基于涡度相关技术的城市碳通量研究进展

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.准确认识城市系统碳收支状况及其变化特征,是开展城市碳循环过程及其影响机制研究的前提.本文从涡度相关技术理论基础及城市大气边界层与碳循环特征出发,系统总结了利用涡度相关技术开展城市地表-大气间碳通量监测所面临的问题、后期数据处理和评价的主要方法,以及目前涡度相关技术在城市碳通量监测中的应用现状及主要研究进展.现有研究成果表明,城市系统总体表现为碳源,受城市交通流量、生活供暖及植被生长的影响,城市地表-大气间CO₂交换存在明显的日、周及季节变化特征.然而,由于城市下垫面的高度异质性及复杂碳源汇分布,涡度相关技术获取的城市碳通量特征及其解释还存在较大的不确定性.今后需加强复杂城市环境下涡度相关通量观测技术与评价方法研究,从系统整体性出发构建城市系统碳循环模拟模型,结合空间化技术手段,深入开展城市区域尺度碳循环影响机制及其变异特征的客观评价.     

陆地生态系统碳通量面临的挑战与机遇——基于涡度协方差测定

区域和全球涡度协方差网络提供了基于陆地-大气生态系统间最大的综合性原位碳通量观测数据集。这些数据目前已成为自下而上核算陆地生态系统碳平衡的基础,但部分测量数据合理性问题引起通量界广泛关注。通过梳理近40年研究进展,总结了涡度协方差测量原理,系统地分析了仪器局限性和环境因素潜在影响,讨论了不同碳通量组分填补存在的争议、生态系统冬季休眠期的净碳吸现象违背生理学知识、夜间湍流发展不充分对生态系统呼吸的低估等,并由此产生数据偏移和测量滞后时间等。通过阐述涡度协方差测量原理和数据处理存在的缺陷与争议,提出了适当的改进措施以限制(或降低)数据测量产生的不确定性,旨在为后续监测精度提升和探究陆地生态系统碳循环及其对环境因子的响应提供理论支撑。     

华北平原冬小麦农田生态系统通量贡献区

利用2013—2014年涡度相关系统观测的华北平原冬小麦农田生态系统通量数据,结合通量贡献区模型FSAM,分析华北平原冬小麦农田生态系统通量贡献区的时空分布特点,对比研究不同大气稳定层结条件和生长期内通量贡献区的分布差异.结果表明: 在主风风向上,冬小麦整个生育期内大气稳定条件下的通量贡献区范围大于不稳定条件下的贡献区范围.在0°～90°主风风向上,生长初期稳定条件下通量贡献区范围比不稳定条件下大17.8 m左右,生长末期稳定条件下的通量贡献区范围比不稳定条件下大11 m左右.生长初期的通量贡献最大值点位置比生长末期距观测点位置远15 m(大气稳定条件)和12.4 m(大气不稳定条件);通量贡献最大值点在稳定条件下比不稳定条件下距观测点位置远5 m(生长初期)和2.4 m(生长末期).在非主风风向上,当风向为90°～180°时,生长初期和生长末期不同大气条件下的最大通量值分别位于距观测点的67.8、53.4和47.0、30.8 m.当风向为270°～360°时,生长初期和生长末期不同大气条件下的最大通量值位于距观测点的58.8、42和41.1、33.1 m.在整个生育期尺度上,观测塔的通量信息主要来自东北、西南和东南方向,其所占比例分别为35.4%、32.5%和19.4%.冬小麦整个生育期内通量贡献区的主要变化发生在观测点东北方向16.0～173.8 m和西南方向14.7～209 m,通量信息全部来源于农田生态系统.两个典型日期的通量贡献区日变化特征明显,通量贡献区范围随大气稳定条件和风向改变而发生变化.夜晚通量信息全部来源于农田生态系统,白天少部分通量信息来源于居民区和果园.本文的定量化结果可为农田生态系统通量贡献区的研究提供依据.     

