CN106885892A - 对森林生态系统蒸散量拆分的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种对森林生态系统蒸散量拆分的方法及装置，能够对森林生态系统蒸散量进行拆分，时间分辨率高，可具体精确到日尺度上。该方法包括：S1、计算基于同位素非稳定状态下森林生态系统蒸散水汽氧同位素组成、土壤蒸发水汽氧同位素组成和植被蒸腾水汽氧同位素组成；S2、根据所述森林生态系统蒸散水汽氧同位素组成、土壤蒸发水汽氧同位素组成和植被蒸腾水汽氧同位素组成对森林生态系统植被蒸腾量占总的蒸散量的比例、土壤蒸发量占总的蒸散量的比例进行拆分。

Description

对森林生态系统蒸散量拆分的方法及装置

技术领域

本发明涉及同位素技术领域，具体涉及一种对森林生态系统蒸散量拆分的方法及装置。

背景技术

森林生态系统蒸散量包括土壤蒸发量和植被蒸腾量，提高对蒸散组分的认识非常重要，因为其不仅蕴含着丰富的关于土壤-植被-大气系统(SPAC)水，热，碳交换的信息，而且有助于更好地理解水平衡和植物与水的反馈机制。然而，目前大部分对森林蒸散的研究都把蒸散当做一个混合的整体，而并未对其组分进行具体拆分。如何对蒸散组分进行定量拆分仍是生态水文学领域的一个重要挑战。

近年来，立轴积分腔输出光谱技术的发展实现了对大气水汽同位素的长期连续观测，并且得到的数据时间分辨率和准确性都很高，使得稳定同位素技术成为研究植物学和生态学的重要工具。森林生态系统蒸散涉及的土壤蒸发和植被蒸腾两个过程中，都涉及水的相变，会使氢氧同位素产生分馏。在蒸发过程中，较轻的H₂ ¹⁶O比包含一个重同位素的H₂ ¹⁸O有更高的水汽压，会率先从土壤中逃逸出去，使得土壤中的液态水重同位素富集，土壤蒸发水汽则重同位素贫化；类似的，植物蒸腾则导致叶片水中重同位素的富集。在蒸腾较强或同位素较稳定的状态下，蒸腾水蒸汽中的同位素成分与枝条木质部水中的同位素成分相似。植物根系吸收的水分向上运输到枝条时不会发生分馏。因此，植物蒸腾(低分馏)和土壤蒸发(高分馏)产生的水蒸汽有不同的H和O同位素成分。这种差异为拆分生态系统的蒸散提供了依据。国内外部分学者尝试基于稳定同位素技术对农地，灌木地，草地和林地生态系统蒸散量进行定量拆分。但是，这些研究绝大部分都是假定植物蒸腾在同位素稳定状态下发生的(δ_x＝δ_T)。在旷野状态下，植物蒸腾通常在同位素非稳定状态下且受环境因子的影响。部分学者研究了在同位素非稳定状态下蒸腾过程中叶片水中重同位素的富集。然而，这些研究多集中于对表面平坦的作物生态系统的研究，乔木由于树形高大，表面不规则，不确定性较多，对其生态系统的相关研究鲜见报道。

发明内容

针对现有技术存在的不足和缺陷，本发明提供一种对森林生态系统蒸散量拆分的方法及装置。

一方面，本发明实施例提出一种对森林生态系统蒸散量拆分的方法，包括：

S1、计算基于同位素非稳定状态下森林生态系统蒸散水汽氧同位素组成、土壤蒸发水汽氧同位素组成和植被蒸腾水汽氧同位素组成；

S2、根据所述森林生态系统蒸散水汽氧同位素组成、土壤蒸发水汽氧同位素组成和植被蒸腾水汽氧同位素组成对森林生态系统植被蒸腾量占总的蒸散量的比例、土壤蒸发量占总的蒸散量的比例进行拆分。

另一方面，本发明实施例提出一种对森林生态系统蒸散量拆分的装置，包括：

计算单元，用于计算基于同位素非稳定状态下森林生态系统蒸散水汽氧同位素组成、土壤蒸发水汽氧同位素组成和植被蒸腾水汽氧同位素组成；

拆分单元，用于根据所述森林生态系统蒸散水汽氧同位素组成、土壤蒸发水汽氧同位素组成和植被蒸腾水汽氧同位素组成对森林生态系统植被蒸腾量占总的蒸散量的比例、土壤蒸发量占总的蒸散量的比例进行拆分。

