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Characteristics of CO2 flux in an old growth mixed forest in Tianmu Mountain, Zhejiang, China.

浙江天目山老龄森林生态系统CO2通量特征


物种丰富的异龄老龄森林对陆地生态系统动态模型及全球碳收支具有十分重要的意义.目前,我国关于老龄森林碳通量的研究很少,亚热带地区的老龄林更鲜有报道.本研究利用涡度相关技术观测了我国中亚热带地区的浙江天目山一个老龄常绿落叶阔叶混交林生态系统的CO2通量.以2013年7月到2014年6月的观测数据为依据,分析了此老龄林净生态系统碳交换量(NEE)、生态系统呼吸量(Re)、生态系统总交换量(GEE)的变化.结果表明: 研究期间,老龄林常绿落叶阔叶混交林生态系统NEE月总量除12、2月为正值外(表现为碳源),其余月份均为负值(表现为碳汇).NEE月总量平均为-61.52 g C·m-2,各月碳吸收量以6月(-149.40 g C·m-2)最高,10月次之,呈双峰变化;最大碳源出现在2月(23.45 g C·m-2).各月NEE平均日变化差异明显,6月的平均通量峰值最大,达到-0.98 mg·m-2·s-1,12月最小,为-0.35 mg·m-2·s-1;NEE符号改变的时间也呈明显的季节变化特征;全年NEE、Re、GEE分别为-738.18、931.05、-1669.23 g C·m-2.与相近纬度相近林型的其他森林生态系统相比,由于其复层结构和多种幼龄更新树木的存在,其测定的固碳量较大.表明我国中亚热带天目山地区的老龄森林生态系统不是处于碳收支稳定状态,而是具有相对较高的固碳能力.

The old-growth, multiple ages, multispecies natural forest has played an important role in terrestrial ecosystem dynamics model and the global carbon budget. However, carbon fluxes of old forests in subtropical regions are rarely reported in China. In the present study, the CO2 flux of an old-growth subtropical evergreen and deciduous broadleaved mixed forest was observed using -eddy- covariance technique in Tianmu Mountain of Zhejiang Province. Based on the data sets which were observed from July 2013 to June 2014, the variations of net ecosystem exchange (NEE), ecosystem respiration (Re), and gross ecosystem exchange (GEE) were analyzed. The results showed that during the study period, the monthly NEE all had a negative value (acted as a carbon sink) except for December and February (acted as a carbon source). The average monthly NEE was -61.52 g C·m-2, the monthly carbon sequestration showed a doublepeak curve and the maximum carbon sink was -149.40 g C·m-2, which occurred in June, while the maximum carbon source was 23.45 g C·m-2, which occurred in February. The maximum of monthly mean CO2 flux occurred in June with a value of -0.98 mg·m-2·s-1, while the minimum value occurred in December with a value of -0.35 mg·m-2·s-1. The NEE at the time point of positive and negative conversion had typical seasonal characteristics. The yearly NEE, Re, and GEE were -738.18, 931.05 and -1669.23 g C·m-2, respectively. Compared with other forest ecosystems located at the similar latitude, the carbon fixation of the old-growth forest was larger, likely due to its complicated structure within the canopy and the presence of young-growth regeneration and successional stands. This showed that other than in carbon neutral, old-growth forests of Tianmu Mountain in subtropical China had a strong capability in carbon sequestration.

