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.     

北方森林土壤呼吸和木质残体分解释放出的CO2通量

北方森林因其面积大、土壤碳储量高以及对全球暖化响应敏感而在全球碳平衡和气候系统中起着至关重要的作用。土壤呼吸和木质残体分解释放出的 CO2 通量是北方森林生态系统输入大气圈的最主要的碳源。量化这个通量并深刻理解其中的机理过程 ,是评价和预测北方森林在全球变化中的作用必不可少的内容。综述了北方森林生态系统土壤呼吸和木质残体分解释放出的 CO2 通量随生态系统类型及环境条件而变化的一般格局以及自养呼吸和异氧呼吸在土壤表面 CO2 通量中的相对贡献 ;分析了影响北方森林土壤呼吸的主要生物物理因子 ;讨论了该领域研究存在的问题和今后的研究方向 ;并强调木质残体分解释放出的 CO2 通量虽然在以往的森林生态系统碳平衡研究中常被忽略 ,但在火灾频繁的北方森林中不容忽视     

用于测定陆地生态系统与大气间CO2交换通量的多通道全自动通量箱系统

陆地生态系统与大气间CO2交换是全球碳循环的最重要组成部分,科学地测定其CO2交换通量一直是陆地生态系统碳循环研究的核心工作之一。提高观测的效率和减少观测对自然的干扰,是科学精确地估算区域和全球尺度上的陆地生态系统与大气间CO2交换量的关键。在参考国内外已有的陆地生态系统与大气间CO2交换通量箱式法观测技术的基础上,发展了一套多通道全自动通量箱系统用来连续观测陆地生态系统或土壤与大气间的CO2交换通量。在黄土高原中国科学院长武农业生态试验站的麦田和苹果园中进行了系统测试,结果表明,该系统不但能够实现自动、连续、多点观测,而且对自然环境的影响比较小,在田间的实验观测中,该系统运行稳定,能够比较客观地得到陆地生态系统与大气间的CO2交换通量。     

森林生态系统碳平衡估测方法及其研究进展

综述了全球范围内森林生态系统碳平衡估测的 2种主要方法 ,即测定表面通量的微气象学方法 (涡相关法 )和生物量清单统计方法。指出了每种方法的优缺点及综合运用各种方法的重要性。简要介绍了应用上述方法对森林生态系统碳平衡研究的进展情况 ,并对今后森林生态系统碳平衡研究的发展趋势进行了探讨。     

开放式空气CO2浓度增高影响稻田-大气CO2净交换的静态暗箱法观测研究

首先介绍静态暗箱法 气相色谱法观测确定陆地生态系统地 气CO2 净交换通量的基本原理和方法 ,然后讨论在开放式空气CO2 增加 (FACE)试验中应用该原理和方法观测研究大气CO2 浓度升高对稻田生态系统 大气CO2 净交换通量的影响 .因缺乏必要参数的实际观测值 ,本文只能根据暗箱观测值计算CO2 净交换通量的最小取值NEEmin.NEEmin计算结果表明 ,在插秧 1个月之后的水稻生长期内 ,大气CO2浓度升高 2 0 0± 4 0 μmol·mol-1使稻田生态系统对大气CO2 的净吸收约为对照的 3倍 .为根据暗箱观测准确确定NEE ,还必须在FACE和对照条件下观测水稻植株的暗维持呼吸系数、地上生物量及根冠比动态 .     