本发明实施例提供的对森林生态系统蒸散量拆分的方法及装置，计算基于同位素非稳定状态下森林生态系统蒸散水汽、土壤蒸发水汽、植被蒸腾水汽同位素组成，并据此对森林生态系统植被蒸腾量占总的蒸散量的比例、土壤蒸发量占总的蒸散量的比例进行区分。该方案可针对表面平坦以及不规则的林木生态系统进行蒸散量拆分，且时间分辨率高，可具体精确到日尺度上。

附图说明

图1为本发明对森林生态系统蒸散量拆分的方法一实施例的流程示意图；

图2为本发明对森林生态系统蒸散量拆分的装置一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图1，本实施例公开一种对森林生态系统蒸散量拆分的方法，包括：

S1、计算基于同位素非稳定状态下森林生态系统蒸散水汽氧同位素组成、土壤蒸发水汽氧同位素组成和植被蒸腾水汽氧同位素组成；

S2、根据所述森林生态系统蒸散水汽氧同位素组成、土壤蒸发水汽氧同位素组成和植被蒸腾水汽氧同位素组成对森林生态系统植被蒸腾量占总的蒸散量的比例、土壤蒸发量占总的蒸散量的比例进行拆分。

本发明实施例提供的对森林生态系统蒸散量拆分的方法，计算基于同位素非稳定状态下森林生态系统蒸散水汽、土壤蒸发水汽、植被蒸腾水汽同位素组成，并据此对森林生态系统植被蒸腾量占总的蒸散量的比例、土壤蒸发量占总的蒸散量的比例进行区分。该方案可针对表面平坦以及不规则的林木生态系统进行蒸散量拆分，且时间分辨率高，可具体精确到日尺度上。

下面对本发明的实现过程进行详细说明。

本发明首先需要进行森林生态系统相关参量的测量，具体包括如下四种：

1大气水汽δ¹⁸O长期连续观测

在样地内布设大气水汽δ¹⁸O原位监测系统，对森林生态系统近地面层(一般是地面以上0.05m处)和森林冠层处、背景大气(一般是18米处)的大气水汽δ¹⁸O、大气水汽浓度(mol·mol^-1)进行长期原位连续观测。δ¹⁸O的测量精度<±0.2‰，仪器输出的数据需要通过校准并且标准化后统一使用。

2植物和土壤样品δ¹⁸O的测定

选择典型晴天，在每天的7:00，9:00，11:00，13:00，15:00，17:00，19:00，21:00八个时间点分别进行采样。样地内选择3株长势较好的标准木，每株至少采集3个叶片、枝条样品，采集的叶片、枝条样品分别用锡箔纸包好，随后放入液氮罐低温冷冻保存，以防止样品的水分发生同位素分馏影响测试结果。

在对植物枝条、叶片样品采集的同时，分别从3棵采样木的无破坏表层土以下(0-5cm)取土壤样品，每株树下至少取3个土壤样品。土壤样品采集后，迅速装入50mL的离心管中，并用Pamfilm膜密封离心管。采集完样品后及时带回实验室，用于水分的提取。提取的水分用液态水同位素分析仪测定水样的δ¹⁸O，其测定精度可达0.1‰。

3叶片生理生态指标的测定

在对枝条、叶片样品进行采样前，需要先用Li-6400便携式光合作用测量系统对标准木树冠中上层叶片的蒸腾速率、气孔导度、叶片温度等生理生态参数进行测定。与此同时，从每棵标准木树冠的中上层收集10-20片叶，并保存在塑封袋中。收集的叶片带回实验室后，先用便携式叶面积测定仪分别测定每个单片叶的叶面积。随后用锋利的刀片切去叶柄部分，并用天平称量其鲜重。称量完毕后，将叶子置于烘箱中，在80℃下恒温烘48小时直至其重量恒定，然后测定其干重。对所有单片叶的叶面积、鲜重和干重分别求平均值，得到平均叶面积(LA)、平均鲜重(FW)和平均干重(DW)，以备后续使用。

