基于涡动相关技术的森林生态系统二氧化碳通量研究进展

森林生态系统是陆地生态系统碳循环的重要组成部分,森林对大气二氧化碳(CO₂)浓度具有重要的调节作用,开展森林生态系统碳循环研究对更好地了解生物地球化学过程和应对全球气候变化具有重要的科学意义和应用价值。涡动协方差/涡动相关技术是目前应用最广泛的森林生态系统CO₂通量观测技术。讨论了基于该技术的森林生态系统CO₂通量研究的部分代表性成果,总结了当前森林生态系统CO₂通量的主要研究成果并对未来研究提出展望。目前,森林生态系统CO₂通量的研究主要集中于:①森林生态系统的碳源/汇估算;② CO₂通量观测源区/足迹的计算;③ CO₂通量动态特征的提取及其环境影响因子;④基于统计模型的森林生态系统物候特征参数的提取;⑤基于机理模型的气候系统对森林生态系统碳循环的影响。主要结论为:森林生态系统是陆地生态系统的重要碳汇,在对森林生态系统进行CO₂通量观测时需对其通量源区的空间代表性进行检验,森林生态系统碳源/汇状态受到树龄、降水和土壤含水量等因素的影响,空气温度是森林生态系统碳循环的重要影响因子。未来森林生态系统CO₂通量研究应该集中于提高通量足迹模型计算精度,讨论不同林分对大气CO₂的贡献强度。结合气候系统模型和生态生理模型建立植物生理过程参数化模型、预测气候变化对森林碳交换的影响。区域-全球尺度森林生态系统CO₂通量研究未来将关注多站点通量,气象数据长时间序列的整合分析,讨论CO₂通量气候态特征与碳源/汇的空间格局,更好地了解全球陆地生态系统碳循环机制。表1参64     

森林生态系统CO2通量研究方法与进展

介绍了森林生态系统CO2通量研究的主要方法：估算法、箱式法和微气象学法。其中微气象法包括空气动力学法、涡动相关法和涡动积聚法。着重介绍了涡动相关法的原理与应用，并对这几种研究方法分别进行了评价。最后概述了森林生态系统CO2通量研究的进展与展望。     

涡度相关技术在农田生态系统通量研究中的应用

阐述了涡度相关技术的基本原理、观测特征及影响因素,综述了其在我国农田生态系统水热、碳通量的研究进展和模型模拟,分析了农田通量的变化特征,对应用涡度相关技术开展农田地表—大气间水、热通量交换观测所面临的问题进行分析,指出目前存在的主要问题是通量数据修正方法的选择、数据的质量保证、通量模拟模型的尺度转换,对其在农田生态系统的应用提出建议,认为观测数据处理分析、通量数据的校正与评价、模型开发、增加观测站点、尺度推演、长期观测是未来研究的重点。     

淮河流域农田生态系统碳通量变化特征

利用涡度相关技术对安徽寿县冬小麦／水稻农田碳通量进行连续观测,结果显示：日变化呈典型的u型曲线,峰值均出现在11：00左右;CO2的月均日变化差异显著,6、10月以正值为主,农田生态系统表现为碳源,4、8月对CO2的吸收最为强烈;春、夏季CO2通量的日变化也呈现出典型的u型曲线,但是秋、冬季的碳通量日较差较小。COz通量各季的日总量表现为春季〉夏季〉冬季〉秋季,四季均为碳汇,春夏两季的碳汇能力明显强于秋冬季。     

