基于涡度相关技术测算地表碳通量研究进展

准确测定地表碳通量对评价陆地生态系统碳源、碳汇的区域分布、寻找未知碳汇及预报未来的气候变化趋势意义重大, 涡度相关法以其独特的优势成为研究碳通量的标准方法。文中简要回顾了涡度相关技术的发展历程和基本原理, 概述了其优缺点, 着重总结了碳通量变化规律、环境响应机理及碳收支和测量尺度提升在陆地生态系统碳通量方面的研究成果, 并从避免误差、数据处理、模型的应用及数据的空间拓展等方面探讨了今后的研究重点。     

基于神经网络的杉木人工林碳通量影响因素的选择

对碳循环影响因素的研究是预测碳通量的重要环节,也是研究碳循环的重要基础。利用亚热带地区湖南省会同杉木人工林生态系统国家野外科学观测研究站2008年7—9月的碳通量和环境因子观测数据,采用遗传神经网络模型对碳通量预测因素进行优化选择,并与传统的相关分析方法进行对比分析。结果表明:模型CIV.8(输入参数包括空气温度Ta、光合有效辐射Par、大气CO2浓度ρc、空气相对湿度Rh、风速Ws、土壤温度Ts)是所有模型中模拟效果最好的。光合有效辐射与碳通量的相关性最强,相关系数是-0.704(P=0.000);降雨量与碳通量的相关性最弱,相关系数是0.002(P=0.854)。最多输入变量或最复杂的神经网络结构并不能得到最好的模型。     

安庆杨树林生态系统碳通量及其影响因子研究

以安徽安庆长江外滩地杨树林生态系统为研究对象,运用涡度相关技术进行长期CO2通量监测,得到2005年4月到2006年3月间生态系统碳通量的日动态变化过程:从7:30左右生态系统开始吸收CO2,午间13:30左右达到全天碳吸收最高峰,然后开始降低,到17:30左右生态系统逐渐转入碳排放;同时分析了生态系统碳通量与光合有效辐射(PAR)、温度、土壤热通量等环境因子的响应变化关系:PAR＞1 μmol·m-2·s-1时,在不同温度范嗣内,PAR与碳通量的响应关系不同;平均夜间碳通量与月平均气温呈线性相关;平均夜间碳通量与5 cm处土壤日平均温度呈指数相关;月平均碳通量与2 cm深处土壤热通量也呈指数相关.     

采伐强度对小兴安岭低质林分土壤碳通量的影响

针对择伐后的小兴安岭低质林分,采用LI-8100碳通量自动监测系统在春、夏、秋、冬4个季节对低质林分土壤碳通量进行观测,运用统计分析方法,分析采伐强度对土壤碳通量、土壤温度与湿度的影响。结果表明:采伐区的土壤碳通量高于对照区,随采伐强度的增加土壤碳通量呈现波动性,从采伐强度22%～47%,碳通量逐渐减小,之后趋于平稳,春、夏、秋、冬4个季节土壤碳通量的最大值出现在低度和中度采伐强度林分条件下;随采伐强度增加土壤温度增加,土壤湿度减少,土壤碳通量与距地表10cm处的土壤温度的关系符合指数模型,土壤碳通量与土壤湿度的关系符合一元二次模型;从标准化回归方程看出,土壤碳通量主要由土壤温度与湿度共同影响,且土壤湿度对碳通量的影响大于土壤温度的影响。采伐强度与土壤碳通量具有负相关性,二者的关系为双曲线。     