 


全 文 :浙江天目山老龄森林生态系统 CO2通量特征
牛晓栋1  江  洪1,2∗  张金梦1  方成圆1  陈晓峰1  孙  恒1
( 1浙江农林大学浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室, 杭州 311300; 2南京大学国际地球系统科学研究所, 南
京 210093)
摘  要  物种丰富的异龄老龄森林对陆地生态系统动态模型及全球碳收支具有十分重要的
意义.目前,我国关于老龄森林碳通量的研究很少,亚热带地区的老龄林更鲜有报道.本研究利
用涡度相关技术观测了我国中亚热带地区的浙江天目山一个老龄常绿落叶阔叶混交林生态
系统的 CO2通量.以 2013年 7月到 2014年 6月的观测数据为依据,分析了此老龄林净生态系
统碳交换量(NEE)、生态系统呼吸量(Re)、生态系统总交换量(GEE)的变化.结果表明: 研究
期间,老龄林常绿落叶阔叶混交林生态系统 NEE 月总量除 12、2 月为正值外(表现为碳源),
其余月份均为负值(表现为碳汇) .NEE月总量平均为-61.52 g C·m-2,各月碳吸收量以 6 月
(-149.40 g C·m-2)最高,10月次之,呈双峰变化;最大碳源出现在 2 月(23.45 g C·m-2) .各
月 NEE平均日变化差异明显,6 月的平均通量峰值最大,达到-0.98 mg·m-2·s-1,12 月最
小,为-0.35 mg·m-2·s-1;NEE 符号改变的时间也呈明显的季节变化特征;全年 NEE、Re、
GEE分别为-738.18、931.05、-1669.23 g C·m-2 .与相近纬度相近林型的其他森林生态系统相
比,由于其复层结构和多种幼龄更新树木的存在,其测定的固碳量较大.表明我国中亚热带天
目山地区的老龄森林生态系统不是处于碳收支稳定状态,而是具有相对较高的固碳能力.
关键词  天目山; 亚热带老龄森林; 涡度相关; CO2通量; 碳汇
本文由国家自然科学基金项目(61190114,41171324)、高等学校博士学科点专项科研基金项目(20110091110028)、科技部国家科技基础条件平
台项目(2005DKA32300)和浙江省重点科技创新团队项目(2010R50030)资助 This work was supported by the National Natural Science Foundation
of China (61190114,41171324), the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (20110091110028), the National R&D
Infrastructure and Facility Development Program of China (2005DKA32300) and the Foundation for Zhejiang Province Key Scientific and Technological
Innovation Team (2010R50030).
2015⁃03⁃29 Received, 2015⁃10⁃27 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: jianghong_china@ hotmail.com
Characteristics of CO2 flux in an old growth mixed forest in Tianmu Mountain, Zhejiang,
China. NIU Xiao⁃dong1, JIANG Hong1,2∗, ZHANG Jin⁃meng1, FANG Cheng⁃yuan1, CHEN Xiao⁃
feng1, SUN Heng1 ( 1Zhejiang Province Key Laboratory of Carbon Cycling in Forest Ecosystems and
Carbon Sequestration, Zhejiang Agriculture and Forestry University, Hangzhou 311300, China;
2International Institute for Earth System Science, Nanjing University, Nanjing 210093, China) .
Abstract: The old⁃growth, multiple ages, multispecies natural forest has played an important role
in terrestrial ecosystem dynamics model and the global carbon budget. However, carbon fluxes of
old forests in subtropical regions are rarely reported in China. In the present study, the CO2 flux of
an old⁃growth subtropical evergreen and deciduous broad⁃leaved mixed forest was observed using
eddy covariance technique in Tianmu Mountain of Zhejiang Province. Based on the data sets which
were observed from July 2013 to June 2014, the variations of net ecosystem exchange (NEE), eco⁃
system respiration (Re), and gross ecosystem exchange (GEE) were analyzed. The results showed
that during the study period, the monthly NEE all had a negative value (acted as a carbon sink) ex⁃
cept for December and February (acted as a carbon source). The average monthly NEE was -61.52
g C·m-2, the monthly carbon sequestration showed a double⁃peak curve and the maximum carbon
sink was -149.40 g C·m-2, which occurred in June, while the maximum carbon source was 23.45
g C·m-2, which occurred in February. The maximum of monthly mean CO2 flux occurred in June
with a value of -0.98 mg·m-2·s-1, while the minimum value occurred in December with a value
of -0.35 mg·m-2·s-1 . The NEE at the time point of positive and negative conversion had typical
seasonal characteristics. The yearly NEE, Re, and GEE were - 738. 18, 931. 05 and - 1669. 23
应 用 生 态 学 报  2016年 1月  第 27卷  第 1期                                            http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2016, 27(1): 1-8                        DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201601.010
g C·m-2, respectively. Compared with other forest ecosystems located at the similar latitude, the
carbon fixation of the old⁃growth forest was larger, likely due to its complicated structure within the
canopy and the presence of young⁃growth regeneration and successional stands. This showed that
other than in carbon neutral, old⁃growth forests of Tianmu Mountain in subtropical China had a
strong capability in carbon sequestration.
