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        黃河小浪底人工混交林冠層CO2儲(chǔ)存通量變化特征

        2015-03-13 01:27:50同小娟張勁松
        生態(tài)學(xué)報(bào) 2015年7期
        關(guān)鍵詞:渦度混交林冠層

        同小娟, 張勁松, 孟 平, 李 俊

        1 北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 北京 100083 2 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所, 國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091 3 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101

        黃河小浪底人工混交林冠層CO2儲(chǔ)存通量變化特征

        同小娟1,*, 張勁松2, 孟 平2, 李 俊3

        1 北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 北京 100083 2 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所, 國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091 3 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101

        基于黃河小浪底人工混交林2008年的CO2濃度和碳通量數(shù)據(jù),分析了不同天氣條件下CO2濃度在時(shí)間和空間上的變化特征,對(duì)比了CO2濃度廓線法和渦度相關(guān)法估算的CO2儲(chǔ)存通量,研究了CO2儲(chǔ)存通量的日、季變化特征。結(jié)果表明:人工混交林冠層上方月平均CO2濃度具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律。月平均CO2濃度最大值出現(xiàn)在3月(370 μmol/mol),最低值出現(xiàn)在8月(347 μmol/mol)。渦度相關(guān)法估算的CO2儲(chǔ)存通量比廓線法所得結(jié)果偏低9%。生長(zhǎng)季,冠層CO2儲(chǔ)存通量和凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量(NEE)日平均值分別為-0.0004和-0.091 mg CO2m-2s-1,冠層CO2儲(chǔ)存通量在NEE中僅占0.4%。2008年CO2儲(chǔ)存通量和NEE分別為-46.1、-1133 g CO2m-2a-1。在年尺度上,CO2儲(chǔ)存通量占NEE的4.1%。因此,在日和年尺度上計(jì)算黃河小浪底人工混交林NEE時(shí),CO2儲(chǔ)存通量可以忽略。

        人工混交林;渦度相關(guān)法;CO2濃度廓線法;CO2儲(chǔ)存通量;凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換

        森林在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和全球變化中起著重要的作用。測(cè)定森林生態(tài)系統(tǒng)與大氣間碳交換的方法主要有箱法和微氣象法。在各種微氣象法中,渦度相關(guān)法被認(rèn)為是長(zhǎng)期測(cè)算生態(tài)系統(tǒng)碳通量最可靠和切實(shí)可行的方法[1]。該方法為評(píng)價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)中的作用提供了重要的數(shù)據(jù)支持[2]。從2002年開(kāi)始,我國(guó)采用渦度相關(guān)技術(shù)對(duì)森林水、熱和碳通量進(jìn)行了大范圍的連續(xù)觀測(cè)。近10年來(lái),在溫帶/暖溫帶森林[3- 10]、亞熱帶森林[11- 16]和熱帶季雨林[17- 19]生態(tài)系統(tǒng)碳交換方面取得了一系列的研究進(jìn)展。然而,在森林生態(tài)系統(tǒng)碳收支各分量研究中,當(dāng)夜間大氣層結(jié)穩(wěn)定或湍流混合作用較弱時(shí),土壤和植物呼吸釋放的部分CO2由于大氣湍流弱無(wú)法達(dá)到渦度相關(guān)儀器的觀測(cè)高度,造成部分CO2通量會(huì)被儲(chǔ)存在植被冠層的大氣中,于是低估了夜間生態(tài)系統(tǒng)呼吸[20]。此外,冠層內(nèi)和冠層上方CO2通量的時(shí)空變異大,這也會(huì)低估生態(tài)系統(tǒng)呼吸[20]。因此,為了準(zhǔn)確估算生態(tài)系統(tǒng)與大氣間凈碳交換以及理解生理因子對(duì)凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量(NEE)的影響,有必要開(kāi)展森林CO2儲(chǔ)存通量變化特征的研究。

