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。     

基于涡度相关法的农田生态系统碳通量研究进展

涡度相关法作为国际上公认的碳通量测定的标准方法,在农田生态系统碳通量研究领域具有广阔的空间。本研究旨在总结涡度相关法的农田生态系统碳通量最新研究成果,为涡度相关法与农田生态系统碳通量研究提供参考。文章综述了国内外基于涡度相关技术的农田生态系统碳通量研究现状,重点总结了其在时间变化、驱动因子、生产力模型、数据处理等方面的最新研究成果。经了解发现涡度相关技术对农田生态系统碳通量的时间变化特征研究较多,且众多研究结果表明在单一种植模式下农田碳通量的日变化和季节变化呈显著单峰"U"型趋势,在多熟种植模式下季变化呈"W"型,但对种植模式的碳通量研究缺乏区域代表性;同时驱动因子研究集中在温度、光照、水分等环境因素对农田碳通量的影响方面,对环境因子与农艺措施之间的关系研究较少;且对于通量夜间数据的处理和无效、缺失数据的剔除与插补缺乏统一的标准。因此本文认为区域典型种植模式的长期定位监测、多因子协同分析、数据质量监控等方面具有较大研究空间。     

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。     

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.     

氮稳定同位素技术在陆地生态系统氮循环研究中的应用

在过去几十年中,氮(N)稳定同位素技术的发展提高了人们对于陆地生态系统氮循环的认识。该文回顾了氮稳定同位素技术在研究生态系统氮循环中的历史,综述了最近十多年来氮稳定同位素技术在陆地生态系统氮循环研究中的典型案例,包括利用氮同位素自然丰度鉴定植物氮来源、指示生态系统氮状态和量化过程速率,利用~(15)N标记技术示踪氮的去向和再分布等。该文同时指出这些应用中存在的问题,以及在陆地生态系统上氮稳定同位素技术今后研究的重点发展方向。     

氮稳定同位素技术在陆地生态系统氮循环研究中的应用

在过去几十年中, 氮(N)稳定同位素技术的发展提高了人们对于陆地生态系统氮循环的认识。该文回顾了氮稳定同位素技术在研究生态系统氮循环中的历史, 综述了最近十多年来氮稳定同位素技术在陆地生态系统氮循环研究中的典型案例, 包括利用氮同位素自然丰度鉴定植物氮来源、指示生态系统氮状态和量化过程速率, 利用¹⁵N标记技术示踪氮的去向和再分布等。该文同时指出这些应用中存在的问题, 以及在陆地生态系统上氮稳定同位素技术今后研究的重点发展方向。     

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.     

中国陆地生态系统通量观测站点空间代表性

涡度相关技术是测定大气与陆地生态系统之间CO₂交换、水分和能量通量最直接的方法,可用于研究土壤、植被与大气间的CO₂交换及其调控机制。收集了11个影响净碳交换量的主要变量信息,包括气象因素、土壤因素和地形因素的非生物因子、实际植被状态以及植被生产力,采用多元地理变量空间聚类分析方法,绘制出不同聚类数（25、50、75、85、100、150和200类）的通量生态区。结合中国现有通量观测站点的空间分布格局,与新生成的通量生态区和已有的自然地理区划进行对比分析,发现由于中国地形复杂,生态系统类型多样,现有85个涡度相关通量观测站点仅能刻画部分中国生态系统类型的净碳交换量时空特征,通量生态区划分为100-150类比较合适。考虑到涡度相关通量观测运行成本,通量站点可增加至150个,从而使得优化后的通量观测网络能够代表中国主要类型的生态系统,并且有利于通量观测数据与遥感资料的有效结合,提高碳水通量观测从站点扩展到区域尺度的精度,从而更好地检验过程机理模型的模拟结果。     

