《Agricultural and Forest Meteorology》：Ecosystem-scale energy balance characteristics in mixed coniferous and broad-leaved forests in southwestern China
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赵坤|王云琦|马磊|李成|王凯|刘宣武|龚淑婷|牛晓东|郑永林|金川
中国北京林业大学水土保持学院三峡水库区（重庆）森林生态系统研究站，北京100083
摘要
混合针叶-阔叶林生态系统在中国南部广泛分布，具有重要的生态和经济价值。本研究基于2019至2023年为期五年的涡度协
赵坤|王云琦|马磊|李成|王凯|刘宣武|龚淑婷|牛晓东|郑永林|金川
中国北京林业大学水土保持学院三峡水库区（重庆）森林生态系统研究站，北京100083
摘要
混合针叶-阔叶林生态系统在中国南部广泛分布，具有重要的生态和经济价值。本研究基于2019至2023年为期五年的涡度协方差测量数据，在一个亚热带混合针叶-阔叶林中，利用机器学习和结构方程模型（SEM）探讨了地表能量通量的动态变化、驱动因素及其潜在机制。能量平衡闭合斜率在0.72至0.80之间，表明数据质量良好，并揭示了一种由物候控制的能量分配模式。显热通量（H）在叶片扩张期和休眠前期占主导地位，而潜热通量（LE）则在叶片成熟期占主导，这标志着从物理加热向生物物理控制的蒸腾作用的转变。机器学习分析发现不同的调控途径：H主要受净辐射（Rn）影响，而LE则始终受气孔导度（Gs）控制。随着叶面积指数（LAI）的增加，H的初始促进效应减弱，这可能是由于树冠热量储存的累积，直到储存能力达到饱和后，多余的能量主要分配给H。SEM量化了因果途径，表明H主要受直接环境因素的影响，尤其是Rn。相比之下，LE则遵循由Gs介导的植物生理途径。值得注意的是，SEM还发现了重要的间接效应，例如Rn增加了蒸汽压差（VPD），从而抑制了Gs并限制了LE。整合这些机制见解可以显著提高亚热带森林生态系统和气候模型中陆气相互作用的表述能力。
引言
生态系统能量平衡是陆地与大气之间物质和能量交换的关键环节，在准确预测区域气候、水文循环以及生态系统对全球变化的响应方面起着重要作用（Chen等人，2022；Gao等人，2019；Mauder等人，2024；Xiao和Bowker，2020；Xue等人，2023）。能量分配（即潜热通量（LE）、显热通量（H）和土壤热通量（G）是陆气热量和水交换的核心，直接影响碳-水耦合和气候反馈（Restrepo和Arain，2005；Ryu等人，2008）。这一过程受到植被生理（Jiao等人，2018；Xue等人，2011）以及降水（PPT）和净辐射（Rn）等气候因素的共同调控（Baldocchi，2003）。由于能量分配在生物过程和物理过程之间起到桥梁作用，其研究已成为陆气相互作用研究的重点（Bentamy等人，2017；Sadeghi等人，2021；Zhang等人，2024a）。
先前的研究表明，生态系统层面的能量分配存在显著的季节性、年际性和空间异质性（Matsumoto等人，2008）。传统观点认为LE和H的季节性峰值主要受Rn和PPT的影响（Richardson等人，2013；Chen等人，2009），但最新研究指出生物因素也很重要，其中气孔导度（Gs）可能比叶面积指数（LAI）具有更关键的调控作用（Launiainen等人，2016）。在气候变化的背景下，生长季节的延长可能会通过增加LE的分配加剧水资源消耗，从而降低碳汇潜力（Berdugo等人，2020）。这些差异在很大程度上取决于具体的生态系统。例如，在湿润地区，增加的Gs会增强蒸腾作用，从而提高LE并抑制H（Kibler等人，2023；Zhang等人，2022）。相反，在干燥条件或高蒸汽压差（VPD）下，气孔闭合会限制LE并将能量分配转向H（Admiral等人，2006）。此外，Guo等人（2011）在高山草地生态系统中的研究和Hsu与Dirmeyer（2022）在温带山地雨林中的研究揭示了LE与土壤含水量（VWC）之间的非线性关系，后者受到田间持水能力的强烈影响。
