杨树人工林生态系统通量贡献区分析

采取通量源区模型FSAM(Flux Source Area Model)利用2009年北京大兴区杨树人工林生态系统碳水通量涡度相关观测资料,分析了不同大气条件下生态系统的通量贡献区分布特征。研究结果表明:(1)该站通量贡献区随大气稳定条件增强而增大。除326.25°—3.75°方向生长季不稳定条件下外,生长季的通量贡献区范围普遍大于非生长季的贡献区范围;(2)通量贡献区与观测高度、冠层高度、地表粗糙度、风向以及大气稳定度有关,当风速风频较大,大气不稳定时,湍流扩散作用强烈,贡献区范围较小;(3)该观测场在2009年以不稳定大气条件为主,通量信息主要来源于距离观测塔50—400 m范围,且69.3%的信息来源于通量塔偏北风与偏南风方向,其中42.56%的信息来自于偏南风方向;(4)随着大气稳定程度加强,通量来源最少区从塔偏西方转为偏东方,在大气稳定度条件和风向的共同作用下,生长季时主要通量贡献区在塔偏南方向,而非生长季时主要通量贡献区在塔偏北方向。     

陆地生态系统碳水通量贡献区评价综述

综述了通量贡献区研究的基本理论、最新进展、研究热点与难点,旨在促进中国区域碳水通量数据空间代表性的定量评价.通量贡献区是通量观测点上风向的空间代表区域,能够反映代表区域对应下垫面的源区内每一点对观测点的通量贡献权重影响,主要受观测高度、空气动力学粗糙度和大气稳定度等因素的影响.通量贡献区通常随着观测高度的增加、空气动力学粗糙度的降低和大气稳定度的增加而变大,反之则变小.通量贡献区的评价模型包括解析模型、拉格朗日随机模型、大涡模拟和闭合模型四类.通量贡献区的评价结果可以广泛应用于通量数据质量评价、实验设计的指导、与遥感技术结合的区域尺度的总初级生产力的估算、城市CO2通量变化的评估以及能量闭合的评价等研究.最新研究表明,对流边界层的通量贡献区存在负的通量贡献区域;有裸地存在的情况下解析模型通常会低估裸地对观测通量的贡献;与水平地面处的通量贡献区相比,山谷处通量贡献区变小而山脊处的通量贡献区变大.通量贡献区模型研究应进一步考虑大气中的平流效应、湍流的非高斯扩散以及建立冠层内部的通量贡献区模型.解决森林冠层内流场的不均匀性、冠层重叠问题、冠层湍流的不稳定性是建立适合冠层内部通量贡献区模型的前提条件.在理想条件的气体释放验证试验的基础上,需要开展复杂条件下的相关试验.     

华北平原冬小麦农田生态系统CO_2通量特征及其影响因素

利用2014—2015年中国科学院封丘农业生态实验站涡度相关系统观测的冬小麦农田生态系统CO_2通量数据,结合试验地常规气象观测系统的气象数据,分析冬小麦4个生育期(分蘖期、越冬期、拔节期和灌浆期)内CO_2通量的日变化,研究净生态系统碳交换(NEE)的季节变化及其与气象要素的关系.结果表明:冬小麦整个生育期内NEE为-360.15g C·m^-2,总初级生产力总量为1920.01 g C·m^-2,冬小麦农田生态系统具有较强的固碳能力.冬小麦农田生态系统CO_2通量具有明显的日变化和季节变化特征,分蘖期表现为碳源,越冬期、拔节期和灌浆期表现为碳汇.表观初始光能利用率平均值为0.03 mg CO_2·μmol^-1,光饱和时的生态系统生产量平均值为1.53 mg CO_2·m^-2·s^-1,月平均生态系统呼吸为193.92g C·m^-2·month^-1.冬小麦农田生态系统4个生育期NEE与光合有效辐射的相关关系均达到极显著水平.分蘖期、拔节期和灌浆期NEE与饱和水汽压差的相关关系极显著,越冬期达显著水平.冬小麦分蘖期、越冬期和灌浆期NEE日总量与土壤温度呈正相关,拔节期呈负相关关系.     