中国森林生态系统土壤CO2释放分布规律及其影响因素

联合国气候框架公约的签署提升了人们对全球变暖、碳循环变化的关注。陆地生态系统在全球变暖格局下的地位与作用,尤其是土壤碳库对全球变暖格局的响应是全球变化研究的焦点。土壤CO2释放作为土壤-大气CO2交换的主要途径之一,也就成为各国生态学家研究的重点内容。在对我国森林生态系统CO2释放通量以及相关气候、生物等因子的资料进行收集、整理和分析的基础上,探讨了我国森林生态系统土壤CO2释放的分布规律,以及这种规律性分布的气候、生物影响因素。对于我国这样一个南北跨度大的国家,不同区域的森林生态系统土壤CO2释放通量间存在较大的差异,在全国尺度上,森林生态系统土壤CO2释放通量平均值为（1．79±0．86）gCm^-2d^-1,而且土壤CO2释放通量随着纬度增加逐渐降低。作为一个复杂的生态过程,土壤CO2释放受到生物、非生物因子或独立、或综合的影响。通过分析指出,在全国尺度上,年均温、降雨量、群落净生产力及凋落物量显著地影响森林土壤CO2释放通量。同时,也正是这些影响因子的纬度分布,导致了我国森林生态系统土壤CO2释放通量的纬度分布规律。作为衡量土壤CO2释放对温度敏感性的重要指标,计算了我国森林生态系统土壤CO2释放温度敏感性系数-Q10值,约为1．5,该值显著低于全球平均水平,2．0。     

森林生态系统碳循环的基本概念和野外测定方法评述

全球气候变化与森林生态系统碳循环息息相关,定量评估森林碳收支是生态系统与全球变化研究的重要任务。30年来森林生态系统碳循环研究已经取得了长足的进展,但全球和区域森林碳收支仍然存在很大的不确定性。这一方面与森林生态系统本身的复杂性有关,另一方面也与具体研究方法有关。评述了森林生态系统碳循环的基本概念和主要野外测定方法,为我国森林生态系统碳循环研究提供可参考的方法论。从生态系统碳浓度、密度、通量、分配和周转5个方面回顾了碳循环相关概念,指出碳浓度和碳储量是对碳库的静态描述,而碳通量和碳周转是对碳库的动态描述。净初级生产力是测量最普遍的碳通量组分,但大多数情况下因忽略了一些细节而被系统低估。普遍使用的净生态系统生产力,由于没有包含非CO2形式的水文、气象和干扰过程产生的碳通量,通常情况下高于生态系统净碳累积速率。在详细介绍碳通量组分的基础上,改进了森林生态系统碳循环的概念模型。重点讨论了碳通量的3种地面实测方法:测树学方法、箱法和涡度协方差法,并指出了其注意事项和不确定性来源。针对当前碳循环研究的突出问题,建议从4个方面减小碳循环测定的不确定性:(1)恰当运用生物量方程估算乔木生物量;(2)尽可能全面测定生态系统碳组分;(3)给出碳通量估算值的不确定性;(4)多种途径交互验证。     

鼎湖山针阔叶混交林CO2浓度及通量变化特征

该研究采用珠三角典型森林植被生态系统的鼎湖山南亚热带常绿阔叶林通量观测站2012年CO2通量资料和气象资料,分析了CO2通量、净生态系统CO2交换量及CO2浓度的变化特征,及其与气象因子的关系。结果表明:(1) CO2浓度日变化呈“一峰一谷”变化形态,在夜间或日出前后出现最大值,在午后到达最小值; CO2通量日变化呈“单谷”曲线,在白天中午前后到达最小值(负值),夜间和早晨较高(正值)。(2) CO2通量季节平均值的高低依次为春季夏季冬季秋季,CO2浓度季节平均值的高低次序则为冬季春季秋季夏季,即非生长季高于生长季节,这可能与植物物候的季节变化所引起的CO2源汇强度改变有关。(3) 2012年鼎湖山森林生态系统的CO2年均浓度为664.7 mg·m-3,CO2通量年均值为-0.079 mg·m-2·s-1,NEE为-611 g C·m-2·a-1,表明鼎湖山针阔叶混交林近年来处于快速生长过程中,具有较强的碳汇功能。(4) CO2通量及浓度与气温、饱和水气压差均成显著负相关关系,其中CO2浓度与气温的相关性最高,其次为饱和水汽压差,表明气温和饱和水汽压差是影响CO2浓度和通量的关键气象因子。受人类活动及气候变化的影响,近年来鼎湖山森林生态系统的碳汇功能有所增强。     

