温度和水分对科尔沁草甸湿地净生态系统碳交换量的影响

基于涡度相关和波文比气象土壤监测系统,研究了2016年科尔沁草甸湿地生态系统生长季5—9月CO₂通量的动态变化特征,分析了温度、水分等环境因子与其的响应关系.结果表明:生长季累计净生态系统碳交换量(NEE)为-766.18 g CO₂·m^-2,总初级生产力(GPP)和生态系统呼吸量(R_e)分别为3379.89和2613.71 g CO₂·m^-2,R_e/GPP为77.3%,表现为明显的碳汇.NEE各月平均日变化呈单峰“U”型曲线,其中5—7月和8月中旬表现为吸收CO₂,8月后半月和9月表现为释放CO₂.日间NEE与光合有效辐射(PAR)呈显著的直角双曲线关系,同时受饱和水汽压差(VPD)、土壤含水量(SWC)和气温(T_a)等环境要素调控.回归关系表明,日间NEE达到最大时,VPD和SWC值分别为1.75 kPa和35.5%,而NEE随T_a增加逐渐增大,当T_a达到最大时,并未对NEE产生抑制作用;夜间NEE随土壤温度(T_s)呈指数趋势上升.在整个生长季,生态系统呼吸的温度敏感性指数(Q₁₀)为2.4,且SWC越高,Q₁₀越小,夜间NEE受T_s和SWC共同调控.     

北京松山天然落叶阔叶林生态系统净碳交换特征及其影响因子

森林生态系统在陆地碳循环过程中发挥着重要作用,关于温带落叶阔叶林生态系统碳平衡过程影响机制的讨论尚未统一。本研究于2019年对北京松山典型落叶阔叶林生态系统的净碳交换量(NEE)及空气温度(T_a)、土壤温度(T_s)、光合有效辐射(PAR)、饱和水气压差(VPD)、土壤含水量(SWC)、降雨量(P)等环境因子进行原位连续监测,分析松山落叶阔叶林生态系统净碳交换特征及其对环境因子的响应。结果表明: 在日尺度上,NEE生长季(5—10月)各月平均日变化均呈“U”字形变化,日间为碳汇,夜间为碳源。其他月份NEE均为正值,变化平缓,表现为碳源。在季节尺度上,NEE呈单峰曲线变化规律,全年NEE为-111 g C·m^-2·a^-1,生态系统呼吸总量(R_e)为555 g C·m^-2·a^-1,总生态系统生产力(GEP)为666 g C·m^-2·a^-1。碳吸收与释放量分别在6月与11月达到最大值。PAR是影响日间净碳交换量(NEE_d)的主导因子,二者关系符合Michaelis-Menten模型,VPD是间接影响NEE_d的主导因子,最适宜日间净碳交换的VPD范围为1～1.5 kPa。土壤温度是影响夜间净碳交换量(NEE_n)的主导因子,SWC是NEE_n的限制因子,SWC过高或过低均会对NEE_n产生抑制,最适值为0.28 m³·m^-3。     

三江并流核心区亚高山森林非生长季净生态系统CO2交换量及其影响因素

采用开路式涡度相关系统,针对三江并流核心区西藏红拉山滇金丝猴国家自然保护区,通过测量和分析非生长季亚高山常绿针叶林净生态系统碳交换量(NEE),探讨了亚高山森林非生长季CO₂通量特征及其主要影响因子。保护区常绿针叶林NEE值在非生长季具有明显“U”型变化曲线,白天表现为碳吸收,夜间表现为碳释放,日间CO₂吸收高峰介于12:00到15:00之间,平均每天碳汇时间在10 h左右。非生长季各月NEE大小依次为：4月> 3月>2月>11月>1月>12月。研究期内气温(T)、相对湿度(RH)、饱和水汽压差(VPD)和光合有效辐射(PAR)等气象因子对净生态系统CO₂交换量影响显著。此外,森林碳吸收对温度响应敏感,光合作用在整个非生长季较为明显。各影响因子中光合有效辐射对碳交换影响最大;夜间NEE与5 cm土壤温度呈极显著相关性(P<0.01)且NEE随着土壤温度升高而增大;整个非生长季NEE、生态系统呼吸量(Re)和总生态系统CO₂交换量(GEE)分别为-596.759 g...     

