植被对亚热带城市生态系统CO2通量的影响

城市是陆地生态系统的主要碳源,而城市植被是城市区域缓解人类活动所释放的二氧化碳的主要碳汇,但对城市植被对城市大气二氧化碳的影响方面的研究比较缺乏,尤其是发展中国家。发展中国家多数处于亚热带气候区,且发展中国家城市化进程较快,为推进不同生态系统类型碳循环的研究,该研究以位于中国东南部的上海市奉贤大学城为案例,研究该区域植被对亚热带城市生态系统CO_2通量的影响。使用上海市奉贤大学城的涡动相关通量观测站点所观测和记录的2016年10月1日至2017年9月30日共计12个月的通量,气象数据结合遥感数据分析了该研究区的CO_2通量动态特征及其影响因子,主要结论是:(1)整个生态系统全年CO_2通量总交换量为9664.06μmol m~(-2)a~(-1)即表现为碳源。CO_2通量增长率在2017年5月6日达到最低为-4.48μmol m~(-2)d~(-1)在2017年7月30日的CO_2通量增长率为0,在2017年8月30日达到最高为2.24μmol m~(-2)d~(-1),生长季CO_2通量交换量为2169.58μmol m~(-2)月~(-1)低于非生长季的CO_2通量交换量(7494.48μmol m~(-2)月~(-1));(2)不同风区的CO_2通量特征不同,主要表现为随着植被面积的上升CO_2通量有下降的趋势,生长季CO_2通量均值的最低值出现在西北风区为0.09μmol m~(-2)s~(-1);(3) CO_2通量与叶面积指数呈现负相关关系,即随着叶面积指数的上升CO_2通量有下降的趋势。植物的生长状况和其生理活动影响亚热带城市生态系统的碳循环过程,该研究可以为量化城市植被对大气二氧化碳的影响提供参考,同时为亚热带地区建设绿色低碳城市提供服务。     

根系对寒温带冻土区兴安落叶松林土壤碳通量的影响

土壤碳通量是森林生态系统碳循环的重要组成部分,根系对土壤碳通量起着关键作用,研究根系对土壤碳通量的影响对寒温带冻土区温室气体研究有重要意义。以杜香-兴安落叶松林(DXL)、杜鹃-兴安落叶松林(DJL)和苔藓-兴安落叶松林(TXL)为研究对象,通过壕沟法进行断根处理,采用便携式土壤呼吸仪G4301对土壤碳通量进行日动态和月动态变化测定与分析。结果表明:6-11月,断根对DXL和DJL土壤CH₄的吸收起抑制作用,降幅分别为15.16%-54.31%和11.26%-33.84%,对TXL土壤CH₄的排放起促进作用,增幅为19.22%-75.52%;对3种类型兴安落叶松林土壤CO₂的排放均起抑制作用,其中对TXL影响最大,对土壤CO₂降幅为32.29%-87.62%。断根对DXL和TXL土壤CH₄的影响在8月最为显著,增幅分别为-54.31%和75.52%,DJL在11月影响最为显著,降幅为33.84%。断根对3种类型兴安落叶松林土壤CO₂排放的影响在6-11月均达到显著程度,其中在11月最为显著,降幅为54.94%-87.62%。断根对3种类型兴安落叶松林土壤CH₄通量日动态影响差异不显著;而对土壤CO₂通量的影响显著,其中在 14:00-18:00影响最为显著,降幅为31.87%-62.26%。土壤温度和空气温度是根系影响土壤碳通量变化的主要因子,断根处理增强了土壤温度对其日变化和月变化的影响,减弱了空气温度对其日动态的影响。这表明,根系自养产生的土壤碳通量可能在日动态变化中更活跃,而在月动态变化中更稳定。     