箱式通量观测技术和方法的理论假设及其应用进展

碳(CO_2、CH_4)、氮(N_2O)和水汽(H_2O)等温室气体的交换通量是生态系统物质循环的核心,是地圈-生物圈-大气圈相互作用的纽带。稳定同位素光谱和质谱技术和方法的进步使碳稳定同位素比值(δ~(13)C)和氧稳定同位素比值(δ~(18)O)(CO_2)、δ~(13)C(CH_4)、氮稳定同位素比值(δ~(15)N)和δ~(18)O (N_2O)、氢稳定同位素比值(δD)和δ~(18)O (H_2O)的观测成为可能,与箱式通量观测技术和方法结合可以实现土壤、植物乃至生态系统尺度温室气体及其同位素通量观测研究。该综述以CO_2及其δ~(13)C通量的箱式观测技术和方法为例,概述了箱式通量观测系统的基本原理及分类,阐述了系统设计的理论要求和假设,综述了从野外到室内土壤、植物叶-茎-根以及生态系统尺度箱式通量观测研究的应用进展及问题,展望了气体分析精度和准确度、观测数据精度和准确度以及观测数据的代表性评价在箱式通量观测研究中的重要性。     

通量梯度法在温室气体及同位素通量观测研究中的应用与展望

通量梯度法与涡度相关法均是微气象学的物质和能量通量观测方法, 在没有高频气体分析仪或下垫面风浪区较小的情况下, 通量梯度法可以有效观测生态系统(或土壤)与大气之间的温室气体及其同位素通量, 同时也可以作为涡度相关法的配套观测和有益补充。该文回顾了通量梯度法的基本原理、概念和假设, 重点综述了温室气体浓度梯度以及相关湍流扩散系数的观测与计算的方法和理论, 概述了通量梯度法在森林、农田、草地、湿地和水体等生态系统观测温室气体通量的应用进展, 特别是在稳定同位素通量观测中的应用, 最后从影响温室气体和同位素的浓度梯度以及湍流扩散系数测定与计算等方面概述了应用注意事项及建议。     

Changes in annual CO2 fluxes estimated from inventory data in South Korea

Using a slightly modified IPCC method, we examined changes in annual fluxes of CO_2and contributions of energy consumption, limestone use, waste combustion, land-use change, and forest growth to the fluxes in South Korea from 1990 to 1997. Our method required less data and resulted in a larger estimate of CO_2 released by industrial processes, comparing with the originalIPCC guideline. However, net CO_2 emission is not substantially different from the estimates of IPCC and modified methods. Net CO_2 emission is intimately related to GDP as Korean economyhas heavily relied on energy consumption and industrial activities, which are major sources of CO_2.Total efflux of CO_2 was estimated to be 63.6 Tg C/a in 1990 and amounted to 112.9 Tg C/a in 1997. Land-use change contributed to annual budget of CO_2 in a relatively small portion. Carbon dioxide was sequestered by forest biomass at the rate of 6.5 Tg C/a in 1990 and 8.5 Tg C/a in 1997. Al-though CO_2 storage in the forests increased, the sink effect was overwhelmed by extensive energy consumption, suggesting that energy-saving strategies will be more effective in reducing CO_2 emission in Korea than any other practices. It is presumed that plant uptake of CO_2 is underesti-mated as carbon contained in plant detritus and belowground living biomass were not fully consid-ered. Furthermore, the soil organic carbon stored in forest decomposes in various ways in rugged mountains depending on their conditions, such as slope, aspect and elevation, which could havean effect on decomposition rate and carbon stores in soils. Thus, carbon sequestration of forests deserves further attention.     