黄河三角洲芦苇湿地生长季净生态系统CO2交换及其环境调控机制

采用涡度相关法,对2011年生长季的黄河三角洲芦苇湿地净生态系统CO₂交换(NEE)进行了观测,研究湿地NEE的变化规律及其影响因子.结果表明: 不同月份芦苇湿地的NEE日变化均呈“U”形曲线,CO₂最大净吸收率和释放率的日均值分别为(0.44±0.03)和(0.16±0.01) mg CO₂·m^-2·s^-1;芦苇湿地NEE、生态系统呼吸(R_eco)、总初级生产力(GPP)的季节变化均呈现生长旺季(7—9月)较高、生长初期(5—6月)和生长末期(10—11月)较低的趋势;R_eco和NEE在8月达到峰值,GPP在7月达到峰值.芦苇湿地生态系统的CO₂交换受到光合有效辐射(PAR)、土壤温度(T_s)和土壤体积含水量(SWC)的共同影响.白天NEE与PAR呈直角双曲线关系;5 cm深处T_s与夜间生态系统呼吸(R_eco,n)呈指数关系,生态系统呼吸的温度敏感性(Q₁₀)为2.30,SWC和T_s是影响芦苇湿地R_eco,n的主要因子.在整个生长季,黄河三角洲芦苇湿地生态系统是一个明显的CO₂的汇,总净固碳量为780.95 g CO₂·m^-2.     

黄河三角洲芦苇湿地生长季净生态系统CO2交换及其环境调控机制

采用涡度相关法,对2011年生长季的黄河三角洲芦苇湿地净生态系统CO₂交换(NEE)进行了观测,研究湿地NEE的变化规律及其影响因子.结果表明: 不同月份芦苇湿地的NEE日变化均呈“U”形曲线,CO₂最大净吸收率和释放率的日均值分别为(0.44±0.03)和(0.16±0.01) mg CO₂·m^-2·s^-1;芦苇湿地NEE、生态系统呼吸(R_eco)、总初级生产力(GPP)的季节变化均呈现生长旺季(7-9月)较高、生长初期(5-6月)和生长末期(10-11月)较低的趋势;R_eco和NEE在8月达到峰值,GPP在7月达到峰值.芦苇湿地生态系统的CO₂交换受到光合有效辐射(PAR)、土壤温度(T_s)和土壤体积含水量(SWC)的共同影响.白天NEE与PAR呈直角双曲线关系;5 cm深处T_s与夜间生态系统呼吸(R_eco,n)呈指数关系,生态系统呼吸的温度敏感性(Q₁₀)为2.30,SWC和T_s是影响芦苇湿地R_eco,n的主要因子.在整个生长季,黄河三角洲芦苇湿地生态系统是一个明显的CO₂的汇,总净固碳量为780.95 g CO₂·m^-2.     

潮汐作用下干湿交替对黄河三角洲盐沼湿地净生态系统CO2交换的影响

潮汐作用作为盐沼湿地独特的水文特征能在短时间内强烈影响盐沼湿地的碳平衡.利用涡度相关和微气象监测技术,对黄河三角洲盐沼湿地净生态系统CO₂交换(NEE)和环境因子进行监测,并同步监测潮汐变化,探究潮汐过程及潮汐作用下干湿交替对NEE的影响.结果表明: 潮汐过程促进了白天生态系统CO₂的吸收但未对夜晚CO₂的释放产生显著影响,潮汐淹水成为影响白天NEE的主要因子.干旱阶段和湿润阶段NEE的日平均动态均呈“U”型曲线,但干旱阶段NEE的变幅较小.干湿交替增强了白天生态系统CO₂的吸收,干旱阶段最大光合速率(A_max)、表观量子产量(α)和生态系统呼吸(R_eco)的均值均高于湿润阶段.此外,干湿交替减少了盐沼湿地夜晚NEE释放的同时增强了其温度敏感性.     