张掖湿地甲烷通量动态特征及其影响因子

于2012年7月—2014年6月对地处干旱区的张掖湿地甲烷(CH_4)通量进行观测,分析其CH_4通量的变化特征及其影响因子。结果表明:CH_4通量的日变化趋势总体表现为白天大于夜间;不同季节CH_4通量排放特征差异明显,夏季最大,春秋次之,冬季最小;CH_4通量日总量与空气温度、土壤温度之间指数相关关系显著,其中4 cm处土壤温度与之相关性最强;1—6月摩擦风速(U*)与CH_4通量显著正相关;结合CO_2通量观测数据,研究时段张掖湿地净碳吸收量为495.92 g C m~(-2)a~(-1),为明显碳汇。     

黄河小浪底人工混交林冠层CO2储存通量变化特征

基于黄河小浪底人工混交林2008年的CO2浓度和碳通量数据,分析了不同天气条件下CO2浓度在时间和空间上的变化特征,对比了CO2浓度廓线法和涡度相关法估算的CO2储存通量,研究了CO2储存通量的日、季变化特征。结果表明:人工混交林冠层上方月平均CO2浓度具有明显的季节变化规律。月平均CO2浓度最大值出现在3月(370μmol/mol),最低值出现在8月(347μmol/mol)。涡度相关法估算的CO2储存通量比廓线法所得结果偏低9%。生长季,冠层CO2储存通量和净生态系统碳交换量(NEE)日平均值分别为-0.0004和-0.091 mg CO2m-2s-1,冠层CO2储存通量在NEE中仅占0.4%。2008年CO2储存通量和NEE分别为-46.1、-1133 g CO2m-2a-1。在年尺度上,CO2储存通量占NEE的4.1%。因此,在日和年尺度上计算黄河小浪底人工混交林NEE时,CO2储存通量可以忽略。     

川西贡嘎山峨眉冷杉成熟林生态系统CO2通量特征

成熟森林的碳收支对陆地生态系统碳循环研究具有重要意义。目前,我国关于西南亚高山暗针叶林成熟林碳通量的研究还相对较少,尚不明确对碳循环的作用。以涡度相关技术为基础,对川西贡嘎山东坡峨眉冷杉成熟林生态系统尺度的CO_2通量进行长期定位观测。利用2015年6月至2016年5月观测数据,分析了峨眉冷杉成熟林净生态系统CO_2交换量(NEE)、生态系统呼吸(Re)和总生态系统生产力(GPP)的季节变异特征及其源汇状况,并结合环境因子,分析CO_2通量的主要控制因子。结果表明:(1)峨眉冷杉成熟林NEE具有明显的日变化特征,呈现"U"形变化,白天为负值,夜间为正值,中午前后CO_2通量达到最大;各月间日平均NEE变化差异显著,NEE峰值最大出现在2015年6月(-0.64 mg CO_2m~(-2)s~(-1)),峰值最小出现在2016年1月(-0.08 mg CO_2m~(-2)s~(-1));日平均NEE由正值变为负值的时间夏季最早,冬季最晚,NEE由负值变为正值的时间冬季最早,夏季最晚。(2)峨眉冷杉成熟林NEE、Re和GPP具有明显的月变化。2015年6月和12月NEE分别达到最大值(-46.02 g C m~(-2)月~(-1))和最小值(-1.42 g C m~(-2)月~(-1));Re呈现单峰变化,最大和最小值分别出现在2015年6月(84.78 g C m~(-2)月~(-1))和2016年1月(12.82 g C m~(-2)月~(-1));GPP最大值和最小值分别出现在2015年6月(130.81 g C m~(-2)月~(-1))与2016年1月(16.15 g C m~(-2)月~(-1))。(3)空气温度(T_a)、5 cm土壤温度(T_(s5))和光合有效辐射(PAR)是影响峨眉冷杉成熟林CO_2通量的主要环境因子。T_a与CO_2通量呈指数相关(R~2=0.5283,P0.01);白天CO_2通量与PAR显著相关(R~2=0.4373,P0.01);夜晚CO_2通量与T_(s5)显著相关(R~2=0.4717,P0.01)。(4)全年NEE、Re和GPP分别为-241.87、564.81 g C m~(-2)和806.68 g C m~(-2),表明川西贡嘎山峨眉冷杉成熟林具有较强的碳汇功能。     