凤阳山针阔混交林通量观测源区分布及特征

基于涡度相关技术的通量观测要求下垫面均匀一致,然而在实际观测中,地形往往非常复杂。尤其是丘陵山区森林植被覆盖的区域,不同植被类型的空间分布对该区域的碳通量观测影响很大。本研究利用Kljun模型和ART Footprint Tool,对浙江凤阳山针阔混交林森林生态系统2017年全年的观测数据进行分析,探究该区域涡度相关系统在不同季节、不同大气稳定度条件下的通量源区变化情况。结果表明：受地形的影响,研究区内全年盛行东北风（0-90°）和西南风（180-270°）;因此,通量的源区分布也主要在东北和西南方向;当通量贡献率达到90%时,源区长度最大不超过7000m,当通量贡献率在80%时,源区长度不超过3000m;在大气稳定条件下,其源区分布范围总是比大气不稳定条件下的源区范围广。在该源区分布范围内,主要以针阔混交林分为主,也分布有少量杉木、柳杉和毛竹等纯林,源区贡献从大到小依次为针阔混交林、阔叶林、杉木林、毛竹林、柳杉林、黄山松林。     

不同耕作措施下冬小麦生长季农田二氧化碳排放通量及其与土壤温度的关系

利用长期定位试验研究了华北平原不同耕作措施下冬小麦生育期农田CO2排放通量,并对CO2排放通量和土壤温度进行了回归模拟.结果表明冬小麦生育期CO2排放速率表现为翻耕＞旋耕＞免耕,平均分别为343.69、337.54和190.47 mg·m-2·h-1.各处理冬小麦生育期CO2排放通量与土壤温度呈显著正相关;翻耕地CO2排放通量与10 cm地温相关性最高,旋耕地和免耕地则与10 cm和20 cm地温相关性较高.CO2排放通量和土壤温度呈指数函数关系(P＜0.01),利用10 cm地温对冬小麦生育期农田CO2排放通量进行估算表明,翻耕、旋耕和免耕地CO2排放分别为1.88、1.89和1.03 kg·m-2.     

华北平原冬小麦农田生态系统CO2通量特征及其影响因素

利用2014—2015年中国科学院封丘农业生态实验站涡度相关系统观测的冬小麦农田生态系统CO₂通量数据,结合试验地常规气象观测系统的气象数据,分析冬小麦4个生育期(分蘖期、越冬期、拔节期和灌浆期)内CO₂通量的日变化,研究净生态系统碳交换(NEE)的季节变化及其与气象要素的关系.结果表明: 冬小麦整个生育期内NEE为-360.15 g C·m^-2,总初级生产力总量为1920.01 g C·m^-2,冬小麦农田生态系统具有较强的固碳能力.冬小麦农田生态系统CO₂通量具有明显的日变化和季节变化特征,分蘖期表现为碳源,越冬期、拔节期和灌浆期表现为碳汇.表观初始光能利用率平均值为0.03 mg CO₂·μmol^-1,光饱和时的生态系统生产量平均值为1.53 mg CO₂·m^-2·s^-1,月平均生态系统呼吸为193.92 g C·m^-2·month^-1.冬小麦农田生态系统4个生育期NEE与光合有效辐射的相关关系均达到极显著水平.分蘖期、拔节期和灌浆期NEE与饱和水汽压差的相关关系极显著,越冬期达显著水平.冬小麦分蘖期、越冬期和灌浆期NEE日总量与土壤温度呈正相关,拔节期呈负相关关系.     

锡林浩特草原净生态系统碳交换量特征及源区分布

为探究草原生态系统固碳能力,利用锡林浩特国家气候观象台2018—2021年的涡动相关资料分析了锡林浩特草原生态系统CO₂通量的变化特征以及环境因子对CO₂通量的影响,并对通量源区分布进行了探讨。结果表明：研究区全年盛行西南风,生长季的源区面积大于非生长季,大气稳定条件下的源区面积大于不稳定条件;90%贡献率的源区最大长度接近400 m,与经典法则估算的长度一致。锡林浩特草原净生态系统碳交换量(NEE)具有明显的日变化和季节变化,生长季白天为碳汇,夜间为碳源,非生长季白天和夜间均为弱碳源。2018—2021年,年总NEE分别为-15.59、-46.28、-41.94和-78.14 g C·m^-2·a^-1,平均值为-45.49 g C·m^-2·a^-1,表明锡林浩特草原有较强的固碳能力。饱和水汽压差和光合有效辐射有助于草原生态系统吸收大气中CO₂;夜间,当温度高于0℃时,气温和土壤温度升高会促进植被呼吸作用释放CO₂。     

涡度相关法和静态箱/气相色谱法在生态系统呼吸观测中的比较

基于涡度相关法和静态箱/气相色谱法(箱式法)的碳通量观测数据,对比分析了两种方法在评价禹城冬小麦 夏玉米复种农田生态系统和海北高寒矮嵩草草甸生态系统呼吸中的差异.结果表明：在保证涡度相关法和箱式法观测数据质量的条件下,两种方法实时观测的夜间通量结果具有较好的一致性,相关系数达0.95～0.98;箱式法白天的观测结果与涡度相关法估算的白天生态系统呼吸值有较好的一致性,但前者普遍大于后者;两种方法测定生态系统呼吸日平均值的差异达极显著水平（P<0.01）,但二者的季节变化趋势较一致.在整个观测期内, 冬小麦-夏玉米复种农田观测箱内外平均温差为1.8 ℃,涡度相关法较箱式法测定的生态系统呼吸日平均值偏低30.3%;高寒矮嵩草草甸观测箱内外平均温差为1.9 ℃,涡度相关法较箱式法测定的生态系统呼吸日平均值偏低31.4%.两种方法对生态系统生长季呼吸日平均值测定结果的偏差高于非生长季.     