Key words: Tianmu Mountain; old⁃growth subtropical forest; eddy covariance; CO2 flux; carbon
sink.
    自工业革命以来,由于大规模的人类活动,大气
中 CO2、CH4和 N2O含量不断上升,引起了全球变暖
等一系列严重的全球环境问题,严重威胁着人类生
存和社会可持续性发展[1],其中 CO2对全球变暖的
贡献率达 60%[2] .森林可以通过光合作用固定大气
中的 CO2,但它自身的呼吸作用及土壤微生物呼吸、
凋落物分解等又会将储存的碳释放到大气中.森林
生态系统作为陆地生态系统的主体,覆盖了全球陆
地表面的 40%,它对固定大气中 CO2有着重要的作
用[3],因此量化森林生态系统的碳通量有重要意
义[4] .到 20 世纪 90 年代,欧洲、美国和日本联合成
立了国际通量观测网络(FLUXNET),并且已经取得
了一定成果[5] .干扰[6]和林龄[7]在不同森林生态系
统中对碳循环有着显著的影响力.以前认为年轻的
森林吸收大气中 CO2能力比较强,老龄森林一般处
于碳平衡状态[8] .然而,随着涡度相关技术的发展,
对森林生态系统碳通量观测技术的提高,一些研究
发现了不同结论[9-11] .Carey等[9]通过实测北落基山
脉的老龄森林发现,碳收支结果比模型预测的高
50%~100%.Knohl 等[10]在德国中部一片 250 年的
老龄森林中也发现,其固定大气中 CO2的能力比较
强.Zhou等[11]则发现,老龄森林土壤有很强的碳积
累能力.Luyssaert 等[12]通过处理来自全球 519 块样
地的文献数据验证了老龄森林是碳汇.然而,这 519
块样地全部来自温带和寒带森林,没有包括热带和
亚热带地区的老龄森林,这是由于位于热带和亚热
带地区的老龄森林的通量站点比较少.全球一半的
森林位于热带和亚热带地区[13],因此研究热带和亚
热带地区老龄森林碳通量刻不容缓,对于陆地生态
系统动态模型及全球碳收支具有十分重要的意义.
目前,我国亚热带地区的通量站点主要包括千烟洲
人工针叶林站点[14]、鼎湖山常绿针阔混交林站
点[15]、湖南会同人工杉木林站点[16]、安吉毛竹林站
点[17]、西双版纳哀牢山站点[13]等,只有位于西部地
区的哀牢山站点森林属于老龄林,这对于我国亚热
带地区的老龄林研究是不够的.
天目山地处我国东南沿海丘陵山区中亚热带北
缘,北亚热带南缘.其气候具有中亚热带向北亚热带
过渡的特征,拥有典型的中亚热带森林生态系统.森
林覆盖率达 98%,活立木总蓄积量达 15×104 m3,其
中,近熟林 48768 m3,成、过熟林 92824 m3 .天目山植
物区系古老,成分复杂,种类丰富,是当今华东地区
植被保存较为完好的地区之一[18] .常绿阔叶林是天
目山的地带性植被,常绿落叶阔叶混交林是天目山
植被最主要的部分.天目山地质形成十分古老,拥有
不可多得的古树资源[19] .在海拔 300 ~ 1200 m 的
1000 hm2保护区范围内,集中分布着古树 2327 株.
古树优势种明显,有柳杉(Cryptomeria fortunei)、银
杏(Ginkgo biloba)、枫香(Liquidambar formosana)、金
钱松(Pseudolarix amabilis)、响叶杨(Populus adeno⁃
poda)、天目木姜子(Litsea auriculata).尤以柳杉种群
高大无比,最大植株胸径达 2.34 m, 最高树体 52 m,
为天目山最具特色的古树种群,为“世界罕见的巨
大柳杉群” [20],在中亚热带地区的老龄林中具有典
型性.