作为具有显著生态和经济价值的植被类型，混合针叶-阔叶林在全球亚热带地区广泛分布（Coll等人，2018；Li等人，2024）。它们独特的物种组成，包括多种树种的共存以及复杂的多层树冠结构，可能导致与纯森林或草地不同的能量分配模式（González de Andrés，2019；Palik和D’Amato，2019）。例如，Pejam等人（2006）观察到在混合林中，LE在生长季节大部分时间都超过H。相反，一项针对中国北方混交林的研究发现，由于水分限制，H是主导的能量成分，全年大部分时间都超过LE（Ma等人，2018）。尽管有这些发现，当前关于能量分配的研究主要集中在温带森林（Niu等人，2023；Restrepo和Arain，2005；Oliphant等人，2004；Wilson和Baldocchi，2000）、草地（Wang等人，2025；Wang等人，2023b；Chen等人，2022）和农田（Feng等人，2017；Wang等人，2020；Zheng等人，2024）上，对于混合针叶-阔叶林中能量通量的动态变化、驱动因素和非线性生物物理过程的系统理解仍然存在空白。特别是，环境因素（如Rn、VPD和土壤湿度）如何以复杂、非线性的方式相互作用来塑造H和LE的分配仍是一个未解决的科学问题（Gu等人，2006；Paul等人，2025；Sun等人，2025；Tong等人，2022）。在这个背景下，位于长江上游流域金云山的混合针叶-阔叶林代表了西南亚热带地区的典型混合森林生态系统。这种森林类型具有复杂的多层树冠结构和多样的树种组成，在区域水热循环和气候调节中发挥着重要作用，因此具有很强的代表性和发展价值。
为了解决这些问题，本研究利用了2019至2023年重庆金云山混合针叶-阔叶林的连续通量观测数据。通过应用极端梯度提升（XGBoost）和结构方程模型（SEM），我们旨在：（1）评估能量平衡闭合情况，并描述能量通量的季节性和年际动态变化；（2）量化不同因素对H和LE通量的相对贡献；（3）确定这些因素影响能量分配的直接和间接途径。阐明这些问题将加深对混合森林中水-热耦合过程的理解，并为改进区域气候模型和评估生态系统韧性提供科学依据。
章节摘录
研究地点描述
本研究在三峡水库区的金云山国家森林生态系统观测站进行（东经106°17′–106°24′，北纬29°41′–29°52′），位于重庆市北区，海拔范围为200–952米（图1）。该地区属于亚热带季风气候区，年平均气温约为13.6°C。每年70%以上的降水量集中在4月至9月之间。7月份开始出现干旱
生物因素和环境变量的变化
图2展示了关键的环境动态变化。春季到8月期间，气温（Ta）逐渐上升，达到季节性峰值后下降。区域降水量（PPT）表现出明显的季节性异质性，夏季达到最大值。土壤含水量（VWC）对主要降水事件（>30毫米）有明显的响应，但响应滞后于PPT的变化。蒸汽压差（VPD）呈现出单峰的季节性趋势，从春季逐渐增加到夏季
数据质量和能量分配模式
能量平衡闭合（EBC）是评估涡度协方差测量质量的重要基准，回归斜率和截距的具体值具有重要的物理意义（Foken，2008；Foken等人，2011；Mauder等人，2024）。2019至2023年间观察到的斜率范围在0.72至0.80之间，表明湍流通量相对于可用能量的系统低估是一个常见问题
结论
本研究阐明了2019至2023年间地表能量通量的动态变化和驱动因素。分析证实了能量平衡的稳定性，验证了该数据集用于研究显著的季节性能量分配的适用性。能量分配受物候控制，休眠期和早期生长阶段以H为主，而生长高峰期则以LE为主，这标志着从物理加热向生物物理控制的蒸腾作用的转变。XGBoost和SHAP分析揭示了非线性关系
CRediT作者贡献声明
赵坤：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，数据处理。王云琦：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。马磊：资源协调。李成：验证。王凯：数据处理。刘宣武：数据处理。龚淑婷：数据处理。牛晓东：验证。郑永林：资源协调，项目管理。金川：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，方法论。