西双版纳热带季节雨林干热季林冠上小气候特征及CO2通量的观测

热带森林在陆地生态系统中起着重要的作用,但是人们对它在碳循环中的作用却了解不多;近年来,为了对其进行深入研究,热带森林的CO2通量成为了研究的热点。应用微气象法中的开路系统涡度相关法,使用设置在西双版纳一片成熟的热带季节雨林中观测铁塔上的观测仪器所得的干热季7个晴好天气的CO2通量及小气候观测数据,对冠层的CO2通量及小气候特征进行了分析研究。研究结果表明:(1)热带季节雨林林冠上风速及摩擦风速在中午和上半夜较大,而后半夜和上午较小;风向有显著的昼、夜交替特征,昼间多为偏东风(45~135°),而夜间多为偏西风(250~280)°;(2)林冠上方气温和树冠面表温具有显著的日变化特征,树冠表温日变化幅度大于气温,热量由空气传向树冠中,在观测的7d中,气温有着较明显的升高趋势;(3)干热季林冠上湿度变化范围为26.5%~97.2%,饱和水汽压差数值大小介于0.3~30.5 hPa之间;(4)CO2浓度在364.5~408.5m l/m3之间变化,夜间浓度升高,而昼间CO2浓度降低;(5)地下5cm土壤温度与气温一样日变化规律明显,土壤含水量的变化幅度很小,在7d内其变化幅度维持在19.9%~23.3%之间,日变化幅度更小;(6)总体上讲林冠上方显热通量小于潜热通量,上午显热通量和潜热通量的数值基本相同,但是在中午和下午,潜热通量远大于显热通量,充分显示了西双版纳干热季热带雨林森林的热量支出主要是蒸腾耗热;(7)观测期间,生态系统净CO2交换(NEE)在-20.9~17.6μm o l/(m2.s)之间浮动,每天最大净CO2吸收速率在-20.9~-12.9μm o l/(m2.s)范围内。从生态系统净CO2交换的平均日变化看,昼间最大的净CO2吸收速率为-12.4μm o l/(m2.s),夜间最大的净释放速率为6.6μm o l/(m2.s)。净CO2交换的日累积量在-0.0665~0.0448m o l/m2范围内变化,7d的累积量为-0.0140 m o l/m2,表明在西双版纳干热季的7 d观测时间段里,热带季节雨林呈现弱的碳汇效应。     

剔除林下灌草和添加翅荚决明对尾叶桉林土壤温室气体排放的影响

森林土壤是CO₂、CH₄和N₂O等温室气体的重要排放源。采用静态箱/色谱分析技术对中国科学院鹤山丘陵综合开放试验站的尾叶桉(Eucalyptus urophylla)林土壤CO₂、CH₄和N₂O排放通量进行了原位测定, 研究剔除林下灌草和添加翅荚决明(Cassia alata)对尾叶桉林土壤温室气体排放的影响。结果表明: 尾叶桉林土壤CO₂排放通量在湿季维持在较高水平, 在旱季则明显降低。CH₄和N₂O在湿季波动幅度较大, 在旱季则相对稳定。土壤CO₂和CH₄通量峰值均出现在湿季, 但N₂O峰值出现在旱季的12月。尾叶桉林土壤在不同处理下可能是CH₄的源, 也可能是CH₄的汇, 而对于CO₂和N₂O则主要是源。尾叶桉林下剔除灌草及添加翅荚决明能显著增大土壤CO₂和N₂O的排放, 但林下灌草剔除后有利于CH₄的吸收, 添加翅荚决明有利于CH₄的排放。表层土壤温度和湿度是影响土壤温室气体排放的首要因子。呼吸底物(氮源)和土壤微生物量也是影响土壤温室气体排放的重要因子。     

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。     

Carbon balance along the Northeast China Transect (NECT-IGBP)