气温变化对温带混交林生态系统CO2通量的影响

森林是陆地生态系统的主要碳汇。由于植物自身独有的生长特性,其生长状况和生理活动对气候变化的响应会影响森林生态系统碳循环过程。该研究以国际通量网(FLUXNET)注册站点,哈佛森林通量观测塔记录的2000—2012年局域尺度CO2通量和气温观测数据为基础,结合物候模型,分析气温变化对温带森林生态系统CO2通量的影响。结果表明:(1)2000—2012年NEE的最大值为298.13 g·m^-2·a^-1,出现在2010年,除2010和2011年之外,其它年份的年NEE均为负值。(2)NEE、GPP和气温与物候模型的拟合效果较好(R 2>0.8),显示温带混交林森林生态系统光合作用稳定期主要集中在夏季,植被生长状况是温带混交林森林生态系统碳循环的主导因素。(3)气温的变化量时间点(最大点、最小点和0点日期)与NEE、GPP的变化量时间点(最大点、最小点和0点日期)的线性拟合结果显示,气温与CO2通量存在显著的正相关关系(P<0.01),气温的变化影响温带混交林生态系统碳循环过程。     

环境因子对兴安落叶松林生态系统CO2通量的影响

采用涡度相关技术,研究了主要环境因子与兴安落叶松林生态系统CO2通量的关系。结果表明: 1)生长季,CO2通量表现出较显著的日变化特征,白天为碳吸收阶段, 12:30—13:30 CO2通量吸收出现峰值,而夜间为碳排放阶段,昼夜CO2通量变化幅度在-1.09~0.11mg/(m2·s)之间,生态系统整体表现出较强的碳汇特征;非生长季,昼夜CO2通量变化幅度在0~0.3mg/(m2·s)之间,生态系统整体表现为碳源。2)生长季光合有效辐射(PAR)与CO2通量呈对数相关(R2=0.4861),随PAR增强,生态系统碳汇能力增大,PAR是CO2通量的直接影响因子;非生长季CO2通量与PAR相关性不显著。3)在生长季,兴安落叶松林CO2通量与气温(ta)有很好的相关性,决定系数R2为0.6272,CO2通量随ta的升高而降低,ta是兴安落叶松林生态系统CO2通量的主要限制因子;非生长季的12月至次年2月份,气温的变化对CO2通量无显著作用。4)土壤温度(ts)和含水率(RH)对CO2通量的影响,主要体现在生态系统呼吸(Re)上,兴安落叶松林生态系统的土壤含水率在62%~87%之间,土壤含水率达到67%以上时,CO2通量基本上不受土壤水分大小的影响。在水分不成为CO2通量限制因子的情况下,土壤温度对兴安落叶松林生态系统CO2通量影响起主要作用,研究表明:土壤温度与CO2通量呈指数相关(生长季R2=0.2826,非生长季R2=0.2223);即在适当的温度范围内,土壤温度的升高会加速植物和微生物的代谢,从而增强森林生态系统的呼吸作用,促进CO2排放。      

北亚热带次生栎林生态系统非生长季 CO2通量特征1）

森林与大气之间CO2通量的观测有助于理解森林生态系统的碳循环及其控制机理,研究非生长季森林与大气间的CO2通量特征,对准确地估算森林生态系统CO2平衡具有重要的意义。以北亚热带次生栎林生态系统为研究对象,采用开路式涡度相关技术,于2011年12月1日至2012年2月29日对其CO2通量特征和环境因子进行连续观测。结果表明：非生长季该生态系统CO2通量具有较明显的日际变化特征,在白天表现为碳吸收, CO2通量在12：30—13：30达到吸收峰值,夜间表现为碳释放,昼夜通量变动范围为-0．37～0．23 mg? m-2?s-1;日平均气温维持在-3．36～11．67℃时,光合有效辐射与该生态系统CO2通量呈直线相关;5 cm处土壤温度与夜间CO2通量呈指数相关,但与土壤含水率之间相关性并不明显。     

麦田CO_2通量、热通量特征分析

为了评价麦田生态系统CO2通量和热通量变化特征以及CO2的收支状况,利用郑州农业气象试验站2009年10月-2010年6月冬小麦生育期内涡度观测数据,分析了麦田CO2通量、热通量变化特征。结果表明:净辐射、潜热通量、显热通量和土壤热通量日变化表现为明显的单峰特征,最大值一般出现在正午前后。其中,净辐射通量、显热通量和土壤热通量的季节变化特征较为一致,均为苗期<中期<后期;潜热通量受到叶面积指数(LAI)的影响,季节变化特征为苗期<后期<中期;CO2的季节变化特征受到LAI、热通量和下垫面特征的共同影响,形成1个CO2吸收高峰的U型曲线,季节变化特征为前期<后期<中期。冬小麦农田CO2、热通量具有明显的日变化和季节变化特征,麦田生态系统总体表现为CO2的汇。     