        在小時(shí)尺度上,CO2儲(chǔ)存通量對(duì)于低矮作物的NEE的影響比較小[2]。對(duì)于高大植被(如森林)來(lái)說(shuō),冠層空氣中CO2儲(chǔ)存通量對(duì)NEE日變化過(guò)程則具有明顯的影響[20- 24]。在夜間穩(wěn)定邊界層和白天對(duì)流混合層的過(guò)渡期,森林CO2儲(chǔ)存通量變化會(huì)達(dá)到最大;在大氣不穩(wěn)定、湍流作用較強(qiáng)的午后,CO2儲(chǔ)存通量接近于零[22,24]。因此,在小時(shí)時(shí)間尺度上,忽略CO2儲(chǔ)存通量將會(huì)降低對(duì)NEE的準(zhǔn)確估算[24- 25]。在日和年尺度上,CO2通量?jī)?chǔ)存效應(yīng)對(duì)碳吸收的影響不明顯,原因主要是在長(zhǎng)時(shí)間尺度上CO2儲(chǔ)存通量的累加值近似為零[26- 28]。

        第八次森林資源清查結(jié)果顯示,中國(guó)現(xiàn)有森林面積2.08×108hm2,其中人工林面積為0.69×108hm2,占森林總面積的33.2%。研究表明,中國(guó)人工林對(duì)全國(guó)總森林碳匯的貢獻(xiàn)率超過(guò)80%[29]。人工林在區(qū)域碳平衡中具有重要的作用。目前,人工林碳交換研究主要集中于年碳平衡方面[8- 14],有關(guān)不同時(shí)間尺度上CO2儲(chǔ)存通量對(duì)凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換的影響研究比較少。本研究分別采用CO2濃度廓線法和渦度相關(guān)法對(duì)黃河小浪底人工混交林CO2濃度和碳通量進(jìn)行了周年觀測(cè),分析了不同天氣條件下冠層上方CO2濃度在時(shí)間和空間上的變化特征,對(duì)比了廓線法和渦度相關(guān)法估算的碳儲(chǔ)存通量的大小,研究了CO2儲(chǔ)存通量的日、季變化特征,以期為準(zhǔn)確估算人工混交林凈碳交換量提供理論依據(jù)。

        1 研究區(qū)概況和研究方法

        1.1 研究區(qū)概況

        本研究于2008年在國(guó)家林業(yè)局黃河小浪底森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(35°01′N,112°28′E,410 m elev)進(jìn)行。該站位于暖溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。站區(qū)年平均氣溫12.4—14.3℃,年日照時(shí)數(shù)為2368 h,年平均降水量648 mm,且季節(jié)分配不均,6—9月降水量占全年的68.3%。植物生長(zhǎng)季(4—9月)盛行風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)。通量觀測(cè)塔(塔高30 m)周圍1.8 km2內(nèi)的平均坡度約14°。研究區(qū)的主要樹(shù)種為栓皮櫟(Quercusvariabilis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia),林齡分別為32、30a和28a,平均株高分別為10.5、8.2 和9.3 m。栓皮櫟、側(cè)柏和刺槐所占比例分別為80%、8%和12%。林下灌叢主要有黑棗(ZiziphusjujubaMill. var.inermis(Bunge) Rehd.)、扁擔(dān)木(Grewiabilobavar.parviflora)、荊條(VitexnegundoL. var)、小葉鼠李(RhamnusbungeanaJ.Vass.)、杠柳(Periplocasepium)、連翹(Forsythiasuspense(Thunb.) Vahl)等,草本主要有隱子草(Crpsisaculeata(L.) Ait.)、狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv.)等。土壤類型主要為棕壤和石灰?guī)r風(fēng)化母質(zhì)淋溶性褐土。該土壤結(jié)構(gòu)不良,土層淺薄(平均40 cm),土壤貧瘠,保水保肥力較差。

        1.2 CO2通量、CO2濃度和微氣象觀測(cè)

        渦度相關(guān)系統(tǒng)主要由CSAT3三維超聲風(fēng)速計(jì)(Model CSAT3, Campbell Sci. Inc., USA)和LI- 7500紅外CO2/H2O分析儀(IRGA, Model LI- 7500, Li-Cor Inc., USA)組成。該系統(tǒng)可測(cè)定三維風(fēng)速、溫度、濕度和CO2濃度。原始數(shù)據(jù)采樣頻率為10 Hz,每30 min輸出一組平均值,由CR5000數(shù)據(jù)采集器(Model CR5000, Campbell Sci. Inc., USA)記錄和保存。