碳同位素示踪技术及其在陆地生态系统碳循环研究中的应用与展望

碳同位素示踪技术具有高度的专一性和灵敏度, 经过几十年的发展, 形成了一系列成熟的标记方法, 在陆地生态系统碳循环过程的研究中已得到广泛应用。目前, 自然丰度法、与¹³C贫化示踪技术结合的自由空气中气体浓度增加(FACE)实验、脉冲与连续标记法以及碳同位素高丰度底物富集标记法是研究陆地生态系统碳循环过程常用的碳同位素示踪方法; 通过将长期定位实验和室内模拟实验结合, 量化光合碳在植物-土壤系统的传输与分配特征, 明确植物光合碳对土壤有机质的来源、稳定化过程的影响及其微生物驱动机制; 阐明土壤碳动态变化(迁移与转化)和新碳与老碳对土壤碳库储量的相对贡献, 评估有机碳输入、转化与稳定的生物与非生物微观界面过程机制。然而, 生态系统碳循环受气候、植被、人为活动等多因素影响, 碳同位素技术需要结合质谱、光谱技术实现原位示踪, 结合分子生物学技术阐明其微生物驱动机制, 从而构建灵敏、准确、多尺度、多方位的同位素示踪技术体系。因此, 该文以稳定碳同位素为主, 综述了碳同位素示踪技术的原理、分析方法和在陆地生态系统碳循环过程中的应用进展, 归纳总结了碳同位素示踪技术结合原位检测技术和分子生物学技术的研究进展和应用前景, 并对碳同位素示踪技术存在的问题进行了分析和展望。     

碳同位素示踪技术及其在陆地生态系统碳循环研究中的应用与展望

碳同位素示踪技术具有高度的专一性和灵敏度,经过几十年的发展,形成了一系列成熟的标记方法,在陆地生态系统碳循环过程的研究中已得到广泛应用。目前,自然丰度法、与13C贫化示踪技术结合的自由空气中气体浓度增加(FACE)实验、脉冲与连续标记法以及碳同位素高丰度底物富集标记法是研究陆地生态系统碳循环过程常用的碳同位素示踪方法;通过将长期定位实验和室内模拟实验结合,量化光合碳在植物-土壤系统的传输与分配特征,明确植物光合碳对土壤有机质的来源、稳定化过程的影响及其微生物驱动机制;阐明土壤碳动态变化(迁移与转化)和新碳与老碳对土壤碳库储量的相对贡献,评估有机碳输入、转化与稳定的生物与非生物微观界面过程机制。然而,生态系统碳循环受气候、植被、人为活动等多因素影响,碳同位素技术需要结合质谱、光谱技术实现原位示踪,结合分子生物学技术阐明其微生物驱动机制,从而构建灵敏、准确、多尺度、多方位的同位素示踪技术体系。因此,该文以稳定碳同位素为主,综述了碳同位素示踪技术的原理、分析方法和在陆地生态系统碳循环过程中的应用进展,归纳总结了碳同位素示踪技术结合原位检测技术和分子生物学技术的研究进展和应用前景,并对碳同位素示踪技术存在的问题进行了分析和展望。     

日光诱导叶绿素荧光遥感及其在陆地生态系统监测中的应用

日光诱导叶绿素荧光(SIF)是近十年来迅速发展的新型植被遥感技术,可以弥补以“绿度”为基础的植被指数等传统光学遥感观测的不足,为大尺度植被光合作用监测提供了新方法。随着塔基、无人机、机载和星载SIF观测技术的快速发展以及SIF机理研究的推进,SIF遥感为陆地生态系统生理生化参数和生产力反演、非生物胁迫早期探测、光合物候提取和植被蒸腾作用监测等研究提供了重要技术支撑。该文首先系统阐述了SIF遥感的基本原理、观测技术和反演算法,进而回顾了SIF遥感在陆地生态系统监测中的应用现状,最后对天空地一体化SIF观测、SIF机理研究、新兴生态学应用等领域进行展望。     

动植物在陆地退化生态系统恢复中的作用及其研究进展

生态系统退化导致了生物生境丧失、多样性下降和生产力降低, 所以, 恢复退化的生态系统, 已成为亟待解决的重要课题, 关系到人类社会的可持续发展。因此, 阐述了生态系统退化的现状, 并分析了其退化的人为和自然原因; 比较分析了植物恢复、动物恢复及动植物联合恢复等生态恢复方法的适用性、有效性、局限性及恢复机制, 得出以下结论: 动、植物恢复首先应通过生态势和基础生态位等的分析, 筛选出较为适宜的本土生物, 这些生物的引入主要是通过收集种源、改善生境和构建生物廊道等途径进行; 引进外来物种进行生态恢复, 须评估外来种的入侵风险、适应性和生态功能; 同时注意利用植物和植物、植物与动物间的生态位、化感作用和互惠共生等互作关系, 并结合生态记忆的方法, 进行动植物的合理组合, 形成系统的生态恢复技术, 进而实现退化生态系统的全面恢复。     