4微气象数据的测定

在样地内布设自动观测气象站，对森林生态系统近地面层(一般是地面以上0.05m处)和森林冠层处的气象数据(至少包括大气温度、大气相对湿度)进行长期连续定位观测。此外，还需要在样地内土壤表层(一般是地面以下0-5cm米处)布设土壤温度数据长期观测设备。

之后，依据前述测量的参量即可进行蒸散拆分计算，包括如下步骤：

1)土壤蒸发水汽δ¹⁸O的确定

土壤蒸发过程中，土壤蒸发水汽重同位素发生贫化。蒸发水汽氧同位素的组成用δ_E表示，利用Craig-Gordon模型计算得到，具体公式如下：

式中：δ_TS为土壤蒸发表面(一般取地面以下0-0.05m深处土壤)液态水氧同位素组成；δ_V,S为近地面层大气(常取地面以上0.05m处大气)水汽氧同位素组成；h_V-S为近地面层的相对湿度，是近地面层大气实际水汽压与蒸发表面土壤的饱和水汽压之比，h_V-S的计算公式如下：

式中：T_S为土壤蒸发表面(一般取地面以下0-0.05m深处土壤)的温度(℃)；T_V,S和h_V,S分别为近地面层大气(常取地面以上0.05m处大气)的温度(℃)和相对湿度(％)。

(2)式中的是蒸发过程中与土壤温度相关的平衡分馏效应，表达式如下：

式中：T_S为土壤蒸发表面(一般取地面以下0-0.05m深处土壤)的开尔文温度(K)，ε_eq是平衡分馏系数，式中的ε_k1是土壤蒸发过程中的动力学分馏系数，常取1.0164。

2)植物蒸腾水汽δ¹⁸O的确定

以往对植物蒸腾水汽δ¹⁸O的多数研究都认为植物蒸腾水汽与植物木质部液态水有相近的同位素组成，即稳态假设。近些年来，有不少学者对这种稳态假设提出了质疑。事实上，稳态假设在旷野状态下很难达到，相关研究表明，植物蒸腾只有在正午时刻才近似接近稳态假设，而在其他时间都处于非稳态条件。稳态假设在较短的时间尺度(小时、分钟)难以满足，这必然会引起对植物蒸腾水汽δ¹⁸O估算的系统误差。

虽然根系吸收的水分在植物体内运输的过程并不会引起同位素组成的变化，但是植物蒸腾却会引起叶片水同位素的富集。相关研究表明，与植物蒸腾水汽δ¹⁸O直接相关的是叶片蒸发点液态水δ¹⁸O而不是叶片水δ¹⁸O，近年来研究者将修正后的Craig-Gordon模型用于植物蒸腾水汽δ¹⁸O的计算，表达式如下：

式中：δ_v,c为样地乔木冠层处大气水汽的同位素组成，h_v-c为相对湿度，是叶片周围的大气实际水汽浓度(w_a)与叶片胞间水汽浓度(w_i)的比值，δ_e为非稳态下叶片蒸发点水的同位素组成，用Farquhar&Cemusak模型计算得到：

δ_e＝(Δe)(1+δ_SS)+δ_SS (5)

式中：δ_SS为水源水(即根系从不同土壤深处吸收的水分的混合体)的同位素组成，由于根系吸收的水分向上运输到木质部时不会发生分馏，故δ_SS＝δ_x，δ_x为枝条木质部水的同位素组成，故用δ_x代替δ_SS。Δe为叶片蒸发点水同位素组成的判别值，表达式如下：

将公式(6)进行简化变形，得到下式：

式中：g为叶片总导度(mol·m^-2·s^-1)，g＝g_s+g_b，gs为叶片气孔导度(mol·m^-2·s^-1)，g_b为叶片边界层导度(mol·m^-2·s^-1)，W为叶片单位面积的含水量(mol·m^-2)，W＝(FW-DW)/LA/18，FW和DW分别为叶片鲜重(g)和干重(g)，LA为叶片面积(m²)。p为Peclet效应(水从叶脉向叶片边缘蒸发点运输时，会导致蒸发点¹⁸O富集，从而导致¹⁸O又会从叶片边缘蒸发点向叶脉逆向运输，这种效应称为Peclet效应)，计算公式如下：