        在通量塔11、15、21、27和33 m處分別安裝CO2濃度廓線觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)氣口,利用紅外CO2/H2O氣體分析儀(Model LI- 840, Li-Cor, USA)測(cè)定各層CO2濃度。數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器(Model CR10X2TD, Campbell Scientific Inc, USA)采集,并通過(guò)程序控制每10 min自動(dòng)輸出各層CO2濃度平均值。

        小氣候梯度觀測(cè)系統(tǒng)包括7層AR- 100風(fēng)速計(jì)(Vector Instruments, UK)和7層HMP- 45C型溫濕度傳感器(Vaisala, Helsinki, Finland)(安裝高度分別為8、9、11、14、18、26 m和30 m)。在通量塔27 m處,安裝了CNR- 1型凈輻射表和CM11型總輻射表(Kipp and Zonen)、Li- 190SB型光量子表(Li-Cor Inc., USA)等。上述儀器均與CR23x型數(shù)據(jù)采集器(Campbell Sci., USA)相連,每半小時(shí)輸出一組平均值。

        1.3 數(shù)據(jù)處理

        凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量(NEE)由下式計(jì)算:

        NEE=Fc+Fs

        (1)

        式中,F(xiàn)c為CO2湍流通量(mg CO2m-2s-1),可由渦度相關(guān)系統(tǒng)得出;Fs為渦度相關(guān)儀器觀測(cè)高度以下大氣CO2儲(chǔ)存通量(mg CO2m-2s-1)。NEE為負(fù)值時(shí)表示人工混交林凈吸收大氣CO2,反之則為凈排放CO2。

        渦度相關(guān)法所得CO2儲(chǔ)存通量(Fs-EC)可由下式進(jìn)行估算[21,26]:

        (2)

        式中,ΔC為高度z處前后兩次相鄰時(shí)間測(cè)定的CO2濃度差(mg/m3),Δt為前后兩次測(cè)定的時(shí)間間隔(s)(本研究時(shí)間間隔為30 min),z為渦度相關(guān)觀測(cè)高度(m)。

        CO2濃度廓線法所得CO2儲(chǔ)存通量(Fs-P)由下式給出[20,30]:

        (3)

        式中,P為氣壓(Pa),R氣體摩爾常數(shù)(Pa m3K-1mol-1),Ta為氣溫(K),h為廓線法觀測(cè)高度(m),c為觀測(cè)平臺(tái)間CO2平均濃度(μmol/mol),t為測(cè)定時(shí)間間隔(s)時(shí)間,本研究中,時(shí)間間隔為30 min。

        1.4 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和插補(bǔ)

        對(duì)渦度相關(guān)系統(tǒng)所得的半小時(shí)CO2通量數(shù)據(jù)經(jīng)兩次坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)[31]和WPL校正[32]。夜間大氣層結(jié)穩(wěn)定,湍流混合作用弱,植物和土壤呼吸產(chǎn)生的CO2難以到達(dá)渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測(cè)高度,于是會(huì)低估生態(tài)系統(tǒng)的呼吸作用。夜間通量數(shù)據(jù)的剔除:根據(jù)夜間摩擦風(fēng)速(U*)與對(duì)應(yīng)CO2通量的關(guān)系,確定出臨界U*,摩擦風(fēng)速小于臨界U*的通量數(shù)據(jù)將被剔除掉[33]。本研究U*取0.35 m s-1[8]。當(dāng)儀器出現(xiàn)故障、雨天或清晨有露水時(shí),儀器觀測(cè)到的異常通量數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)刪除。本文CO2通量的閾值為|Fc|<3.0 mg CO2m-2s-1[34],對(duì)于大于閾值的通量數(shù)據(jù)予以剔除。此外,對(duì)初步篩選的數(shù)據(jù)計(jì)算出月平均值和方差,與平均值相差超過(guò)3倍方差的數(shù)值也要剔除掉。小于2 h的缺失的數(shù)據(jù)用線性內(nèi)插法插補(bǔ);大于2 h的缺失數(shù)據(jù)采用平均日變化法(Mean Diurnal Variation, MDV)進(jìn)行插補(bǔ)[33]。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 冠層上方CO2濃度的變化