潮汐作用下干湿交替对黄河三角洲盐沼湿地净生态系统CO2交换的影响

潮汐作用作为盐沼湿地独特的水文特征能在短时间内强烈影响盐沼湿地的碳平衡.利用涡度相关和微气象监测技术,对黄河三角洲盐沼湿地净生态系统CO₂交换(NEE)和环境因子进行监测,并同步监测潮汐变化,探究潮汐过程及潮汐作用下干湿交替对NEE的影响.结果表明: 潮汐过程促进了白天生态系统CO₂的吸收但未对夜晚CO₂的释放产生显著影响,潮汐淹水成为影响白天NEE的主要因子.干旱阶段和湿润阶段NEE的日平均动态均呈“U”型曲线,但干旱阶段NEE的变幅较小.干湿交替增强了白天生态系统CO₂的吸收,干旱阶段最大光合速率(A_max)、表观量子产量(α)和生态系统呼吸(R_eco)的均值均高于湿润阶段.此外,干湿交替减少了盐沼湿地夜晚NEE释放的同时增强了其温度敏感性.     

青海湖北岸草甸草原CO2通量年际动态及其驱动机制

青藏高原草甸草原是生态系统中重要的植被类型,准确评估高寒草甸草原生态系统碳源汇状况及碳储量变化尤为重要。基于涡度相关系统观测,分析了2009年至2016年8年期间青海湖北岸草甸草原环境因子以及碳通量的变化特征,运用结构方程模型(SEM)分析环境因子对总初级生产力(GPP)、净生态系统CO₂交换量(NEE)、生态系统呼吸(Re)的调控机制。结果表明：2009—2016年8年NEE日均值在-2.02—0.88 gC m^-2 d^-1之间,5—9月NEE为负值,表现为碳吸收,雨热同期的6、7、8月是CO₂净吸收最强的时期,平均每月吸收CO₂ 39.85 gC m^-2 month^-1,NEE负值日数约占全年的48%,10月—翌年4月为正值,表现为碳释放,初春3月和秋末11月是CO₂净释放最强的时期;Re日均值为1.69 gC m^-2 d^-1,受季节温度的影响,呈夏季强,冬季弱的态...     

青藏高原高寒草甸净生态系统碳交换对散射辐射变化的响应

青藏高原是地球上接收太阳辐射能最多的地区之一,具有世界上最高的高寒草甸生态系统,对区域乃至全球碳循环起着重要作用.为了探究太阳辐射变化对高寒草甸生态系统碳动态的影响,本研究利用涡度相关技术和微气象观测系统对高寒草甸生态系统CO₂净交换(NEE)、太阳总辐射、散射辐射及其相关环境要素进行观测;根据晴空指数(CI,到达地面的太阳辐射与大气上界太阳辐射的比值)将天空状况划分为晴天(CI≥0.7)、多云(0.32·m^-2·s^-1)对应的光量子通量密度(PPFD)约为1400 μmol·m^-2·s^-1,出现在CI为0.6～0.7范围内的多云天空,高于CI≥0.7的最高值(-0.57 mg CO₂·m^-2·s^-1)(NEE负值为碳吸收,正值为排放,为方便起见在此均用绝对值描述);CI<0.6条件下,NEE随散射辐射的增加呈显著的对数增加;CI在0.6～0.7范围内,NEE达到最大值,CI≥0.7时,NEE随CI的上升呈降低趋势,说明生态系统的光合作用可能出现了光抑制现象,且散射辐射的增加有利于提高生态系统固碳能力;生态系统呼吸(R_e)随温度升高呈明显的指数上升趋势,高寒草甸NEE最高值对应的温度为15 ℃,当温度高于15 ℃时,NEE随温度的升高呈下降趋势.晴天状况下,温度升高增加了R_e,进而降低了NEE.当饱和水汽压差(VPD)<0.6 kPa时,NEE随VPD增加呈增加趋势;当VPD>0.6 kPa时,NEE随VPD的升高呈缓慢下降趋势,说明相对较高的VPD抑制了生态系统的光合作用.晴天的强辐射并不能促进青藏高原高寒草甸的碳吸收能力,而晴空指数在0.6～0.7范围的多云天气最有利于生态系统碳固定.     

