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陆面过程是影响大气环流和气候变化的基本物理、生化过程之一。陆地生态系统的碳循环和水循环是陆面过程的一个重要环节，深入研究陆地上各种下垫面与大气之间相互作用的物理、生化过程，不断改进和发展陆面过程模式，力求使之接近真实情况，精确预报水汽、CO2等的交换等与气候变化研究密切相关的信息，已成为全球气候变化以及全球变化研究的迫切问题，也是全球变化研究中的核心科学问题。
本研究应用中国通量观测网络(China FLUX)长白山站的常规气象要素观测数据为基础，在将冠层进行分层的基础上，采用SMPTSB水分利用效率模型将光合与蒸腾相耦连，从另外一个角度对长白山针阔混交林生态系统的水碳通量进行了模拟尝试，并采用长白山站的涡度相关通量观测数据进行了验证，初步建立了以SMPTSB水分利用效率模型为耦合水碳循环节点的陆地表层模型框架体系。同时对模型的敏感性和模型的应用进行了分析评价。得出的主要结论如下：
(1)功率谱分析表明，长白山开路涡度相关观测系统观测的三维风速，CO2，H2O和温度的功率谱在惯性子区内基本符合-2/3定律，能够满足通量观测的需求。长白山通量数据缺失量约为39.9％。使用MDV和LUT数据插补方法，同一方法因数据缺失比例不同可造成水碳通量年总量-1.3％～1.6％的误差，而不同方法之间差异可以达到18.5％～19.8％，估算的年总量的误差主要来源于插补方法的选择。
(2)冠层叶面积指数的分布廓线可以用高度的二次曲线进行描述；叶面积指数采用Beer-Lambert模型进行反演时误差最小，平均相对误差为18.7％；内部导度可以表示成光合有效辐射的线性函数，二者之间的关系为gic=0.059247+3.04×10-4PAR；气孔导度模型的水汽响应函数以应用相对湿度为佳，气孔导度可以表示为gsw=0.01711+0.00071Ahs/(Cs-Г*)；生态系统呼吸与冠层中部(16m)气温的关系最为显著，可以表示为温度的指数函数；当叶面积指数为5.3时，估算的叶氮总量为687.7mmolNm-2。
(3)Shuttleworth-Wallace模型可以解释61.9％的生态系统总蒸散，其对潜热通量具有高估的趋势。长白山针阔混交林的蒸腾占总蒸散的80.44％，但在不同季节两者的比值相差很大，夏季最大，秋季最小，冬、春次之。
(4)模拟的NEE和生态系统总蒸散的季节、日变化特征与涡度相关观测值一致。模型可以解释72.81％的生态系统净碳交换量和47.86％的生态系统总蒸散。在植物生长的盛期，水、碳模型的平均误差约为4.05～4.19μmolm-2s-1和1.20～1.71mmolm2s-1。模型估算的长白山针阔混交林2003～2005三年的NEE总量为647.5gCm-2，比涡度相关观测值偏低230.3gCm-2，平均相对误差为26.2％。长白山针阔混交林生态系统水分利用效率大致呈现出冬高夏低，春秋次之的季节变化特征。应用SMPTSB水分利用效率模型将光合和蒸腾进行耦连模拟陆地生态系统的水、碳净交换量是完全可行的，这种耦合方式既避免了以往水-碳耦合模型的大量的、复杂的迭代运算，又避免了水分利用效率为常数的理论假设缺陷。
(5)在冠层分层数不同的情况下，模拟的净光合速率和蒸腾速率具有相同的日变化特征。随着分层数的增加，模拟的净光合速率和蒸腾速率有增大的趋势。在分层数很小时，光合和蒸腾速率随分层数的增加快速增大，但当冠层分层数超过5左右时，增大的趋势已不十分明显，逐渐趋向于一个常数。光合速率的模拟误差随分层数的增多而减小。超过5层时，逐渐趋向于一个常数。蒸腾速率的模拟误差在分层数小于5时，随分层数的增多而减少；当超过5层时，随分层数的增多而增大；当分层数超过10层时，模拟误差逐渐趋向于一个常数。冠层净光合模拟的理想分层数与蒸腾的分层数基本一致，表明在冠层尺度上光合和蒸腾具有相似的环境响应机制，共同受植物气孔行为的制约。要获得比较理想的碳通量的估计值，长白山针阔混交林冠层以分5～7层为宜。
(6)模型是否考虑Vc，max和Jmax对温度的响应，对净光合速率和蒸腾速率的影响极其敏感，特别是在温度较低时更是如此。在3月份，不考虑Vc，max和Jmax对温度的响应，会造成冠层净光合速率和蒸腾速率的系统性高估。但在夏季，考虑Vc，max和Jmax对温度的响应与否，模拟的光合速率和蒸腾速率的差别不大。在不同的叶氮水平下，模拟的冠层光合速率和蒸腾速率具有相同的日变化特征。水碳通量对叶氮总量具有极高的敏感性，随着叶氮总量的减少，固碳能力和蒸腾量将显著减小。叶氮总量减少50％，将造成光合量和蒸腾量降低31.8％和36.5％。精确的叶氮估算对提高冠层光合和蒸腾的模拟精度至关重要。
(7)模型模拟得出，随着大气CO2浓度的增加，NEP将增加，但蒸腾减弱，水分利用效率提高。当大气CO2浓度增加300Hmolmol-1时，NEP将增加27.9％，蒸腾降低35.1％，WUE增加61.6％。温度升高1～5℃时，模型模拟的生态系统净光合速率变化不大，但生态系统呼吸速率显著升高，造成生态系统的同碳能力显著减弱。在未来全球气候变暖的大背景下，长白山针阔混交林生态系统的碳汇功能将减弱。