黄土塬区麦田CO2通量季节变化

利用涡度相关法对黄土塬区小麦地CO₂通量季节变化进行了研究。结果表明：（1）小麦CO₂通量日变化与生育期、光合有效辐射、土壤温度密切相关。（2）小麦各生育期CO2的平均日收支由大到小依次为拔节孕穗期＞返青期＞起身期＞抽穗期＞成熟期＞灌浆期＞出苗分蘖期＞越冬期。（3）白昼CO₂通量与光合有效辐射在出苗分蘖期、起身期、成熟期几乎不相关,在灌浆期低度相关,在其他生育期内都达到了显著相关。CO₂通量与夜间2cm土壤温度在越冬、起身、拔节孕穗期显著相关,其他5个生育期内为低度相关。（4）小麦收割后表现为碳源,各天具体状况与前一天是否降雨、当天的天气状况有关。     

温带针阔混交林土壤碳氮气体通量的主控因子与耦合关系

中高纬度森林地区由于气候条件变化剧烈,土壤温室气体排放量的估算存在很大的不确定性,并且不同碳氮气体通量的主控因子与耦合关系尚不明确。以长白山温带针阔混交林为研究对象,采用静态箱-气相色谱法连续4a(2005—2009年)测定土壤二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)净交换通量以及温度、水分等相关环境因子。研究结果表明:温带针阔混交林土壤整体上表现为CO2和N2O的排放源和CH4的吸收汇。土壤CH4、CO2和N2O通量的年均值分别为-1.3 kg CH4hm-2a-1、15102.2 kg CO2hm-2a-1和6.13 kg N2O hm-2a-1。土壤CO2通量呈现明显的季节性规律,主要受土壤温度的影响,水分次之;土壤CH4通量的季节变化不明显,与土壤水分显著正相关;土壤N2O通量季节变化与土壤CO2通量相似,与土壤水分、温度显著正相关。土壤CO2通量和CH4通量不存在任何类型的耦合关系,与N2O通量也不存在耦合关系;土壤CH4和N2O通量之间表现为消长型耦合关系。这项研究显示温带针阔混交林土壤碳氮气体通量主要受环境因子驱动,不同气体通量产生与消耗之间存在复杂的耦合关系,下一步研究需要深入探讨环境变化对其耦合关系的影响以及内在的生物驱动机制。     

北京典型树种木质组织碳释放速率温度敏感性的时间变化规律和铅锤分异特征

采用红外气体分析法(IRGA)于2014年1—12月原位测定了北京市4个典型树种(国槐Sophora japonica,旱柳Salix matsudana,华北落叶松Larix principis-rupprechtii和侧柏Platycladus orientalis)在不同高度上的木质组织CO_2通量速率(E_(CO_2)),旨在比较不同树种间E_(CO_2)及其温度敏感性(Q_(10))的时间变化规律和铅锤分异特征。研究结果显示:(1)4个树种的E_(CO_2)均表现为单峰型季节变化规律,生长月份内的E_(CO_2)显著高于非生长月份,温度和枝干的径向生长是影响E_(CO_2)季节变化的主要因素;(2)E_(CO_2)对温度的敏感性在夏季月份明显降低,且出现明显的垂直分异:Q_(10)随测量高度的增加而增加,呈现出非连续的阶梯分布;(3)在日间尺度上,阔叶树种E_(CO_2)对温度的感性系数Q_(10)出现昼夜不对称现象,晚上Q_(10)明显升高。准确量化E_(CO_2)的时间变化规律和铅锤分异特征,细化不同时间尺度下E_(CO_2)对温度的响应特征,成为准确估算木质组织碳排放的前提条件。     