本文选取 2013年 7月到 2014年 6 月的通量观
测数据,初步分析了中亚热带地区老龄林天目山常
绿落叶阔叶混交林生态系统的 CO2通量特征及碳收
支状况,以期验证亚热带地区老龄林固定大气 CO2
的能力以及为区域及全国碳收支估算和碳循环模型
构建提供必要的基础数据.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
研究区位于浙江天目山森林生态系统国家定位
观测研究站(30°18′30″—30°24′55″ N,119°24′47″—
119°28′27″ E),面积 4284 hm2 .主峰仙人顶,海拔
1506 m.其中林地面积 4261.1 hm2,占 99.5%,森林
覆盖率98. 1%.林地面积中乔木林 3711. 3 hm2,占
88􀆰 7%;竹林面积 474.8 hm2,占 11.3%.海拔 600 m
以下为红壤带,600~1200 m为黄壤带,1200 m 以上
为棕黄壤带.气候具有中亚热带向北亚热带过渡的
特征,受海洋暖湿气流的影响较深,形成季风强盛、
四季分明、气候温和、雨水充沛、光照适宜且复杂多
2 应  用  生  态  学  报                                      27卷
变的气候.站点自山麓至山顶,年平均气温为 14.8 ~
8.8 ℃,最冷月平均气温 3.4 ~ -2.6 ℃,极端最低气
温-13.1~ -20.2 ℃,最热月平均气温 28.1 ~ 19.9 ℃,
极端最高气温 38.2 ~ 29.1 ℃,无霜期 235 ~ 209 d,
年雨日 159. 2 ~ 183. 1 d,年雾日 64. 1 ~ 255. 3 d,年
降水量 1390~1870 mm,年太阳辐射 4460 ~ 3270
MJ·m-2,相对湿度 76%~81%.
常绿落叶阔叶混交林是天目山植被最主要的部
分,分布于海拔 850~1140 m, 森林群落大多数处于
较稳定状态,达到了演替顶极[21],调查的 2 块典型
样地林分起源分别为 140和 350年.土壤为山地黄壤,
土层深度约 100 cm.pH值 5~6,枯枝落叶层厚达 10~
20 cm.碳通量观测塔安装在研究区的一块常绿落叶
阔叶混交林样地(30°20′59″ N,119°26′13″ E)内,海拔
1139 m,坡度 6.6°,坡向南偏西 16°,主要乔木有小叶
青冈 (Cyclobalanopsis myrsinifolia)、交让木 (Daph⁃
niphyllum macropodum)、小 叶 白 辛 树 ( Pterostyrax
corymbosus)、短柄枹(Quercus glandulifera)、青钱柳
(Cyclocarya paliurus)等,林龄 140年,郁闭度 0.7,林
分密度 3125株·hm-2 .林分为复层结构,分 3 层,15
m以上的乔木约占 3.2%,第二层 8 ~ 14 m 的乔木约
占 43.2%,其余的乔木均在 8 m 以下.优势树种为小
叶青冈、交让木、小叶白辛树等.据 2012年调查,小叶
青冈活立木平均高度为 9.2 m, 胸径 24.1 cm; 交让木
活立木平均高度 5.1 m,胸径 7.8 cm;小叶白辛树活立
木平均高度 11.2 m,胸径 20.2 cm.
1􀆰 2  观测方法
1􀆰 2􀆰 1通量观测  观测地建有 40 m 高的微气象观
测塔,开路涡度相关系统的探头安装在距地面 38 m
高处,由三维超声风速仪 ( CSAT3, Campbell lnc.,
USA)和开路 CO2 / H2O 分析仪(EC150,LiCor Inc.,
USA)组成,原始采样频率为 10 Hz,利用数据采集器
(CR3000,Campbell Inc.,USA)存储数据,同时在线
计算并存储 30 min 的 CO2通量 ( Fc )、摩擦风速
(Ustar)、潜热通量(LE)和显热通量(H)等参数.
