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205.09~2 176.92 m和72.56~709.39 m,横向范围分别为802.36~883.16 m和337.92~392.84m;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%。     

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。     

兴安落叶松林通量观测足迹与源区分布

基于Korman和Meixner理论提出的适用于涡动相关系统通量足迹方法,利用内蒙古自治区大兴安岭森林生态系统国家野外科学观测研究站兴安落叶松林生态系统的不同风向、大气稳定状态、生长季和非生长季通量观测数据,分析兴安落叶松林通量足迹以及贡献源区的分布,为今后大兴安岭地区兴安落叶松生态系统通量变化及影响因素对比研究提供依据。结果表明,以80%通量源区为测算对象,不同风向下大气处于稳定状态时,观测的通量源区主风向东北风-北风风向下面积最大,最大主风向源区面积要比不稳定时主风向源区面积大近36%。生长季源区在任何状态时均非生长季,在大气稳定状态时生长季源区面积非生长季近15%,大气不稳定状态时生长季源区面积非生长季9%。在大气处于稳定状态时不同风向下,源区横风峰值不稳定状态时的峰值,源区达到峰值距离约为稳定时的2倍。当大气处于稳定状态时,生长季的横风积峰值和源区峰值距离均非生长季。兴安落叶松林生长季时呼吸、光合作用加强,使得地与气之间的湍流物质交换频繁;主风方向通量源区面积非生长季,在大气稳定状态时,湍流混合充分,通量塔的信息来自主风方向,使得通量源区面积和空间范围扩大。     

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。     

农田CO2通量观测的研究进展

多角度认识农田生态系统在CO_2源或汇的问题有助于中国制定正确的农业管理措施,通过减少农田生态系统碳的排放或增加碳的储存,可以使中国在国际排放权的争夺中处于主动地位;笔者总结了国内外最新文献中农田CO_2交换量的研究现状和通量观测方法;对近年来国内外农田生态系统CO_2交换量研究所取得的进展进行了详细阐述,并介绍了测量农田生态系统CO_2通量的微气象法和箱法等通量观测的代表性方法,列表说明了涡度相关法、静态透明箱法、静态暗箱法三者存在的优缺点。分析了提高农田生态系统碳交换测定通量的准确性的途径及扩大不同农作物CO_2测定量的适用范围;对农田生态系统CO_2交换量观测全面深入研究提出了一些建议和展望。     

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     

海南岛橡胶林通量足迹与源区分布研究

为分析影响橡胶林通量观测数据质量的因素,利用农业部儋州热带农业资源与生态环境重点野外试验站50m高通量观测塔2010年12个月连续的通量观测资料,应用Schmid的FSAM（Flux．Source Area Model）模式,分析不同大气条件下橡胶林通量足迹与源区分布特征。结果表明：（1）在大气不稳定状态时,通量各传感器测得的信息源区比大气稳定状态时源区面积相对较小;在相同贡献率水平下,大气稳定状态生长季节观测到的通量信息源区面积比非生长季节的信息源区面积大,大气不稳定状态非生长季节的通量信息源区面积比生长季节的信息源区面积大。（2）盛行风方向在110°-250°时,生长季大气不稳定情况下,通量测量的信息源区（P=80％）迎风方向范围在100—758m之间,垂直于迎风方向范围在-251—251m之间,非生长季大气不稳定情况下,迎风方向和垂直迎风方向的范围较均值略大些;生长季稳定条件下,迎风方向和垂直迎风方向的范围分别为173—1858m和-534—534m,非生长季稳定条件下,迎风方向和垂直迎风方向的范围较均值略小些。（3）风向在0°-110°,250°-360°时,与盛行风方向上的通量信息源区面积相比,橡胶林大气处于稳定状态,其通量信息源区面积范围明显要高,但在非稳定大气状态时,二者相差不大。     