E为蒸腾速率(mol·m^-2·s^-1)，L为叶脉到叶片边缘蒸发点的有效长度(m)，近些年来，很多学者发现L与E密切相关，因此常用公式：L＝2.36×10^-5E^-1.20来计算L；C为水密度(55.56·10³mol·m^-3)，D为水中H₂ ¹⁸O的扩散系数(m^-2·s^-1)，D＝119·10^-9exp(-637/(136.15+T_L))，T_L为叶片温度(℃)。

和α_k分别为蒸腾过程中的平衡分馏效应和动力分馏效应，α_k＝1+ε_k2，ε⁺为平衡分馏系数，ε_k2为动力分馏系数，其表达式分别为：

式中：T₁为叶片温度(K)，g_s为叶片气孔导度(mol·m^-2·s^-1)，g_b为叶片边界层导度(mol·m^-2·s^-1)。Δes为稳态下叶片蒸发点水的同位素组成，计算公式如下：

Δes＝ε⁺+ε_k2+(Δ¹⁸O_v,c-ε_k2)·h_v-c (11)

式中：Δ¹⁸O_v,c＝(δ_v,c-δ_x)/(1+δ_x)，W_t-1为上一个时间段的W，Δes_t-1为上一个时间段的Δes，Δt为时间间隔(s)。

3)森林生态系统蒸散水汽δ¹⁸O的确定

森林生态系统蒸散水汽同位素组成不能通过直接测定得到，而是通过Keeling曲线得到，该直线表达的是生态系统冠层处大气水汽同位素组成与其水汽浓度的倒数呈线性关系，Keeling直线在Y轴的截距即为蒸散水汽δ¹⁸O。具体表达式如下：

式中：δ_ebl和c_ebl分别为生态系统冠层处大气水汽同位素值和水汽浓度，δ_ET为森林生态系统蒸散水汽同位素组成，δ_a和C_a分别为背景大气的水汽同位素组成和水汽浓度。

4)蒸散量定量拆分

植物的蒸腾作用对总的蒸散量(ET)的贡献(F_T)可以由线性混合模型来计算，其表达式如下：

式中：δ_T和δ_E分别是植物蒸腾水汽和土壤蒸发水汽的同位素组成。

参看图2，本实施例公开一种对森林生态系统蒸散量拆分的装置，包括：

计算单元1，用于计算基于同位素非稳定状态下森林生态系统蒸散水汽氧同位素组成、土壤蒸发水汽氧同位素组成和植被蒸腾水汽氧同位素组成；

在具体应用中，所述计算单元，具体可以用于：

获取Keeling曲线在Y轴的截距，将所述截距确定为蒸散水汽δ¹⁸O，其中，所述Keeling曲线的表达方程如下：

式中：δ_ebl和c_ebl分别为生态系统冠层处大气水汽同位素值和水汽浓度，δ_ET为森林生态系统蒸散水汽同位素组成，δ_a和C_a分别为背景大气的水汽同位素组成和水汽浓度。

所述土壤蒸发水汽氧同位素组成δ_E的计算公式可以为：

式中，δ_TS为土壤蒸发表面液态水氧同位素组成；δ_V,S为森林生态系统近地面层大气水汽氧同位素组成；h_V-S为近地面层的相对湿度，是近地面层大气实际水汽压与蒸发表面土壤的饱和水汽压之比，计算公式为：

式中，T_S为土壤蒸发表面的温度，T_V,S和h_V,S分别为近地面层的温度和相对湿度，ε_eq是平衡分馏系数，

是蒸发过程中与土壤温度相关的平衡分馏效应，

T_S为土壤蒸发表面的开尔文温度，

ε_k1是土壤蒸发过程中的动力学分馏系数，取1.0164。

所述植被蒸腾水汽氧同位素组成δ_T的计算公式可以为：

式中，δ_v,c为样地乔木冠层处大气水汽的同位素组成，h_v-c为冠层处的相对湿度，是叶片周围大气的水汽浓度w_a与叶片胞间水汽浓度w_i的比值，δ_e为非稳态下叶片蒸发点水的同位素组成，计算公式为：