紫菜养殖海域秋冬季海气界面CO2足迹与通量

大型海藻光合作用是海洋初级生产力的来源之一,是海洋碳循环中关键的一环。基于涡度相关技术对浙江省洞头区霓屿岛紫菜养殖区海气界面CO₂的足迹与通量进行观测,获取了2014年11月至2015年2月间紫菜养殖海域海气界面CO₂通量数据,并进行碳足迹和碳通量分析。分析结果表明,观测数据能合理刻画人工紫菜养殖海区秋冬季海气界面的通量变化,秋冬季紫菜养殖海域表现出强烈的碳汇效应,海气界面CO₂通量伴随着紫菜生长与收割的不同阶段呈现出规律的变化。整个紫菜养殖周期内,海气界面的CO₂通量均值可达-1.45 μmol·m^-2·s^-1。     

用涡动相关技术观测长白山阔叶红松林蒸散特征

该文利用开路涡动相关系统测定了长白山阔叶红松林2003年蒸散量(潜热通量LE),并分析了其日、季变化特征.结果表明,该观测系统的能量平衡闭合度为86.5%,处于国际同类观测闭合度范围(60%～90%)的中上水平,说明长白山涡动相关法观测数据可信度较高.潜热通量与净辐射(Rn)呈二次曲线关系,与气温(Ta)呈指数关系,模拟出的LE日总量与Rn、Ta经验关系式,可对LE缺值进行插补.森林蒸散量日变化特点是白天高于夜间,中午最高,夜间潜热通量和显热通量(H)有低估的现象;季节变化特点是7、8月份蒸散量最高,冬季较低,且蒸散量在净辐射中所占的比例为生长季明显高于非生长季.该森林蒸散年总量为1 126.99 MJ/m2,相当于450.8 mm降水量,占年总降水量(538.4 mm)的83.7%. 关键词:森林蒸散, 能量平衡, 涡动相关法, 阔叶红松林      

排水措施对稻田CO_2通量的影响

采用涡度相关技术对水稻生长期稻田-大气间CO2通量进行了连续监测，研究了排水措施对稻田CO2通量的影响。结果表明，稻田CO2的吸收/排放受排水措施的影响显著，排水期白天CO2净吸收通量较淹水期偏低12％-20％，而夜间排放通量则偏高31％-52％，日均CO2净吸收通量下降16％-29％。不同生育期进行排水，对稻田CO2的吸收/排放通量的影响程度有较大差异。排水措施引起的稻田环境湿度（土壤水分）的降低是导致排水期稻田CO2排放增加和CO2净吸收减少的主要因素。     

二氧化碳气体检测研究进展

介绍了滴定法、气相色谱法、红外光谱法和电化学传感器检测CO2的最新研究进展,并就其工作原理和应用领域进行了阐述。     

温带森林土壤中的CO2排放通量

森林土壤是温室效应气体ＣＯ２的一个重要的源和汇，用碱吸收法在北京西山３种林地（未成林造林地，已郁闭幼林地和成林地）土壤中ＣＯ２的排放规律进行了原位研究，结果表明，林地土壤的年排放平均值为２８６mg.m^-2．h^-1,变动范围为－３４１．０３－１１９３．５９mg.m^-2．h^-1.3种森林土壤ＣＯ２排放通量的年平均值无显著差异，在一年中的变化趋势也基本相似，即夏季＞春季＞秋季＞冬季＞冬季甚至有吸收值出现。但不同季节不同土壤垢ＣＯ２排放通量却有明显不同，在干旱的春季和初夏，成林地＜幼林地＜造林地。而在水分较充足的雨季和秋季。成林地则相对较高，此外，林地土壤的ＣＯ２排放通量也有一定的昼夜变化趋势。土壤ＣＯ２排放量的变化受多种环境综合作用的影响，其中起决定作用的主要为土壤含水量、土壤温度和大气压等。     