热带季节雨林生态系统净光合作用特征及其影响因子

以西双版纳热带季节雨林生态系统为对象,利用涡度相关系统定量分析了2003-2006年该生态系统光合作用特征及其环境控制因子.结果表明： 2003-2006年西双版纳热带季节雨林生态系统净光合作用年际变化较小,其最大光合速率(P_eco,opt)、昼间呼吸速率(R_eco,d)和表观量子效率(α)平均值分别为-0.813 mg·m^-2·s^-1、0.238 mg·m^-2·s^-1和-0.0023 mg·μmol^-1受气温(T_a)和饱和水汽压差(VPD)等环境因子的交互影响,不同季节生态系统光合作用特征有所差异.雨季的降水量大、气温较高,生态系统的光合能力最强;雾凉季的浓雾为植物提供了部分水分,其光合水平仍较高;干热季气温较高、降水少,T_a和VPD升高,P_eco,opt和α下降.净生态系统CO₂交换主要受>20 ℃的T_a和>1 kPa VPD的影响.     

华北低丘山地人工林生态系统净碳交换与气象因子的关系

植树造林使我国森林碳储量显著增加,人工林潜在的碳汇功能不容忽视.基于涡度相关技术,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了连续2a的碳通量观测,以探讨净碳交换(NEE)与气象因子的关系.结果表明:在主要生长季(4～9月份),夜间日平均NEE(生态系统呼吸)随气温升高呈指数增长(P<0.01).2006年和2007年生态系统呼吸的温度敏感系数(Q_(10))分别为1.92和1.86.气温在10℃以下时,NEE日总量较小.气温超过10℃后,人工林以净吸收大气CO_2为主,且日吸收量随温度升高迅速增加.白天净碳吸收量随光合有效辐射(PAR)增加而增大(P<0.01),可由直角双曲线方程描述;不过,当饱和差(VPD)小于1.0 kPa时,二者呈线性相关(P<0.01).2006年和2007年主要生长季(4～9月份)的平均表观初始光能利用率(α)分别为0.032和0.019,平均最大光合速率(P_(max))分别为0.96mg · m~(-2) · s~(-1)和1.10 mg · m~(-2) · s~(-1).α和P_(max)都存在季节变化.在月尺度,P_(max)与VPD和PAR呈明显的负相关关系(分别为P<0.01和P<0.05),但与气温相关性不显著;α与对应的PAR、气温和VPD均无明显相关关系.     

Biophysical regulations of NEE light response in a steppe and a cropland in Inner Mongolia

