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森林生态系统水汽交换(蒸散)过程是国际研究的前沿问题。理解森林生态系统水分传输机制,一方面有助于认识人类活动对森林生态系统的影响；另一方面有助于揭示森林生态系统对未来气候变化的响应。森林生态系统水分传输机制涉及到土壤、植被和大气连续体相互作用的许多过程,这种相互作用的复杂性决定了必须将试验观测和模型模拟两种手段结合起来。本研究于2003年至2006年间在西双版纳热带季节雨林用涡度相关系统进行了湍流能量通量的观测,估算了该生态系统蒸散ET的大小,分析了森林蒸散ET的变化格局及其控制因子；评价了冠层气孔导度对湿度响应的模型；并在此基础上对EALCO模型(EcologicalAssimilationofLandandClimateObservation；基于土壤-植被-大气连续体的各种生物物理过程的综合模型)进行改进,然后对模型进行参数化和初始化,使其适合西双版纳热带季节雨林生态系统的环境状况,模拟出该森林生态系统蒸散的日变化和季节变化格局,并用实测数据对模型模拟的结果进行验证,最后利用EALCO模型模拟和预测了未来气候变化情景下该森林生态系统蒸散的响应。主要研究结论如下:
1)2003-2006年间西双版纳热带季节雨林年平均降雨量和年平均温度分别为1322mm和20.1℃,比43年(1959-2002年)来长期年平均状况略微偏低(长期年平均降雨量为1487mm,长期年平均温度为21.7℃)。四年研究期间该森林生态系统蒸散ET的平均年总量为1029mm,占平均年总降雨量的78％左右。雾凉季(11～2月)和干热季(3～4月)森林平均日蒸散量均为2.6mmday-1,雨季(5～10月)森林平均日蒸散量为3.1mmday-1。尽管雾凉季、干热季和雨季这三个季节的土壤含水量和气候条件差异很明显,但是这三个季节生态系统蒸散ET的日变化却具有相近的最大值。在干热季,森林蒸散ET主要是受控于土壤水分可利用性；在雨季前期(5～6月),森林蒸散ET主要由森林叶面积指数LAI决定的；而在雨季中期和后期(7～10月)以及雾凉季,天气条件在控制森林蒸散ET过程中起着主导的作用。在雨季,生态系统蒸散ET的季节总量通常低于其对应的总降雨量,但是在干季,生态系统蒸散ET的季节总量却明显高于其对应的总降雨量,干季蒸散比降雨多出的水量主要来源于前一年雨季地下土壤储存水分的消耗。因此,雨季该生态系统水分预算对其随后的干季的水分状况具有十分重要的作用。
2)本研究利用最新的诊断方法(Wangetal.2009a)和冠层尺度上的涡度相关系统观测的通量资料,评价了西双版纳热带季节雨林气孔导度对湿度的响应关系。研究结果表明:采用BWB模型来拟合诊断参数f(H)和空气相对湿度之间的关系时,得到了很弱的相关关系；林冠气孔导度在湿度高的状况下被低估,而在中低湿度状况下又被高估。如果采用Leuning模型对诊断参数f(H)与空气水汽压差的关系进行拟合,可以减少偏差,但是在湿度高的状况下仍然不能完美地模拟g随着水汽压差的增加而迅速下降的趋势。相比之下,采用基于幂函数的模型Wangmodel-ha和Wangmodel-Da(方程4.4和方程4.5)却能够较好地反映林冠气孔导度对湿度的响应关系。模型比较结果也显示,在雾凉季、于热季和雨季,Wangmodel-ha和Wangmodel-Da模型的模拟效果都优于BWB模型和Leuning模型,能够减少对气孔导度估计的偏差,为进一步改善热带季节雨林生态系统蒸散模拟的准确度提供了前提。
3)通过对EALCO模型进行改进,并将前面讨论的最优气孔导度模型引入到EALCO模型中的气孔导度模块,并对模型进行参数化和初始化。使EALCO模型更能真实地反映热带季节雨林生态系统的环境状况,然后应用该模型模拟出了西双版纳热带季节雨林生态系统蒸散特征,并用前面实际观测的数据对该模型进行了验证。从森林蒸散的日变化来看,模型在雾凉季和雨季能够较好的模拟森林蒸散的日变化格局,而在干热季对森林蒸散最大值出现低估现象。在晴天条件下,森林蒸散的日变化多呈现单峰型或接近单峰型的分布特征,这与空气温度和饱和水汽压差的变化趋势是一致的；在降水天气条件下,森林日蒸散量明显低于晴天条件下的森林日蒸散量；在多云天气条件下,森林日蒸散量也低于晴天条件下森林的日蒸散量。总的来说,模型在较短的时间步长(半小时)下能够较好地模拟热带季节雨林蒸散对环境条件的响应。改进后的EALCO模型也能够很好地模拟的该森林生态系统日蒸散的季节变化特征。2003～2006年模拟的平均年森林蒸散量(1045mmyear-1)略微偏高于实际观测的量(1029mmyear-1)。其中,平均年森林植被蒸腾量约占生态系统总蒸散量的82％左右,是森林蒸散的主要分量；森林林地土壤蒸发量占生态系统总蒸散量的9％左右,而雨季森林林地土壤蒸发量占蒸散量的比率最高,约为12％；森林植被冠层蒸发量约占生态系统总蒸散量的9％左右。
4)在对模型进行检验的基础上,利用模型的预测功能,对未来气候变化下西双版纳热带季节雨林生态系统的蒸散状况做出了预测。研究结果表明,气候变暖会使该森林生态系统年蒸散量增加6％左右,但在降雨减少情景下,该森林生态系统年蒸散量的增加值却减少了约2％,相反,在降雨增加的情景下,该森林生态系统年蒸散量的增加值却增加了约2％。在CO2浓度增加、温度升高的情况下,热带季节雨林生态系统年蒸散量减少10％左右,但在降雨减少情景下,该森林生态系统年蒸散量的减少值却增加了约2％,相反,在降雨增加的情景下,该森林生态系统年蒸散量的减少值却减少了约1％。