长白山阔叶红松林CO2通量与温度的关系

应用涡度相关法观测的通量数据和环境因子数据,在生态系统水平上分析了长白山阔叶红松林生长季温度与CO2通量之间的关系.结果表明：（1）在相同的光合有效辐射水平下,净生态系统CO2交换量（NEE）随温度Ta的变化趋势为,在Ta〈20℃范围内,NEE随温度的增加而增加,在Ta=20℃附近有极大值,随温度的继续增加NEE呈下降的趋势,同时NEE还具有明显的季节变化,表现为7月〉6月〉8月〉9月〉5月〉4月〉10月.（2）应用Michaelis-Menten方程计算得出最大光合速率Pmax和生态系统呼吸Re,分析其与温度的关系发现,Pmax随温度的变化呈S型曲线,Re则随着温度的升高而呈指数上升的趋势,曲线为：Re=0.0607 exp（0.0666Tα）,R^2=0.96.夜间生态系统呼吸的Q10为3.15.（3）通过对NEE与环境因子的偏相关分析表明,温度对NEE的偏相关系数在生长季呈现先减小后增大的趋势,说明在生长季初期和末期升高温度比生长季中期对NEE的影响要大.     

长白山温带混交林林冠下层CO2通量对生态系统碳收支的贡献

作为ChinaFLUX的重要组成部分,从2002年年底开始利用涡度协方差技术在长白山温带混交林林冠上层和下层进行连续通量观测,这为量化林冠下层CO2通量对整个森林生态系统碳收支的贡献提供了一条有效途径.利用2003年林冠上层和林冠下层的观测数据,研究表明林冠下层夜间的CO2通量与5 cm深度的土壤温度存在明显的指数正相关关系.林冠下层的呼吸通量与箱式法观测的土壤呼吸通量之间具有很好的一致性(R2=0.77),二者在全年都与整个森林的光合产物量相耦合,且都在7～8月份达到最大值.林冠下层的呼吸量和土壤呼吸量分别为770 g Cm-2a-1和703 g Cm-2a-1,占整个森林生态系统呼吸年总量的比重高达59.88%和54.69%.林冠下层的光合作用呈双峰型季节变化,两个峰值分别出现在5月中旬和8月下旬.尽管全年林冠下层光合产物量为87 g Cm-2a-1,对整个森林光合产物量的贡献率仅为5.69%,但林冠郁闭度低的4、5月和10月份,林冠下层的光合产物贡献率也分别达到19.99%、21.06%和14.53%.林冠下层净初级生产力的季节动态受该层呼吸作用的季节变异控制,林冠下层在全年都表现为碳源,其净碳排放速率在8月份达到最大.     

太湖生态系统能量闭合特征及其影响因素

地表能量不闭合不仅限制了涡度相关观测数据在陆面模型发展和验证等应用性研究中的价值,还给生态系统CO2源汇特征辨析带来不确定性。基于太湖避风港站2012年涡度相关通量、辐射、气象和水温梯度观测数据,分析了太湖能量闭合的多尺度(小时、日和月)时间变化特征,阐述了大气稳定度、摩擦风速和湖风对太湖能量闭合状况的影响。结果表明:太湖小时尺度的能量闭合度为0.59,且昼夜差异较小;日尺度的能量闭合度为0.73,在内陆水体观测结果中处于中等水平;月平均能量闭合度呈现冬季高、夏季低的季节变化特征;年平均时太湖仍有27%的能量不闭合。因摩擦风速减小,太湖能量闭合度在大气极不稳定条件下要比弱不稳定条件下结果低0.3;对于太湖这类大型浅水湖泊,其能量闭合度全天都受动力湍流交换强度制约,能量闭合度随摩擦风速增大而显著提高;虽然湖风发生使太湖小时尺度的能量闭合度降低了0.1,但其影响在日尺度上并不明显。     