        2.1.1 日變化

        大尺度的大氣邊界層活動(dòng)日變化是形成冠層上方CO2濃度日變化的主要原因[35]。在植物生長(zhǎng)季,選擇典型晴天和陰天來(lái)研究人工混交林植被冠層上方CO2濃度的日變化特征。不同天氣條件下人工混交林植被冠層上方CO2濃度具有明顯的日變化過(guò)程(圖1)。晴天,日出后隨太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)、氣溫的升高,植被光合作用所消耗的CO2量不斷增強(qiáng)。此外,白天太陽(yáng)輻射比較強(qiáng)時(shí),人工林混交林下墊面上對(duì)流旺盛且強(qiáng)度大,造成大氣CO2的擴(kuò)散速率增大[36],于是使得植被冠層上方CO2濃度持續(xù)下降。到12:00左右太陽(yáng)輻射最強(qiáng)時(shí)CO2濃度降到最低(5、6月份分別為354和335 μmol/mol)。12:30以后,冠層上方CO2濃度緩慢上升。一方面,太陽(yáng)輻射下降造成光合作用吸收CO2的能力減弱;另一方面,氣溫在12:30—16:00仍在升高(圖1),這使得人工混交林土壤呼吸和植物呼吸不斷升高。日落以后,植被冠層光合作用停止;受逆溫的影響,土壤呼吸和植物呼吸產(chǎn)生的CO2由于夜間大氣層比較穩(wěn)定、空氣湍流運(yùn)動(dòng)弱而堆積,于是導(dǎo)致夜間CO2濃度有所上升。與晴天不同的是,陰天天氣條件下植被冠層上方CO2濃度在日出后兩小時(shí)左右有所升高(最大可達(dá)400 μmol/mol)。從9:00開(kāi)始,CO2濃度逐漸下降,到14:30左右下降到最低水平(約360 μmol/mol)(圖1)。陰天天氣下CO2濃度最低值出現(xiàn)的時(shí)間滯后于晴天。一方面,晴天下午較高的溫度(圖1)促進(jìn)了土壤和植物呼吸作用;另一方面,晴天中午太陽(yáng)輻射強(qiáng)、飽和差(VPD)大,在強(qiáng)光作用下植被冠層部分葉片光合作用會(huì)受到抑制。

        圖1 晴天和陰天天氣條件下冠層上方CO2濃度和氣溫的日變化Fig.1 Diurnal courses of CO2 concentration and air temperature in the sunny and cloudy sky days above the canopy of the mixed plantation

        2.1.2 垂直變化

        植被冠層上方CO2濃度隨高度的變化,主要取決于植被冠層CO2被固定和釋放情況。不同天氣條件下人工混交林植被冠層上方CO2濃度垂直分布見(jiàn)圖2。晴天天氣條件下,8:00近冠層(11m)處CO2濃度最低(圖2)。這主要與冠層光合作用吸收CO2有關(guān)。14:00,植被冠層上方CO2濃度隨高度變化不大,原因主要是下午較高的VPD抑制了植物冠層的光合作用。夜間20:00,植被冠層上方11—27 m的CO2濃度分別表現(xiàn)為隨高度升高而降低,11—27m之間表現(xiàn)為夜間呼吸型,27—33 m 則為CO2濃度分別表現(xiàn)為隨高度升高而增加。到夜間2:00,植被冠層上方11—33 m的CO2濃度則表現(xiàn)為完全夜間呼吸型(圖2)。與晴天相比,不論是白天還是夜間,陰天CO2濃度隨高度的變化不明顯(圖2)。這主要是陰天白天植物光合固定的CO2以及夜間土壤和植物呼吸產(chǎn)生的CO2量都比較少造成的。

        圖2 晴天(5月24日)和陰天(5月25日)天氣條件下冠層上方CO2濃度的鉛直分布Fig.2 Vertical distribution of CO2 concentration in the sunny (May 24)) and cloudy (May 25) days above the canopy

        2.1.3 季節(jié)變化

        圖3 人工混交林冠層上方CO2濃度的季節(jié)變化Fig.3 Seasonal variation of CO2 concentration above the canopy in the mixed plantation