陆地生态系统臭氧通量观测和气孔吸收估算研究进展

近地面大气中臭氧(O3)对植物生长发育和产量会产生不良影响。工业和交通排放的增加使得全球地面O3浓度逐年增加,不断升高的O3浓度已开始影响到我国的粮食产量。O3对植物的影响是由于其进入植物体内发生生化反应所引起的,所以需要建立一种考虑到植物生理生态状况的评估指标来评估O3对植物的影响。其中基于O3通量(特别是植物气孔吸收)的评价指标和方法,被认为比传统的基于O3浓度的评价指标和方法更符合O3对植物的影响机理。介绍了O3对生态系统影响评估方法和评价指标,重点评述了生态系统尺度O3通量观测和气孔吸收估算的主要方法以及在不同生态系统上的研究进展分析了我国关于O3对植物和生态系统影响的研究现状,并对未来的研究工作进行了展望。     

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.     

菌根真菌在陆地生态系统中的作用

对菌根真菌在陆地生态系统中与植物共生、固定土壤中的营养元素及水分、作为动物的食物以及影响植物群落的演替和区系组成以及调节生态系统中的资源配置、维持系统的物种多样性等方面的生态作用进行了讨论。     

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。     

菌根真菌在陆地生态系统碳循环中的作用

在陆地生态系统中,土壤、植被与大气之间有着可观的碳交换通量,陆地生态系统碳循环也和全球气候变化密切关联。菌根真菌可与绝大多数陆地植物建立菌根共生关系,通过矿质养分-碳交换连接起生态系统地上与地下部分,深度参与和影响陆地生态系统的碳循环过程。该文从碳的输入,土壤有机质的形成、稳定和分解等4个关键环节分别论述了菌根真菌在陆地生态系统碳循环中的作用。研究表明,菌根真菌在陆地生态系统碳的输入过程中扮演关键角色,其通过改善植物矿质营养,参与植物逆境响应,影响植物的光合作用强度,以及调控植物多样性与生产力之间的关系等多种途径,维持或提高植被初级生产力;大气中的CO₂被植物固定后,一部分碳经由菌丝网络输送到土壤中,随后经微生物的分解和转化,与矿物结合或被团聚体包裹而被稳定在土壤中;同时,菌根真菌通过影响根际激发效应和菌丝际生物化学过程,如分泌特定胞外酶,与菌丝际微生物互作,驱动芬顿反应,以及与腐生微生物竞争等,调控土壤有机质的分解和转化过程。考虑到菌根真菌对环境和气候变化的敏感性,该文还探讨了全球变化因子对菌根真菌介导的碳循环过程的影响。最后,该文对未来研究方向进行了展望,并提...     

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。     

能量标签技术及其在红树林生态系统能流研究中的应用

传统上认为红树林输出的有机质产生巨大的能流,支持了巨大的河口和近岸水域生态系统的次级生产。但能量标签技术的研究结果却显示红树林输出的有机质的作用并没有如此巨大。用红树碎屑难消化特性来解释此现象,此外数学模型模拟分析发现潮汐的稀释作用也可以解释这种现象。但这两者都不能解释,在其他初级生产者稀少时,红树材输出的有机质可以被大量利用的现象。在有红树林的河口和近海岸水域生态系统中,藻类等非红树初级生产者具有比红树植物更高的初级生产力,而且更容易被动物获得和消化。可以认为是藻类等巨大初级生产力的竞争作用导致红树初级生产在消费者组织中很难被发现,如此上面提到的难题就能得到很好的解决。此外能量标签技术检测出的是红树的初级生产在消费者组织中的相对比率,不是绝对数量值,从此角度看,能量标签技术的结果与传统观点不是矛盾而是互相补充的关系。由此推测红树的初级生产应该还是被消费者所利用,只是它们在消费者初级营养来源组成中占的比例并不大,但其绝对数量并不少。这与传统观点认为的红树的初级生产被大量利用,支撑了具有巨大的次级生产稍有不同。此外,能量标签技术在红树林生态系统中的适用性尚未检验;计算食物组成的数学工具不是很完善;实验设计上考虑的不够全面;对定量研究有一定的影响。