植被光合呼吸模型在长白山温带阔叶红松林的优化及验证

植被光合呼吸模型(VPRM)关键参数的确定和优化是准确计算生态系统净CO_2交换(NEE)的基础。利用中国通量观测研究联盟(China FLUX)长白山站温带阔叶红松林2005年的通量观测资料,对VPRM的4个参数(最大光能利用率ε_0、光照为半饱和条件下光合有效辐射值PAR0和呼吸参数(α、β))进行优化,并使用2006年的观测资料对参数优化前后的模拟结果进行评估。结果表明:参数优化后,VPRM能够较好地模拟长白山地区2006年植物生长季NEE的变化。对30min NEE模拟的平均误差为-1.81μmol m~(-2)s~(-1),相关系数为0.72,模拟NEE平均日变化的峰值约为观测值的91%,相关系数为0.97。但在植物非生长季模型对森林NEE的模拟效果较差。模型模拟30min NEE的平均误差为0.39μmol m~(-2)s~(-1),相关系数仅为0.10,并且模拟低估NEE平均日变化白天吸收峰值约82%,日变化模拟值与观测值的相关系数为0.50。通过分析不同天气个例,发现模型可以较好地模拟晴天条件下NEE的变化,而对阴雨天NEE的模拟误差较大。该研究有利于提高VPRM模型对温带落叶阔叶林NEE的模拟能力,对进一步改进区域陆地NEE的模拟具有重要意义。     

植被冠层尺度生理生态模型的研究进展

随着人们对植物生命活动各个过程研究的不断深入,以植物生理过程、物理过程为基础的各种生理生态学模型逐渐发展起来,而植被冠层尺度生理生态学过程模型已成为生态系统模型的核心之一。目前植被冠层尺度的大叶模型、多层模型、二叶模型以其成熟的理论基础及对植被冠层的光合作用、蒸腾作用较为成功的模拟,得到了广泛的应用。3个模型都以光合作用-气孔导度-蒸腾作用耦合模型为基础,但又具有各自的特点。本文对3种模型的结构及特点进行了总结,并对其进行了比较,简要介绍了目前植被冠层尺度生理生态学模型的应用及存在的问题和发展状况。     

箱体特征对箱式法观测水-气界面CO2和CH4通量的影响

箱式法是广泛运用于内陆水体CO₂和CH₄通量监测的重要方法,但各研究中使用的箱体特征存在差异,箱体设计缺少统一标准,从而会影响观测结果。为明确箱体透光性、箱体内外气压差以及箱体内气体混合状态对水-气界面CO₂和CH₄通量观测的影响,本研究基于多通道闭路式动态箱观测系统,分别对比明箱和暗箱、箱体是否配备气压平衡阀及风扇对养殖塘水-气界面CO₂和CH₄通量观测的影响。结果表明: 夏季白天观测期间,与可观测CO₂实际通量的明箱相比,当CO₂呈现排放状态时,暗箱高估了90%的CO₂通量;当CO₂呈现吸收状态时,暗箱低估了50%的CO₂通量。暗箱测得的CH₄扩散通量比明箱低40%。箱体内气压是否与外界气压保持平衡对CO₂和CH₄通量影响均不显著。无风扇的箱体观测的CO₂通量代表性较差,在本研究中较有风扇的箱体高20%。无风扇的箱体难以区分不同途径排放的CH₄通量。在运用箱式法观测水-气界面CO₂、CH₄通量时,应使用透明箱体,并在其中安装风扇辅助气体混合。     

涡度相关观测的太湖CH4通量数据插补方法评价

涡度相关法是在湖泊开展CH₄通量长期连续观测的重要方法。受到多种因素的影响,CH₄通量观测数据存在大量缺失。为重构完整的CH₄通量时间序列,就需要适宜的数据插补方法。本研究利用太湖涡度通量观测网络东部的避风港站点2014—2017年的常规气象数据及涡度相关观测的CH₄通量数据,在分析半小时尺度以及日尺度CH₄通量影响要素的基础上,测试了非线性回归法以及随机森林算法和误差反向传播算法在半小时尺度及日尺度上插补CH₄通量缺失数据的可行性。结果表明: 在半小时尺度上,避风港站生长季CH₄通量主要受到底泥温度、摩擦风速、气温、相对湿度、潜热通量和20 cm处水温的影响,非生长季主要受到相对湿度、潜热通量、风速、感热通量和底泥温度的影响,而在日尺度上CH₄通量主要受潜热通量和相对湿度的影响。在对CH₄通量缺失数据的插补中,随机森林模型在所有时间尺度上都表现为最佳的插补性能,其中,将日序、太阳高度角、底泥温度、摩擦风速、气温、20 cm处水温、相对湿度、气压和风速作为输入变量的随机森林模型更适用于半小时尺度缺失数据的插补;将日序、底泥温度、摩擦风速、气温、20 cm处水温、相对湿度、气压、风速和向下短波辐射作为输入变量的随机森林模型更适用于日尺度缺失数据的插补;整体上,插补模型对日尺度缺失数据的插补优于半小时尺度。     