杉木人工林不同深度土壤CO2通量

土壤CO₂通量具有明显的时间和空间变异性。土壤温度和含水量是影响土壤CO₂通量的重要因素,同时,不同深度的土壤CO₂通量对温度和含水量变化的响应差异较大,因此,研究土壤CO₂通量和影响因素随土壤深度的变化,对于准确评估土壤碳排放具有重要意义。选择福建三明杉木人工林(Cunninghamia lanceolata)作为研究对象,利用非散射红外CO₂浓度探头和Li-8100开路式土壤碳通量系统,并使用Fick扩散法计算了0-60cm深度土壤CO₂的通量,结果表明:(1)5种扩散模型计算的表层(5cm)CO₂通量与Li-8100测量结果均具有显著相关性(P<0.01),Moldrup气体扩散模型计算结果较好。(2)土壤CO₂浓度随深度的增加而升高,但60cm深度以下土壤CO₂浓度开始降低;不同深度土壤CO₂浓度的日变化均呈现单峰型;0-60cm土壤CO₂通量日通量均值变化范围为0.54-2.17μmol m^-2 s^-1;(3)指数拟合分析显示,5、10cm和60cm深度处土壤CO₂通量与温度具有显著相关性,Q₁₀值分别为1.35、2.01和4.95。不同深度土壤含水量与CO₂通量的相关性不显著。     

鼎湖山针阔叶混交林冠层下方CO2通量及其环境响应

精确估算典型森林生态系统冠层下方CO₂通量（Fcb）对验证陆地生态系统碳平衡模型具有重要意义。采用开路涡度相关法对鼎湖山针阔叶混交林Fcb进行定位测定,根据1周年数据分析Fcb及其对环境要素的响应特征,结果表明：(1) 白天Fcb呈下降趋势表明地表植被全年具有光合能力,但总体上地表植被和土壤表现为CO2排放源;(2) Van’t Hoff方程、Arrhenius方程和Lloyd-Taylor方程均可以较好反映土壤温度(Ts)与Fcb的关系,其中仅Lloyd-Talor方程能够反映温度因子敏感性指标Q10随温度的变异性特征;(3) Lloyd-Talor方程模拟的Fcb完全由Ts控制,而连乘模型由Ts和土壤水分(Ms)控制,可以反映水热条件的综合影响,对Fcb具有更强的拟合能力;(4)在Ms较大时连乘模型对Fcb的估算高于Lloyd-Talor方程,反之在干旱时段连乘模型模拟结果低于Lloyd-Talor方程,表明当存在水分胁迫时,Ms可以成为影响Fcb的主导因子;(5) 2003年鼎湖山针阔叶混交林Fcb总量((787.4±296.8)gCm^-2a^-1)比静态箱-气相色谱法测得的土壤呼吸偏低17%。与箱式法相比,涡度相关法通量测定结果普遍存在偏低估算现象。     

北京城郊地区二氧化碳通量特征

利用位于北京市顺义气象局45 m气象塔上36 m高度的湍流观测资料,对该区域2008年11月1日至2009年10月31日共365d的二氧化碳通量(CO2)的时间变化和各方位的分布特征进行了分析研究,并计算了CO2年排放量。结果表明,CO2受交通因素和居民日常生活排放的影响较小,冬季耗能取暖会显著增加CO2的排放量;受供暖排放和植物生长季节光合作用的影响,冬季的CO2通量值在全天绝大多数时刻均高于其他季节,其日平均值为15.6μmol m-2s-1,显著高于春、夏、秋季的日平均值5.6、5.7和8.8μmol m-2s-1(t-test,P0.001)。各方向CO2通量值的大小与其源区内土地利用/覆盖方式以及建筑物的使用功能和使用性质密切相关,住宅楼、饭店、工厂、旅馆等人工建筑面积占比例越大,CO2排放量越大;而植被覆盖比例较高的方向CO2值较小。观测点周边区域是CO2的排放源,且年平均排放量达到13.6 kg m-2a-1,但低于同一时期北京市内高密度住宅区域的CO2年排放量。     

Below-canopy CO2 flux and its environmental response characteristics in a coniferous and broad-leaved mixed forest in Dinghushan, China

