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’tHoff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。     

热带季节雨林林冠上方和林内近地层CO2浓度的时空动态及其成因分析

 为探讨西双版纳独特地方气候背景下,热带季节雨林CO₂浓度的时空变化特征和不同时间尺度上环境因素对森林CO₂浓度时间分布的作用,以及 为研究热带季节雨林的碳通量、净生态系统交换量(Net ecosystem exchange, NEE)等提供支持,我们利用热带季节雨林林冠上方和林内近地层 CO₂浓度连续监测资料,结合同步气象资料进行了统计分析。研究结果表明：在植被生理活动、土壤呼吸以及林内湍流的共同作用下,西双版纳 热带季节雨林CO₂浓度表现出明显的日变化、季节变化和林冠上下差异。在日尺度上,林冠上方的CO₂浓度时间变化曲线为“单峰型”,林内近 地层CO₂浓度时间变化曲线为“双峰型”,造成林内近地层傍晚第二个峰值的主要因子是地形因子作用下形成的局地环流。在季节尺度上,林冠 上方CO₂浓度主要受林冠代谢作用的影响,呈现雨季低、干季高的特点,而林内近地层的CO₂浓度则主要受地表呼吸过程所控制,季节变化趋势 与林冠上方相反。林冠上方CO₂浓度低于林内近地层CO₂浓度,且差异较大;在日尺度上,各月（除12月外）CO₂浓度的最大差值皆大于80 mg·m ^－3,且出现在傍晚;在季节尺度上,最大值为-62.9 mg·m^－3,出现在10月,最小值为-8.4 mg·m^－3,出现在12月。     

DROUGHT EFFECTS ON CARBON EXCHANGE IN A SUBTROPICAL CONIFEROUS PLANTATION IN CHINA

 干旱对陆地生态系统的影响已成为全球变化研究的焦点问题之一。该研究基于生态系统过程模型——CEVSA2, 结合涡度相关通量观测, 分析了不同程度干旱对亚热带人工针叶林碳交换的影响及其关键控制因素。结果表明: 1)干旱使生态系统碳交换显著下降, 2003和2004年的干旱使得年净生态系统生产力(Net ecosystem production, NEP)相比无干旱影响情景的模拟结果分别减少了63%和47%; 2)光合和呼吸对干旱具有不同的响应, 干旱时光合的下降比呼吸更为显著, 这导致了NEP的显著下降; 3)当饱和水气压差(Vapor pressure deficit, VPD)达到1.5 kPa以上时, 生态系统的光合、呼吸和净碳吸收均开始下降, 当VPD大于2.5 kPa、土壤相对含水量(土壤含水量/土壤饱和含水量)(Relative soil water content, RSW)低于40%时, 生态系统的碳收支由碳汇转为碳源; 4)土壤干旱是造成碳交换下降的主要驱动因素, 对年NEP下降的平均贡献率为46%, 而大气干旱的贡献率仅为4%。     

基于模型数据融合的长白山阔叶红松林碳循环模拟

 充分、有效地利用各种陆地生态系统碳观测数据改善陆地生态系统模型, 是当前我国陆地生态系统碳循环研究领域亟待解决的重要问题之一。该研究以2003~2005年长白山阔叶红松林的6组生物计量观测数据和涡度相关技术测定的碳通量数据为基础, 利用马尔可夫链-蒙特卡罗方法对陆地生态系统模型的关键参数(即碳滞留时间)进行了反演, 进而预测了长白山阔叶红松林生态系统碳库、碳通量及其不确定性。反演结果表明, 长白山阔叶红松林叶凋落物和微生物碳的平均滞留时间最短, 为2~6个月; 其次是叶和细根生物量碳, 二者的平均滞留时间为1~2 a; 慢性土壤有机碳的平均滞留时间为8~16 a; 碳在木质生物量和惰性土壤有机质库中的滞留时间最长, 平均滞留时间分别为77~109 a和409~1 879 a。模拟结果显示, 碳库和累积碳通量模拟值的不确定性将随着模拟时间的延长而增大。当气温升高10%和20%时, 长白山阔叶红松林总初级生产力年总量将分别增加6.5%和9.9%, 净生态系统生产力(NEP)年总量的变化取决于土壤温度的变化。若土壤温度保持不变, NEP年总量将分别增加11.4%~21.9%和17.6%~33.1%; 若土壤温度也相应升高10%和20%, NEP年总量的增幅反而下降甚至低于原来的水平。假设气候和植被保持在2003~2005年的状态, 2020年长白山阔叶红松林NEP年总量为(163±12) g C·m^–2·a^–1, 土壤呼吸年总量为(721±14) g C·m^–2·a^–1。马尔可夫链-蒙特卡罗方法是反演模型参数、优化模拟结果和评估模拟结果不确定性的有效方法, 但今后仍需在惰性土壤碳滞留时间的估计、驱动数据和模型结构的不确定性分析、模型数据融合方法方面进行深入研究, 以进一步提高碳循环模拟的准确性。     

