城市绿地系统内外CO2浓度、δ13C、δ18O差异和来源及影响因素

采用离轴积分腔输出光谱技术测定夏季和冬季北京市4环路和北京园林科学研究院绿地系统空气中CO₂浓度、δ¹³C和δ¹⁸O值,在半小时尺度上分析了其变化特征和差异以及与车流量和气象因子的关联.结果表明： 4环路上车流量较大,夏季和冬季观测期间每日均超过15万辆次,有明显的早晚交通高峰.4环路与绿地系统的空气中CO₂浓度呈双峰曲线日变化,δ¹³C值呈双波谷曲线、δ¹⁸O值呈单波谷曲线日变化,夏季二者空气中的CO₂浓度、δ¹³C和δ¹⁸O差值远大于冬季.同位素定量区分结果显示,夏季观测期间4环路空气中CO₂主要来源于机动车尾气,约占64.9%,而绿地系统空气中CO₂主要来源于自养和异养呼吸,约占56.3%,冬季观测期间二者空气中CO₂均主要来源于机动车尾气.逐步回归分析表明,在半小时尺度上车流量和太阳辐射对绿地系统与4环路CO₂浓度差值产生显著影响,太阳辐射和相对湿度则是影响δ¹³C和δ¹⁸O差值的主要气象因子.绿地系统中的植物在生长季节通过光合作用吸收和消减化石燃料燃烧产生的CO₂来维持城市碳氧平衡,在改善城市生态环境方面发挥重要作用.     

华北低丘山区栓皮栎人工林冠层CO2浓度和δ13C变化及其影响因素

采用离轴积分腔输出光谱技术测定华北低丘山区栓皮栎人工林冠层上缘(11 m)和下部(6 m)大气CO₂浓度和δ¹³C值,在小时尺度上分析冠层CO₂浓度和δ¹³C变化及其影响因素.结果表明： 冠层CO₂浓度呈先高后低再升高的日变化趋势,而δ¹³C值没有明显一致的日变化规律.白天大气不稳定状态出现的频率为70.2%,在光合作用和林内湍流的共同作用下,栓皮栎冠层下部CO₂浓度高于冠层上缘约1.70 μmol·mol^-1,而δ¹³C值低于冠层上缘约0.81‰.晚上大气稳定状态出现的频率为76.2%,湍流弱,冠层叶片呼出的CO₂不易流动,导致冠层下部CO₂浓度高于上缘约1.24 μmol·mol^-1,δ¹³C值低于冠层上缘约0.58‰.白天和晚上冠层上下缘的CO₂浓度差值与δ¹³C差值均呈显著的相关关系.逐步回归分析表明,白天太阳辐射和相对湿度是影响冠层CO₂浓度和δ¹³C值差异的主要环境因子,晚上温度显著影响冠层下部与上缘δ¹³C值的变化,这些环境因子通过增强或减弱光合和呼吸作用来影响冠层大气中CO₂浓度和δ¹³C值的变化.     

新疆阿勒泰地区近440年来大气δ^13C变化

化石燃料的大量使用和森林的过度砍伐,引起大气中CO₂浓度的大幅度增加,同时由于Suess效应,大气CO₂中的δ¹³C在不断地下降．植物中δ¹³C的变化是大气CO₂浓度和同位素比值变化的敏感指示器．文中利用树木年轮δ¹³C序列和植物碳同位素分馏模型,尝试恢复了新疆阿勒泰地区近440年来大气δ¹³C的变化．结果表明,1850年之前,从树木年轮δ¹³C序列恢复的大气δ¹³C相对恒定在-6．60％0(R²=0．052),而1850年之后,该大气δ¹³C明显降低(R²=0．65)。平均约为-7．04‰,平均年降低0．0084‰．这一结果高于从冰芯气泡所恢复的大气δ¹³C,1850年～1981年冰芯大气δ¹³C平均年降低约0．0065‰．这可能与从树木年轮δ¹³C序列恢复的大气δ¹³C有更高的分辨率及树木生长点大气δ¹³C不同于全球大气δ¹³C值有关．     