1􀆰 2􀆰 2常规气象观测   常规气象观测系统,是由锦
州阳光气象科技有限公司安装的 TRM⁃ZS4 环境梯
度气象观测系统,包括 7 层风速仪(EC⁃9S),7 层大
气温湿度仪(PTS⁃3),安装高度分别为 2、7、11、17、
23、30和 38 m.土壤温度仪(PTWD⁃2A)和土壤湿度
仪(TDR⁃3)安装深度为 5、50、100 cm.土壤热通量仪
(HF⁃1)安装深度为 3、5 cm.上述设备生产厂商均为
锦州阳光气象科技有限公司.另外,有 2 个 SI⁃111 红
外温度仪分别置于 2和 23 m高处,用于采集地表和
冠层温度.常规气象观测系统数据采集器隔 30 min
自动记录平均风速、环境温度、环境湿度、土壤温度、
土壤湿度等常规气象信息.
1􀆰 3  数据处理
1􀆰 3􀆰 1 CO2通量  采用涡度相关技术测定植被与大
气间 CO2通量.利用三维超声风速仪测定三维风速,
利用红外线 CO2 / H2O 气体分析仪测定 CO2密度脉
动,将所有 10 Hz 的原始数据利用数据采集器记录
并储存.采用 EdiRe (Eddy Reprocessing)软件进行协
方差运算,并进行二次坐标轴旋转、WPL (Wdbb⁃
Pearman⁃Leuning)修正等,最终将 10 Hz的原始数据
转化为 30 min数据[22] .
1􀆰 3􀆰 2储存项计算   在大气层结构稳定的夜间,土
壤和植物呼吸所释放的 CO2可能被储存在森林等高
大植被冠层的大气中,导致涡动相关技术测得的
CO2通量(Fc)低于生态系统的实际碳交换量.因此,
需要通过计算生态系统储存项(Fs)来补偿仪器观
测低估的净生态系统 CO2交换(NEE) [23]:
Fs =
ΔC( z)
Δt
Δz (1)
NEE=Fc+Fs (2)
式中:ΔC( z)为前后两次相邻时刻测定的 CO2浓度
差(mg CO2·m
-3);Δt为前后两次测定的时间间隔,
为 1800 s;Δz为观测高度(m).
1􀆰 3􀆰 3数据质量控制   通量观测过程中,由于仪器
响应、天气状况、大气稳定度等因素导致异常数据产
生,为此,需要进行数据剔除[24-27] .主要包括:1)湍
流不充分(U∗<0.2 m·s-1);2)有降水出现;3)超过
仪器测量量程或合理范围的记录,CO2通量超出
-2.0~2.0 mg CO2·m
-2·s-1,CO2浓度超出 500 ~
800 mg CO2·m
-3,水汽浓度超出 0 ~ 40 g·m-3;4)
异常突出数据(某一个数值与连续 5 点平均值之差
的绝对值>5 个点方差的 2.5 倍).经过筛选后得到
本站点白天数据有效率为 70.2%,夜间有效数据为
47.3%.表 1 说明除 2 月数据有效率偏低外,其余各
月数据有效率高于通量观测网络系统的平均水
平[28] .通过以上方法剔除后,采用平均日变化法
(MDV)对数据进行插补.平均日变化法即对丢失数
据用相邻几天同时刻数据的平均值进行插补.使用
此方法的最大不确定性在于所取的平均时间段的长
度不同(4~15 d),通量数据通常在 3~4 d 时出现一
个峰值,因此平均时间段的选取要长于 3 ~ 4 d[29],
本研究中白天取 14 d、夜间取 7 d的平均时间长度.
