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光能利用效率(LUE)是区域尺度以遥感模型结合气象资料监测陆地生态系统净初级生产力(NPP)的关键参数。水分利用效率(WUE)是深入认识生态系统碳、水循环间耦合关系的重要指标。研究不同尺度上森林的LUE和WUE为在尺度推绎及检验推绎结果的精确度提供了理论基础。LUE和WUE时空变异有助于加深对生态系统碳、水循环的认识。
本研究以我国亚热带主要造林树种湿地松(Pinus elliottii)、马尾松(P.massoniana)和杉木(Cunninghamia Ianceolata)为研究对象,在叶片水平上,于生长中期(7月)和后期(10月)采用Li-6400便携式CO2/H2O红外气体分析仪测定了气体交换和环境参数,研究了树冠不同部位和年龄针叶LUE和WUE时空变异特征;在林分水平上,探讨了树种及土壤特征对LUE影响:在区域水平上,总结已经发表文献并结合中国气象台站观测数据,估算了我国亚热带常绿针叶林LUE和WUE,探讨了区域水平上LUE和WUE空间分布格局。主要得到以下结果:
(1)在叶片水平上,基于气体交换计算了树冠不同层次(上层和下层)、不同方位(阳面和阴面)和不同年龄(当年生和1年生)针叶LUE和WUE。结果表明,光的有效性与年龄共同影响针叶的光合和蒸腾水平。针叶通过调整LUE来适应冠层内部光环境进行碳同化。WUE时空变异结果表明,生长后期湿地松、马尾松和杉木WUE日均值分别降至生长中期的81％、60％和40％。生长中期,湿地松和马尾松下层针叶的WUE日均值为上层针叶1.1～1.2倍,杉木下层针叶为上层针叶的80％;生长后期,由于长期遮荫限制了下层针叶光合碳同化能力,湿地松和马尾松下层针叶WUE日均值分别为上层针叶的77％和63％,杉木不同层次针叶之间WUE相近。林冠背阴面针叶具有较高WUE。不同年龄针叶WUE没有明显差别。
光响应曲线模拟结果表明,上层针叶和当年生最大光合速率(Amax)、暗呼吸速率(Rd)、光饱和点(LSP)和光补偿点(LCP)普遍高于下层针叶和1年生针叶。处于弱光环境下针叶通过调整叶绿素含量、叶绿素a/b、可溶性蛋白含量和最大光化学效率(Fv/Fm)来增加碳获取。尽管如此,弱光环境下针叶Amax仍然不及强光环境下针叶。
(2)在林分水平上,基于生物量法估算湿地松、马尾松和杉木3种林分LUE,探讨土壤养分资源供应对林分LUE影响。结果表明,以热能百分比表示光能利用效率,湿地松、马尾松和杉木林分的LUE分别为0.36％、0.44％和0.76％;以单位热能转化生物量来表示光能利用效率,3种林分的光能利用效率分别为0.18 g·MJ-1、0.20 g·MJ-1和0.34g·MJ-1,杉木的光能利用效率极显著高于湿地松和马尾松(P＜0.01),未能支持“功能收敛假说”。因此,采用光能利用效率模型准确估算区域尺度常绿针叶林NPP应区分不同树种。土壤养分有效性与LUE相关分析结果表明,林分LUE与土壤有机质呈显著正相关(P＜0.05),与土壤pH呈负相关。
(3)在区域水平上,基于生态系统NPP分析了我国亚热带常绿针叶林LUE和WUE空间分布规律,LUE和WUE平均值分别为0.71 g·MJ-1、1.12 g·mm-1。LUE与NPP具有相同的空间变化规律,由东南至西北呈逐渐降低的趋势:WuE空间分布规律性不明显。马尾松和杉木LUE高于云冷杉(Abies-Picea)、油松林(Pinus tabulaeformis)、华山松(P.armandii)、黄山松(P.taiwanensis)高山松(P.densata)、云南松(P.yunnanensis)、思茅松(P.khasya)和柏树(Cupressus),不同树种间WUE没有明显差别。线性回归结果表明,经度、纬度和降雨量解释了LUE空间变异的50.5％;经度、纬度和太阳总辐射仅解释了WUE变异的1.4％,WUE表现出功能收敛性。
通过不同尺度水平的观测和分析,获得如下结论:叶片水平上,PAR是LUE和WUE变异的主控因子;林分尺度上,树种、土壤有机质和pH值是影响LUE变异的主控因子;区域尺度上降雨量是控制LUE变异的主控因子。认识不同尺度LUE和WUE主控因子对于尺度推绎和采用遥感模型估算森林生态系统NPP提供理论依据。