全 文 ：热带季节雨林林冠碳通量不同校正方法的比较分析*
张一平1* * 窦军霞1, 2, 3 孙晓敏4 赵双菊1, 3 宋清海1, 3 于贵瑞4
( 1 中国科学院西双版纳热带植物园,昆明 650223; 2中国科学院生态环境研究中心,北京 100085; 3 中国科学院研究生院,
北京 100039; 4 中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101)
=摘要> 利用西双版纳热带季节雨林 2003 年 3 月 1~ 9 日的 CO2 和水汽通量数据,比较了不同校正方法
的差异. 结果表明,对季节雨林林冠碳通量观测数据进行校正是必要的, 但不同校正方法所起的作用有所
差异;昼间 WPL 校正的作用最大, 虚温校正的作用最小; t 检验证明, 经WPL 修正后的碳通量值与基准
值、无显著差异;聚类分析表明, 进行自然风 3 次旋转校正有利于数值精度的提高. 夜间是自然风旋转校正
的贡献最大、虚温校正贡献最小; t 检验表明,经过WPL 修正和平面旋转校正及其组合得到的碳通量值与
基准值均有显著差异;而经包含有自然风旋转校正处理后的碳通量值与基准值均无显著差异;聚类分析表
明, 经过自然风坐标旋转后,再进行 WPL 修正,有利于数值精度的提高.
关键词 碳通量 校正方法 热带季节雨林
文章编号 1001- 9332(2005) 12- 2253- 06 中图分类号 S716 文献标识码 A
A compar ison of var ious corr ection methods for calcula ting ca rbon flux above tropical seasona l r ainfor est.
ZHANG Yiping1 , DOU Junxia1, 2, 3 , SUN Xiaomin4, ZHAO Shuangju1, 3 , SONG Qinghai1, 3 , YU Guirui4
( 1Xishuangbanna Tropical Botanic Ga rden, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650223, China ; 2 Resear ch
Centr e f or Eco2Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China ; 3 Graduate
School of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China ; 4 I nstitute of Geographic Sciences and Natural
Resources Resear ch , Chinese Academy of Sciences, Beij ing 100101, China ) . 2Chin. J . Appl. Ecol . , 2005, 16
( 12) : 2253~ 2258.
In this paper, var ious correction met hods were compared, based on the observation data of the CO2 and water
fluxes above the canopy of a tropical seasonal rainforest in Xishuangbanna during 1~ 9 March, 2003. The results
showed that it was necessary to corr ect t he observation data when calculating t he carbon flux, though var ious cor2
rection methods contributed differently to the results. For daytime data, WPL made the most important contr ibu2
tion, while sonic temperatur e correct ion did the least. t test indicated that no significant difference was found be2
tween the carbon fluxes corr ected by WPL and the standard values. Cluster analysis showed that triple2rotation
correction was helpful to improve the precision of t he data. For nighttime data, it was the tr iple2rotation correc2
tion that made the most impor tant contribution, and sonic temperature correction also did the least. There existed
significant differences between the carbon fluxes corrected by WPL, planar2fit corr ection and their combination
and the standard values, while the differences between the carbon fluxes corr ected by double2or tr iple2rotation and
the standard values were not significant. Cluster analysis showed that the data corrected orderly by coordinate ax2
es2rotated correction and WPL would be propit ious to improve the precision. The results would provide a basis for
calculating t he fluxes within tropical rainforest in the future, and supply reference to the fluxes calculation for
other ar eas.
Key words Carbon flux, Correction method, Tropical seasonal r ainforest.
* 国家基础研究发展规划项目 ( 2002CB412501 )和中国科学院知识
创新工程重大资助项目( KZCX12SW201201A4) .
* * 通讯联系人. T el: 087125160904; E2mail: yipingzh@xtbg. ac. cn
2004- 12- 29收稿, 2005- 05- 30接受.
1 引 言
陆地生态系统是人类赖以生存与持续发展的生
命支持系统;而森林作为陆地生态系统的主体,在全
球环境变化中起着举足轻重的作用.无论从面积、生
物量还是碳储量上来看, 森林都是地球生物圈的重
要组成部分,是陆地生态系统的主体,在整个陆地生
态系统的结构和功能中居于重要的地位. 研究森林
及其与大气间 CO2浓度、传输规律已是当今保护生
态环境的一个重要内容.