Accurate estimation of below-canopy CO₂ flux (Fcb) in typical forest ecosystems is of great importance to validate terrestrial carbon balance models. Continuous eddy covariance measurements of Fcb were conducted in a coniferous and broad-leaved mixed forest located in Dinghushan Nature Reserve of South China. Using year-round data, Fcb dynamics and its environmental response were analyzed, and the results mainly showed that: (1) Fcb decreased during daytime which indicated that the understory of the forest continued photosynthesis throughout the year; however, understory and soil acted as CO₂ source as a whole. (2) Using soil temperature (Ts) as a dependent variable, all of Van’t Hoff equation, Arrhenius equation and Lloyd-Taylor equation can explain a considerable variation of Fcb. Among those three equations Lloyd-Taylor equation is the best to reflect the relationship between soil respiration and temperature for its ability in revealing the variation of Q₁₀ with temperature. (3) Fcb derived from Lloyd-Taylor equation is utterly determined by Ts, while Fcb derived from the multiplicative model is driven by Ts and soil moisture (Ms). The multiplicative model can reflect the synthetic effect of Ts and Ms; therefore it explains more Fcb variations than Lloyd-Taylor equation does. (4)Fcb derived from the multiplicative model was higher than that from Lloyd-Taylor equation when Ms was relatively high; on the contrary, Fcb derived from the multiplicative model was lower than that from Lloyd-Taylor equation when Ms was low, indicating that Ms might be a main factor affecting Fcb when the ecosystem is stressed by low-moisture. (5) Annual Fcb of the forest in 2003 was estimated as (787.4±296.8) gCm^-2a^-1, which was 17% lower than soil respiration measured by statistic chamber method. CO₂ flux measured by eddy covariance is often underestimated, and further study therefore calls for emphasis on methods quantifying Fcb components of respiration of soil, as well as respiration and photosynthesis of understory vegetations.     

Strategies for measuring and modelling carbon dioxide and water vapour fluxes over terrestrial ecosystems

Continuous and direct measurements of ecosystem carbon dioxide and water vapour fluxes can improve our ability to close regional and global carbon and hydrological budgets. On this behalf, an international and multidisciplinary group of scientists (micrometeorologists, ecophysiologists and biogeochemists) assembled at La Thuile, Italy to convene a workshop on ‘Strategies for Monitoring and Modelling CO₂ and Water Vapour Fluxes over Terrestrial Ecosystems’. Over the course of the week talks and discussions focused on: (i) the results from recent field studies on the annual cycle of carbon dioxide and water vapour fluxes over terrestrial ecosystems; (ii) the problems and pitfalls associated with making long-term flux measurements; (iii) alternative methods for assessing ecosystem carbon dioxide and water vapour fluxes; (iv) how direct and continuous carbon dioxide and water vapour flux measurements could be used by the ecological and biogeochemical modelling communities; and (v) if, how and where to proceed with establishing a network of long-term flux measurement sites. This report discusses the purpose of the meeting and summarizes the conclusions drawn from the discussions by the attending scientists. There was a consensus that recent advances in instrumentation and software make possible long-term measurements of carbon dioxide and water vapour fluxes over terrestrial ecosystems. At this writing, eight research teams have conducted long-term carbon dioxide and water vapour flux experiments and more long-term studies are anticipated. The participants advocated an experimental design that would make long-term flux measurement valuable to a wider community of modelers, biogeochemists and ecologists. A network of carbon dioxide and water vapour flux measurement stations should include ancillary measurements of meteorological, ecological and biological variables. To assess spatial representativeness of the long term and tower-based flux measurements, periodic aircraft-based flux experiments and satellite-based assessments of land cover were recommended. Occasional cuvette-based measurements of leaf-level carbon dioxide and water vapour fluxes were endorsed to provide information on the biological control of surface fluxes. They can also provide data to parameterize ecophysiological models. Flask sampling of stable carbon isotopes was advocated to extend the flux measurements to the global scale.     