黄河小浪底库区降水δD和δ18O季节变化特征及水汽来源

2011—2014年4—10月在位于我国东部季风区的黄河小浪底库区收集降水样品及相应气象资料,分析该地区大气降水的δ_D和δ¹⁸O季节变化规律及影响因素,建立不同季节大气降水线,揭示该地区不同季节水汽来源差异.结果表明： 降水的δ_D和δ¹⁸O值变化范围较大,具有明显的季节变化,春季降水的δ_D和δ¹⁸O值较高,夏季次之,秋季最低.4—10月及秋季降水δ_D和δ¹⁸O与降水量存在负相关关系,4—10月降水δ_D与温度呈负相关关系,而季节性降水同位素与温度的相关性不显著.夏季大气水线斜率及降水过量氘（d值）较小,而秋季最大.利用HYSPLIT气团轨迹模型得出夏季水汽主要来自东南及西南海洋性季风输送,春秋季节降水受大陆和海洋性季风共同影响.     

北京城市绿地与周边道路空气CO2浓度和δ13C值的差异及影响因素

采用离轴积分腔输出光谱技术测定了北京市4组绿地及其相邻道路上CO₂浓度和δ¹³C值的变化,分析城市绿地对近地层CO₂浓度空间分布的影响.结果表明:北京城市CO₂浓度和δ¹³C值存在时空差异,城区CO₂浓度最高,近郊次之,远郊最低,CO₂存在明显的穹顶式分布,但δ¹³C值变化分布恰好相反.在非生长季节中,绿地与相邻道路之间的ΔCO₂和Δ¹³C值较小,4个试验点之间差异不显著.然而,在生长季节中,城区的北京园林科学研究院绿地与4环路(BLA&4^th RR)、北京奥林匹克森林公园与5环路(BOP&5^th RR)的ΔCO₂和Δ¹³C值显著高于郊区的稻香园公园与苏家屯东路(DP&SR)、北京门头沟城郊森林站与站外道路(MTG&MR).在生长季节和非生长季节中,4个试验点的CO₂浓度与车流量呈显著正相关,表明车流量是影响市区CO₂浓度空间分布的重要因素之一.非生长季节中δ¹³C值与车流量呈显著负相关,但在生长季节,δ¹³C值与车流量相关性不显著.4块绿地内外的ΔCO₂浓度值均与叶面积指数(LAI)呈显著负相关,Δ¹³C值与LAI呈极显著的对数函数关系.逐步回归分析表明,生长季节中太阳辐射、温度和LAI对市区和近郊绿地内外ΔCO₂浓度具有显著影响,温度和太阳辐射是影响Δ¹³C值的主要因子.生长季节中,植物通过光合作用降低了绿地系统近地层的CO₂浓度,表明绿地系统在改善城市生态环境方面发挥积极作用.     

黄河小浪底库区降水δD和δ18O季节变化特征及水汽来源

2011—2014年4—10月在位于我国东部季风区的黄河小浪底库区收集降水样品及相应气象资料,分析该地区大气降水的δ_D和δ¹⁸O季节变化规律及影响因素,建立不同季节大气降水线,揭示该地区不同季节水汽来源差异.结果表明： 降水的δ_D和δ¹⁸O值变化范围较大,具有明显的季节变化,春季降水的δ_D和δ¹⁸O值较高,夏季次之,秋季最低.4—10月及秋季降水δ_D和δ¹⁸O与降水量存在负相关关系,4—10月降水δ_D与温度呈负相关关系,而季节性降水同位素与温度的相关性不显著.夏季大气水线斜率及降水过量氘（d值）较小,而秋季最大.利用HYSPLIT气团轨迹模型得出夏季水汽主要来自东南及西南海洋性季风输送,春秋季节降水受大陆和海洋性季风共同影响.     