δ_e＝(Δe)(1+δ_x)+δ_x，

式中，δ_x为枝条木质部水的同位素组成，Δe为叶片蒸发点水同位素组成的判别值，

g为叶片总导度，

g＝g_s ⁺g_b，

g_s为叶片气孔导度，g_b为叶片边界层导度，W为叶片单位面积的含水量，W＝(FW-DW)/LA/18，FW和DW分别为叶片鲜重和干重，LA为叶片面积，p为Peclet效应，计算公式如下：

E为蒸腾速率，L为叶脉到叶片边缘蒸发点的有效长度，C为水密度，D为水中H₂ ¹⁸O的扩散系数，D＝119·10^-9exp(-637/(136.15+T_L))，T_L为叶片开尔文温度，和α_k分别为蒸腾过程中的平衡分馏效应和动力分馏效应，

ε⁺为平衡分馏系数，

ε_k2为动力分馏系数，

Δes为稳态下叶片蒸发点水的同位素组成，计算公式如下：

Δes＝ε++ε_k2+(Δ¹⁸O_v,c-εk2)·h_v-c，Δ¹⁸O_v,c＝(δ_v,c-δ_x)/(1+δ_x)，

W_t-1为上一个时间段的W，Δes_t-1为上一个时间段的Δes，Δt为时间间隔(s)。

拆分单元2，用于根据所述森林生态系统蒸散水汽氧同位素组成、土壤蒸发水汽氧同位素组成和植被蒸腾水汽氧同位素组成对森林生态系统植被蒸腾量占总的蒸散量的比例、土壤蒸发量占总的蒸散量的比例进行拆分。

本实施例中，所述森林生态系统植被蒸腾量占总的蒸散量的比例F_T的计算公式可以为：

上述装置可以执行前述任意一种对森林生态系统蒸散量拆分的方法，因而可以解决相同的技术问题，达到同样的技术效果。

综上所述，本发明实施例提供的对森林生态系统蒸散量拆分的装置，计算基于同位素非稳定状态下森林生态系统蒸散水汽、土壤蒸发水汽、植被蒸腾水汽同位素组成，并据此对森林生态系统植被蒸腾量占总的蒸散量的比例、土壤蒸发量占总的蒸散量的比例进行区分。该方案可针对表面平坦以及不规则的林木生态系统进行蒸散量拆分，且时间分辨率高，可具体精确到日尺度上。

以北京西山侧柏林生态系统为研究对象，基于稳定同位素技术对其生长季中日尺度上的蒸散量进行了定量区分。

1.研究地概况

该研究于2016年8月(选择8月5日、8月8日、8月10日、8月11日四个典型晴天进行采样)在首都圈森林生态系统定位研究站进行(40°34′N，116°54′E)，该站位于北京市西北部鹫峰国家森林公园内。样地内的侧柏林为50～60a人工纯林，林下仅有极少量灌木分布，为孩儿拳头(Grewiabiloba)、荆条(Vitexnegundo)、构树(Broussonetiapapyrifera)，基本没有草本生长。

2.大气水汽δ¹⁸O长期连续观测

在侧柏林样地内布设大气水汽δ¹⁸O原位监测系统，对侧柏林森林生态系统近地面层(地面以上0.05m处)和森林冠层处(8米处)、背景大气(是18米处)的大气水汽δ¹⁸O、大气水汽浓度(mol·mol^-1)进行了长期原位连续观测。

3.植物和土壤样品δ¹⁸O的测定

选择2016年8月5日、8月8日、8月10日、8月11日四个典型晴天，在每天的7:00，9:00，11:00，13:00，15:00，17:00，19:00，21:00八个时间点分别从3棵标准木冠层中上部采集枝条、叶片、土壤样品(每株树至少采集三个样品作为重复)。

采集完样品后及时带回实验室，用于水分的提取。提取的水分用液态水同位素分析仪测定水样的δ¹⁸O，其测量测定精度可达0.1‰。

4.叶片生理生态指标的测定

在对枝条、叶片样品进行采样前，需要先用Li-6400便携式光合作用测量系统对标准木树冠中上层叶片的蒸腾速率、气孔导度、叶片温度等生理生态参数进行测定。与此同时，从每棵标准木树冠的中上层收集10-20片叶，并保存在塑封袋中。收集的叶片带回实验室后，先用便携式叶面积测定仪分别测定每个单片叶的叶面积(LA)。随后用锋利的刀片切去叶柄部分，并用天平称量其鲜重(FW)。称量完毕后，将叶子置于烘箱中，在80℃下恒温烘48小时直至其重量恒定，然后测定其干重(DW)。

