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1、 1 鼎湖山南亚热带常绿针阔叶混交林 CO2通量估算 王春林 1,2) 周国逸 1) 于贵瑞 3) 张雷明 3) 王旭 1) 孟泽 1) 1中国科学院华南植物研究所广州510650 2广东省气候与农业气象中心广州510080 3中国科学院地理科学与资源研究所北京100101 提要 精确估算森林生态系统与大气之间CO2通量对于深刻理解陆地碳源汇过程和大尺度模型研究 至关重要中国陆地生态系统通量观测研究网络ChinaFlux之鼎湖山通量观测站包括2层开路涡 度相关和7层微气象观测本文利用2002年11月至2004年2月资料通过坐标转换W P L 订正和质量控 制后能量平衡分析表明其通量数据可靠性选
2、择夜间湍流条件较好的U*0.4ms-1冠层上CO2 通量资料得到生态系统总呼吸Reco和5厘米土壤温度(Ts)的关系(Reco0.0263exp(0.0732Ts)Q10 2.1)采用Michaelis-Menten模型分时段拟合总初级生产力GPP和光合有效辐射PAR的关系最大 光合能力A m a x 为- 0 . 9 8 2 9 ( 0 . 4 0 2 ) ( m g m -2s-2) 光能利用率 - 0 . 0 0 3 8 ( 0 . 0 1 1 ) ( m g ( C O 2) u m o l -1) A m a x 和季节性变化均不明显且与土壤湿度S W C空气水汽压差V P D 相关
3、不显著表明林内 没有明显的缺少胁迫G P P 受光合有效辐射P A R 驱动夏秋季大于冬春季N E E 同时受P A R 和R e 影响 年变幅较小冬春季高于夏秋季, 与G P P 年变化趋势相反 鼎湖山混交林生态系统全年保持较强的碳吸收功能2 0 0 3年净生态系统碳交换 N E E估计为 - 5 6 4 - 8 3 3 g C m -2y-1 之间占总初级生产力 G P P 的 3 4 % 4 4 % 生态系统总呼吸 R e 占 G P P的 5 6 6 6 % 其中土壤呼吸 R s 占 R e 的 6 2 % 左右 关键字CO2通量 涡度相关 鼎湖山 南亚热带混交林 1 前言 森林生态系
4、统由于其巨大生物量其 CO2和水热通量的长期定位测定及其预测模型的构建一 直是国际上关注的热点深入了解陆地生态系统对不同时空尺度环境变化的响应是一个关键性问题 L a w e t a l . , 2 0 0 2湍流相似法则理论的确立和超声波风速仪的发明使得对植被大气系统之 间热量与物质通量的观测评价成为可能近年来欧洲和美国率先开展了森林生态系统 CO2通量的 观测和研究以涡度相关法为主体的观测方法和技术也基本趋于成熟成为生态系统以及更大尺度 的 C O 2通量研究水平最为有效的直接测定方法( L e u n i n g . , 1 9 9 2 全球通量网络( F L U X N E T ) 的
5、建立 为生态系统碳循环的大尺度和综合性研究提供了可靠的数据来源同时也促进了不同学科之间的交 流与合作B a l d o c c h i e t a l . , 2 0 0 1 在中国科学院知识创新工程重大项目中国陆地和近海生态系统碳收支研究C B T S EC和国 家科技部 973 项目中国陆地生态系统碳循环及其驱动机制 共同支持下中国通量观测网络(China FLUX)于 2002 年陆续建成 旨在获取中国典型陆地生态系统 CO2和水热通量及其一系列生态环境要 素的第一手资料揭示典型陆地生态系统碳通量时空变化特征和动力学机制于贵瑞2 0 0 3 鼎湖山森林是在自然状态下并遵循一定的客观规律趋
