植物生态学报 ›› 2017, Vol. 41 ›› Issue (5): 497-505.DOI: 10.17521/cjpe.2016.0378
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刘晓1,2, 戚超1,2, 闫艺兰1,2, 袁国富1,2,,A;*
出版日期:
2017-05-10
发布日期:
2017-06-22
通讯作者:
袁国富
作者简介:
* 通信作者Author for correspondence (E-mail:基金资助:
Xiao LIU1,2, Chao QI1,2, Yi-Lan YAN1,2, Guo-Fu YUAN1,2,*
Online:
2017-05-10
Published:
2017-06-22
Contact:
Guo-Fu YUAN
About author:
KANG Jing-yao(1991-), E-mail: 摘要:
对近些年提出的两种生态系统水分利用效率指标——内在水分利用效率(IWUE)和固有水分利用效率(uWUE)与经典的水分利用效率(WUE)指标在黄土高原典型半干旱草地生态系统的应用情况进行了比较, 主要分析了不同指标在小时、日和年尺度上的一致性和稳定性, 并提出优化水分利用效率(oWUE)指标, 比较了不同定义的水分利用效率指标在模拟总初级生产力(GPP)逐日动态过程上的表现。结果显示: IWUE和uWUE适合在日和小时尺度分析植被的碳水耦合特征, WUE适合分析年尺度的碳水耦合特征; oWUE指标在描述碳水耦合特征方面与uWUE相比并没有本质性改善, 但在用于模拟GPP动态过程时模拟效果改善明显; 采用oWUE和uWUE指标能改善植被生长盛期的GPP动态过程模拟, 但在生长季早期和晚期的模拟效果比WUE差。IWUE指标不适合模拟GPP动态过程。
刘晓, 戚超, 闫艺兰, 袁国富. 不同生态系统水分利用效率指标在黄土高原半干旱草地应用的适宜性评价. 植物生态学报, 2017, 41(5): 497-505. DOI: 10.17521/cjpe.2016.0378
Xiao LIU, Chao QI, Yi-Lan YAN, Guo-Fu YUAN. Revised algorithm of ecosystem water use efficiency for semi-arid steppe in the Loess Plateau of China. Chinese Journal of Plant Ecology, 2017, 41(5): 497-505. DOI: 10.17521/cjpe.2016.0378
类型 Type | 符号 Symbol | 代号 Code | 表达式 Formulation | 单位 Unit |
---|---|---|---|---|
水分利用效率 Water use efficiency | WUE | WUE0 | GPP/ET | g ·kg-1 |
内在水分利用效率 Inherent water use efficiency | IWUE | WUE1.0 | GPP × VPD /ET | g hPa·kg-1 |
固有水分利用效率 Underlying water use efficiency | uWUE | WUE0.5 | GPP × VPD0.5 /ET | g hPa0.5·kg-1 |
优化水分利用效率 Optimal water use efficiency | oWUE | WUEk* | GPP × VPDk* /ET | g hPak*·kg-1 |
表1 不同生态系统水分利用效率指标的定义与单位
Table 1 Basic information for various algorithms of calculating water use efficiency at ecosystem level
类型 Type | 符号 Symbol | 代号 Code | 表达式 Formulation | 单位 Unit |
---|---|---|---|---|
水分利用效率 Water use efficiency | WUE | WUE0 | GPP/ET | g ·kg-1 |
内在水分利用效率 Inherent water use efficiency | IWUE | WUE1.0 | GPP × VPD /ET | g hPa·kg-1 |
固有水分利用效率 Underlying water use efficiency | uWUE | WUE0.5 | GPP × VPD0.5 /ET | g hPa0.5·kg-1 |
优化水分利用效率 Optimal water use efficiency | oWUE | WUEk* | GPP × VPDk* /ET | g hPak*·kg-1 |
时间尺度 Time scales | 水分利用 效率 WUE | 内在水分利 用效率 IWUE | 固有水分利 用效率 uWUE |
---|---|---|---|
小时尺度 Hourly time scales | | | |
日尺度 Daily time scales | | | |
年尺度 Yearly time scales | | | |
表2 不同水分利用效率指标在小时、日和年尺度的计算方法
Table 2 Algorithms for calculating water use efficiency (WUE) at hourly, daily and yearly time scale
时间尺度 Time scales | 水分利用 效率 WUE | 内在水分利 用效率 IWUE | 固有水分利 用效率 uWUE |
---|---|---|---|
小时尺度 Hourly time scales | | | |
日尺度 Daily time scales | | | |
年尺度 Yearly time scales | | | |
图1 2014-2016年生长季0.5 h尺度GPP (A, D, G)、GPP × VPD (B, E, H)、GPP × VPD0.5 (C, F, I)与ET之间的关系。ET, 蒸散量; GPP, 总初级生产力; VPD, 饱和水汽压差。Slope, 斜率。
Fig. 1 Relationship between GPP (A, D, G), GPP × VPD (B, E, H), GPP × VPD0.5 (C, F, I) and ET at hourly scale during the growing season of 2014-2016. ET, evapotranspiration; GPP, gross primary productivity; VPD, vapor pressure deficit.