        林冠上CO2濃度的季節(jié)變化主要受生態(tài)系統(tǒng)光合作用和呼吸作用的共同控制[37]。圖3表明,人工混交林冠層上方月平均CO2濃度具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律。1—2月份,太陽(yáng)輻射弱,人工混交林植被冠層光合作用和呼吸作用都比較??;此時(shí)溫度低,空氣對(duì)流弱,于是造成土壤呼吸排放的CO2有所堆積,進(jìn)而使得冠層大氣CO2濃度有所增加,到3月份,可達(dá)370 μmol/mol。從4月份開(kāi)始,隨輻射的增強(qiáng)和溫度的升高,人工混交林冠層光合和呼吸速率隨之增加,植被光合作用超過(guò)了呼吸作用,于是造成冠層上方大氣CO2濃度下降。到8月份時(shí),人工混交林植被冠層大氣CO2濃度降到最低(347 μmol/mol)。由圖3可知,植被冠層大氣CO2濃度在6月份有所升高。這主要是6月份大氣干旱以及輻射過(guò)強(qiáng)造成植物冠層光合速率下降[8]。9—11月,人工混交林植被冠層大氣CO2濃度變化不大,基本維持在350 μmol/mol左右。11月份后,人工混交林進(jìn)入非生長(zhǎng)階段,此時(shí)主要樹(shù)種(栓皮櫟、刺槐)葉片都已凋落,生態(tài)系統(tǒng)以排放CO2為主,由此造成植被冠層上方大氣CO2濃度升高。

        2.2 廓線法和渦度相關(guān)法所得CO2儲(chǔ)存通量的比較

        圖4為CO2濃度廓線法和渦度相關(guān)法所得半小時(shí)CO2儲(chǔ)存通量的比較。本研究發(fā)現(xiàn),渦度相關(guān)法所得的CO2儲(chǔ)存通量低于CO2濃度廓線法所得結(jié)果(偏低約9%)(圖4)。在計(jì)算CO2儲(chǔ)存通量時(shí),廓線法是根據(jù)一定時(shí)間間隔內(nèi)觀測(cè)高度以下不同高度處CO2濃度的變化得出的,而渦度相關(guān)法是平均了觀測(cè)系統(tǒng)高度以下不同層次的CO2濃度變化[24]。受大氣層結(jié)影響,森林近地層CO2未能通過(guò)湍流作用輸送到冠層上方,于是造成渦度相關(guān)法估算的CO2儲(chǔ)存通量不能真實(shí)反映植被冠層CO2濃度的時(shí)空變化[38]。因此,在計(jì)算該地區(qū)人工混交林半小時(shí)CO2儲(chǔ)存通量時(shí)應(yīng)采用濃度廓線法。

        圖4 渦度相關(guān)法和廓線法所得CO2儲(chǔ)存通量的比較Fig.4 Comparison of CO2 storage flux obtained by the eddy covariance (EC) method with the profile method in the mixed plantation

        圖5 人工混交林生長(zhǎng)季(6月)CO2儲(chǔ)存通量 (Fs)和凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換(NEE)的月平均日變化Fig.5 Monthly mean diurnal variations of carbon storage flux (Fs) and net ecosystem carbon exchange (NEE) in the mixed plantation in June, 2008

        2.3 CO2儲(chǔ)存通量和凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量的日變化

        人工混交林冠層CO2儲(chǔ)存通量具有一定的日變化規(guī)律(圖5)。CO2儲(chǔ)存通量的日變化具體表現(xiàn)為:夜間,CO2儲(chǔ)存通量為正。原因主要是輻射冷卻導(dǎo)致地表邊界層變得穩(wěn)定,于是土壤和植物呼吸產(chǎn)生的CO2大部分被儲(chǔ)存于冠層內(nèi)部。6:30左右時(shí)冠層CO2儲(chǔ)存量由正變?yōu)樨?fù)。這主要是冠層光合作用吸收了夜間冠層內(nèi)部積累的CO2造成的。9:30時(shí),CO2儲(chǔ)存通量達(dá)到最大(-0.10 mg CO2m-2s-1)。中午,由于溫度比較高,冠層內(nèi)部大氣湍流混合比較強(qiáng),CO2儲(chǔ)存通量開(kāi)始緩慢下降,15:30時(shí)CO2儲(chǔ)存量為零。16:00以后,CO2儲(chǔ)存通量由負(fù)變?yōu)檎?,表明林冠?nèi)CO2開(kāi)始累積。