Aims Ecosystem carbon models often require accurate net ecosystem exchange of CO₂ (NEE) light-response parameters, which can be derived from the Michaelis–Menten equation. These parameters include maximum net ecosystem exchange (NEE max), apparent quantum use efficiency (α) and daytime ecosystem respiration rate (R e). However, little is known about the effects of land conversion between steppe and cropland on these parameters, especially in semi-arid regions. To understand how these parameters vary in responses to biotic and abiotic factors under land conversions, seasonal variation of light-response parameters were evaluated for a steppe and a cropland of Inner Mongolia, China, during three consecutive years (2006–08) with different precipitation amounts.Methods NEE was measured over a steppe and a cropland in Duolun, Inner Mongolia, China, using the eddy covariance technique, and NEE light-response parameters (NEE max, α and R e) were derived using the Michaelis–Menten model. Biophysical regulations of these parameters were evaluated using a stepwise regression analysis.Important findings The maximum absolute values of NEE max occurred in the meteorological regimes of 15°C ≤ T a < 25°C, vapor pressure deficit (VPD) < 1 KPa and 0.21 m 3 m ? 3 ≤ volumetric soil water content at 10 cm (SWC) < 0.28 m 3 m ? 3 for both the steppe and the cropland ecosystems. The variations of α and R e showed no regular variation pattern in different T air, VPD and SWC regimes. Under the same regime of T air, VPD and SWC, the cropland had higher absolute values of NEE max than the steppe. Canopy conductance and leaf area index (LAI) were dominant drivers for variations in NEE light-response parameters of the steppe and the cropland. The seasonal variation of NEE light-response parameters followed the variation of LAI for two ecosystems. The peak values of all light-response parameters for the steppe and the cropland occurred from July to August. The values of NEE light-response parameters (NEE max, α and R e) were lower in the driest year (2007). Seasonally averaged NEE light-response parameters for the cropland surpassed those for the steppe. Land conversion from steppe to cropland enhanced NEE light-response parameters during the plant growing period. These results will have significant implications for improving the models on regional NEE variation under climate change and land-use change scenarios.     

科尔沁沙地流动沙丘不同时空尺度水热变化及CO2交换特征

陆面碳循环在气候变化和生态系统碳收支平衡中起到关键作用。水热变化与CO₂交换分析对于深刻揭示荒漠生态系统的区域碳循环规律及机制具有重要意义。本研究选取科尔沁沙地典型流动沙丘为对象,利用涡度相关技术和波文比气象观测系统所测的数据分析近地层水热变化及CO₂交换特征,探讨了日和季节尺度,以及0～10 m垂直空间尺度下流动沙丘近地层温湿度与CO₂交换过程的相互关系。结果表明: 研究区近地表气温垂直变幅在0.4～2 ℃,4—9月,气温随着高度的升高呈减的趋势,其余月份则相反,空气相对湿度季节变幅超过40%;在2018年生长季,沙丘净生态系统碳交换量(NEE)的日均值为-0.02 mg·m^-2·s^-1,全年水平的NEE日均值为0.003 mg·m^-2·s^-1,全年整体上表现为碳源;垂直空间尺度上,垂直温、湿度差与NEE拟合均较好,水热影响拐点分别为10%和0.5 ℃,而全年尺度上温度拟合结果相对较好,水热影响拐点分别为17 ℃和65%。在生长季,研究区近地层垂直温差为负,会抑制流动沙丘对大气CO₂的吸收,而大气高湿环境则会促进流动沙丘对大气CO₂的吸收。不同时间和不同垂直高度上,水热变化与CO₂交换关系较密切,对沙丘碳汇和碳源的产生具有一定的影响,且碳收支对温度的敏感性强于相对湿度。     

控水条件下侧柏冠层气孔导度对土壤水的响应

建立了不同控水条件下(无降水、一半降水、自然降水和二倍降水)的侧柏样地,于2016年8月—2017年8月监测了样地土壤含水量(SWC)、降水量、液流密度(J_s)、叶面积指数(LAI)和水汽压亏缺(VPD)等因子,分析SWC对侧柏冠层气孔导度(g_s)的影响。结果表明: 一半、自然和二倍降水样地的SWC与降水量呈正相关,SWC变化范围分别为4.9%～16.0%、7.2%～22.9%、7.4%～29.6%,无降水样地的SWC在8—10月下降50%;7月的日g_s在14:00达到峰值(166.64 mmol·m^-2·s^-1),显著高于其他月份,且出现双峰现象, 1月的日g_s在12:00达到峰值(54.1 mmol·m^-2·s^-1);3个降水条件下,侧柏g_s与SWC呈负二次相关关系,且g_s达到峰值,对应的SWC分别为8.5%、12.5%和18.5%,均趋近于年平均SWC。不同控水样地内侧柏g_s对VPD的敏感性(δ)/参比冠层气孔导度(g_sref)均≥0.6,表明不同控水条件下土壤水分状况较适合侧柏蒸腾用水的需求。当SWC在3.7%～7.5%时,δ和g_sref值迅速增大,说明气孔调节能力更好,植物气孔对VPD的响应更敏感;当SWC上升到11%时,SWC变化对g_sref和g_s对VPD响应敏感性的影响不显著。可能存在侧柏产生适应状态的SWC阈值,植物体在自身的生命活动中关闭或减小气孔开度,降低叶片水势以适应过高的VPD,保护植物不会引起过度蒸腾,从而对蒸腾的调控更加有效。     