31期                            牛晓栋等: 浙江天目山老龄森林生态系统 CO2通量特征           
表 1  各月有效统计数据
Table 1  Statistical effective data monthly (%)
月份
Month
白天有效数据
Effective data on
daytime (%)
夜晚有效数据
Effective data on
night (%)
1 69.9 38.7
2 51.0 25.8
3 65.0 50.5
4 66.0 42.0
5 73.0 51.2
6 73.0 49.1
7 79.7 59.4
8 80.1 66.8
9 72.4 53.1
10 71.7 42.2
11 76.8 54.3
12 64.2 34.9
1􀆰 3􀆰 4生态系统总生产力(GPP)和生态系统呼吸
(Re)计算  涡动相关法只能直接获取生态系统的
NEE,为了解本站点 GPP 和 Re的变化,可用下列方
程计算:
GPP=Re-NEE (3)
Re =Re night+Re day (4)
式中:GPP 为生态系统总初级生产力;Re为生态系
统呼吸通量;Re night为生态系统夜间呼吸量;Re day为
生态系统白天呼吸量.GPP 和 Re恒为正号(与 NEE
不同).夜间生态系统完全为 CO2排放状态,NEE 数
值上等于生态系统呼吸值 Re .通过拟合半小时时长
的 5 cm土壤温度数据与夜间 NEE 数据,建立温度
与生态系统呼吸的关系式,可以推算出 Re day .
2  结果与分析
2􀆰 1  研究期间常规气象因子的变化
由图 1可以看出,2013 年 7 月到 2014 年 6 月,
研究区的降水量为 1401. 7 mm,6—8 月降水量为
581.3 mm,占全年降水量的 42.5%,7 月降水量最
高,为 279.5 mm,11月降水量最低,为 31.9 mm.全年
空气相对湿度平均值为 82.0%,7 月空气相对湿度
平均值最大,为 92.4%,1 月最小,为 72.4%.全年平
均气温为 10.6 ℃,7月平均气温最高,为 23.3 ℃,12
月最小,为-1.2 ℃ .
2􀆰 2  不同时间尺度上净生态系统 CO2交换的变化
特征
2􀆰 2􀆰 1各月的日变化特征  由天目山老龄常绿落叶
阔叶混交林生态系统一年中不同月份 NEE 的平均
日变化(图 2)可以看出,每个月的净生态系统 CO2
交换(NEE)平均日变化都呈U型.夜间大部分为正
图 1  天目山老龄常绿落叶阔叶混交林通量观测站气象要
素的季节变化
Fig.1  Seasonal variation of meteorological elements of an old
evergreen and deciduous broad⁃leaved mixed forest in Tianmu
Mountain (2013⁃07—2014⁃06).
P: 降雨量 Precipitation; Ra: 相对湿度 Relative air humidity; T: 气温
Air temperature.
值,白天为负值.负值越大表示森林吸收的 CO2量越
大,正值越大表示生态系统放出的 CO2量越大.6 月
的通量峰值最大,达到-0.98 mg·m-2·s-1;12 月的
通量峰值最小,为-0.35 mg·m-2·s-1 .各月 NEE 由
正变负和由负变正的时间点不一样,NEE 由正变负
表明植物光合作用大于呼吸作用,生态系统开始吸
收 CO2;NEE由负变正表明植物呼吸作用大于光合
作用,生态系统开始放出 CO2 .NEE 由正变负时间最
早(6:15)的月份是 5、6 月,由正变负时间(9:45)最
迟的月份是 12、1、2 月,其余月份 NEE 由正变负
的时间介于二者之间; NEE 由负变正时间最迟
(18:15)的月份是 7月,由负变正时间最早(16:15)
的月份是 11月.
2􀆰 2􀆰 2各季节的日变化特征  研究区 4 个季节都为
碳汇,碳汇量的大小排序为夏季(6—8 月) >春季
(3—5月) >秋季(9—11 月) >冬季(12 月至次年 2
月).不同季节的日碳汇时间不一样,春、夏、秋、冬季
的每日碳汇时间分别为 6:15—16:45、5:45—16:45、
5:45—16:15和 8:45—16:45.夏季的碳汇时间明显长
于冬季,这与日照长度有关.不同季节的通量峰值也
存在差异,夏季最高,达到-0.76 mg·m-2·s-1;冬季
最低,通量峰值为-0.3 mg·m-2·s-1(图 3).