图2 2014-2016年生长季日尺度GPP (A, D, G)、GPP × VPD (B, E, H)、GPP × VPD0.5 (C, F, I)与ET之间的关系。ET, 蒸散量; GPP, 总初级生产力; VPD, 饱和水汽压差。Slope, 斜率。
Fig. 2 Relationship between GPP (A, D, G), GPP × VPD (B, E, H), GPP × VPD0.5 (C, F, I) and ET at daily scale during the growing season of 2014-2016. ET, evapotranspiration; GPP, gross primary productivity; VPD, vapor pressure deficit.
年份 Year | 水分利用效率 WUE | 内在水分利用效率 IWUE | 固有水分利用效率 uWUE | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
相关 系数 r | 变异 系数 Cv | 日平均值 Mean daily value | 年值 Yearly value | 相关 系数 r | 变异 系数 Cv | 日平均值 Mean daily value | 年值 Yearly value | 相关 系数 r | 变异 系数 Cv | 日平均值 Mean daily value | 年值 Yearly value | |
2014 | 0.70 | 0.40 | 1.655 5 | 1.523 5 | 0.81 | 0.54 | 20.534 4 | 23.639 5 | 0.83 | 0.38 | 5.563 9 | 5.829 7 |
2015 | 0.55 | 0.33 | 1.134 4 | 1.075 7 | 0.81 | 0.42 | 16.993 5 | 18.173 0 | 0.83 | 0.30 | 4.274 9 | 4.327 4 |
2016 | 0.38 | 0.41 | 1.177 5 | 1.097 0 | 0.77 | 0.63 | 8.763 6 | 10.264 1 | 0.84 | 0.38 | 2.943 6 | 3.137 0 |
表3 2014-2016年日和年尺度水分利用效率(WUE)、内在水分利用效率(IWUE)和固有水分利用效率(uWUE)变化比较
Table 3 Comparisons of the daily and yearly values of water use efficiency (WUE), inherent water use efficiency (IWUE), and underlying water use efficiency (uWUE) in 2014-2016
年份 Year | 水分利用效率 WUE | 内在水分利用效率 IWUE | 固有水分利用效率 uWUE | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
相关 系数 r | 变异 系数 Cv | 日平均值 Mean daily value | 年值 Yearly value | 相关 系数 r | 变异 系数 Cv | 日平均值 Mean daily value | 年值 Yearly value | 相关 系数 r | 变异 系数 Cv | 日平均值 Mean daily value | 年值 Yearly value | |
2014 | 0.70 | 0.40 | 1.655 5 | 1.523 5 | 0.81 | 0.54 | 20.534 4 | 23.639 5 | 0.83 | 0.38 | 5.563 9 | 5.829 7 |
2015 | 0.55 | 0.33 | 1.134 4 | 1.075 7 | 0.81 | 0.42 | 16.993 5 | 18.173 0 | 0.83 | 0.30 | 4.274 9 | 4.327 4 |
2016 | 0.38 | 0.41 | 1.177 5 | 1.097 0 | 0.77 | 0.63 | 8.763 6 | 10.264 1 | 0.84 | 0.38 | 2.943 6 | 3.137 0 |
年份 Year | k*值 k* value | r (k = k*) | r (k = 0.5) | |||
---|---|---|---|---|---|---|
小时尺度 Hourly | 日尺度 Daily | 小时尺度 Hourly | 日尺度 Daily | 小时尺度 Hourly | 日尺度 Daily | |
2014 | 0.42 | 0.40 | 0.76 | 0.85 | 0.75 | 0.83 |
2015 | 0.36 | 0.40 | 0.75 | 0.84 | 0.74 | 0.83 |
2016 | 0.38 | 0.37 | 0.82 | 0.85 | 0.80 | 0.84 |
表4 2014-2016年小时与日尺度优化水分利用效率(oWUE)的k*值及与固有水分利用效率(uWUE)的相关系数(r)比较
Table 4 k* values of optimal water use efficiency (oWUE) and its correlation coefficient (r) with oWUE and underlying water use efficiency (uWUE) at the hourly and daily scales during 2014-2016