盐生荒漠净生态系统碳交换的涡度相关法和箱式法对比

将叶面积指数的季节动态,与箱式法同步观测得到的同化枝净光合（呼吸）速率和土壤呼吸速率相结合,对群落碳交换进行估算,并以此验证盐生荒漠涡度相关数据的可靠性。结果表明:盐生荒漠生态系统年叶片生物量为51.30±5.56 g·m^-2,其中90.45%以上来源于多枝柽柳的贡献;而整个生长季,群落叶面积指数（LAI）呈单峰形式变化,从5月30日—9月30日,LAI介于0.18⁰.30,并在第197天达到最大值。涡度相关法和箱式法对群落碳交换的测定结果表明,群落碳交换存在显著的季节变化,并于7月中旬达到碳同化峰值,与LAI有显著的相关性（P<0.001）。对比发现,两种测量方法对群落碳交换日过程的测定结果有很好的一致性,但对夜间生态系统呼吸的测定,涡度相关法较箱式法存在略微的低估,引起这种低估的原因可能是夜间湍流较弱。     

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.     

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.     

涡度相关技术及其在陆地生态系统通量研究中的应用

通量观测是定量描述土壤-植被-大气间物质循环和能量交换过程的基础。涡度相关技术作为直接测量植被冠层与大气间能量与物质交换通量的技术手段, 已经逐步发展成为国际通用的通量观测标准方法。随着涡度相关技术在全球碳水循环研究中的广泛应用, 长期连续的通量观测正在为准确评价生态系统碳固持能力、水分和能量平衡状况、生态系统对全球气候变化的反馈作用、区域和全球尺度模型的优化与验证、极端事件对生态系统结构与功能影响等方面的研究提供重要数据支撑和机制理解途径。通过站点尺度通量长期动态观测, 明确了不同气候区和植被类型生态系统碳水通量强度基线及其季节与年际变异特征。通过多站点联网观测, 在区域和全球尺度研究生态系统碳通量空间变异特征, 揭示了区域尺度上温度和降水对生态系统碳通量空间格局的生物地理学控制机制。该文概括地介绍了涡度相关技术的基本原理、假设与系统构成, 总结了涡度通量长期联网观测在陆地生态系统碳水通量研究中的主要应用, 并对通量研究发展前景进行了展望。     

太湖流域典型稻麦轮作农田生态系统碳交换及影响因素

利用涡度相关技术观测太湖流域典型稻麦轮作农田生态系统2a净生态系统碳交换(NEE)变化过程,分析其碳交换特征及影响机理,结果表明:太湖流域典型稻麦轮作农田年NEE为-749.49—-785.38 g C m-2a-1,考虑作物籽粒碳和秸秆还田后净吸收88.12 g C m-2a-1,为弱碳汇;稻/麦季日均NEE和白天NEE季节变化直接受作物植被生长影响;麦季夜间NEE与10 cm土壤温度呈显著指数关系,2012/2013年温度敏感系数(Q10)分别为3.03和2.67;当土壤水分低于田间持水量时,麦季夜间NEE主要受土壤温度影响,反之,夜间NEE受土壤温度和水分双重影响;降水对麦季夜间NEE有短时的激发效应;稻季淹水对土壤呼吸产生较明显的阻滞效应,降低了夜间NEE对土壤温度的敏感性,2012和2013年分别为1.88和1.39,稻季淹水与烤田交替变化对土壤呼吸产生明显的抑制或激发的短时效应。     

黄河三角洲芦苇湿地生态系统碳、水热通量特征

利用涡度相关法对黄河三角洲芦苇湿地生态系统进行了连续两年的通量观测,对2009—2010年生长季芦苇湿地的净生态系统碳交换量(NEE),感热通量(Hs)和潜热通量(LE)数据进行了分析。结果表明,在日尺度上,芦苇湿地NEE日变化特征表现为两个CO2吸收高峰,分别出现在11:00和16:00左右,其特点是在午间出现了碳交换通量的降低。CO2吸收的日最大值在两个生长季出现的时间有所不同,分别出现在2009年7月(-0.30 mg CO2m-2s-1)和2010年6月(-0.37 mg CO2m-2s-1)。CO2排放的日最大值两个生长季均出现在9月,分别为0.19和0.25 mg CO2m-2s-1。Hs和LE的日动态均为单峰型,极值都出现在中午前后,生长季生态系统的能量消耗主要以潜热为主,且在日尺度上,热通量和NEE有显著的负相关关系。在季节尺度上,芦苇湿地生长季具有明显的碳汇功能,2009年生长季生态系统白天固定354.63 g CO2/m2,同时期夜间释放159.24 g CO2/m2,净CO2吸收量为-195.39 g CO2/m2。2009年整个生长季生态系统总初级生产力(GPP)为-651.13 g CO2/m2,生态系统呼吸(Re)为455.74 g CO2/m2,系统表现为碳汇。路径分析表明:光合有效辐射(PAR)显著影响NEE的日动态(R2=0.46—0.84),而NEE的季节动态主要受土壤温度的影响,降水和PAR的影响次之。     