5.微气象数据的测定

在侧柏林样地内布设自动观测气象站，对森林生态系统近地面层(地面以上0.05m处)和侧柏林冠层处的气象数据(大气温度、大气相对湿度)进行长期连续定位观测。此外，还在样地内土壤表层(一般是地面以下0-5cm米处)布设土壤温度长期观测设备。

6蒸散拆分计算

如表1所示，四个测定日各个时刻侧柏林森林生态系统植被蒸腾量占总的蒸散量的比例介于82.11％～95.03％，且在中午12:00～14:00左右蒸腾量占总的蒸散量的比例达到最大，表明此时植被蒸腾耗水较大。总体来说，植被蒸腾量是蒸散量的主要组成部分，植被蒸腾耗水远远大于土壤蒸发耗水。

表1不同测定日蒸腾量占总的蒸散量的比例

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释呈反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。而且，可以单独使用本发明的每个方面和/或实施例或者与一个或更多其他方面和/或其实施例结合使用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种对森林生态系统蒸散量拆分的方法，其特征在于，包括：

S1、计算基于同位素非稳定状态下森林生态系统蒸散水汽氧同位素组成、土壤蒸发水汽氧同位素组成和植被蒸腾水汽氧同位素组成；

S2、根据所述森林生态系统蒸散水汽氧同位素组成、土壤蒸发水汽氧同位素组成和植被蒸腾水汽氧同位素组成对森林生态系统植被蒸腾量占总的蒸散量的比例、土壤蒸发量占总的蒸散量的比例进行拆分。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1，包括：

获取Keeling曲线在Y轴的截距，将所述截距确定为蒸散水汽δ¹⁸O，其中，所述Keeling曲线的表达方程如下：

式中：δ_ebl和c_ebl分别为生态系统冠层处大气水汽同位素值和水汽浓度，δ_ET为森林生态系统蒸散水汽同位素组成，δ_a和C_a分别为背景大气的水汽同位素组成和水汽浓度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述土壤蒸发水汽氧同位素组成δ_E的计算公式为：

式中，δ_TS为土壤蒸发表面液态水氧同位素组成；δ_V,S为森林生态系统近地面层大气水汽氧同位素组成；h_V-S为近地面层的相对湿度，是近地面层大气实际水汽压与蒸发表面土壤的饱和水汽压之比，计算公式为：

式中，T_S为土壤蒸发表面的温度，T_V,S和h_V,S分别为近地面层的温度和相对湿度，ε_eq是平衡分馏系数，

是蒸发过程中与土壤温度相关的平衡分馏效应，

T_S为土壤蒸发表面的开尔文温度，

ε_k1是土壤蒸发过程中的动力学分馏系数，取1.0164。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述植被蒸腾水汽氧同位素组成δ_T的计算公式为：

式中，δ_v,c为样地乔木冠层处大气水汽的同位素组成，h_v-c为冠层处的相对湿度，是叶片周围大气的水汽浓度w_a与叶片胞间水汽浓度w_i的比值，δ_e为非稳态下叶片蒸发点水的同位素组成，计算公式为：

δ_e＝(Δe)(1+δ_x)+δ_x，

式中，δ_x为枝条木质部水的同位素组成，Δe为叶片蒸发点水同位素组成的判别值，

g为叶片总导度，

g＝g_s+g_b，

g_s为叶片气孔导度，g_b为叶片边界层导度，W为叶片单位面积的含水量，W＝(FW-DW)/LA/18，FW和DW分别为叶片鲜重和干重，LA为叶片面积，p为Peclet效应，计算公式如下：

E为蒸腾速率，L为叶脉到叶片边缘蒸发点的有效长度，C为水密度，D为水中H₂ ¹⁸O的扩散系数，D＝119·10^-9exp(-637/(136.15+T_L))，T_L为叶片开尔文温度，和α_k分别为蒸腾过程中的平衡分馏效应和动力分馏效应，