年份 Year | k*值 k* value | r (k = k*) | r (k = 0.5) | |||
---|---|---|---|---|---|---|
小时尺度 Hourly | 日尺度 Daily | 小时尺度 Hourly | 日尺度 Daily | 小时尺度 Hourly | 日尺度 Daily | |
2014 | 0.42 | 0.40 | 0.76 | 0.85 | 0.75 | 0.83 |
2015 | 0.36 | 0.40 | 0.75 | 0.84 | 0.74 | 0.83 |
2016 | 0.38 | 0.37 | 0.82 | 0.85 | 0.80 | 0.84 |
图3 2015年日尺度总初级生产力(GPP)实测值与模拟值的比较及其NSE值(A和E为水分利用效率, B和F为内在水分利用效率, C和G为固有水分利用效率, D和H为优化水分利用效率)。NSE, 纳什效率系数。
Fig. 3 Comparisons between observed and predicted daily gross primary production (GPP) in 2015: A and E with water use efficiency, B and F with inherent water use efficiency, C and G with underlying water use efficiency, and D and H with optimal water use efficiency. NSE, Nash-Sutcliffe efficiency coefficient.
[1] | Baldocchi D (1994). A comparative study of mass and energy exchange rates over a closed C3 (wheat) and an open C4 (corn) crop: II. CO2 exchange and water use efficiency.Agricultural and Forest Meteorology, 67(3-4), 291-321. |
[2] | Battipaglia G, Saurer M, Cherubini P, Calfapietra C, McCarthy HR, Norby RJ, Cotrufo MF (2013). Elevated CO2 increases tree-level intrinsic water use efficiency: Insights from carbon and oxygen isotope analyses in tree rings across three forest FACE sites.The New Phytologist, 197, 544-554. |
[3] | Beer C, Ciais P, Reichstein M, Baldocchi D, Law BE, Papale D, Soussana JF, Ammann C, Buchmann N, Frank D, Gianelle D, Janssens IA, Knohl A, Kostner B, Moors E, Roupsard O, Verbeeck H, Vesala T, Williams CA, Wohlfahrt G (2009). Temporal and among-site variability of inherent water use efficiency at the ecosystem level. Global Biogeochemical Cycles, 23, GB2018. doi: 10.1029/ 2008GB003233. |
[4] | Beer C, Reichstein M, Ciais P, Farquhar GD, Papale D (2007). Mean annualGPP of Europe derived from its water balance. Geophysical Research Letters, 34, L05401, doi:10.1029/2006GL029006, 2007. |
[5] | Farquhar G (1977). Stomatal function in relation to leaf metabolism and environment: Stomatal function in the regulation of gas exchange.Symposia of the Society for Experimental Biology, 31, 471-505. |
[6] | Grossiord C, Gessler A, Granier A, Pollastrini M, Bussotti F, Bonal D (2014). Interspecific competition influences the response of oak transpiration to increasing drought stress in a mixed Mediterranean forest.Forest Ecology and Management, 318, 54-61. |