长白山温带混交林林冠下层CO2通量对生态系统碳收支的贡献

作为ChinaFLUX的重要组成部分,从2002年年底开始利用涡度协方差技术在长白山温带混交林林冠上层和下层进行连续通量观测,这为量化林冠下层CO2通量对整个森林生态系统碳收支的贡献提供了一条有效途径.利用2003年林冠上层和林冠下层的观测数据,研究表明林冠下层夜间的CO2通量与5 cm深度的土壤温度存在明显的指数正相关关系.林冠下层的呼吸通量与箱式法观测的土壤呼吸通量之间具有很好的一致性(R2=0.77),二者在全年都与整个森林的光合产物量相耦合,且都在7～8月份达到最大值.林冠下层的呼吸量和土壤呼吸量分别为770 g Cm-2a-1和703 g Cm-2a-1,占整个森林生态系统呼吸年总量的比重高达59.88%和54.69%.林冠下层的光合作用呈双峰型季节变化,两个峰值分别出现在5月中旬和8月下旬.尽管全年林冠下层光合产物量为87 g Cm-2a-1,对整个森林光合产物量的贡献率仅为5.69%,但林冠郁闭度低的4、5月和10月份,林冠下层的光合产物贡献率也分别达到19.99%、21.06%和14.53%.林冠下层净初级生产力的季节动态受该层呼吸作用的季节变异控制,林冠下层在全年都表现为碳源,其净碳排放速率在8月份达到最大.     

叶片水H218O富集的研究进展

 植物叶片水H₂¹⁸O富集对大气中O₂和CO₂的¹⁸O收支有着重要影响。蒸腾作用使植物叶片水H₂¹⁸O富集, 而植物叶片水H₂¹⁸O富集的程度主 要受大气水汽δ¹⁸O和植物蒸腾水汽δ¹⁸O的影响。过去, 通过引入稳态假设(蒸腾δ¹⁸O等于茎水δ¹⁸O)得到Craig-Gordon模型的闭合形式, 或 将植物整个叶片水δ¹⁸O经过Péclet效应校正后得到植物叶片水δ¹⁸O的富集程度。然而, 在几分钟到几小时的短时间尺度上, 植物叶片蒸腾 δ¹⁸O是变化的, 稳态假设是无法满足的。最近成功地实现了对大气水汽δ¹⁸O和δD的原位连续观测, 观测精度(小时尺度)可达到甚至优于稳定 同位素质谱仪的观测精度。在非破坏性条件下, 高时间分辨率和连续的大气水汽δ¹⁸O和蒸腾δ¹⁸O的动态观测, 将提高植物叶片水H₂¹⁸O富集的 预测能力。该文综述了植物叶片水H₂¹⁸O富集的理论研究的新进展、研究焦点和观测方法所存在的问题, 旨在进一步加深理解植物叶片水H₂¹⁸O 富集的过程及其机制。     

封育对羊草草地土壤碳矿化激发效应和温度敏感性的影响

土壤碳矿化(或土壤异养呼吸)的温度敏感性和激发效应是深入揭示土壤呼吸控制机理及其对未来气候变化响应与适应的重要研究方向。该文以自由放牧(FG0)、封育11年(FG11)、封育31年(FG31)的羊草(Leymus chinensis)草地为研究对象, 通过0、5、10、15、20、25 ℃培养, 探讨了封育对羊草草地土壤碳矿化激发效应和温度敏感性的影响。结果表明: 封育年限、添加葡萄糖、培养温度和培养时间对土壤碳矿化速率均具有显著的影响, 不同因素间存在显著的交互效应(p < 0.000 1)。FG0的羊草草地土壤碳矿化累积量显著高于FG11和FG31的, 在添加葡萄糖处理下也呈现相同的趋势。长期封育降低了羊草草地土壤碳矿化的激发效应。在添加葡萄糖后, 培养前7天的土壤碳矿化的激发效应随温度增加而增加, 增加2.28-9.01倍; 在整个56天培养期间, 激发效应介于2.21-5.10倍, 最高值出现在10或15 ℃。土壤碳矿化速率可用经典的指数方程来表示, FG0草地的土壤碳矿化的温度敏感性指数(Q₁₀)大于长期封育草地(FG11和FG31); 与未添加处理相比, 添加葡萄糖显著增加了土壤碳矿化速率的温度敏感性, 即在添加葡萄糖后土壤微生物呼吸受温度的影响更大。长期封育会降低羊草草地土壤的碳矿化速率、温度敏感性和激发效应, 从而降低土壤碳周转速率和释放速率, 使内蒙古地区长期封育草地仍然具有碳固持能力。     