涡度相关法和静态箱/气相色谱法在生态系统呼吸观测中的比较

基于涡度相关法和静态箱/气相色谱法(箱式法)的碳通量观测数据,对比分析了两种方法在评价禹城冬小麦 夏玉米复种农田生态系统和海北高寒矮嵩草草甸生态系统呼吸中的差异.结果表明：在保证涡度相关法和箱式法观测数据质量的条件下,两种方法实时观测的夜间通量结果具有较好的一致性,相关系数达0.95～0.98;箱式法白天的观测结果与涡度相关法估算的白天生态系统呼吸值有较好的一致性,但前者普遍大于后者;两种方法测定生态系统呼吸日平均值的差异达极显著水平（P<0.01）,但二者的季节变化趋势较一致.在整个观测期内, 冬小麦-夏玉米复种农田观测箱内外平均温差为1.8 ℃,涡度相关法较箱式法测定的生态系统呼吸日平均值偏低30.3%;高寒矮嵩草草甸观测箱内外平均温差为1.9 ℃,涡度相关法较箱式法测定的生态系统呼吸日平均值偏低31.4%.两种方法对生态系统生长季呼吸日平均值测定结果的偏差高于非生长季.     

红壤典型地区大气硫输入的干沉降通量研究

在江西（鹰潭）红壤典型地区农田下垫面上进行大气SO2、硫酸盐（SO4^2-）的浓度采样,利用阻力模式计算SO2和SO4^2-的干沉降速度,估算大气S输入农田生态系统的干沉降通量,结果表明,农田下热垫面上SO2和SO4^2-干沉降速度的平均值分别是0．43、0．23cm.s^-1,干沉降速率具有明显的日变化特征,一般白天大于夜间,午后出现最大值,大气S输入农田生态系统的半年干沉降通量为6．7g.m^-2。     

中亚热带森林区通量观测的源面积探讨

利用 2002~2003年典型中亚热带森林地区 (千烟洲站 ) 通量观测资料, 运行FSAM (Flux_source_area_mod el) 解析模型初步确定该站的通量源面积。结果表明 :通量源面积随测量高度、测量时间和大气稳定度变化 ;风向的季节变化, 使得通量源面积分布方向也变化 ;该测站有足够大的风距, 测量结果能代表仪器所在地的现场特征, 即森林下垫面特征。另外, 相同时间的风向和通量数据绘图表明 :在Z/L满足模型运行要求时, 通量数据几乎集中在一个方向上 (随风向变化 ) 。模型结果在水平均匀湍流下得到, 满足模型基本要求。在该测站中, FSAM模型只能模拟昼夜层结稳定, 湍流不活跃时的通量源面积。今后重点是进一步查明森林内、外湍流特点, 改进模型, 使之对该测站的适用性更广。     

云南省农田生态系统碳足迹时空变化及其影响因素

农田碳足迹研究对农田生态系统管理与农业可持续发展具有重要意义,也可表征农田扩展的生态影响程度。利用县域尺度统计数据与空间分析,对云南省农田生态系统近30年的碳足迹的时空演变进行研究。结果表明:1985—2015年期间,云南省农田生态系统碳排放年均增幅为13.9%,化肥施用引起的碳排放贡献率最大,为56%,2015年的化肥单位面积碳排放达到331.6kg/hm2。云南省农田生态系统碳吸收年均增幅为3.04%,稻谷的碳吸收比例最大,为41%,然而,玉米的碳吸收的增幅最大,为8.76%。云南省农田生态系统存在碳生态盈余,且碳足迹总体呈现增长趋势,年均增长率为16.8%,单位面积碳足迹随年份增加不断增长。从空间上看,云南省农田生态系统碳排放、碳吸收在空间上均呈东南高、西北低的分布格局,而碳足迹在空间上呈现东西部高、中部低的分布格局,三者的空间差异和变化幅度差异都较大。     

Carbon Dioxide Exchange Between the Atmosphere and an Alpine Shrubland Meadow During the Growing Season on the Qinghai-Tibetan Plateau

In the present study, we used the eddy covariance method to measure CO2 exchange between the atmosphere and an alpine shrubland meadow ecosystem (37°36′ N, 101o18′ E; 3 250 m a.s.l.) on the Qinghai-Tibetan Plateau, China, during the growing season in 2003, from 20 April to 30 September. This meadow is dominated by formations ofPotentillafruticosa L. The soil is Mol-Cryic Cambisols. During the study period, the meadow was not grazed. The maximum rates of CO2 uptake and release derived from the latitudes. Daily CO2 uptake during the measurement period indicated that the alpine shrubland meadow ecosystem may behave as a sink of atmospheric CO2 during the growing season. The daytime CO2 uptake was correlated exponentially or linearly with the daily photosynthetic photon flux density each month. The daytime average water use efficiency of the ecosystem was 6.47 mg CO2/g H2O. The efficiency of the ecosystem increased with a decrease in vapor pressure deficit.     