Optimization and evaluation of vegetation photosynthesis and respiration model using the measurements collected from the forest site of subtropical coniferous-evergreen

 碳循环模型参数的确定和优化对生态系统净CO₂交换(NEE)的模型计算至关重要。该文利用2010–2012年ChinaFLUX千烟洲站点的通量观测资料, 对植被光合呼吸模型(VPRM)的参数进行了优化。通过比较两种不同的拟合方案, 发现利用传统光响应方程得到的参数不适用于VPRM, 而利用模型自身反演方案拟合得到的参数最大光量子效率(λ)达0.203, 大于C₃植物平均值, 但与其他相关研究结果吻合。采用VPRM模型反演方案优化得到的参数后, VPRM能较准确地模拟千烟洲站不同季节的NEE。其对全年半小时NEE模拟的平均误差为–0.86 μmol·m^–2·s^–1, 相关系数为0.72。模型可准确地模拟生长旺季NEE平均日变化, 但低估了非生长旺季白天吸收峰值约52%。通过个例分析发现, VPRM模型可以准确模拟晴天条件下NEE的时间变化, 但对阴雨天条件下NEE的模拟还存在较大的不确定性。该研究将有助于进一步改进CO₂通量及浓度的区域数值模拟。     

太阳辐射对长白山阔叶红松林净生态系统碳交换的影响

太阳辐射是植物进行光合作用的前提条件, 因此成为影响植被吸收大气CO₂的重要环境因子。该研究基于30 min通量和常规气象数据, 以相对辐射和晴空指数为指标, 分析了2003~2006年生长旺季(6~8月)太阳辐射的改变对长白山阔叶红松(Pinus koraiensis)林净生态系统碳交换(Net ecosystem exchange, NEE)的影响。结果表明: 天空有一定云层的覆盖对阔叶红松林碳的净吸收有明显的促进作用。4年里6~8月间生态系统最大光合速率在天空有云覆盖时较晴空条件下分别提高了34%、25%、4%和11%。在晴空指数约为0.5的中等辐射条件下, 该生态系统的NEE达到最大。对生态系统碳的净吸收有促进作用的临界相对辐射约为37%, 而使该生态系统NEE达到最大的最适相对辐射约为75%。进一步分析表明, 天空云量的增多和云层厚度的增加会引起散射辐射比例的增加、大气温度和水汽亏缺程度的降低等环境效应, 由此可能会导致冠层光合作用的增加和地上部分呼吸的减弱, 从而共同决定了净生态系统碳吸收作用的增强。     

基于改进SW模型的千烟洲人工林蒸散组分拆分及其特征

蒸散组分拆分是准确评估陆地生态系统生产力以及估算水分利用效率的重要基础。利用改进后的Shuttleworth-Wallace模型,将蒸散拆分为植被蒸腾、土壤蒸发和冠层截留蒸发,并采用Monte Carlo随机参数化方案对模型参数进行优化。将模型与千烟洲亚热带人工针叶林站点的2011年涡度相关及小气候观测资料结合,对千烟洲人工林蒸散及其组分进行模拟。研究结果表明:半小时尺度上蒸散量模拟值与实测值的一致性在晴天和雨天都较高。半小时尺度上全年蒸散模拟值与实测值的决定系数、均方根误差和平均偏差为0.73、1.55 mmol m~(-2)s~(-1)和0.21 mmol m~(-2)s~(-1)。蒸散是该生态系统水分输出的最主要贡献项,占全年降水的80%。在蒸散中,植被蒸腾约占总蒸散量的85%,可推测2011年千烟洲人工林生态系统有较高的水分利用效率。该生态系统的蒸腾量季节变化明显,主要受饱和水汽压差和气温两种环境因素以及植被的叶面积指数影响且与三者均呈正相关;土壤蒸发约占总蒸散量的5%,季节变化平缓;模拟的冠层截留蒸发量约占总蒸散量的10%,季节变化大,与降水量呈正相关,与暴雨频次呈负相关,说明冠层无法有效截留强降水。该模型参数较少、时间分辨率高且可以有效模拟蒸散及其组分特征,是陆地生态系统水分循环过程研究有力的模型工具。