ε⁺为平衡分馏系数，

ε_k2为动力分馏系数，

Δes为稳态下叶片蒸发点水的同位素组成，计算公式如下：

Δes＝ε⁺+ε_k2+(Δ¹⁸O_v,c-ε_k2)·h_v-c，Δ¹⁸O_v,c＝(δ_v,c-δ_x)/(1+δ_x)，

W_t-1为上一个时间段的W，Δes_t-1为上一个时间段的Δes，Δt为时间间隔。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述森林生态系统植被蒸腾量占总的蒸散量的比例F_T的计算公式为：

。

6.一种对森林生态系统蒸散量拆分的装置，其特征在于，包括：

计算单元，用于计算基于同位素非稳定状态下森林生态系统蒸散水汽氧同位素组成、土壤蒸发水汽氧同位素组成和植被蒸腾水汽氧同位素组成；

拆分单元，用于根据所述森林生态系统蒸散水汽氧同位素组成、土壤蒸发水汽氧同位素组成和植被蒸腾水汽氧同位素组成对森林生态系统植被蒸腾量占总的蒸散量的比例、土壤蒸发量占总的蒸散量的比例进行拆分。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述计算单元，具体用于：

获取Keeling曲线在Y轴的截距，将所述截距确定为蒸散水汽δ¹⁸O，其中，所述Keeling曲线的表达方程如下：

式中：δ_ebl和c_ebl分别为生态系统冠层处大气水汽同位素值和水汽浓度，δ_ET为森林生态系统蒸散水汽同位素组成，δ_a和C_a分别为背景大气的水汽同位素组成和水汽浓度。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述土壤蒸发水汽氧同位素组成δ_E的计算公式为：

式中，δ_TS为土壤蒸发表面液态水氧同位素组成；δ_V,S为森林生态系统近地面层大气水汽氧同位素组成；h_V-S为近地面层的相对湿度，是近地面层大气实际水汽压与蒸发表面土壤的饱和水汽压之比，计算公式为：

式中，T_S为土壤蒸发表面的温度，T_V,S和h_V,S分别为近地面层的温度和相对湿度，ε_eq是平衡分馏系数，

是蒸发过程中与土壤温度相关的平衡分馏效应，

T_S为土壤蒸发表面的开尔文温度，

ε_k1是土壤蒸发过程中的动力学分馏系数，取1.0164。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述植被蒸腾水汽氧同位素组成δ_T的计算公式为：

式中，δ_v,c为样地乔木冠层处大气水汽的同位素组成，h_v-c为冠层处的相对湿度，是叶片周围大气的水汽浓度w_a与叶片胞间水汽浓度w_i的比值，δ_e为非稳态下叶片蒸发点水的同位素组成，计算公式为：

δ_e＝(Δe)(1+δ_x)+δ_x，

式中，δ_x为枝条木质部水的同位素组成，Δe为叶片蒸发点水同位素组成的判别值，

g为叶片总导度，

g＝g_s+g_b，

g_s为叶片气孔导度，g_b为叶片边界层导度，W为叶片单位面积的含水量，W＝(FW-DW)/LA/18，FW和DW分别为叶片鲜重和干重，LA为叶片面积，p为Peclet效应，计算公式如下：

E为蒸腾速率，L为叶脉到叶片边缘蒸发点的有效长度，C为水密度，D为水中H₂ ¹⁸O的扩散系数，D＝119·10^-9exp(-637/(136.15+T_L))，T_L为叶片开尔文温度，和α_k分别为蒸腾过程中的平衡分馏效应和动力分馏效应，

ε⁺为平衡分馏系数，

ε_k2为动力分馏系数，

Δes为稳态下叶片蒸发点水的同位素组成，计算公式如下：

Δes＝ε⁺+ε_k2+(Δ¹⁸O_v,c-ε_k2)·h_v-c，Δ¹⁸O_v,c＝(δ_v,c-δ_x)/(1+δ_x)，

W_t-1为上一个时间段的W，Δes_t-1为上一个时间段的Δes，Δt为时间间隔。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述森林生态系统植被蒸腾量占总的蒸散量的比例F_T的计算公式为：

。