A review of the calibration methods for measuring the carbon and oxygen isotopes in CO2 based on isotope ratio infrared spectroscopy

稳定同位素红外光谱(IRIS)技术克服了传统的大气CO₂气瓶采样-同位素质谱(IRMS)技术时间分辨率低且耗时费力的缺点, 可以实现高时间分辨率和高精度的大气CO₂碳同位素组成(δ ¹³C)和氧同位素组成(δ ¹⁸O)的原位连续测定。基于IRIS技术测量CO₂ δ ¹³C和δ ¹⁸O的误差来源主要包括δ ¹³C和δ ¹⁸O测量值对CO₂浓度变化的非线性响应(浓度依赖性)以及对环境条件变化的敏感性导致的漂移(时间漂移)。如何有效地校正浓度依赖性和时间漂移导致的误差是IRIS仪器应用的前提。该综述阐述了δ ¹³C和δ ¹⁸O测量值的浓度依赖性产生的理论基础, 回顾了浓度依赖性的理论校正和经验方程校正方法和应用; 回顾了时间漂移的校正原理、方法和应用; 概述了数据溯源至国际标准的原理、方法与应用现状。结合实际情况推荐利用3个或3个以上已知CO₂浓度和δ ¹³C、δ ¹⁸O真值的CO₂标准气体涵盖待测气体CO₂浓度的浓度依赖性校正, 设置适当的校正频率校正时间漂移并进行数据溯源。指出应该加强不同仪器和校正方法的比对研究; 采用IRIS技术测定CH₄、N₂O和H₂O同位素组成也可以采取类似的校正方法。     

大兴安岭北部樟子松树轮δ13C的高向变化及其与树轮宽度的关系

通过对大兴安岭北部樟子松树轮样品高向的年轮宽度和稳定碳同位素比率(δ¹³C)进行测定,分析了高向上δ¹³C的变化特征及其与年轮宽度的关系.结果表明： 在木质部全轮、早材和树皮内皮3种成分中,样品高向δ¹³C均呈现由顶部至基部先显著增加,在冠层底部达到最大值,再向下迅速减少至谷值的变化趋势.早晚材平均宽度比由基部至顶部增大.高向上δ¹³C年均值序列与轮宽年均值序列呈现较为明显的反向对应关系,与早晚材宽度比年均值序列呈现在冠层以上较为一致的变化趋势.样本高向上年轮宽度序列及δ¹³C序列均存在不同程度的显著差异,δ¹³C值的高向变化与年际变化基本处于同一量级.树体高向δ¹³C序列逐年变化趋势基本一致,同一高度盘的δ¹³C序列与年轮宽度序列基本呈负相关,但不同高度的显著性有所差异.
     

CO2浓度升高和施氮条件下小麦根际呼吸对土壤呼吸的贡献

依托FACE技术平台, 采用稳定¹³C同位素技术, 通过将小麦(C₃作物)种植于长期单作玉米(C₄作物)的土壤上, 研究了大气CO₂浓度升高和不同氮肥水平对土壤排放CO₂的δ¹³C值及根际呼吸的影响. 结果表明: 种植小麦后土壤排放CO₂的δ¹³C值随作物生长逐渐降低, CO₂浓度升高200 μmol·mol^-1显著降低了孕穗、抽穗期(施氮量为250 kg·hm^-2, HN)与拔节、孕穗期(施氮量为150 kg·hm^-2, LN)土壤排放CO₂的δ¹³C值, 显著提高了孕穗、抽穗期的根际呼吸比例. 拔节至成熟期, 根际呼吸占土壤呼吸的比例在高CO₂浓度下为24%～48%(HN)和21%～48%(LN), 在正常CO₂浓度下为20%～36% (HN)和19%～32%(LN). 不同CO₂浓度下土壤排放CO₂的δ¹³C值和根际呼吸对氮肥增加的响应不同, CO₂浓度与氮肥用量在拔节期对根际呼吸的交互效应显著.     

亚热带季风常绿阔叶林树木年轮的13C/12C和空气CO2浓度变化

测定了亚热带季风常绿阔叶林的几种树木年轮的¹³C/¹²C比率(δ¹³C)。云南银柴的1962-1983年年轮δ¹³C平均为-28.53±0.84（n=5）,华润楠的1951-1984年年轮的δ¹³C为-28.46±0.53（n=6）。黄果厚壳桂的1951-1984年年轮的δ¹³C为-29.19±0.80（n=6）,木荷的1975-1984年年轮δ¹³C为-28.42±0.41（n=4）,δ¹³C数值偏离平均值逐年增大。计算空气CO₂浓度每年递增1.21μ1/L。     