        人工混交林凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量(NEE)日變化過(guò)程見(jiàn)圖5。夜間,NEE為正,表明該生態(tài)系統(tǒng)是大氣CO2源。日出后,NEE由正變?yōu)樨?fù),該生態(tài)系統(tǒng)由碳源轉(zhuǎn)為碳匯。上午,人工林混交凈吸收的大氣CO2不斷增加。到11:30左右時(shí),人工混交林凈吸收的CO2達(dá)到最大值,可達(dá)-0.63 mg CO2m-2s-1。隨后,人工混交林凈吸收的CO2量開(kāi)始不斷下降。日落時(shí),人工林生態(tài)系統(tǒng)NEE由負(fù)變?yōu)檎撋鷳B(tài)系統(tǒng)由碳匯變?yōu)樘荚?。在生長(zhǎng)季,人工林NEE上午增加比較快,下午下降的則比較緩慢。原因主要是:(1)下午較高的VPD抑制了植物冠層的光合作用;(2)較高的溫度促進(jìn)了生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用。

        在生長(zhǎng)季(6月),人工混交林冠層CO2儲(chǔ)存通量和NEE日變幅分別為-0.10—0.06、-0.63—0.19 mgCO2m-2s-1。冠層CO2儲(chǔ)存通量和NEE日平均值分別為-0.0004和-0.091 mg CO2m-2s-1,冠層CO2儲(chǔ)存通量在NEE中所占比例僅為0.4%。

        2.4 CO2儲(chǔ)存通量的季節(jié)變化

        圖6 CO2儲(chǔ)存通量的季節(jié)變化Fig.6 Seasonal pattern of CO2 storage flux in the mixed plantation

        在不存在平流/泄流作用情況下,夜間湍流作用較弱時(shí),渦度相關(guān)觀測(cè)高度以下儲(chǔ)存的CO2會(huì)被日出后植物光合作用平衡掉。因此,在日尺度甚至更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上CO2儲(chǔ)存通量應(yīng)該為零[39]。圖6為CO2儲(chǔ)存通量的季節(jié)變化。冬季,由于溫度低,大氣湍流比較弱。因此,CO2儲(chǔ)存通量比較大,最大可達(dá)-19.8 g CO2m-2month-1。春季和夏季,在較強(qiáng)的輻射和溫度的作用下,大氣湍流混合增強(qiáng),CO2儲(chǔ)存通量變小。非生長(zhǎng)季、生長(zhǎng)季CO2儲(chǔ)存通量分別為-27.6和-18.5 g CO2/m2。2008年,CO2儲(chǔ)存通量和凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量分別為-46.1、-1133 g CO2m-2a-1;CO2儲(chǔ)存通量在NEE中所占比例為4.1%。因此,在年尺度上計(jì)算黃河小浪底人工混交林NEE時(shí),CO2儲(chǔ)存通量可以忽略。

        3 結(jié)論與討論

        在植物生長(zhǎng)季,不同天氣條件下人工混交林植被冠層上方CO2濃度具有明顯的日變化特征。晴天,日出后植被冠層上方CO2濃度持續(xù)下降。到12:00太陽(yáng)輻射最強(qiáng)時(shí)CO2濃度降到最低。12:30以后,冠層上方CO2濃度緩慢上升。陰天天氣條件下植被冠層上方CO2濃度在日出后兩小時(shí)左右有所升高。這與吳家兵等[28]在溫帶闊葉紅松林、譚正洪等[35]在熱帶季雨林所得結(jié)果類似。Grace等[40]、Goulden等[41]在亞馬遜熱帶雨林也發(fā)現(xiàn)了植被冠層CO2在夜間累積、清晨釋放CO2的現(xiàn)象。人工混交林冠層上方月平均CO2濃度具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律。一年中,月平均CO2濃度最大值(370 μmol/mol)出現(xiàn)在3月份,最低值(347 μmol/mol)出現(xiàn)在8月份。李英年等[36]對(duì)青海海北濕地近地層大氣CO2濃度研究得出,月平均CO2濃度最高值出現(xiàn)在10月(335.0 μmol/mol),最低值出現(xiàn)在7月(270.1 μmol/mol)。與濕地相比,人工林CO2濃度最大和最小值均比較高。這主要是濕地地表積水以及植物的吸收作用造成的[36]。對(duì)于熱帶季雨林,林冠上方平均CO2濃度的最大值出現(xiàn)在3月,最小值出現(xiàn)在6月[35]。焦振等[37]對(duì)帽兒山溫帶落葉闊葉林CO2濃度的時(shí)空變化研究發(fā)現(xiàn),受植被生態(tài)系統(tǒng)光合作用和呼吸作用的共同影響,林冠上CO2濃度在5月初和10月各出現(xiàn)1次峰值,8月初出現(xiàn)最低值。