基于FSAM模型的毛竹林碳通量贡献区研究

利用涡度相关观测系统,连续监测2013年安吉毛竹林生态系统二氧化碳通量及其相关因子的变化,应用FSAM模型,分析不同大气条件、不同风向下通量贡献区的分布及其随时间的变化。结果表明：通量贡献区范围在各风向均随大气稳定程度的增加而增加。在稳定的大气条件下,通量贡献区范围显著大于不稳定大气条件;大气稳定与不稳定条件下各风向源区的水平范围分别为20509~217692 m和7256~70939 m,横向范围分别为80236~88316 m和33792~39284 m;不同时间贡献区大小也有不同。通量贡献区9305%的信息来源于观测塔东南、东北、西北3个方向,比例分别为3745%、2743%与2817%。     

色季拉山急尖长苞冷杉林生长季倒木分解释放CO_2通量动态特征

通过对色季拉山急尖长苞冷杉(Abies georgei var.smithii)原始林内倒木分解释放CO2通量进行测定,分析了其生长季动态变化特征。结果表明:不同腐烂等级倒木分解释放CO2通量日变化不大,但随着倒木腐烂程度的加深,倒木释放CO2通量呈增大趋势,表现为3级腐烂2级腐烂1级腐烂,且差异显著(P0.05);不同腐烂等级倒木随季节变化其CO2通量具有相同的变化规律,均表现为8月6月10月4月;不同腐烂等级倒木释放的CO2通量都有随温度升高而增强的趋势,但增强幅度不同,1级腐烂增强幅度最小,2级腐烂次之,3级腐烂最大。     

陆地生态系统二氧化碳通量网的建设和发展

介绍了陆地生态系统CO2通量网和三个地域性CO2通量网（欧洲通量网，美洲通量网和亚洲通量网）的建设与发展状况，并着重对其建设目的，组织结构和数据共享原则等进行了评述。对欧洲通量网与美洲通量网所能提供的共享数据库的研究地点概况，数据特点和主要研究者也进行了介绍，以便国内同行进行对比研究使用。参考全球陆地在不同海拔，不同植被类型的分布比例，在陆地生态系统CO2通量网的分布进行了对比分析。并结合我国科学家在本领域的研究，对陆地生态系统CO2通量网今后的发展方向尤其是在亚洲大陆地区（我国）的研究侧重点进行了讨论。     

淮河流域典型农田生态系统碳通量变化特征

为了准确评价农田生态系统在全球碳平衡巾的作用,利用涡度相关技术对安徽省寿县冬小麦/水稻生态系统进行了碳通量的监测,并在数据校正、剔除和插补的基础上,研究生长季农田净生态系统碳交换(NEE)的变化特征.结果显示,2008年寿县农田生态系统CO_2通量的日变化进程为单峰型,冬小麦和水稻最大的CO_2吸收速率分别为2.45和2.48 mg·m~(-2)·s~(-1).从物候期的角度来看,冬小麦在抽穗期碳通量值最小,乳熟期最大;水稻拔节时期碳通量值最小,即固碳能力最强.冬小麦/水稻生态系统不同月份碳通量月均日变化也呈U型曲线,作物生命活动越旺盛,NEE峰值越高,夜间CO_2排放则在8月份达到最高值.2008年冬小麦和水稻月平均最大日CO_2吸收峰分别出现在4月和8月,分别为1.30和1.07 mg·m~(-2)·s~(-1).冬小麦生态系统NEE的日最大累积吸收量出现在4月16日,可达11.76 gC·m~(-2)·d~(-1),水稻生态系统的出现在8月3日,为10.40 sC·m~(-2)·d~(-1).冬小麦从拔节到成熟时间段内的固碳能力为326.87 gC·m~(-2),水稻从返青到成熟时间段内的固碳能力也达到了300.05 gC·m~(-2).