2􀆰 2􀆰 3 NEE的季节变化特征和 NEE年总量  由图 4
4 应  用  生  态  学  报                                      27卷
图 2  各月 NEE的平均日变化
Fig.2  Diurnal variations of monthly⁃mean NEE.
1~12: From January to December.
图 3  不同季节 NEE的日变化
Fig.3  Diurnal variations of NEE in the different seasons.
Ⅰ: 春季 Spring;Ⅱ: 夏季 Summer; Ⅲ: 秋季 Autumn; Ⅳ: 冬季Winter.
图 4  NEE、Re和 GEE的月变化
Fig.4  Monthly variation of NEE,Re and GEE.
可见,天目山老龄常绿落叶阔叶混交林生态系统
NEE月总量除 12、2 月为正值(表现为碳源)外,其
余月份均为负值(表现为碳汇).碳汇强度在 5—7月
最大,分别为-143.92、-149.40、-119.58 g C·m-2,
其中 6 月的碳汇强度最大,其余月份碳汇量在
-24.03~ -85.61 g C·m-2 .最大碳源出现在 2 月,为
23.45 g C·m-2 .生态系统呼吸(Re)月变化为单峰型
变化,最大量出现在 8月,为 127.21 g C·m-2;最小
值出现在 12 月,为 41.55 g C·m-2 .生态系统总初
级生产力 (GEE)最大值出现在 7 月,为 - 246􀆰 37
g C·m-2;最小值出现在 2 月,为-20.12 g C·m-2 .
生态系统的年 NEE、 Re、 GEE 分别为 - 738. 18、
931􀆰 05、-1669.23 g C·m-2 .与纬度、林型比较接近,
林龄较小的鼎湖山常绿针阔混交林相比[15](表 2),
本文的 NEE计算结果较高,说明浙江天目山老龄常
绿落叶阔叶混交林固定大气 CO2的能力较高.
2􀆰 3  生态系统 CO2储存通量 Fs的变化
涡度相关系统观测高度以下的 CO2储存通量
(Fs)对准确评价森林生态系统与大气间净 CO2交换
量(NEE)有重要影响[30] .由图 5 可以看出,生长季
节白天湍流作用较强时, Fs的变化量几乎为 0,
15:45—22:15之间湍流强度减弱,导致森林生态系
统呼吸释放的 CO2聚积,Fs增大,这一阶段的 NEE
明显高于 Fc .日出后到 6:15 之间,随着湍流作用的
加强和光合作用的进行,Fs开始下降,该阶段的
NEE也低于 Fc .
2􀆰 4  夜间 NEE与土壤温度的关系
夜间 Re是生态系统的呼吸强度,在数值上等于
夜间 NEE,利用每日的夜间 NEE 和土壤 5 cm 温度
的平均值作拟合,分析土壤 5 cm 温度值对于夜间
NEE的影响 (图 6).结果表明,夜间 NEE 与土壤
5 cm温度值呈显著指数关系,R2为0.42,与赵仲辉
51期                            牛晓栋等: 浙江天目山老龄森林生态系统 CO2通量特征           
表 2  天目山和鼎湖山站点 NEE的比较
Table 2  Contrast of NEE between Tianmu Mountain and Dinghu Mountain
站名
Site
纬度
Latitude
经度
Longitude
海拔
Altitude
(m)
气候类型
Climate
type
森林类型
Forest
type
林龄
Forest
age
NEE
(g C·m-2
·a-1)
来源
Source
广东鼎湖山
Dinghu Mountain, Guangdong
26°44′ N 115°03′ E 240 南亚热带
季风湿润
常绿针阔叶
混交林
约 100年 -441~ -563 [15]
浙江天目山
Tianmu Mountain, Zhejiang
30°20′ N 119°26′ N 1139 中亚热带
季风湿润
常绿落叶阔叶
混交林
约 140年 -738.18 本文
图 5  天目山常绿落叶阔叶混交林生长季(6—8月)CO2储
存通量 Fs、Fc及 NEE的平均日变化
Fig.5  Average daily variations of Fs, Fc and NEE in an ever⁃
green and deciduous broad⁃leaved mixed forest in Tianmu Moun⁃
tain in growing season (from June to August) .