天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统水汽通量特征

利用涡度相关技术研究了2013年7月至2014年6月浙江天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统水汽通量变化特征,结合气象要素的观测,进一步分析了净辐射对水汽通量的影响。结果表明:浙江天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统全年水汽通量基本为正值,各月水汽通量日变化趋势基本呈单峰型曲线,7月水汽通量峰值最大（0.115 gm－2s－1）,1月最小（0.029 gm－2s－1）。四季的水汽通量平均日变化中,峰值的大小为夏季＞春季＞秋季＞冬季。生态系统全年蒸散量为721.25 mm, 在相近纬度的不同类型森林生态系统中处于较低水平,全年蒸散量占降雨量的51.46%,各月蒸散量均小于降雨量。生态系统全年净辐射为3 305.65 MJm－2a－1。季节尺度上,对生态系统水汽通量与净辐射进行回归分析,显示四季的相关性都极显著。夏季相关系数（R2）最大,为0.500,其次为春季（0.318）,秋季（0.232）,冬季最低（0.125）。图6表2参28     

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).     

中亚热带人工针叶林生态系统碳通量拆分差异分析

涡度通量观测可直接获取陆地生态系统与大气之间CO₂净交换量(NEE),但深入认识碳循环过程和校验生态系统模型需要不同时间尺度总初级生产力(GPP)和生态系统呼吸(Re)等碳通量数据。利用中国陆地生态系统通量观测与研究网络(ChinaFLUX)中亚热带人工针叶林生态系统2003-2009年的涡度通量和气象观测数据,分析了两种NEE拆分方法对不同时间尺度GPP和Re评估的影响,结果表明:(1)两种拆分方法得到的生态系统碳通量组分(GPP和Re)的季节动态变化一致,都在生长季7、8月份达到峰值;(2)非线性回归模型拆分得到的全年Re和GPP相较于光响应曲线模型分别高出2%-28.6%和1.6%-23%,最大高出317.6 gC·m^-2·a^-1(2006年),逐月最大差值主要发生在8、9月份;(3)不同时间尺度上,两种方法拆分得到的GPP 和Re之间差值的环境响应因子不同。在广泛采用非线性回归模型进行拆分时,如果当月光合有效辐射接近到905 mol·m^-2·月^-1,月平均空气饱和水汽压差接近1.18 kPa时,需要考虑使用光响应曲线模型拆分该月通量,结合两种拆分方法以减小全年的误差。     

太湖源雷竹林水汽通量变化及其对净辐射的响应

利用涡度相关观测技术研究了2010年10月至2011年9月浙江省临安市太湖源镇人工高效雷竹Phyllostachys violascens林生态系统的水汽通量变化特征,同时结合常规气象观测数据,分析了水汽通量对净辐射的响应。结果显示:雷竹林全年水汽通量基本为正值,夏季最高,春秋季变化特征相似,冬季最低 ,最高月份为7月,最低月份为1月。实验区全年降水量为1 201.72 mm,蒸散量为669.84 mm,蒸散量占全年降水量的55.74%,较人工针叶林,落叶松Larix gmelinii林,红松Pinus koraiensis林,柞树Xylosma racemosum林,杂木林,杉木Cunninghamia lanceolata林等,雷竹林蒸散量偏低。2月、10月和12月蒸散量略大于降水量,其余月份蒸散量均小于当月降水量,以6月份降水量与蒸散量差别最大。雷竹林水汽通量与当地净辐射有极显著的相关性,其相关系数为0.600～0.017。图4表1参13     

覆盖经营雷竹林的土壤热通量季节变化特征

2010年10月至2011年9月,运用土壤热通量板和常规气象观测仪器对浙江省临安市太湖源镇覆盖经营的雷竹Phyllostachys violascens林土壤热通量和气象因子进行了观测研究。结果表明:在月尺度上5 cm土壤热通量日变化均成S形,但月均值差异明显（P＜0.05）。年尺度土壤是热源,净年热通量为-20.01 MJm－2,土壤月均值热通量占月净辐射的－6.2%~3.5%,年总值为净辐射的－0.67%。分析地温、净辐射因素与土壤热通量的关系,土壤热通量与5 cm,50 cm和100 cm土壤温度月均值回归研究表明:与5 cm相关性最显著,说明土壤温度变化是以热通量变化为基础的。土壤热通量月均值与净辐射显著相关（P＜0.05）。覆盖的雷竹林12－3月土壤为热源,土壤热通量负向数值减小,说明覆盖物减少了土壤能量辐射。图5参16     

