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.     

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.     

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。     

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.
     

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.     

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.     

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.     

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。     

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.     

水生动物碳氮稳定同位素富集系数的整合分析

同位素富集系数即动物组织与其食物之间同位素丰度（δ）的差异值(Δ),是稳定性同位素技术应用于生态系统营养关系、食性和食物网研究的重要参数.不同生境条件下和不同物种之间的富集系数通常被认为是相对稳定的,但越来越多的研究发现,富集系数在不同类型动物之间存在明显差异而不是一个恒定值,尽管这一差异范围仍不清楚.本文进行了3种不同权重设置方式的整合分析,综述并比较了4类水生动物(硬骨鱼类、甲壳类、爬行类、软体动物)的碳氮稳定同位素富集系数.在Web of Science和CNKI数据库上搜索2014年底之前发表的论文,获得了42篇包含140个Δ¹³C的研究结果和159个Δ¹⁵N的研究结果.使用3种不同的加权方式进行3次独立整合分析,3种加权方式分别是以方差倒数作为权重、以样本量作为权重和相等权重.结果表明,整合分析统计结果十分稳健,不同权重设置的分析结果差异很小.水生动物碳稳定同位素富集系数(Δ^13C)总体平均值为1.0‰,其中,硬骨鱼类1.0‰,甲壳类1.3‰,爬行类0.5‰,软体动物1.5‰;氮稳定同位素富集系数(Δ¹⁵N)总体平均值为2.6‰,其中,硬骨鱼类2.4‰,甲壳类3.6‰,爬行类1.0‰,软体动物2.5‰.统计分析表明,硬骨鱼类、甲壳类、爬行类、软体动物之间的Δ¹³C没有显著差异,而Δ¹⁵N存在显著差异.因此,应用稳定性同位素技术研究水生动物营养关系、食性和食物网中碳富集系数可以选择总体平均值,而氮富集系数则应根据不同水生动物类型选取相应的系数值.     

大连市黑松树木水分利用效率的环境响应

以生长于大连城区的黑松为研究对象,建立了1951—2010年间的树木径向生长、树轮稳定碳同位素比率(δ¹³C)和水分利用效率的时间序列,研究了三者的变化特点及其与主要气候因子的关系.结果表明: 1980年以来,黑松树木径向生长有减缓趋势,δ¹³C值降低,但是水分利用效率显著增加(P<0.05).年轮宽度、稳定同位素比率和水分利用效率的变化均受气候因素的影响,并随季节波动:夏季温度与树木径向生长呈负相关,而冬季则呈正相关;6月降水和相对湿度的波动与年轮宽度变化基本呈正相关;3—9月各月温度与δ¹³C和水分利用效率呈弱正相关,其他月份基本呈弱负相关;全年降水和相对湿度分别与δ¹³C和水分利用效率基本呈负相关.快速暖干化的城市气候环境促进了树木水分利用效率的提高.     

泉州湾红树林湿地土壤CO2通量周期性变化特征

福建泉州湾红树林湿地生态系统所处地属正规半日潮,为新近栽植的人工修复林带.采用Li-840便携式土壤二氧化碳分析仪测定主要红树群落土壤CO₂排放通量,研究土壤CO₂通量周期性变化特征.结果表明: 泉州湾红树林处于幼林期,其土壤CO₂通量较小;早、晚潮潮间期,秋茄和桐花树群落土壤CO₂浓度和通量随退潮时间变化趋势基本一致;泉州湾红树林湿地土壤CO₂浓度和通量分别为557.08～2211.50 μmol·mol^-1和-0.21～0.40 μmol·m^-2·s^-1,早、晚潮潮间期和晚、早潮潮间期CO₂通量平均值分别为0.26和-0.01 μmol·m^-2·s^-1;对于同一退潮时刻,早、晚潮潮间期CO₂通量大于晚、早潮潮间期.早、晚潮潮间期CO₂通量与对应的即时CO₂浓度呈“钟”型变化,CO₂通量随CO₂浓度的增加呈先增加后降低的趋势,近似高斯分布,据此可建立该系统土壤CO₂通量与CO₂即时浓度的数学模型.     

基于不同浓度变量的温带落叶阔叶林CO2储存通量的误差分析

利用帽儿山温带落叶阔叶林通量塔8层CO₂/H₂O浓度廓线的测定数据,比较分析了基于不同浓度变量\[密度(ρ_c)、摩尔分数(c_c)和混合比(χ_c)\]计算CO₂储存通量(F_s)的误差.结果表明： 通量观测的控制体积内部干空气储存量不为常数,其波动可引起CO₂分子进出控制体积,即干空气储存通量调整项(F_sd)的变化.在夜间以及昼夜转换期,F_sd相对于涡动通量而言较大,忽略F_sd将为森林与大气之间净CO₂交换量的计算带来误差.大气水热过程对F_s计算引起的误差包括3方面：空气温度变化引起的误差最大,比大气压强(P)的影响高1个数量级;水蒸气的影响在温暖湿润的夏季大于P的影响,但在寒冷干燥的冬季则相反; P的效应在全年均较低.基于ρ_c、c_c和χ_c计算F_s分别平均高估CO₂有效储存通量(F_{s_E})8.5%、0.6%和0.1%.在通量计算过程中,建议选择对大气水热过程守恒的χ_c计算F_s.     

上海市近地面CO2浓度及其与下垫面特征的定量关系

城市化所带来的土地利用变化和化石燃料燃烧对全球碳循环和气候变化产生了深远影响.明确城市区域CO₂浓度的空间变化特征,对于认识和控制温室气体排放、减少人类活动对全球气候变化的影响具有重要意义.本研究以高强度人类扰动和快速城市化背景下的上海市为研究对象,于2014年春季利用近红外气体分析仪Li 840A开展近地面CO2浓度样带监测,结合遥感数据获取的城市下垫面特征信息,在明确上海市近地面CO₂浓度空间分布格局的基础上,进一步定量分析其对城市下垫面特征的响应机制.结果表明： 上海市近地面CO₂浓度为(443.4±22.0) μmol·mol^-1,城市中心CO₂浓度比郊区平均高12.5%(52.5 μmol·mol^-1).近地面CO₂浓度空间异质性显著,呈现西北高、西南次之、东南低的趋势,总体表现为随着下垫面城市化水平的降低而降低. 城市下垫面植被覆盖率(C_Veg)是城市近地面CO₂浓度的重要指示因子,两者呈现负相关;不透水层覆盖率(C_ISA)次之,两者呈正相关.CO₂浓度（C_CO2）与C_ISA及C_Veg的相关性(R²)在缓冲距离为5 km时同时达到峰值,三者之间的定量关系可通过建立逐步回归方程表征：C_CO2=0.32C_ISA-0.89C_Veg+445.13 (R²=0.66, P<0.01).