[7] | Hu ZM, Yu GR, Wang QF, Zhao FH (2009). Ecosystem level water use efficiency: A review.Acta Ecologica Sinica, 29, 1498-1507. (in Chinese with English abstract)[胡中民, 于贵瑞, 王秋凤, 赵风华 (2009). 生态系统水分利用效率研究进展. 生态学报, 29, 1498-1507.] |
[8] | Keenan TF, Hollinger DY, Bohrer G, Dragoni D, Munger JW, Schmid HP, Richardson AD (2013). Increase in forest water-use efficiency as atmospheric carbon dioxide concentrations rise.Nature, 499, 324-327. |
[9] | Legates DR, McCabe GJ (1999). Evaluating the use of “goodness-of-fit” measures in hydrologic and hydroclimatic model validation.Water Resources Research, 35, 233-241. |
[10] | Leonardi S, Gentilesca T, Guerrieri R, Ripullone F, Magnani F, Mencuccini M, Noije TV, Borghetti M (2012). Assessing the effects of nitrogen deposition and climate on carbon isotope discrimination and intrinsic water-use efficiency of angiosperm and conifer trees under rising CO2 conditions.Global Chang Biology, 18, 2925-2944. |
[11] | Niu SL, Xing XR, Zhang Z, Xia JY, Zhou XH, Song B, Li LH, Wan SQ (2011). Water-use efficiency in response to climate change: From leaf to ecosystem in a temperate steppe.Global Change Biology, 17, 1073-1082. |
[12] | Priestley GHB, Taylor RJ (1972). On the assessment of surface heat flux and evaporation using large-scale parameters.Monthly Weather Review, 100, 81-92. |
[13] | Scanlon TM, Albertson JD (2004). Canopy scale measurements of CO2 and water vapor exchange along a precipitation gradient in southern Africa.Global Change Biology, 10, 329-341. |
[14] | Singh JS, Gupta SR (1977). Plant decomposition and soil respiration in terrestrial ecosystems.Botanical Review, 43, 499-528. |
[15] | Wang SG, He GJ, Liu DS, Wang XQ (2008). Advances in carbon cycle model of forest ecosystem.Science & Technology Review, 26(9), 72-77. (in Chinese with English abstract)[王绍刚, 何国金, 刘定生, 汪小钦 (2008). 森林碳循环模型方法研究进展. 科技导报, 26(9), 72-77.] |
[16] | Wohlfahrt G, Haslwanter A, Hortnagl L, Jasoni RL, Fenstermaker LF, Arnone JA, Hammerle A (2009). On the consequences of the energy imbalance for calculating surface conductance to water vapour.Agricultural and Forest Meteorology, 149, 1556-1559. |
[17] | Yang YT, Long D, Shang SH (2013). Remote estimation of terrestrial evapotranspiration without using meteorological data.Geophysical Research Letters, 40, 3026-3030. |
[18] | Yu GR, Wang QF et al.(2010). Ecophysiology of Plant Photosynthesis,Transpiration, and Water Use. Science Press, Beijing. (in Chinese)[于贵瑞, 王秋凤等 (2010). 植物光合、蒸腾与水分利用的生理生态学 . 科学出版社, 北京.] |