坐标旋转订正对农田林网水热通量测算精度的影响

农田防护林的特殊结构使附近农田地表大气运动形成了特有的动力学和热力学效应,影响着周边物质和能量交换过程。坐标旋转订正方法的选择成为提高农田防护林水热通量测算精度的核心问题,选取2012年3月9日至5月7日共60 d的防护林网内农田的涡动相关观测数据,对相关湍流特征及能量闭合率等关键参数进行坐标旋转订正并进行比较,结果表明:(1)在整个试验过程中,采用平面拟合法进行坐标旋转时,当订正参数的计算周期小于15 d时,x-z平面内旋转角度有一定的波动,而在计算周期大于15 d后,则基本维持在-2.8°左右。采用二次旋转法订正的x-z平面内旋转角度受原始水平风向的影响始终很大;(2)2种坐标旋转方法对于三维风速的处理结果基本一致,在风速较大的情况下,需要考虑坐标旋转方法的选择对结果的影响。二次旋转方法订正后的垂直风速全部为零,平面拟合方法订正后的垂直风速接近于0;(3)平面拟合订正后摩擦风速基本与订正前一致,而二次旋转方法订正后的结果增大了将近5%;(4)平面拟合方法对显热通量及潜热通量的订正误差较小,二次旋转方法则分别将原始测得值提高了5%左右;(5)防护林网通量的能量闭合率经过平面拟合订正后提高了17%,而经过二次旋转法订正后则提高了30%。总之,坐标旋转方法可以对观测设备倾斜引起的误差进行订正,订正后的结果比订正前更精确。二次坐标旋转方法因为可以订正较短时间段内的单组数据,比较适用于下垫面情况变化较快时的观测;平面拟合方法适用于观测系统及其周围环境在整个测量过程中相对稳定时的观测。二次旋转方法对防护林网水热通量订正更好。     

非生长季长白山红松针阔叶混交林CO2通量特征

采用开路式涡度相关系统对长白山红松针阔叶混交林非生长季的CO2通量特征进行连续监测.结果显示:非生长季CO2通量变动范围为-0.3～0.5 mg·m-2s-1;秋末与初春均为显著的释放过程,虽然气温低于生物学最低温度,但在晴朗的午间,森林仍有数小时表现为碳汇的特征;在冬季覆雪状态下,森林存在微弱的相对恒定的CO2释放,在融雪阶段有一释放高峰;土壤温度高于0℃时,净生态系统碳交换量与5 cm深土壤温度呈指数相关变化.观测期间(190 d),长白山红松针阔叶混交林净碳交换量为127 g C·m-2,整体表现为一定强度的碳释放.     

温带次生林涡动协方差与清单法碳通量交互对比

【目的】明确东北温带次生林长期CO₂通量与地面碳过程及其不确定性,为提升森林碳通量测算精度提供方法支撑。【方法】选择帽儿山站典型天然次生林,基于2008—2018年涡动协方差(EC)法连续监测的CO₂通量、2008—2019年清单法测算的地面净初级生产力(NPP)和净生态系统生产力(NEP)以及土壤呼吸监测数据,评估2种方法测算CO₂通量的不确定性来源,并比较二者是否具有一致性。【结果】1) EC法测算的11年间平均CO₂净交换量(NEE)为-1.57±0.64t·hm^-2 a^-1,总初级生产力(GPP)为13.56±1.48 t·hm^-2 a^-1,生态系统呼吸通量(Re)为12.00±1.38 t·hm^-2 a^-1,三者不确定性分别为0.47、0.90和1.37 t·hm^-2 a^-1,相对不确定性分别为29.9%、6.6%和...     

长江滩地杨树林生态系统的碳通量特征

森林是陆地具有最大碳蓄职量的生态系统,其碳动态变化成为研究焦点(于贵瑞,2003).但由于森林生态系统植被高大,系统与大气CO_2通量一直是一个难点.     

缙云山针阔叶混交林涡相关适用性及碳通量变化特征

目的 探讨涡度相关法在缙云山针阔叶混交林的适用性,并明晰针阔叶混交林生态系统的碳源/碳汇情况,从而为该地区的森林经营和林业可持续发展提供科学依据。 方法 利用涡度协方差观测方法,获得了缙云山针阔叶混交林2019.11—2020.10的碳通量监测数据。通过湍流数据质量评价、能量闭合及通量足迹,分析对涡度相关应用于该下垫面的适用性进行验证。在时间序列上对碳通量的变化进行分析,并对研究区内碳源或碳汇情况进行评估。 结果 研究期内,显热通量(H)、潜热通量(LE)和碳通量(Fc)的湍流数据质量评价较好,高质量数据占比分别为77%、61%和62%;在生长季(4—10月),上层能量闭合率为0.82,下层能量闭合率为0.73;研究期内通量高贡献区域所处方向与全年主风向（东北）一致;在研究期内,该生态系统年固碳量为887.40 g·m−2,月均日变化和季节均日变化大多为双峰型,生长季的Fc累积变化量为：−826.2 g·m−2,非生长季则只有：−61.2 g·m−2;影响碳通量的主要环境因子是光合有效辐射和风速,R2分别是0.75和0.43。 结论 涡度相关法在缙云山针阔叶混交林生态系统的监测过程中具有较好的适用性,且通量监测的数据来源可信,质量评价良好。研究期内,该生态系统处于碳汇过程,生长季的碳汇能力显著高于非生长季。光合有效辐射和风速是影响碳通量变化的主要环境因子。     

