中国科学院清原森林生态系统观测研究站塔群平台的功能和应用

森林生态系统结构与生态服务功能关系是森林生态学和林学的永恒研究主题。受传统森林调查方法及技术手段的限制,对复杂地形下森林生态系统结构和功能的监测及二者关系的研究面临诸多挑战。在中国科学院野外站网络重点科技基础设施建设项目的支持下,中国科学院清原森林生态系统观测研究站在独立流域内建成了以观测塔群(三座观测塔覆盖各自子流域代表性森林类型)为主体,集激光雷达(LiDAR)、通量仪器、水文站网、固定标准地和数据中心为综合体的“次生林生态系统塔群激光雷达监测平台”(简称塔群平台)。塔群平台采用激光雷达扫描获取森林点云数据,描述森林生态系统的全息三维结构;依托独立流域/子流域内的通量监测系统、水文监测站网和通量源区内的长期固定标准地,可保证碳-水过程观测的可靠性,并用于验证复杂地形下的通量监测技术与方法,揭示森林生态水文与碳交换过程,准确估算森林生态系统主体生态服务功能(水源涵养和固碳)。所有“塔-站”数据通过无线网络实时汇集于数据中心,便于数据监视、管理与共享。此外,塔群平台将侧重研究森林生态系统结构量化的新方法和新指标,探索复杂地形森林生态系统中H₂O/CO₂/痕量气体通量观测的理论与方法,为阐明森林结构与功能的关系、服务于森林生态系统管理提供基础数据。     

CO2储存通量估算方法对森林生态系统碳收支估测的影响

准确测定森林生态系统中CO₂储存通量(F_s)对于以涡动协方差(EC)法估算生态系统碳收支具有重要意义,而F_s不同算法引起的森林碳收支估测误差还未被全面评估。本研究利用2018年帽儿山落叶阔叶林的开路EC系统和8层CO₂/H₂O廓线系统(AP100, Campbell Scientific Inc., USA)数据,比较了2-min平均廓线(P_{2 min})、30-min平均廓线(P_{30 min})和30-min平均EC单点法(P_s)3种不同方法估算的F_s对净生态系统交换(NEE)、生态系统呼吸(R_e)和总初级生产力(GPP)估算结果的影响。结果表明: F_s估算方法对森林碳通量的影响总体上随时间尺度增大而不断增大,表明通量数据插补和拆分会进一步放大F_s估算方法的影响。在年尺度上,P_{2 min}法和P_s法的NEE分别比P_{30 min}法的低36.3%和29.4%;P_{2 min}法的R_e比P_{30 min}法和P_s法高8.7%;而P_{2 min}法的GPP比P_{30 min}法的高5.4%,P_s法则比P_{30 min}法的低2.1%。传统的P_{30 min}法忽略了CO₂浓度的瞬时变化,P_s法缺少林冠层内部CO₂浓度变化,因此两者低估了真实R_e。近似瞬时廓线的方法(2-min平均)具有更高的时间与空间分辨率,能够更加准确地估算非平坦地形和复杂冠层结构的森林碳收支,这对解决EC法在复杂条件下森林R_e和GPP低估、净碳汇高估具有重要启示。     

通用风速廓线模型在山区森林的适用性

基于莫宁-奥布霍夫相似理论的解析方程(风速廓线模型)自20世纪70年代以来一直被用于平坦地形上的风速预测,成熟且准确,但在非平坦地形适用性尚不清楚。其适用性标志着对非平坦地形近地层空气动力学参数(如零平面位移高度及粗糙度)估计的准确性,将决定基于涡度协方差法计算碳水及痕量气体通量中频率修正及其源区分析的准确性。因此,风速廓线模型在非平坦地形的适用性评价是确认通量模型是否需要改进的前提。本研究利用辽东山区清原森林站科尔塔群测量三维风速数据,并与辽河平原盘锦农田站同类数据相比较,评估了以莫宁-奥布霍夫相似理论为基础建立的通用风速廓线模型在非平坦地形上的适用性。结果表明：通用风速廓线模型无法准确预测清原森林站3座通量塔所在地的风速,不适用于复杂地形。在非生长季和生长季,清原森林站3座通量塔实际观测与模型预测风速的决定系数(R²)为0.12～0.30,观测数据与预测值的标准误超过2 m·s^-1,模型风速约为实际观测风速的2.0倍,显著高估。然而,该模型可准确预测盘锦农田站平坦农田景观的水平风速,实际观测风速与模型预测之间的R²为...