A new assessment of European forests carbon exchanges by eddy fluxes and artificial neural network spatialization

Recently flux tower data have become available for a variety of ecosystems under different climatic and edaphic conditions. Although Flux tower data represent point measurements with a footprint of typically 1 km × 1 km they can be used to validate models and to spatialize biospheric fluxes at regional and continental scales. In this paper we present a study where biospheric flux data collected in the EUROFLUX project were used to train a neural network simulator to provide spatial (1 km × 1 km) and temporal (weekly) estimates of carbon fluxes of European forests at continental scale. The novelty of the approach is that flux data were used to constrain and parameterize the neural network structure using a limited number of input driving variables. The overall European carbon uptake from this analysis was 0.47 Gt C yr^?1 with distinctive differences between boreal and temperate regions. The length of the growing season is longer in the south of Europe (about 32 weeks), compared with north and central Europe, which have a similar length‐growing season (about 27 weeks). A peak in respiration was depicted in spring at continental scale as a coherent signal which parallel the construction respiration increase at the onset of the season as usually shown by leaf level measurements.     

利用大气二氧化碳和羰基硫浓度评估陆地生态系统模型碳通量模拟的不确定性

生态系统模型是模拟全球陆地生态系统碳循环的重要工具,但是其在全球不同区域的模拟存在很大的不确定性。如何评估陆地生态系统模型的不确定性是一项重要的研究。以北美地区为例,利用8个高塔观测站点同步获取的大气CO_2和羰基硫(OCS)浓度数据,结合WRF-STILT大气粒子扩散模型,评估了CASA-GFED3、SiB3和SiBCASA三种陆地生态系统模型模拟总初级生产力(GPP)和净生态系统CO_2交换(NEE)通量的不确定性。结果表明,SiB3模型能很好地模拟北美陆地生态系统GPP和NEE的季节变化时相和幅度,在3种模型中具有最佳的模拟能力;CASA-GFED3模型模拟的NEE季节变化较为理想、但对生长季GPP的模拟存在较大的误差,SiBCASA模型在模拟冬季晚期和春季早期的NEE和GPP时表现较不理想。研究证明了大气CO_2和OCS在评估陆地生态系统模型碳通量模拟的不确定性中的作用,为利用大气CO_2和OCS观测数据优化计算陆地生态系统光合和呼吸碳通量提供了理论支撑。     

无瓣海桑和秋茄人工林的减风效应

以海南东寨港三江湾无瓣海桑和秋茄人工林为研究对象,观测红树林内距向海林缘50 m、地面以上2 m高处的风速、风向特征,研究红树林的减风效应.结果表明:无瓣海桑和秋茄人工林均对偏北方向由海向岸的风速有明显的减弱效应,林带内50 m处的平均风速减低85％以上,并且秋茄林的减风效应更显著.随着风速的增加,林分的减风效能呈先下降后平缓的趋势.当风速低于5m·s-1时,无瓣海桑人工林内50 m处的平均风速减低89.8％;当风速在lOm·s-1以上时,其风速减低率趋于稳定;当风速＞15 m·s-1时,平均风速减低58.9％ ～63.6％.与冷季相比,无瓣海桑人工林暖季的减风效应更显著.在台风等极端天气状况下,无瓣海桑人工林内50 m处的平均风速和极大风速分别减低59.4％和53.2％.     

北京海淀公园绿地二氧化碳通量

作为城市生态系统的重要组成部分,城市绿地有着释氧固碳、降温增湿、吸收有毒有害气体、降尘、减噪等多种生态功能。在对北京海淀公园2006年5月到2007年3月的CO2通量观测数据进行质量评价、数据剔除和插补的基础上,通过与温度、太阳辐射等气象数据的相关性分析,定量研究了海淀公园绿地CO2通量的日变化、年变化以及影响因子。结果表明,海淀公园绿地日CO2通量在一年内具有明显的季节变化,植物生长季3—10月份以吸收CO2为主,11月至翌年2月份以释放CO2为主;年净生态系统生产力(NEP)为8.7554 tCO2/hm2a,反映了海淀公园绿地具有较强的固碳能力。