箱式通量观测技术和方法的理论假设及其应用进展

碳(CO₂、CH₄)、氮(N₂O)和水汽(H₂O)等温室气体的交换通量是生态系统物质循环的核心, 是地圈-生物圈-大气圈相互作用的纽带。稳定同位素光谱和质谱技术和方法的进步使碳稳定同位素比值(δ ¹³C)和氧稳定同位素比值(δ ¹⁸O)(CO₂)、δ ¹³C (CH₄)、氮稳定同位素比值(δ ¹⁵N)和δ ¹⁸O (N₂O)、氢稳定同位素比值(δD)和δ ¹⁸O (H₂O)的观测成为可能, 与箱式通量观测技术和方法结合可以实现土壤、植物乃至生态系统尺度温室气体及其同位素通量观测研究。该综述以CO₂及其δ ¹³C通量的箱式观测技术和方法为例, 概述了箱式通量观测系统的基本原理及分类, 阐述了系统设计的理论要求和假设, 综述了从野外到室内土壤、植物叶-茎-根以及生态系统尺度箱式通量观测研究的应用进展及问题, 展望了气体分析精度和准确度、观测数据精度和准确度以及观测数据的代表性评价在箱式通量观测研究中的重要性。     

马占相思人工林净二氧化碳交换和碳同位素通量

应用稳定碳同位素技术,对马占相思人工林冠层受光和遮荫叶片的碳同化率(A_net)和叶面积指数(L)进行加权,将叶片水平的¹³C甄别率(Δ_i)扩展至冠层光合甄别率(Δ_canopy),测定光合固定和呼吸释放的碳同位素通量及其净交换通量.结果表明：Δ_canopy的日变化明显,日出前和中午出现较低值(18.47‰和19.87‰),而日落前达到最大(21.21‰);秋季末期(11月)至翌年夏季,Δ_canopy逐步升高,年平均为(20.37±0.29)‰.不同季节自养呼吸(日间叶片呼吸除外)和异养呼吸释放CO₂的碳同位素比率(δ¹³C)平均值分别为(-28.70±0.75)‰和(-26.75±1.3)‰,春季林冠夜间呼吸CO₂的δ¹³C最低(-30.14‰),秋季末期最高(-28.01‰).马占相思林与大气的CO₂碳同位素通量在春季和夏季中午时峰值分别为178.5和217 μmol·m^-2 ·s^-1·‰,日均值分别为638.4 和873.2 μmol·m^-2·s^-1·‰.冠层叶片吸收CO₂的碳同位素通量较呼吸释出CO₂的碳同位素通量高1.6～2.5倍,表明马占相思林日间吸收大量CO₂,降低空气CO₂浓度,具有改善环境的良好生态服务功能.     

海拔梯度对巴郎山奇花柳叶片δ13C的影响

2010年在四川卧龙自然保护区选择海拔为2350、2700、3150和3530 m的4个分布地点,研究了巴郎山海拔梯度对奇花柳叶片¹³C、光合、CO₂扩散导度、氮含量、光合氮利用效率(PNUE)和比叶面积(SLA)的影响.结果表明： 随着海拔的升高,目标树种叶片氮含量(尤其是单位面积氮含量)及PNUE增加,叶片¹³C值也随之显著增加,且海拔每升高1000 m,¹³C增加1.4‰;CO₂扩散导度(气孔导度和叶肉细胞导度)的增加,在一定程度上阻碍了叶片¹³C值随海拔升高,但不足以改变¹³C值随海拔升高的趋势;羧化能力是羧化位点与外界CO₂分压比(P_c/P_a),甚至¹³C的限制因子.在海拔2350～2700 m,奇花柳光合系统内部氮素分配主要受温度的影响,而2700～3530 m的光照作用可能更大.奇花柳的SLA随海拔无显著变化.     

