Penman-Monteith方程计算林木蒸腾量的方法研究

论文摘要

针对在干旱、半干旱地区利用Penman-Monteith方程开展的林木蒸腾耗水量的研究,总结2004年2006年的研究数据和成果,结合2007年使用新的研究手段——茎流计得到的数据,利用数学分析的方法,从理论的角度分析了Penman-Monteith方程中各参数的变化规律以及对整个方程计算结果的影响,旨在为以后使用Penman-Monteith方程进行研究时提供一定的理论依据和指导。主要探讨的问题有:方程中各参数的变化规律;方程计算的结果对于各参数的敏感性;林木蒸腾速率的主要影响因子;林地土壤蒸发耗水规律;林地实际蒸散量规律;林分蒸腾蒸发分摊系数。主要研究结果如下:推导出在用于推求林分蒸腾的Penman-Monteith修正方程模型中,对方程计算结果精度影响最大的参数为冠层整体气孔阻力rst。使用2007年6月1日的茎流计数据,用分段回归的方法,使得模拟值与实测值的误差达到了-1.2%。以往认为难以准确测定的消光系数和叶面积指数对计算结果没有影响。各树种林冠反射率的日变化趋势一致,呈二次曲线变化,林冠反射率最大值出现在早晚,最小值出现在中午11:00～13:00。即在一天内林冠反射率主要受太阳高度角影响,随太阳高度角的增大而减小。在整个生长季内,除沙柳外,日均反射率变化较为平稳,林冠反射率一般以生长季中期较大。一般情况下林冠消光能力的变化随太阳高度角的增大而减弱,但是林分密度的差异也能影响消光系数的日变化规律。对于郁闭度不高的林分,太阳光可以斜射到林冠内,特别是对于像青海云杉、华北落叶松等具有层叠塔形树冠的树种,斜射时,光线更容易穿过,因此可能造成了消光系数随太阳高度角增大而增大的现象。气温和空气相对湿度是影响林木蒸腾速率的主要因子,太阳辐射对蒸腾速率的影响表现在诱导气孔开放和对其它气象因子的影响上,如使温度升高、相对湿度降低等。由于气孔运动的影响,蒸腾速率也表现出很强的昼夜节律性。由于这种节律性的存在,在一天的某段时间内,即使环境条件不发生变化,蒸腾速率仍会按照一定的规律变化。蒸腾速率与土壤水分关系较密切。在土壤含水量较低时,植物的蒸腾速率会随着土壤含水量的增大而增大;当土壤水分增大到一定程度时,蒸腾速率增加的速度变的和缓;当土壤水分继续增大时,蒸腾速率反而会降低。蒸腾速率随土壤水分变化的回归关系符合可用三次曲线或者二次曲线表示。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 林木耗水特性研究方法研究的意义
• 1.2 林木耗水的概念
• 1.3 林木耗水研究的理论和方法
• 1.3.1 实测法
• 1.3.1.1 蒸渗仪法
• 1.3.1.2 风调室法
• 1.3.1.3 涡动相关法
• 1.3.1.4 水量平衡法
• 1.3.1.5 能量平衡法
• 1.3.2 估算法
• 1.3.2.1 波文比-能量平衡法
• 1.3.2.2 彭曼联合法
• 1.3.2.3 土壤－植物－大气连续系统方法
• 1.3.2.4 经验公式法
• 1.3.2.5 应用遥感数据的方法
• 1.4 不同树种耗水特性的研究
• 1.4.1 树种蒸腾强度的变化
• 1.4.2 蒸腾速率与环境因子的关系
• 1.4.3 蒸腾速率与气孔的关系
• 1.5 林木蒸散耗水研究的尺度问题
• 1.5.1 叶片蒸腾耗水研究
• 1.5.2 单株蒸腾耗水研究
• 1.5.3 林分尺度的蒸腾耗水研究
• 1.5.4 区域尺度的植物蒸腾耗水研究
• 1.6 实验仪器的测量原理
• 1.6.1 Li-1600
• 1.6.2 茎流计
• 1.7 发展趋势
• 2 研究目的和内容
• 2.1 研究目的
• 2.2 研究内容
• 2.3 关键技术
• 3 研究区概况
• 3.1 地理位置和自然概况
• 3.1.1 青海省大通县
• 3.1.2 山西方山
• 3.1.3 内蒙古库布其沙漠
• 3.2 试验地布设和选择
• 3.2.1 青海省大通县
• 3.2.2 山西方山
• 3.2.3 内蒙古达拉特旗
• 4 研究方法
• 4.1 研究思路
• 4.2 研究技术路线
• 4.3 试验观测方法
• 4.3.1 土壤物理性质
• 4.3.1.1 土壤容重
• 4.3.1.2 土壤孔隙度
• 4.3.2 林木蒸腾
• 4.3.2.1 采用Li-1600 测定
• 4.3.2.2 茎流计测定
• 4.3.3 气象要素
• 4.3.4 水面蒸发
• 4.3.5 土面蒸发
• 4.3.6 林地土壤水分动态
• 4.3.7 叶面积
• 4.3.8 消光系数
• 5 林木蒸腾量的计算
• 5.1 应用理论和方程
• 5.2 各计算参数的推导与分析
• nl'>5.2.1 冠层截留净辐射R_nl
• sT'>5.2.2 冠层整体气孔阻力r_sT
• a'>5.2.3 空气动力学阻力r_a
• 5.3 林木蒸腾实测与校正
• 5.4 PENMAN-MONTEITH 公式模拟日蒸腾过程及其验证
• 5.5 模型参数敏感性对模拟结果的影响
• 5.5.1 参数A 的变化规律及取值范围
• 5.5.2 参数B 的变化规律及取值范围
• 5.5.3 参数C 的变化规律及取值范围
• 5.5.4 参数D 的变化规律及取值范围
• 5.5.5 模型参数对运算结果的影响
• 5.6 生长季蒸腾量计算
• 5.7 小结
• 6 林木蒸腾速率与其主要影响因子的关系
• 6.1 林木叶面积生长和叶面积指数
• 6.2 蒸腾速率和叶片导度的关系
• 6.3 蒸腾速率与气象因子之间的关系
• 6.3.1 温度对蒸腾速率的影响
• 6.3.2 相对湿度对蒸腾速率的影响
• 6.3.3 太阳辐射对蒸腾速率的影响
• 6.3.4 风速对蒸腾速率的影响
• 6.4 蒸腾速率的昼夜节律性
• 6.5 蒸腾速率与土壤水分的关系
• 6.6 小结
• 7 林地实际蒸发散与潜在蒸发
• 7.1 林地土壤蒸发
• 7.2 林地实际蒸发散的推求
• 7.3 蒸腾蒸发分摊系数
• 7.4 潜在蒸散与水面蒸发
• 7.4.1 桑斯维特（Thornthwait）公式
• 7.4.2 彭曼（Penman）公式
• 7.5 植物系数
• 7.6 小结
• 8 结论与讨论
• 8.1 结论
• 8.1.1 模拟方程中参数的变化规律及对方程的影响
• 8.1.2 林木蒸腾速率的影响因子
• 8.2 讨论
• 参考文献
• 附录
• 作者简介
• 导师简介
• 致谢