Efflux of carbon dioxide from snow-covered forest floors

The release of CO₂ from the snow surface in winter and the soil surface in summer was directly or indirectly measured in four cool-temperate deciduous broadleaved and evergreen needle forests. The closed chamber method (CC-method) and Fick's diffusion model (DM-method) were used for the direct and indirect measurements, respectively. The winter soil temperatures from the soil surface to 10 cm depth were between 0 and 2°C. The concentration of CO₂ within snowpack increased linearly with increasing snow depth. The average effluxes of CO₂ calculated from the gradients of CO₂ concentration in the snow using the DM-method ranged from 20 to 75 mg CO₂ m⁻² h⁻¹, while the CC-method showed the average effluxes of 20 to 50 mg CO₂m⁻²h⁻¹. These results reveal that the snow thermally insulates the soil, allowing CO₂ production to continue at soil temperatures a little above freezing throughout the winter. Carbon dioxide formed in the soil can move across snowpack up to the atmosphere. The winter/summer ratio of CO₂ emission was estimated to be higher than 7%. Therefore, the snow-covered soil served as a source of CO₂ in the winter and the effluxes represent an important part of the annual CO₂ budget in snowy regions.     

青海湖北岸高寒草甸草原生态系统CO2通量特征及其驱动因子

 草甸草原是青藏高原的重要植被类型, 与其他植被类型相比, 其碳交换过程和驱动机理的研究仍较薄弱。利用青海湖东北岸草甸草原的涡度相关系统观测的连续数据(2010年7月1日–2011年6月30日), 分析了草甸草原CO₂通量特征及其驱动因子。结果表明: 草甸草原净生态系统CO₂交换量(NEE)在植物生长季的5–9月, 其日变化主要受控于光合光量子通量密度(PPFD); 而非生长季(10月21日–4月19日)和生长季初(4月下旬)、末期(10月中上旬) NEE的日变化主要受气温(T_a)的影响。CO₂
日最大吸收值和释放值分别出现在7月1日(11.37 g CO₂·m^–2·d^–1)和10月21日(4.04 g CO₂·m^–2·d^–1)。逐日NEE主要受控于T_a, 两者关系可用指数线性(explinear)方程表示(R² = 0.54, p < 0.01)。叶面积指数(LAI)和增强型植被指数(EVI)对逐日NEE的影响表现为渐近饱和型, LAI和T_a交互作用明显(p < 0.05), EVI的主效应强烈(p < 0.001)。生态系统的呼吸熵(Q₁₀)为2.42, 总呼吸(R_eco)约占总初级生产力(GPP)的74%。生长季适度的昼夜温差(<14.8 ℃)有利于系统的碳蓄积。研究时段该草甸草原作为碳汇从大气吸收271.31 g CO₂· m^–2。     

高CO2浓度对杂交水稻光合作用日变化的影响——FACE研究

大气二氧化碳(CO_2)浓度增高导致全球变暖,但作为光合作用底物促进绿色作物的光合作用。为了明确高CO_2浓度对杂交水稻结实期光合日变化的影响,2014年利用稻田FACE(Free Air CO_2Enrichment)平台,以生产上曾创高产纪录的两个杂交稻新组合甬优2640和Y两优2号为供试材料,设置环境CO_2和高CO_2浓度(增200μmol/mol)两个水平,测定杂交稻抽穗期和灌浆中期光合作用日变化和成熟期生物量。结果表明,高CO_2浓度环境下两组合抽穗期叶片净光合速率均大幅增加(全天平均52%),但灌浆中期的平均增幅减半,其中Y两优2号这种光合下调表现更为明显。大气CO_2浓度升高使两杂交稻组合抽穗和灌浆中期叶片气孔导度均大幅下降,导致蒸腾速率下降而水分利用效率大幅增加,Y两优2号气孔导度和蒸腾速率对CO_2的响应上午大于下午,而甬优2640表现相反。尽管大气CO_2浓度升高使杂交稻结实期不同时刻胞间CO_2浓度均大幅增加,但对气孔限制值特别是胞间CO_2与空气CO_2浓度之比多无显著影响,两品种趋势一致。大气CO_2浓度升高对甬优2640地上部生物量及其组分的影响明显大于Y两优2号,CO_2与品种间多存在互作效应。以上结果表明,与甬优2640相比,Y两优2号最终生产力从高CO_2浓度环境中获益较少可能与该品种生长后期存在明显的光合适应有关,但这种光合适应似乎不是由气孔限制造成的。