农田生态系统CO2通量的转换计算

通过冬小麦单叶CO2通量与冠层CO2通量的同步测定,发展不同日期净光合速率（Pn)和冠层CO2通量（Fco2)变化趋势相同,但峰值出现的时间不一致。CO2浓度差与Fco2日变化趋势相反,CO2浓度差最小时FCO2达到最大值;空气动力学法计算的FCO2与采用积分法计算的冠层CO2通量（Ac)呈明显的倒“U”字型日变化趋势,而Ac日变化过程波动性小;采用积分法模拟的日同化量与空气动力学法计算日同化量有时相差很小,但有时误差大,由于模拟冠层通量Ac值只考虑了光强的变化,而实际上,温度,风速,土壤湿度等变化均对冠层CO2通量产生影响。     

农田生态系统CO_2通量的转换计算

通过冬小麦单叶CO2 通量与冠层CO2 通量的同步测定 ,发现不同日期净光合速率 (Pn)和冠层CO2 通量 (FCO2 )变化趋势相同 ,但峰值出现的时间不一致 .CO2 浓度差与FCO2 日变化趋势相反 ,CO2 浓度差最小时FCO2达到最大值 ;空气动力学法计算的FCO2 与采用积分法计算的冠层CO2 通量 (Ac)呈明显的倒“U”字型日变化趋势 ,而Ac日变化过程波动性小 ;采用积分法模拟的日同化量与空气动力学法计算日同化量有时相差很小 ,但有时误差大 ,由于模拟冠层通量Ac值只考虑了光强的变化 ,而实际上 ,温度、风速、土壤湿度等变化均对冠层CO2通量产生影响 .     

太湖流域西部丘陵区茶园生态系统碳通量特征

本文基于静态箱/红外气体分析法,分析太湖流域西部丘陵区不同植茶年龄(3、9和20 a)茶园生态系统碳通量特征。结果表明:茶园生态系统碳通量日变化和季节变化均呈单峰型,最大碳通量达-1.10 mg·m-2·s-1,晴天为碳吸收,阴天以碳排放为主;采茶使3—4月茶园生态系统碳通量降低,对9、20 a茶园影响较大,修剪使5—9月3、9 a茶园碳通量趋于一致,固碳能力大幅下降;茶园生态系统是显著的大气碳汇,年净生态系统碳交换量为-304.04 g C·m-2,固碳能力与林地相当,其开发利用不会造成生态系统碳汇减少。     

基于植被羰基硫通量估算陆地生态系统总初级生产力研究进展

羰基硫(COS)是大气中的长周期痕量气体,其分子结构、对流层大气混合比的昼夜和季节动态类似于二氧化碳(CO₂)。植物光合作用及其水解过程中,受扩散通路导度和酶活性影响,气孔的COS与CO₂吸收紧密相关,同时,植物自养呼吸并不释放COS。最新研究中,采用植被COS通量直接指示生态系统总初级生产力(GPP)。综述了植被COS通量与光合作用中碳固定过程的关联机制,以及采用涡度相关观测、整合大气COS监测和生态系统过程模型等方法开展植被COS通量与GPP研究的最新进展,探讨了关键生态过程和参数,发现方法存在以下瓶颈：(1)生理过程、尺度效应和解析效应影响了COS与CO₂的叶片相对吸收率,(2)观测与模拟手段有待进一步耦合,(3)全球COS观测密度限制了方法验证,(4)硫循环过程影响了多区域模拟精度。方法发展的前沿领域包括：(1)开展重点地区植被COS通量观测,(2)提高COS卫星柱浓度的覆盖范围,(3)完善生态系统过程模型的COS吸收机理。展望未来研究关注的科学问题是：对于亚热带等尚待开展COS连续观测的区域,采用植被COS通量...     