北京山区侧柏人工林内CO2浓度及其δ13C值变化特征和影响因子

本研究采用离轴积分腔输出光谱技术对北京山区侧柏人工林进行了大气CO₂浓度及其δ¹³C值的原位观测,在半小时尺度上对比了林内不同高度处大气CO₂浓度及其δ¹³C值的差异,并探究其对气象因子的响应.结果表明: 林内CO₂浓度自日出后经历先降低后升高的变化趋势,最低值出现在16:00—16:30,浓度为352.5 μmol·mol^-1,最大值出现在5:00左右,达到402.0 μmol·mol^-1,其δ¹³C值变化趋势微弱且较为复杂,呈现出近地层先降低后升高、林冠层先升高后降低的趋势;研究日期内,林内CO₂浓度随高度的升高而降低,林内0、2、5、8、12.5和18 m处的日均值为386.5、369.9、368.2、367.8、367.9和367.9 μmol·mol^-1,δ¹³C值呈现出随高度升高而升高的趋势,林内0、2、5、8、12.5和18 m处的日均值为-16.0‰、-13.7‰、-13.5‰、-13.5‰、-13.1‰和-13.3‰;逐步回归分析表明,温度和湿度是影响林内大气CO₂浓度及δ¹³C值的主要因子,饱和蒸汽压差(VPD)可以影响林内CO₂浓度变化,风速可以影响林冠层CO₂浓度变化,而土壤含水率、电导率和地面净辐射则是影响近地层CO₂浓度及δ¹³C值的环境因子.这些环境因子通过增强或减弱生态系统内光合作用和呼吸作用来影响林内CO₂浓度及其δ¹³C值的变化.     

北京山区侧柏人工林内CO2浓度及其δ13C值变化特征和影响因子

本研究采用离轴积分腔输出光谱技术对北京山区侧柏人工林进行了大气CO₂浓度及其δ¹³C值的原位观测,在半小时尺度上对比了林内不同高度处大气CO₂浓度及其δ¹³C值的差异,并探究其对气象因子的响应.结果表明: 林内CO₂浓度自日出后经历先降低后升高的变化趋势,最低值出现在16:00—16:30,浓度为352.5 μmol·mol^-1,最大值出现在5:00左右,达到402.0 μmol·mol^-1,其δ¹³C值变化趋势微弱且较为复杂,呈现出近地层先降低后升高、林冠层先升高后降低的趋势;研究日期内,林内CO₂浓度随高度的升高而降低,林内0、2、5、8、12.5和18 m处的日均值为386.5、369.9、368.2、367.8、367.9和367.9 μmol·mol^-1,δ¹³C值呈现出随高度升高而升高的趋势,林内0、2、5、8、12.5和18 m处的日均值为-16.0‰、-13.7‰、-13.5‰、-13.5‰、-13.1‰和-13.3‰;逐步回归分析表明,温度和湿度是影响林内大气CO₂浓度及δ¹³C值的主要因子,饱和蒸汽压差(VPD)可以影响林内CO₂浓度变化,风速可以影响林冠层CO₂浓度变化,而土壤含水率、电导率和地面净辐射则是影响近地层CO₂浓度及δ¹³C值的环境因子.这些环境因子通过增强或减弱生态系统内光合作用和呼吸作用来影响林内CO₂浓度及其δ¹³C值的变化.     

岩溶区不同根系地下生境类型白栎叶片δ13C值的变化

选取岩溶区白云岩低倾产状多层空间类型、中倾产状多层空间类型及高倾产状多层空间类型3种根系地下生境类型中生长的优势树种白栎为对象,研究白栎叶片的δ¹³C值及其与各类型生境中土壤条件的关系,以及白栎水分利用效率.结果表明： 3种类型中的白栎叶片δ¹³C值存在显著差异,表现为低倾产状多层空间类型(-26.35‰)>高倾产状多层空间类型(-26.66‰)> 中倾产状多层空间类型(-27.07‰),白栎水分利用效率依次降低;白栎叶片的δ¹³C值与根系地下生境类型中土壤水分含量显著相关,但与土壤元素含量相关性不显著;δ¹³C值随土壤水分含量和肥力水平的减少而增加.     