6、向更优化的气候顶级群落的演替过程王 伯荪1 9 8 2物种丰富多样生物量巨大是同纬度带上最具特色最具研究价值的地带性植被之 一被联合国教科文组织列为第 1 7 号人与生物圈保护区鼎湖山通量观测站由 2 层开路涡度相关通 量观测系统O P E C 和 7 层常规气象观测系统( R M E T ) 组成 于 2 0 0 2 年 1 0 月建成并开始 C O2和水热通 2 量以及植被群落微气象要素等数据的采集本文旨在利用 2 0 0 2 年 1 1 月到 2 0 0 4 年 2 月大约 1 6 个月 资料分析其 C O2通量特征及其与气候环境因子之间的关系初步估算其碳源汇功能 2 资料与方法 2.1
7、 观测点基本情况 鼎湖山自然保护区位于广东省肇庆市东北部东经 11230?39? 11233?41? 北纬 2309?21? 2311?30? 总面积 1155hm2属低山丘陵地貌海拔 200500m最高峰鸡笼山海拔 1000.3m保护 区地处南亚热带受季风湿润气候影响光照水热资源丰富且准同步土壤类型自下向上依次分 布有赤红壤黄壤和山地灌丛草甸年平均气温 21.0?附近高要气象站为 22.3?最冷月 1 月平 均气温 12.0?,最热月 7 月平均气温 28.0?年均降水量 1956mm高要站为 1671mm其中 76集 中在汛期49 月年均相对湿度 80%主导风向为东北风冬半年和西南风夏半年
8、 碳通量观测塔高 38m位于鼎湖山自然保护区核心区的针阔叶混交林样地内五棵松 2310?24?N 11232?10?E) 海拔高度 300m坡度 10 度左右坡向东偏南东北面常年主导风向 比较平坦开阔其余方位不远处均有小山峰环绕优势树种为荷树Schima superba锥栗 Castanopsis chinensis马尾松Pinus massoniana树龄约为 100 a树高约 17 m是目前保存 下来的最为典型最为完整的南亚热带常绿针阔混交林生态系统土壤类型为发育与赤红壤厚度 6090cm,表土有机质含量 2.944.27% (张咏梅等2002)样地东南方向分布着季风常绿阔叶林 西北方向是
9、大面积的混交林和山地常绿阔叶林 2.2 涡度相关通量观测 开路涡度相关OPEC通量观测设 2 层安装高度分别为 27m第五层和 2m2003 年 4 月 1 日从 9m第二层的高度移到观测塔旁 2m 高支架上分别代表冠层上植被大气通量和冠 层下冠层地表草本层通量采用 CSAT3 型三维超声风速仪(Campbell Scientific,Inc.(CSI) 测量 风速三维风速及和虚温脉动LI-7500 型开路红外气体分析仪(IRGA)LI-COR,Inc.)测量二氧化碳和 水汽浓度变化表 1采样频率均为 10Hz通过 CR5000 型数据采集器(CSI)自动存储 10Hz 原始观 测数据并根据涡
10、度相关原理Baldocchi et al., 1996.在线计算 30 分钟 CO2 通量Fc潜热通量 LE 和显热通量 Hs 等统计量 Fc LEHs 在线计算中自动作了虚温订正 Schotanus et al.,1983 和空气密度变化订正Webb et al.,1980,但是未考虑地形和仪器倾斜影响本文采用 2 维坐标转换 Baldocchi and Vogel 1996)强迫纵向风速垂直于随地形坡度变化的主导气流方向即强迫侧向和 纵向风速为 0对 30 分钟通量数据作地形订正按照微气象学符号协定FcLEHs 正号表示向 上通量 本文采用 2002 年 11 月到 2004 年 2 月4
11、86 天资料其间由于雷击导致供电中断仪器故障 断线维护等原因导致的无效缺失记录按照如下便标准予以剔除1有降水且通量数据异常2 30 分钟采样频数低于 18000 且通量数据异常3碳通量数据异常标准是|Fc|1.0mg/(m2s通过 上述处理后冠层上冠层下碳通量涡度相关资料分别尚有 79%83%可用 能量平衡分析表明涡度相关测得的能量通量LEH与相对独立测得的气象要素辐射 热通量等计算的热通量Rn-G之比白天70%大于夜间林冠层上大于林冠层下并发现 LE+H/( Rn G)随着摩察风速 U*增大而增大图略表明湍流不够充分主要出现在夜间是 影响能量平衡的可能原因之一LE+H/( Rn G)与风向无