涡度相关观测的能量闭合状况及其对农田蒸散测定的影响

涡度相关法被认为是测定农田蒸散量的标准方法。然而,能量不闭合现象在涡度相关测量中普遍存在。分析能量不闭合对涡度相关观测的影响,对于提高涡度相关观测精度具有重要意义。以蒸渗仪法为参照,探讨涡度相关观测的能量闭合状况对农田蒸散测定的影响,在导致涡度相关观测能量不闭合的诸多因素中,寻找对蒸散测定有影响的因素。结果表明:涡度相关观测的白天能量平衡比率(EBR)呈秋冬高、春夏低的变化特征,麦季日均EBR范围在0.26—2.84之间,平均1.15;玉米季日均EBR范围在0.19—2.59之间,平均0.78。无论麦季或玉米季,涡度相关法测定的平均蒸散量(ETec)均明显低于蒸渗仪法观测值(ETL),但两者显著相关(P<0.01),并有相似的季节变化。平均蒸散比(ETec/ETL)麦季约为0.61,玉米季约为0.50。在冬小麦田和夏玉米田,ETec/ETL均与EBR显著相关(P<0.01)。麦田种植密度大,下垫面较均匀,蒸散比与EBR成正比(P<0.01),且不受叶面积指数(LAI)大小影响;反之,玉米田种植密度小,只有当LAI>1,下垫面变得较均匀后,蒸散比与EBR的关系才变得显著(P<0.01)。风速小时ETec/ETL与EBR显著相关,风速增加时二者相关性减弱。尤其在玉米田,当摩擦风速(u*)大于0.3 m/s时,ETec/ETL与EBR的相关性不再显著。风速小时,大气湍流微弱,湍流的涡旋较大。在有限的观测时段(0.5h)内,涡度相关仪的传感器难以捕捉足够的湍涡能量,所测湍流能量偏低,导致能量不闭合。以上结果为应用能量平衡比率校正农田蒸散提供了可能途径。     

区域尺度无人机涡动相关通量观测系统的应用研究

陆地生态系统的水热循环与碳循环是陆地表层系统中物质能量循环的核心,其中区域尺度地表水、热、碳通量的直接观测是当下陆地生态系统通量观测与模拟研究中的热点与难点。机载涡动相关方法能够直接观测区域尺度生态系统通量,基于无人机平台的涡动相关通量观测技术同时兼具了区域覆盖性与经济灵活性等优点,是机载通量观测技术的最新发展方向。在介绍机载涡动相关通量观测方法的主要技术原理、观测特点以及无人机通量观测系统组成的基础上,通过在相对均匀的区域开展无人机与地面通量观测对比试验,采用谱分析、观测结果对比以及源区分析等方式对无人机通量观测系统的性能进行了初步评价。结果表明：无人机通量观测系统能够实现对大气高频湍流信号的有效采样;无人机与地面观测的湍流通量具有较好的一致性,但是感热和CO₂通量出现了低估、潜热和摩擦风速出现了高估;观测平台与仪器的差异、垂直通量辐散、大气边界层条件、不同的地面源区及地表异质性的影响是造成二者差异的潜在主要因素。最后对未来研究目标进行了展望,以进一步推动该技术在相关领域中的应用。     

生态系统通量研究进展

开展生态系统通量的长期定位观测研究具有重要的意义,本文在总结生态系统通量概念与内涵的基础上,概要介绍了全球通量网、区域通量网(美洲网、欧洲网、亚洲网)和中国陆地生态系统通量观测研究网络的建设与发展历程,以及生态系统通量的主要研究方法,包括微气象学方法(涡度相关法、质量平衡法、能量平衡法和空气动力学法)和箱式法(静态箱法和动态箱法)及其基本工作原理;系统地对不同生态系统类型,包括森林生态系统、农田生态系统、草原生态系统和水体生态系统的CO₂通量、N₂O通量、CH₄通量、热通量等研究成果、方法及进展进行了评述;最后,结合我国不同生态系统类型通量研究的现实与需要,从生态系统通量研究的策略、水平、方法以及资金的投入、数据的管理与使用等方面提出了一些合理化建议与展望.     