北亚热带次生栎林生态系统呼吸作用对温度的响应

为了弄清森林生态系统碳源、碳汇的时空格局,为预测全球气候变化提供相应的数据积累,运用涡度相关技术对北亚热带次生栎林生态系统进行C02通量观测,得到2007年12月至2008年11月的碳通量数据。对非生长季（12月至翌年2月）全天与生长季（3-11月）夜间的通量值（即呼吸值）与气温和土温的响应关系分析表明：呼吸作用大小与气温和土温呈现出显著的Van’t Hoff指数相关关系。其中,非生长季的呼吸值与气温拟合效果最佳,生长季夜间的呼吸值与土温拟合效果最佳。     

人工高效经营雷竹林CO2通量估算及季节变化特征

利用涡度相关技术观测高效经营雷竹林生态系统的1a碳通量变化过程,初步计算分析了碳收支以及影响的环境因子。数据结果表明,雷竹林系统全年碳收支情况为碳汇,固碳能力小于毛竹林和杉木林,同时也小于水稻田和北方农田。全年净生态系统碳交换量(NEE)为-126.303Cg·m^-2·a^-1,生态系统呼吸(RE)为1108.845 Cg·m^-2·a^-1,生态系统总交换量(GEE)为-1235.15Cg·m^-2·a^-1。其中冬季(12月-2月)覆盖时为碳源,其余月份为碳汇。各月碳吸收量以11月最高,6月次之,呈双峰变化,碳排放量以1月为最高。计算全年平均固碳效率为11%,12-2月为负值,11月最高33%。生态系统呼吸呈单峰变化,以夏季最高,冬季覆盖提高地温后生态系统呼吸随之增加,全年RE受温度影响显著成指数关系。人工经营下温度是影响雷竹林CO₂通量过程的主要因素,同时大量有机物覆盖增加了碳排放。     

硅对雷竹抗旱性的影响

分析施硅对干旱胁迫下雷竹Phyllostachys violascens生理生化性状的影响,探讨施硅对雷竹抗旱性的影响机制。采用水培实验的方法,以聚乙二醇（PEG 6000）模拟干旱胁迫,外加不同浓度的硅,测定它们对雷竹叶片可溶性糖质量分数、脯氨酸质量分数、过氧化物酶活性、过氧化氢酶活性及光合参数等指标的影响。研究表明:干旱胁迫下,与对照相比,不施硅处理雷竹叶片可溶性糖、脯氨酸质量分数及过氧化物酶活性分别上升至487.89 molg－1,57.52 gg－1和178.125 molg－1min－1分别高出对照59.00%,38.47%和32.56%,过氧化氢酶活性下降至56.11 molg－1min－1,低于对照18.3%,光合作用显著受到抑制。施硅处理雷竹叶片可溶性糖、脯氨酸及过氧化物酶活性较不施硅处理雷竹叶片的显著降低,与处理2（PEG 6000）相比,处理3［PEG 6000+1.8 mmolL－1 Si（二氧化硅）］分别降低了50.31%,35.94%和50.88%;处理4［PEG 6000+5.4 mmolL－1 Si］分别降低了43.69%,44.77%和68.42%。同时,过氧化氢酶活性显著上升,与处理2（PEG 6000）相比,处理3上升21.91%;处理4上升25.87%,光合参数显著增强。干旱胁迫条件下施硅处理可以提高雷竹的抗旱性。图4表1参26     