Seasonal and interannual variations of ecosystem photosynthetic characteristics in a semi-arid grassland of Northern China

北方半干旱草原生态系统光合参数的季节和年际变异 生态系统表观量子效率(α)、最大光合速率(P_max)和暗呼吸速率(R_d)不仅反映了生态系统水平 光合生理特征,同时也是碳循环模型中光合过程模拟的关键参数。气候和植被因子都会影 响光合参数的季节和年际变异,但二者在光合参数调控过程中的相对贡献和作用途径尚不清晰。本研究基于连续12年(2006–2017)的涡度相关观测数据,分析了内蒙古半干旱典型草原光合参数的季节和年际变化规律;利用回归分析和结构方程模型(SEM)方法明晰了环境和生理调控的作用途径及相对贡献。结果发现,光合参数(α、P_max和R_d)均表现出单峰的季节变化趋势,并呈现明显的年际波动。温度(T_a)和土壤含水量(SWC)的变化共同影响光合参数的季节变化,而SWC主导了其年际变异。α和R_d的变化主要由T_a决定,而Pmax的变化主要受SWC的影响。SEM模型分析表明,除了直接作用外,环境因子主要通过影响冠层水平气孔导度(gc)对光合参数和碳同化生理过程进行调控。此外,叶面积指数对光合参数特别是Pmax的季节和年际变异起主要调控作用。以上结果明确了环境和植被共同决定了生态系统水平光合参数的季节和年际变异,并强调了在水分受限的草原生态系统中,植被生理调控在光合碳同化能力和碳汇功能评估中的重要作用。     

帽儿山温带落叶阔叶林净生态系统碳交换的日变化及光响应特征

光合有效辐射(PAR)是影响白天净生态系统碳交换(NEE)变化的主要环境因子,但坡面地形水平测量的PAR与超声风速仪倾斜校正后的NEE坐标系统并不匹配。本研究以平均坡度9°、坡向296°的帽儿山温带落叶阔叶林为例,研究2016年生长季(5—9月)NEE的日变化规律及其驱动因子,评估水平和坡面平行辐射表测量PAR在光响应参数估计以及其他驱动因子对NEE解释方面的差异。结果表明: 生长季各月NEE日变化均呈上、下午不对称的单峰曲线,NEE日出约2.5 h后变为负值(净碳吸收),在12:00左右达到峰值,日落前2 h再次接近零。日吸收峰7月最大,5月最小。从整个生长季来看,坡面平行与水平测量PAR的时滞和差异导致通过水平辐射表测得的PAR值拟合得到的光合量子效率(α)和白天呼吸速率(R_d)分别增大13.3%和11.5%,最大光合效率(A_max)降低7.7%;上午与下午的NEE光响应曲线不对称,下午的R_d和A_max均大于上午。光响应参数还受天气条件影响,多云A_max大于晴天,但α和R_d大多小于晴天。但逐月来看,水平测量辐射的A_max和R_d普遍低于倾斜测量辐射的值,尤其是多云下午的A_max。辐射表安装方式还影响空气温度(T_a)与饱和水汽压差(VPD)对NEE的解释,除9月T_a外,基于坡面平行辐射表的全天NEE残差与T_a和VPD的相关性(r为0.082～0.219和0.162～0.282)高于基于水平辐射表的NEE残差(r为0.013～0.197和0.098～0.224)。本研究表明,倾斜地形水平测量PAR可对NEE的环境解释带来明显误差,这对山地植被辐射测量方法以及陆地生态系统碳通量的科学解释具有重要意义。