图 6  夜间 NEE与土壤 5 cm温度的关系
Fig.6  Relationships between NEE and soil temperature at 5 cm
depth during the night.
∗∗P<0.01.
等[16]的研究结果一致.
3  讨    论
本文以中亚热带天目山地区老龄常绿落叶阔叶
混交林 CO2通量观测站 2013 年 7 月到 2014 年 6 月
的全年数据为依据,分析了中亚热带天目山地区老
龄林 CO2通量的变化特征.一天中,NEE 夜间大部分
为正值,白天为负值.每天的 NEE 正负转变时间随
着季节的不同而不同.夏季每日 NEE 的负值时间长
于冬季 3 h,春秋季每日 NEE 的负值时间介于夏季
与冬季之间,这与各季节日照时间的长短有关.各月
的日变化通量峰值有所不同,其中,6 月的通量峰值
最大,达到-0.98 mg·m-2·s-1,12 月最小,为-0.35
mg·m-2·s-1 .6 月光合有效辐射处于一年中高值,
降水量丰富,植物生理活动十分活跃,光合作用强,
温度则低于 7、8 月,土壤呼吸和植物呼吸作用也低
于 7、8月,在光合作用和呼吸作用的共同影响下,导
致 6月的每日通量峰值达到全年最高.
浙江天目山老龄常绿落叶阔叶混交林生态系统
NEE月总量除 12、2 月为正值外(表现为碳源),其
余月份均为负值(表现为碳汇).2013 年 12 月生态
系统几乎处于碳平衡状态,即光合作用吸收的 CO2
量与呼吸作用放出的 CO2 量基本相等. 全年
NEE、Re、 GEE 分别为 -738.18、 931.05、 -1669.23
g C·m-2,表明浙江天目山地区老龄常绿落叶阔叶
混交林具有较高的固碳能力,这与陈青青等[29]在对
我国南方 4 种林型乔木层碳汇潜力的研究结果一
致,即我国热带亚热带区域的阔叶过熟林仍具有较
高的碳汇潜力.我们认为,这一观测结果是因为观测
区地处亚热带地区,终年常绿,群落类型多样,物种
丰富,结构复杂,处于森林演替后期.虽然天目山地
区老龄常绿落叶阔叶混交林由于对养分和水分的竞
争,或者树龄太老、病虫害等原因,林冠上层有个别
死亡的现象,但因为冠层层次多,有 2~3 层,由此形
成的空隙使得亚林层树木得以生长,并取代死亡的
个体,继续旺盛生长保持较高的固碳能力.
天目山老龄常绿落叶阔叶混交林 CO2储存通量
具有典型的日变化动态 ,与有关文献报道一致[30] .
本站点的研究结果同时还证实了文献报道的土壤 5
cm 温度值与夜间生态系统呼吸强度的相关性很
高[31] .
需要指出的是,亚热带地区老龄林生态系统具
有较高的固碳能力.本文仅用了 1 年的观测数据进
行分析,时间比较短.受环境因子调控,生态系统的
碳收支情况年际差异较大,因此深入了解中亚热带
6 应  用  生  态  学  报                                      27卷
天目山地区老龄常绿落叶阔叶混交林的碳循环过程
还需要长时间监测.目前,涡度相关技术测量生态系
统碳通量依然存在较大的不确定性,在土壤理化性
质、夜间碳通量数据订正技术和适合本站点的全天
缺失数据的插补方法等方面仍需进一步研究.
致谢  感谢实验室孙成、方成圆、陈晓峰等同学在野外观测
和数据处理中提供的帮助.
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作者简介  牛晓栋,男,1991年生,硕士研究生. 主要从事森
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E⁃mail: 764854761@ qq.com
责任编辑  杨  弘
牛晓栋, 江洪, 张金梦, 等. 浙江天目山老龄森林生态系统 CO2通量特征. 应用生态学报, 2016, 27(1): 1-8
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