Simulated annual carbon fluxes of grassland ecosystems in extremely arid conditions

In order to understand how changes in climate and land cover affect carbon cycles and structure and function of regional grassland ecosystems, we developed a grassland landscape productivity model, proposed an approach that combined both process-based modeling and spatial analysis with field measurements, and provided an example of semiarid region in Inner Mongolia, China, in extremely arid conditions. The modeled monthly mean and total net primary productivity, and monthly and annual mean respiration rates for Leymus chinensis steppes during the growing seasons in 2002 were mostly within the normal varying ranges of measured values, or similar to the field measurements, conducted in the similarly arid conditions. And the modeled total net ecosystem productivity (NEP) for L. chinensis steppes and Stipa grandis steppes were both between the lower and the higher measurements or within modeled multi-annual data by the other model. The modeled total NEP was 1.91 g C/m²/year over the entire study region. It indicated that if human disturbances were not considered, carbon budget over the entire study region during the growing seasons was nearly in balance or weak carbon sink even under extremely arid conditions. However, the modeled NEP spatially greatly varied not only over the entire study region (−48.28–52.09 g C/m²/year), but also among different land cover types. The modeled results also showed that there were obvious seasonal variations in carbon fluxes, mainly caused by leaf area index; and annual precipitation was the major limiting factor for the obvious spatial patterns of carbon fluxes from the east to the west. The modeled results also revealed the influence of extreme drought on carbon fluxes. The study provides an effective approach to derive useful information about carbon fluxes for different land cover types, and thus can instruct regional land-use planning and resource management based on carbon storage conditions.     

中国东部南北样带森林生态系统102个优势种叶片碳氮磷化学计量学统计特征

选择中国东部南北样带森林生态系统112个采样点,研究了102个优势植物叶片的有机碳、全氮和全磷化学计量学特征及其变异性.结果表明： 在中国东部南北样带森林生态系统中,优势植物叶片的有机碳含量(Cmass)、全氮含量(Nmass)和全磷含量(Pmass)的变化范围分别为374.1～646.5 mg·g-1、8.4～30.5 mg·g-1和0.6～6.2 mg·g-1,算术平均数分别为480.1、18.3和2.0 mg·g-1,变异系数分别为11.1%、27.5%和56.4%;C/N、C/P和N/P的变化范围分别为14.1～64.1、70.9～838.6和1.5～21.2,算术平均数分别为29.1、313.9和11.5,变异系数分别为32.8%、48.3%和44.1%.C∶N∶P质量比为313.9∶11.5∶1,摩尔比为810.9∶25.4∶1.与全球尺度的研究结果相比,本研究区域树木叶片Cmass和C/N明显偏高,叶片Nmasss和N/P明显偏低,而叶片Pmass和C/P差异不显著.     

Carbon Dioxide Exchange Between the Atmosphere and an Alpine Shrubland Meadow During the Growing Season on the Qinghai-Tibetan Plateau

Abstract: In the present study, we used the eddy covariance method to measure CO₂ exchange between the atmosphere and an alpine shrubland meadow ecosystem (37°36'N, 101°18'E; 3 250 m a.s.l.) on the Qinghai-Tibetan Plateau, China, during the growing season in 2003, from 20 April to 30 September. This meadow is dominated by formations of Potentilla fruticosa L. The soil is Mol-Cryic Cambisols. During the study period, the meadow was not grazed. The maximum rates of CO₂ uptake and release derived from the diurnal course of CO₂ flux were -9.38 and 5.02 μmol·m^-2·s^-1, respectively. The largest daily CO₂ uptake was 1.7 g C·m^-2·d^-1 on 14 July, which is less than half that of an alpine Kobresia meadow ecosystem at similar latitudes. Daily CO₂ uptake during the measurement period indicated that the alpine shrubland meadow ecosystem may behave as a sink of atmospheric CO₂ during the growing season. The daytime CO₂ uptake was correlated exponentially or linearly with the daily photo synthetic photon flux density each month. The daytime average water use efficiency of the ecosystem was 6.47 mg CO₂/g H₂O. The efficiency of the ecosystem increased with a decrease in vapor pressure deficit.
(Managing editor: Ya-Qin HAN)