        本研究發(fā)現(xiàn),渦度相關(guān)法估算的人工混交林CO2儲(chǔ)存通量比廓線法所得結(jié)果偏低9%。與本研究不同的是,姚玉剛等[38]對(duì)熱帶森林植被冠層研究得出渦度相關(guān)法估算的碳儲(chǔ)存通量大于廓線法所得結(jié)果。Hollinger等[21]、Carrara等[42]指出這兩種方法所得的儲(chǔ)存碳通量具有較好的一致性。張彌等[24]對(duì)長(zhǎng)白山闊葉紅松林研究也發(fā)現(xiàn),渦度相關(guān)法估算的CO2儲(chǔ)存通量與廓線法所得結(jié)果差別不顯著。

        生長(zhǎng)季,人工混交林CO2儲(chǔ)存通量達(dá)到最大出現(xiàn)在9:30。這與Schindler等[43]在蘇格蘭松林、de Araújo等[20]在亞馬孫熱帶雨林所得結(jié)果類似。對(duì)于長(zhǎng)白山闊葉紅松林,CO2儲(chǔ)存通量在5:00左右達(dá)到最大[28]。Loescher等[44]在研究熱帶森林碳交換時(shí)發(fā)現(xiàn),CO2儲(chǔ)存通量在8:00空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)形成時(shí)達(dá)到最大。人工混交林CO2儲(chǔ)存通量日變幅為-0.10—0.06 mgCO2m-2s-1,與孫成等[16]在亞熱帶毛竹林所得結(jié)果(-0.12—0.07 mg CO2m-2s-1)接近,高于王春林等[45]在鼎湖山南亞熱帶針闊葉混交林所得結(jié)果(-0.06—0.04 mg CO2m-2s-1),但低于姚玉剛等[38]在西雙版納熱帶季節(jié)雨林所得日變幅值(-0.23—0.18 mg CO2m-2s-1)。這與土壤有機(jī)質(zhì)的數(shù)量與質(zhì)量、溫度以及冠層高度存在差別有關(guān)。此外,平流與湍流體系的不同也造成以上研究存在差異的原因之一[46]。人工林日最大碳吸收可達(dá)-0.63 mg CO2m-2s-1,高于Baldocchi等[22]在溫帶松林所得結(jié)果,低于Hollinger等[21]、Baldocchi和Harley[47]、Wang等[48]在溫帶落葉松林所得結(jié)果。這主要是不同研究區(qū)樹(shù)種、土壤與氣候條件存在差異造成的。

        在半小時(shí)尺度上,人工混交林CO2儲(chǔ)存通量對(duì)NEE對(duì)影響比較大,這與Haszpra等[23]在農(nóng)田和森林生態(tài)系統(tǒng)、張彌等[24]在溫帶森林、孫成等[16]在亞熱帶毛竹林所得結(jié)果類似。生長(zhǎng)季,人工混交林冠層CO2儲(chǔ)存通量在日尺度上近似為0,這與Greco和Baldocchi[26]在溫帶落葉林、Baldocchi等[27]在溫帶混交闊葉林、吳家兵等[28]在長(zhǎng)白山闊葉紅松林的研究一致。張彌等[24]對(duì)長(zhǎng)白山闊葉紅松林儲(chǔ)存通量研究則發(fā)現(xiàn),在日尺度上,忽略CO2儲(chǔ)存通量會(huì)造成對(duì)NEE低估10%。2008年,人工混交林CO2儲(chǔ)存通量和NEE分別為-46.1、-1133 g CO2m-2a-1;CO2儲(chǔ)存通量?jī)H占NEE的4.1%。因此,在長(zhǎng)時(shí)間(日、年)尺度上估算黃河小浪底人工混交林NEE時(shí),CO2儲(chǔ)存通量可以忽略不計(jì)。在年尺度上,本研究所得CO2儲(chǔ)存通量占NEE的比例與Yu等[49]在溫帶森林的研究結(jié)果類似,低于張彌等[24]在長(zhǎng)白山闊葉紅松林所得結(jié)果。