长白山阔叶红松林显热和潜热通量测算的对比研究

为了探寻近地面层湍流运动规律，定量分析森林下垫面物质与能量垂直输送，本文利用常规气象梯度和开路涡动相关观测系统的数据，应用涡动相关法和空气动力学法对长白山阔叶红松林的显热和潜热通量进行了测算，并对两种方法得到的结果进行了对比。结果表明，两种方法得到的显热和潜热通量结果相差不大，而且随时间变化的曲线形状也极其相似。而且，二者得到结果的线性相关性显著。     

造纸废渣和养分的改良对北部硬阔叶林土壤表面CO_2通量的影响(英文)

安全经济地处理造纸废渣是林产品工业的一个主要考虑因素。本研究测定了造纸废渣和养分的改良对北部硬阔叶林土壤表面 CO2通量的影响,并量化该林分中 RS、土壤温度和湿度之间的关系。实验在美国 Michigan 州 Upper Peninsul地区糖槭(Acer saccharum Marsh)为主的硬阔叶林内采用完全随机区组设计进行三个处理:废渣改良施用、施肥和对照。RS 与土壤温度成正相关(R2 =0.80,p<0.001),而与土壤湿度相关很弱。土壤湿度仅在废渣改良施用处理中与 RS成正相关。废渣改良施用处理的 RS显著高于施肥(p = 0.033)和对照处理(p=0.048)的 RS。废渣改良施用处理中的最大 RS 为 8.8 μmol CO2·m-2·s-1,分别比施肥(4.6 μmol CO2·m-2·s-1)和对照处理3.9 (μmol CO2·m-2·s-1)中的最大 RS 高 91%和 126%。施肥和对照处理的 RS之间无显著性差异。废渣改良施用和其他处理的 RS之间的差异随处理时间而较少。表 4 图 3 参 33。     

造纸废渣和养分的改良对北部硬阔叶林土壤表面CO2通量的影响

Safe and economical disposal of paper mill sludge is a key consideration for forest products industry. A study was conducted to examine the effects of amendments of sludge and nutrients on soil surface CO₂ flux (R_s) in northern hardwood forests and to quantify the relat among R₅, soil temperature, and moisture in these stands. The experiment was a randomized complete block design that included sludge-amended, fertilized, and control treatments in sugar maple (Acer saccharum Marsh) dominated hardwood forests in the Upper Peninsula of Michigan, USA. Results showed that R_s was positively correlated to soil temperature (R²=0.80, p<0.001), but was poorly correlated to soil moisture. Soil moisture positively affected the R_s only in the sludge-amended treatment. The R_s was significantly greater in the sludge-amended treatment than in the fertilized (p=0.033) and the control (p=0.048) treatments. The maximum R_s in the sludge-amended treatment was 8.8 μmol CO₂·m⁻²·s⁻¹, 91% and 126% greater than those in the fertilized (4.6 μmol CO₂·m⁻²·s⁻¹) and control (3.9 μmol CO₂·m⁻²·s⁻¹) treatments, respectively. The R_s did not differ significantly between the fertilized and control treatments. The difference in R_s between sludge-amended and the other treatments decreased with time following treatment. Foundation item: The research was funded by a NCASI grant to S.T. Gower. Wang CK was supported by Innovated Talent Program of Northeast Forestry University (2004–07) Biography: WANG Chuan-kuan (1963-), male, Professor in the Ecology Program, College of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China. Responsible editor: Chai Ruihai     

应用简化生物圈模式（SiB2）模拟通榆地气通量研究

主要通过对比观测与SiB2模拟的吉林通榆农田和草地样地的感热通量、潜热通量、CO2通量和气温来检测独立版简化生物圈模式的数值模拟能力。在模拟中,农田和草地代表半干旱区2种典型的地表覆盖类型,它们的全年冠层高度和叶面积指数都处于变化当中,在非生长季地表裸露,而在生长季,冠层高度农田可达2m,草地可达0.8m,对应的叶面积指数分别可达4.2和2.4。SiB2模型模拟用观测值为初始场,以半小时气象观测为驱动场。对2003年的模拟和观测的比对研究表明:在生长季模式具有很好的模拟小时时间尺度的潜热、感热和CO2通量及地表气温的能力;(2)模式模拟土壤热通量可能偏大;(3)模拟的逐日潜热、感热和CO2通量及地表气温可用合理地反映全年的季节变化。图11表3参23。     