The Northeast China Transect (NECT) along a precipitation gradient was used to cal-culate the carbon balance of different vegetation types, land-use practices and temporal scales. NECT consists of mixed coniferous-broadleaved forest ecosystems, meadow steppe ecosystemsand typical steppe ecosystems. Analyses of the C budget were carried out with field measurement based on dark enclosed chamber techniques and alkali absorption methods, and the application of the CENTURY model. Results indicated that: (1) soil CO_2 flux had a strong diurnal and seasonal variation influenced by grassland type and land-use practices. However, the seasonal variation on soil CO_2 fluxes did not show obvious changes between non-grazing and grazing Leymus chinensis dominated grasslands. (2) Hourly soil CO_2 fluxes mainly depended on temperature, while dailyCO_2 fluxes were affected both by temperature and moisture. (3) NPP of the three typical ecosys-tems showed linear relationships with inter-annual precipitation, but total soil carbon of those eco-systems did not. NPP and total soil carbon values decreased westward with decreasing precipita-tion. (4) Model simulation of NPP and total soil carbon showed that mean annual precipitation was the major limiting factor for ecosystem productivity along NECT. (5) Mean annual carbon budget is the largest for the mixed coniferous- broadleaved forest ecosystem (503.2 gC m~(-2)a~(-1)), followed bythe meadow steppe ecosystem (227.1 gC m~(-2)a~(-1)), and the lowest being the typical steppe eco-system (175.8 gC m~(-2)a~(-1)). This study shows that concurrent field measurements of terrestrial ecosystems including the soil and plant systems with surface layer measurements along the wa-ter-driven IGBP-NECT are valuable in understanding the mechanisms driving the carbon cycle in different vegetation types under different land-use practices. Future transect research should be emphasized.     

森林蒸散测算方法研究进展与展望

对目前国内外森林蒸散研究中的主要理论和方法(蒸渗仪法、风调室法、涡动相关法、水量平衡法、能量平衡法、波文比法、彭曼联合法、SPAC法、经验公式法和应用遥感数据的方法)进行了总结,探讨了其实际应用中所存在的问题简单介绍了应用闪烁计数器直接观测显热通量以及应用双频微波辐射计探测大气水汽、云中液态水含量的技术.提出通过对大气水汽平衡的研究来推求蒸散量的设想,预测了森林蒸散研究的发展趋势.     

不同利用方式对红壤CO2排放的影响

采用静态箱法研究了我国亚热带红壤区农田利用方式 (旱地或水田 )对土壤 CO2 排放及其相关因子的影响 ,并估算了旱地和水田 CO2 的年排放通量。结果表明 ,水田在淹水植稻期 (夏季 ) ,其排放通量明显低于旱地 ,而在非淹水期 (排水落干或休闲期 ) ,其排放通量则显著高于旱地。 CO2 排放通量呈现明显的季节性变异 ,旱地以夏季最高、春秋季次之、冬季最低 ;而水田则以秋季最高、其次是春冬季、夏季最低。土壤温度和湿度分别是影响旱地和水田 CO2 排放的主导因子 ,可将二者与通量的指数关系作为模型 ,分别进行旱地和水田 CO2 排放的估算。经模型估算 ,我国中亚热带旱地和水田红壤 CO2 的年排放通量分别为 1.37和 2 .73kg CO2 / (m2 · a) )。     

小花假泽兰精油超临界CO_2提取工艺及其成分和抑菌活性研究

采用正交试验法研究超临界CO_2萃取法提取小花假泽兰精油的提取条件,采用GC-MS法分析测定精油的化学成分,并初步测定精油的抑菌效果.结果表明:超临界CO_2萃取小花假泽兰精油的较佳工艺条件为:采用先静态后动态的萃取方式,静态萃取时间20 min,动态萃取条件为萃取温度55℃,萃取压力35 Mpa,CO_2体积为40 mL/g,CO_2 流速为0.5～1.0 mL/min;从超临界CO_2萃取的小花假泽兰精油中鉴定了64种成分,占精油总量的79.80%,主要有萜类、醇类、脂肪酸、酯类、甾体类等;生物测定结果表明,超临界CO_2萃取物对小麦赤霉病菌和小麦纹枯病菌菌丝生长的EC_(50)分别为119.55 mg/L和78.27 mg/L. 果.结果表明:超临界CO_2萃取小花假泽兰精油的较佳工艺条件为:采用先静态后动态的萃取方式,静态萃取时间20 min,动态萃取条件为萃取温度55℃,萃取压力35 MPa,CO_2体积为40 mL/g,CO_2 流速为0.5～1.0 mL/min;从超临界CO2萃取的小花假泽兰精油中鉴定了64种成分,占精油总量的79.80%,主要有萜类、醇类、脂肪酸、酯类、甾体类等;生物测定结果表 ,超临界CO_2萃取物对