[19] | Zhang LX, Hu ZM, Fan JW, Shao QQ, Tang FP (2014). Advances in the spatiotemporal dynamics in ecosystem water use efficiency at regional scale.Advances in Earth Science, 29, 691-699. (in Chinese with English abstract)[张良侠, 胡中民, 樊江文, 邵全琴, 唐风沛 (2014). 区域尺度生态系统水分利用效率的时空变异特征研究进展. 地球科学进展, 29, 691-699.] |
[20] | Zhao C, Yuan GF, Liu X, Shao MA, Yi XB (2015). Application of cosmic-ray method to soil moisture measurement of grassland in the Loess Plateau.Acta Pedologica Sinica, 52, 1438-1444. (in Chinese with English abstract)[赵纯, 袁国富, 刘晓, 邵明安, 易小波 (2015). 宇宙射线土壤水分观测方法在黄土高原草地植被的应用. 土壤学报, 52, 1438-1444.] |
[21] | Zhou S, Yu B, Huang Y, Wang G (2014). The effect of vapor pressure deficit on water use efficiency at the subdaily time scale.Geophysical Research Letters, 41, 5005-5013. |
[22] | Zhou S, Yu B, Huang Y, Wang G (2015). Daily underlying water use efficiency for AmeriFlux sites.Journal of Geophysical Research Biogeosciences, 120, 887-902. |
[1] | 李伟斌, 张红霞, 张玉书, 陈妮娜. 昼夜不对称增温对长白山阔叶红松林碳汇能力的影响[J]. 植物生态学报, 2023, 47(9): 1225-1233. |
[2] | 郑周涛, 张扬建. 1982-2018年青藏高原水分利用效率变化及归因分析[J]. 植物生态学报, 2022, 46(12): 1486-1496. |
[3] | 韩璐, 杨菲, 吴应明, 牛云明, 曾祎明, 陈立欣. 晋西黄土区典型乔灌木短期水分利用效率对环境因子的响应[J]. 植物生态学报, 2021, 45(12): 1350-1364. |
[4] | 周雄, 孙鹏森, 张明芳, 刘世荣. 西南高山亚高山区植被水分利用效率时空特征及其与气候因子的关系[J]. 植物生态学报, 2020, 44(6): 628-641. |
[5] | 冯兆忠, 李品, 张国友, 李征珍, 平琴, 彭金龙, 刘硕. 二氧化碳浓度升高对陆地生态系统的影响: 问题与展望[J]. 植物生态学报, 2020, 44(5): 461-474. |
[6] | 艾则孜提约麦尔·麦麦提, 玉素甫江·如素力, 何辉, 拜合提尼沙·阿不都克日木. 2000-2017年新疆天山植被水分利用效率时空特征及其与气候因子关系分析[J]. 植物生态学报, 2019, 43(6): 490-500. |
[7] | 李鑫豪, 闫慧娟, 卫腾宙, 周文君, 贾昕, 查天山. 油蒿资源利用效率在生长季的相对变化及对环境因子的响应[J]. 植物生态学报, 2019, 43(10): 889-898. |
[8] | 冯朝阳, 王鹤松, 孙建新. 中国北方植被水分利用效率的时间变化特征及其影响因子[J]. 植物生态学报, 2018, 42(4): 453-465. |
[9] | 徐婷, 赵成章, 韩玲, 冯威, 段贝贝, 郑慧玲. 张掖湿地旱柳叶脉密度与水分利用效率的关系[J]. 植物生态学报, 2017, 41(7): 761-769. |
[10] | 黄小涛, 罗格平. 新疆草地蒸散与水分利用效率的时空特征[J]. 植物生态学报, 2017, 41(5): 506-518. |
[11] | 王丹, 乔匀周, 董宝娣, 葛静, 杨萍果, 刘孟雨. 昼夜不对称性与对称性升温对大豆产量和水分利用的影响[J]. 植物生态学报, 2016, 40(8): 827-833. |
[12] | 范嘉智, 王丹, 胡亚林, 景盼盼, 王朋朋, 陈吉泉. 最优气孔行为理论和气孔导度模拟[J]. 植物生态学报, 2016, 40(6): 631-642. |
[13] | 孔庆仙, 夏江宝, 赵自国, 屈凡柱. 不同地下水矿化度对柽柳光合特征及树干液流的影响[J]. 植物生态学报, 2016, 40(12): 1298-1309. |
[14] | 任青吉, 李宏林, 卜海燕. 玛曲高寒沼泽化草甸51种植物光合生理和叶片形态特征的比较[J]. 植物生态学报, 2015, 39(6): 593-603. |
[15] | 全先奎, 王传宽. 帽儿山17个种源落叶松针叶的水分利用效率比较[J]. 植物生态学报, 2015, 39(4): 352-361. |
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