华北低丘山地人工混交林净生态系统碳交换的变化特征

采用涡度相关技术对华北低丘山地30年生栓皮栎-刺槐-侧柏人工混交林生态系统进行连续2年的碳通量观测。结果表明:人工混交林净生态系统碳交换(NEE)的年际和季节变化都很明显,但日变化只在生长季(4—10月)才变得显著。2006和2007年人工混交林NEE的变化范围分别在-27.1～8.1和-24.4～9.8gCO2·m-2d-1,最大月平均CO2吸收量分别出现在5月和7月。生长季净碳吸收约占全年的96%。人工混交林是较强的碳汇,2006和2007年净碳吸收量分别为549.1和445.4gC·m-2a-1。春季干旱是2007年人工混交林净碳吸收显著下降的主要原因。     

森林植被影响气候变化的机制

森林植被通过两种途径对气候产生影响：“碳”库和下垫面。森林是陆地上最大的碳库，森林生态系统的光合作用和呼吸作用的相对变化决定着森林生态系统是一个汇还是一个源，从而对气候产生着不同的影响。人类干扰对森林的碳收支过程具有明显影响。森林又是一个特殊的下垫面，它的粗糙度、反射率、地表水利用性、热量平衡、水分平衡与其他下垫面具有明显的不同。这些特征对降水、局地环流的形成具有明显的促进作用，从而对不同尺度和区域范围的气候产生影响。     

Effects of winter selective tree harvest on soil microclimate and surface CO2 flux of a northern hardwood forest

Soil surface CO₂ flux (S_flux) is the second largest terrestrial ecosystem carbon flux, and may be affected by forest harvest. The effects of clearcutting on S_flux have been studied, but little is known about the effect of alternative harvesting methods such as selective tree harvest on S_flux. We measured S_flux before and after (i) the creation of forest canopy gaps (simulating group tree selection harvests) and (ii) mechanized winter harvest but no tree removal (simulating ground disturbance associated with logging). The experiment was carried out in a sugar maple dominated forest in the Flambeau River State Forest, Wisconsin. Pre-treatment measurements of soil moisture, temperature and S_flux were measured throughout the growing season of 2006. In January–February 2007, a harvester created the canopy gaps (200–380 m²). The mechanization treatment consisted of the harvester traveling through the plots for a similar amount of time as the gap plots, but no trees were cut. Soil moisture and temperature and S_flux were measured throughout the growing season for 1 year prior to harvest and for 2 years after harvest. Soil moisture and temperature were significantly greater in the gap than mechanized and control treatments. Instantaneous S_flux was positively correlated to soil moisture and soil temperature at 2 and 10 cm, but temperature at 10 cm was the single best predictor. Annual S_flux was not significantly different among treatments prior to winter 2007 harvest, and was not significantly different among treatments after harvest. Annual (+1 std. err.) S_flux averaged 967 + 72, 1011 + 72, and 1012 + 72 g C m⁻² year⁻¹ in the control, mechanized and gap treatments, respectively, for the 2-year post-treatment period. The results from this study suggest selective group tree harvest significantly increases soil moisture and temperature but does not significantly influence S_flux.     

湖南会同杉木人工林生态系统CO_2通量特征

利用开路式涡动相关系统与自动气象梯度观测系统2008年12个月的观测数据,研究会同13年生杉木人工林CO2通量特征。结果表明:13年生杉木人工林生态系统CO2通量日变化存在明显的季节差异,晴天平均碳汇持续时间表现为夏>春>秋>冬,平均日较差表现为夏>秋>春>冬,最大碳汇出现时间由早到晚依次为夏、秋、春和冬;1年中,月累积碳通量除1和2月为碳源外,其他各月均表现为碳汇,碳汇最大值出现在6月(-53.0gC·m-2);13年生杉木林的年碳汇总量为-255.3gC·m-2。白天CO2通量与光合有效辐射的关系可用Michaelis-Menten模型模拟(P<0.05),但模型参数随温度而异;夜间CO2通量与5cm土壤温度呈指数关系(P<0.05)。