12、关反映较好的地形均一性 2.3 常规气象观测 常规气象(RMET)要素观测设 7 层安装高度分别为 4m9m15m21m27m31m36m 每层均包括气温 Ta 相对湿度 RH(HMP45C, Vaisala, Finland) 和风速 WS(A100R, CSI) 降水 R 52203, R.M. YOUNG风向 WDW200P,CSI)和辐射观测位于顶层36m其中辐射包括上行/下行的长 波/短波辐射净辐射 Rn(CNR-1,CSI), 总辐射 Sr (CM11,Kipp 土壤温度 Ts 包括 107-LCSI和 105TCSI 2 个系列各有 5 个深度107-L 型观测深度为 20cm
13、40cm60cm80cm100cm105T 型观测深度为 5cm10cm15cm20cm40cm此外还有 21m 和 1m 红外气温(IRTS-P,CSI)和地表0m土壤平均温度观测TCAV,CSI表 1上述数据采样频 率为 2s,通过 CR23X-TD/CR10X-TD 型数采集器 CSI 在线计算并存储 30 分钟 24 小时统计数据 净辐射Rn土壤热通量G与 FcLEHs 相反正号表示向下通量 表 1 鼎湖山通量观测情况 观测要素 仪器型号 制造商 数量 安装高度(深度) 三维风速超声气温 CSAT-3 Campbell Scientific, Inc. (CSI) 2 二氧化碳水汽浓度
14、 LI-7500 CSI 2 27m;2m2003.4.1 以 前为 9m 气温相对湿度 HMP45C VAISALA 7 风速 A100R Vector Instrument 7 4m,9m,15m,21m,27m, 31m,36m 风向 W200P Vector Instrument 1 降水 52203 R.M. YONG 1 上行(下行)短波辐射 上行(下行)短波辐射 净辐射(Rn) CNR-1 Kipp w o f s y e t a l . , 1 9 9 3 ; L a c i g n e e t a l . , 1 9 9 7因此 NEE 仅由 Fca 和 Fstor 计算尽管
15、在某些情况下特别是夜间垂直湍流不充分 时上述假设是值得怀疑的Aubinet et al.,2001 5 241 碳储存通量Fstor计算 采用单层 C O 2 浓度变化计算碳储存通量 F s t o rC a r r a r a e t a l . , 2 0 0 3P i l e g a a r d e t a l . , 2 0 0 1: F s t o r = C ( z ) / t * z ( 2 ) 式中C ( z ) 为高度 z 处 C O 2 浓度变化 C O 2 t- C O 2 t - tt 为时间步长1 8 0 0 sz 为整 层高度( 2 7 m ) C a r r a
16、r a e t a l . 2 0 0 3 的试验研究表明, 这种简单的 F s t o r计算结果与标准的全剖 面 C O 2浓度测量法A u b i n e t e t a l . , 2 0 0 1 计算结果基本吻合上午差异略大不同方法算得的 全年 N E E之差异可以忽略为避免系统误差本文剔除| C O 2 t- C O 2 t - t| 2 0 m g / m 3 控制 F s t o r项 小于 0 . 3 m g / ( m 3 s ) 图 2 显示碳储存通量 F s t o r 与湍流交换通量 F c 之间的相对重要性及其随 U * 的变化情况当 U * 较小时F s t o r / F s t o r F c 接近 1 表明几乎所有呼吸均被储存而 F c 可以忽略相反当 U * 较 大时 F s t o r 可以忽略 许多 E u r o f l u x 通量站 U * 临界点为 0 . 4 m / s A u b i n e t e t a l . , 2 0 0 0 B e r b i g i e r e t a