        研究表明,忽略CO2儲(chǔ)存通量會(huì)低估森林生態(tài)系統(tǒng)Michaelis-Menten光響應(yīng)方程中的表觀初始量子效率和Lloyd-Taylor呼吸方程中的參考呼吸,進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)和生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Rec)低估約20%[24]。王靜等[25]對(duì)不同濃度變量計(jì)算的溫帶落葉闊葉林CO2儲(chǔ)存通量的誤差進(jìn)行分析得出,基于密度、摩爾分?jǐn)?shù)和混合比計(jì)算的CO2儲(chǔ)存通量分別平均高估CO2有效儲(chǔ)存通量8.5%、0.6%和0.1%。因此,為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)人工混交林碳交換各分量的大小,今后研究應(yīng)側(cè)重選擇大氣水、熱過(guò)程守恒的混合比計(jì)算CO2儲(chǔ)存通量,加強(qiáng)CO2儲(chǔ)存通量對(duì)光響應(yīng)參數(shù)以及呼吸參數(shù)影響的研究。

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        Variation characteristics of carbon storage flux over a mixed plantation of the Xiaolangdi area

        TONG Xiaojuan1,*, ZHANG Jinsong2, MENG Ping2, LI Jun3

        1CollegeofForestry,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2ResearchInstituteofForestry,CAF;KeyLaboratoryofTreeBreedingandCultivation,StateForestryAdministration,Beijing100091,China3KeyLaboratoryofWaterCycleandRelatedLandSurfaceProcesses,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China

        Forest plays an important role in carbon cycle and global climate change. To estimate accurately net ecosystem carbon exchange (NEE) between forest ecosystem and the atmosphere and understand the ecophysical factors influencing NEE, it is necessary to study the variation characteristics of CO2storage flux. In this study, the eddy covariance method and the profile method were used to measure CO2flux and CO2concentration over a warm-temperate mixed plantation in the Xiaolangdi area in 2008, respectively. The temporal and spatial variations of CO2concentration under sunny and cloudy sky conditions above the forest canopy were analyzed. CO2storage flux obtained by the eddy covariance was compared with those derived from the profile method and the diurnal and seasonal variations of CO2storage flux were investigated. The results showed that the diurnal and seasonal variations in CO2concentration were obvious. In the sunny days of the growing season, CO2concentrations above the plantation canopy decreased continuously and the minimal CO2concentration appeared at 12:00. After 12:30, CO2concentration increased slowly. However, in the cloudy days, the maximal and minimal CO2concentrations occurred in the early morning and at about 14:30, respectively. At the annual scale, CO2concentration peaked in March, with a value of 370 μmol/mol. The minimal CO2concentration occurred in August, with a value of 347 μmol/mol. CO2storage flux estimated by the eddy covariance method was 9% lower than that obtained by the profile method. During the growing season of 2008, monthly mean CO2storage flux was -0.0004 mg CO2m-2s-1and NEE was -0.091 mg CO2m-2s-1. At the daily scale, the proportion of CO2storage flux to NEE was only 0.4%. In 2008, CO2storage flux and NEE were -46.1 and -1133 g CO2m-2a-1, respectively. On an annual scale, CO2storage flux only accounted for 4.1% of NEE. Therefore, at the longer time (daily or annual) scale, CO2storage flux could be neglected when NEE is estimated in the mixed plantation of the Xiaolangdi area.

        Mixed plantation; the eddy covariance method; the profile method; CO2storage flux; net ecosystem carbon exchange

        國(guó)家自然科學(xué)基金 (31100322); 國(guó)家林業(yè)局公益性行業(yè)項(xiàng)目(GYHY20110400904)

        2013- 04- 26;

        日期:2014- 11- 17

        10.5846/stxb201404260833

        *通訊作者Corresponding author.E-mail: tongxjsxbs@sina.com

        同小娟, 張勁松, 孟平, 李俊.黃河小浪底人工混交林冠層CO2儲(chǔ)存通量變化特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(7):2076- 2084.

        Tong X J, Zhang J S, Meng P, Li J.Variation characteristics of carbon storage flux over a mixed plantation of the Xiaolangdi area.Acta Ecologica Sinica,2015,35(7):2076- 2084.

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