长期垄作稻田腐殖质稳定碳同位素丰度(δ13C)分布特征

研究了四川盆地丘陵区连续16年垄（宽垄）作稻田土壤稳定碳库腐殖质组分的稳定碳同位素(δ¹³C)分布特征.结果表明： 稻田土壤有机碳含量为宽垄作＞垄作＞水旱轮作.腐殖质碳以胡敏素为主,占土壤碳含量的21%～30%,提取碳以胡敏酸为主,分别占土壤有机碳和腐殖质的17%～21%和38%～65%.土壤有机碳的δ¹³C值介于-27.9‰～-25.6‰,20～40 cm和0～5 cm土壤有机碳δ¹³C值之差约为1.9‰.土壤胡敏酸δ¹³C值比土壤有机碳低1‰～2‰,更接近于油菜和水稻秸秆及根系的δ¹³C值.土壤富里酸δ¹³C值分别较土壤有机碳和胡敏酸高2‰和4‰.耕作层和犁底层胡敏素δ¹³C值分别介于-23.7‰～-24.9‰和-22.6‰～-24.2‰,δ¹³C值的变化反映了耕层中腐殖质的新老混合现象.各有机组分δ¹³C值递减顺序为：胡敏素＞富里酸＞土壤有机碳＞稻草（油菜）残体＞胡敏酸.长期水稻种植有利于增加土壤有机碳含量,同时,耕作方式影响土壤腐殖质δ¹³C在耕作层和犁底层中的分布格局.     

喀斯特石漠化区不同小生境常见灌木种叶片δ13C值特征

测定了喀斯特石漠化区不同小生境内5种常见灌木（鼠李、火棘、粉枝莓、竹叶椒和烟管荚蒾）的叶片δ¹³C值,探讨喀斯特石漠化对植物水分利用空间异质性的影响.结果表明： 不同小生境植物的δ¹³C均值大小顺序为：石面>石沟>石缝>土面.土面生境中多数灌木种植株叶片δ¹³C值较其他生境偏轻;灌木叶片δ¹³C值大小顺序为：烟管荚蒾＞粉枝莓＞竹叶椒＞火棘＞鼠李.各小生境内灌木叶片δ¹³C均值和主要灌木种叶片δ¹³C值均随着石漠化加深而增大,且不同小生境间差异显著.随着石漠化的加剧,喀斯特生境结构和功能受损,小生境逐渐分异,环境逐渐向着干旱化发展.     

蒙古栎叶片及其土壤碳、氮同位素自然丰度对大气CO2浓度升高的响应

大气CO₂浓度升高对土壤氮素转化过程产生重要影响,研究其变化有助于更好地预测陆地生态系统的固碳潜力.氮同位素自然丰度作为生态系统氮素循环过程的综合指标能够有效地指示CO₂浓度升高对土壤氮素转化过程的影响.本研究采用开顶箱CO₂ 熏蒸法研究连续10年的大气CO₂ 浓度升高对我国东北地区蒙古栎及其土壤和微生物生物量碳、氮同位素自然丰度的影响.结果表明: 大气CO₂浓度升高改变了土壤氮循环过程,增加了土壤微生物和植物叶片δ¹⁵N;促进了富¹³C土壤有机碳分解,中和了贫¹³C植物光合碳输入的效果,导致土壤可溶性有机碳和微生物碳δ¹³C在CO₂升高条件下没有发生显著变化.这些结果表明,CO₂浓度升高很可能促进了土壤有机质矿化过程,并加剧了系统氮限制的状态.     

蒙古栎叶片及其土壤碳、氮同位素自然丰度对大气CO2浓度升高的响应

大气CO₂浓度升高对土壤氮素转化过程产生重要影响,研究其变化有助于更好地预测陆地生态系统的固碳潜力.氮同位素自然丰度作为生态系统氮素循环过程的综合指标能够有效地指示CO₂浓度升高对土壤氮素转化过程的影响.本研究采用开顶箱CO₂ 熏蒸法研究连续10年的大气CO₂ 浓度升高对我国东北地区蒙古栎及其土壤和微生物生物量碳、氮同位素自然丰度的影响.结果表明: 大气CO₂浓度升高改变了土壤氮循环过程,增加了土壤微生物和植物叶片δ¹⁵N;促进了富¹³C土壤有机碳分解,中和了贫¹³C植物光合碳输入的效果,导致土壤可溶性有机碳和微生物碳δ¹³C在CO₂升高条件下没有发生显著变化.这些结果表明,CO₂浓度升高很可能促进了土壤有机质矿化过程,并加剧了系统氮限制的状态.