林地覆盖经营对雷竹叶片主要养分特征的影响

为揭示林地覆盖经营雷竹Phyllostachys violascens林退化机理,给退化雷竹林恢复提供参考,探讨了短期覆盖(覆盖1 a),休养式覆盖(覆盖3 a休养3 a),长期覆盖(覆盖6 a)和不覆盖雷竹林2年生和3年生立竹叶片主要养分含量及其相关性和养分再吸收的变化规律。结果表明:相同覆盖经营年限雷竹林立竹成熟叶主要养分含量和再吸收率总体上2年生立竹大于3年生立竹。林地覆盖经营对雷竹2年生和3年生立竹成熟叶、老化叶氮、磷、钾和镁质量分数均有较明显的影响(P<0.05),其中,短期和休养式覆盖经营雷竹林成熟叶氮、磷和钾质量分数升高,长期覆盖经营雷竹林成熟叶氮和钾质量分数显著下降(P<0.05),磷质量分数显著升高(P<0.05),而成熟叶镁质量分数不同覆盖年限雷竹林均有下降。短期和休养式覆盖经营能提高立竹叶片主要养分再吸收率(P<0.05),增强立竹叶片养分元素间相关性,而长期覆盖经营虽显著提高了叶片氮和磷再吸收率,但降低了钾和镁再吸收率,并使立竹叶片养分元素间相关性明显减弱。研究表明:林地覆盖经营不仅影响雷竹林立竹叶片的养分状况,而且会干扰叶片养分的再吸收性。长期林地覆盖经营对雷竹生长发育会产生负面影响,生产中应采用休养式林地覆盖经营方式。     

克氏针茅草原生态系统生长季碳通量变化特征

植被和大气之间CO2通量的观测有助于理解陆地生态系统的碳循环及其控制机理.以中国北方典型草原克氏针茅草原为研究对象,以涡度相关法为主要技术手段,探讨了2008年生长季内克氏针茅草原净生态系统碳交换(NEE)的变化特征.结果表明,克氏针茅草原生态系统CO2通量的日变化进程可以依据高峰出现的时间分为两种,一种具有一个吸收高峰,出现在11:00左右,另一种则具有两个吸收高峰,在正午前后出现碳释放现象.2008年克氏针茅草原生态系统最大的CO2吸收速率为-0.4 mg·m-2·s-1.克氏针茅草原在4月和10月的NEE昼夜变化比较平缓,在5-9月日间CO2吸收量和夜间CO2排放量都开始增大,出现了明显的CO2日吸收峰值,但各月的日动态格局差异较大.2008年生长季中7-9月白天碳吸收活动最强,6-9月夜间CO2释放量较大.克氏针茅草原碳通量日累积量在2008年出现了3个明显的碳吸收峰;NEE的日最大累积吸收量和最大累积释放量分别为-2.38和1.47 gC·m-2·d-2,并且出现在植被生长最旺盛的7、8月份.研究表明,温度和水分是影响克氏针茅草原生态系统碳通量变化的重要因子.     

长白山阔叶红松林通量观测的footprint及源区分布

该文根据通量观测塔上2003年12个月连续的通量观测资料,应用Schmid (1994)的FSAM(The Flux_Source Area Model)模型,分析不同大气条件下源区分布.结果表明:①源（汇）区分布的基本特点是:不稳定条件下,传感器测得的通量信息源区比稳定条件时近,源区面积相对小;相同水平下非生长季的信息源区比生长季的信息源区大.②在主风方向200°～290°,生长季不稳定条件下,通量测量的信息源区（P=0.8）迎风方向范围在0～600 m之间,垂直于迎风方向范围在-300～300 m之间;稳定条件下,分别为0～1 500 m,-1 000 ～1 000 m;在非生长季相同大气条件下,迎风方向和垂直迎风方向的范围较均值略大些,而风向在0°～90°、 90°～200°、 290°～360°时,相同大气条件下,其范围与主风向生长季的范围近似.③12个月统计结果表明,76 %的信息来自于西南至西北方相对均质的阔叶红松原始林,其中footprint取得最大值的源区在塔西南方100～400 m范围内,几乎没有来自北偏东方向的城镇下垫面的信息,而在塔东南方0.5 km以外的其他类型下垫面对通量测量的影响约3%左右.