农田生态系统碳汇研究进展

农田生态系统碳汇包括农作物生物量碳汇和农田土壤碳汇两个方面,中国农田生态系统面积大,碳储量高,是全球生态系统碳循环的重要组成部分。厘清中国农作物生物量和土壤有机碳含量、变化率和影响因素对于解析全球碳循环和维系粮食安全具有重要意义。梳理农田生态系统碳汇相关概念的基础上,比较农田生态系统碳汇研究方法的适用性及存在问题,通过以往研究和SoilGrids250数据研究中国农田生态系统碳库时空分布,并分析农田生态系统碳汇的影响因素及固碳方法。结果表明,中国近30年来农作物生物量呈现增加趋势,农田土壤有机碳含量普遍较低且空间分布不均,0-5cm土壤有机碳含量平均值在16.7 g/kg到86.5 g/kg之间,增加农田土壤有机碳含量是未来中国农田生态系统碳汇的重要方向。肥料和有机残留管理、保护性耕作、种植模式、灌溉等管理措施是增加土壤有机碳汇的主要措施,但农田生态系统碳汇潜力估算仍存在不确定性。最后,从农田生态系统碳汇潜力估算、影响因素厘定和增汇技术研发3个方面提出未来研究方向。研究结果有助于推动农田生态系统碳汇科学研究和技术推广,为实现农田生态系统助力"碳中和"寻求重要路径。     

季节性高温和干旱对亚热带毛竹林碳通量的影响

采用涡度相关技术对安吉亚热带毛竹林生态系统碳通量进行连续观测,选取2011和2013年月尺度净生态系统生产力（NEP）、生态系统呼吸（R_e）和总生态系统生产力（GEP）数据,探讨季节性高温、干旱对毛竹林生态系统碳通量的影响.结果表明： 安吉毛竹林年际间NEP有较大差异;2013年7和8月由于水热不同步而造成的高温干旱使其NEP明显下降,相比于2011年同期分别下降了59.9%和80.0%.对2011和2013年月尺度下NEP、R_e和GEP与环境因子进行相关分析发现,R_e和GEP与温度因子均呈显著相关（P<0.05）,但两者对空气和土壤水分的响应方式和程度有所不同,GEP相比于R_e更易受到土壤水分降低的影响,而饱和水汽压差的升高会在一定程度上促进R_e、同时抑制GEP,这是造成2013年7和8月安吉毛竹林NEP降低的根本原因.     

辽西樟子松人工林净生态系统碳交换

樟子松是三北地区造林的主要树种之一,研究樟子松人工林净生态系统碳交换(NEE)及其影响要素对理解我国人工林碳平衡有重要意义。本研究以辽西樟子松人工林为对象,采用涡度相关系统及其配套设备于2020年对樟子松人工林NEE和环境要素进行了原位连续观测。结果表明: 在0.5 h尺度上,1—12月夜间为碳源,白天为碳汇,且受干旱影响5—8月下午碳吸收受到明显抑制。在日尺度上,受干旱影响,控制夜间NEE季节动态的主要要素为土壤温度和土壤湿度,控制白天NEE季节动态的主要要素为土壤湿度和饱和水汽压差;土壤干旱时降水可促进夜间和白天NEE,并导致光合呼吸参数升高。在月尺度上,白天NEE与表观量子利用效率和最大光合速率均呈显著负相关,当空气温度小于5 ℃时,10 ℃生态系统呼吸和生态系统呼吸温度敏感性随空气温度降低而呈线性增加。2020年辽西樟子松人工林NEE积累量为-145.17 g C·m^-2,表现为弱碳汇。     

亚洲中部干旱区3个典型生态系统生长季水碳通量特征

亚洲中部干旱区地处欧亚大陆腹地, 干旱少雨, 生态环境十分脆弱, 研究该地区大气与地表之间的能量和物质交换对干旱区水资源利用和生态环境保护具有重要意义。该文分析了亚洲中部干旱区荒漠与草地生态系统能量、水汽和CO₂通量的日变化及季节变化特征, 探究了水汽和CO₂通量对主要环境因子的响应。通过分析亚洲中部干旱区3个站点的涡度相关资料发现: 亚洲中部干旱区荒漠和草地生态系统在生长季(4-10月)能量、水汽通量、净CO₂通量和总初级生产力的日变化呈“单峰型”, 而荒漠生态系统呼吸日变化相对稳定; 草地生态系统白天的潜热通量占净辐射通量的比例明显高于荒漠生态系统; 草地生态系统在5-8月呈现较强的碳汇, 而荒漠生态系统表现为弱碳汇。亚洲中部干旱区草地和荒漠生态系统水汽通量和总初级生产力对降水、净辐射通量或光合有效辐射、饱和水汽压差、气温均表现出明显的敏感性。