠层内叶片的水分利用效率简化模型，但叶片向冠层水分利用效率的尺度转换工作尚未最终完成。