随着科技的进步,从 20世纪 80年代开始,通过
直接测定风速、温度、湿度及气体浓度等要素的脉动
值获得 CO2、显热、潜热等气体和能量通量的涡度相
关法,成为通量观测中最为有效的直接测定方法,开
始得到较为广泛的应用[4, 11] . 涡度法的应用, 使有
关植物和大气之间气体交换的观测研究取得了划时
代的进步.这种进步使得进行地表和大气之间的热
量与物质通量的观测评价成为可能, 为更好地理解
应 用 生 态 学 报 2005年 12 月 第 16 卷 第 12 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Dec. 2005, 16( 12)B2253~ 2258
环境、生物及气候因子对植被和大气间物质与能量
通量交换过程的影响做出了贡献[5, 6, 8, 23, 29] .但是涡
度法在应用过程中对各方面条件的要求相当高, 观
测样地的植被高度、林冠层的规则程度、下垫面面积
的大小、地形的平坦程度、边界层的长度和稳定程
度、仪器的安装高度、风速垂直成份的测量仪器与浓
度测量仪器之间的距离、仪器的响应速度等因素都
会对通量观测结果的准确性产生影响, 引发通量测
定误差[1~ 3, 7, 11~ 15, 17, 19, 20, 22, 24, 26~ 28] .
由于绝大多数长期进行 CO2、显热、潜热等气体
和能量通量的实验更倾向于获得准确的植被层与大
气间 CO2的年交换量大小, 以利于进一步提高对于
陆地碳循环过程的理解和认识, 而植被层与大气间
CO2 的净交换量又通常是庞大同化与分解量之间的
较小差值,因此对通量观测精确程度的要求较高. 随
着近年通量工作在全世界范围内的迅速开展, 对通
量观测值准确与否的担忧也随之而起. 对于森林生
态系统来说,全天感热和显热的通量值之和通常比
可利用能量要小,表现出能量不闭合.对于非平坦地
形来说,能量不闭合的程度更加显著.所以在利用涡
度相关法进行通量研究时, 需要对观测得到的原始
数据进行校正, 以达到分析要求[ 10] .一般而言,通量
观测的误差主要由两方面原因造成,一是由于观测
仪器自身条件的限制;二是由于实际观测条件不能
满足涡度相关法的一系列前提假设条件. Monceieff
等[19]和Massman等[ 18]已对因仪器原因造成的观测
值误差及其校正方法进行了详细论述. 对第 2 种原
因造成的通量观测值误差, 目前国际上常用的校正
方法有虚温订正、趋势校正、坐标变换和 WPL 变
换.不同的观测地点需要采用的校正方法不同.国际
上许多研究者曾对复杂地形(如坡地)的通量数据,
采用自然风坐标旋转和平面拟合方法进行校正, 并
且对涡度相关法中不同校正方法所产生的误差进行
了分析研究[ 16, 21, 25] ,但是多集中在中、高纬的温带
森林中,对于热带森林的研究尚不充分.东南亚北部
以及我国西双版纳的地形较为复杂,多为高低起伏
的山地,热带雨林主要分布在山间沟谷中,因此在研
究该区域的通量特征时, 需要对原始数据进行校正,
才能达到真实地反映自然状况之目的. 为此, 本文采
用不同校正方法及其不同组合对西双版纳热带季节
雨林中的涡度相关法观测得到的原始资料进行比
较、分析,以及差异显著性检验, 以确定西双版纳热
带季节雨林涡度相关法碳通量计算的最佳校正方
法,为热带季节雨林通量的正确计算提供依据.
2 研究地区与研究方法
研究地区及研究样地的情况详见文献[ 9] .
涡度相关法指通过计算垂直风速和 CO2 浓度之间脉动
的协方差得到 CO2 通量的方法. 样地中用于设置碳通量观
测仪器的铁塔高 70 m, 用来测定瞬时三维风速、温度及其脉
动值的三维超声风速测定仪( CSAT3, 美国 CAMPBELL 公
司)安装在其 4818 m处(高于林冠层 15~ 16 m) . 通常将三
维超声风速测定仪安装在铁塔的逆风向上, 以达到将铁塔导
致的流场变形减小至最低程度的效果[ 30] . 由于西双版纳处
于西南季风区, 因此将仪器的探头固定于与正北的夹角为
210b的 3 m长的铁臂支架上.用来测量 CO2 和水汽通量的开
路红外气体分析仪( LI27500,美国 LI2COR公司)同样安装在
4815 m高度上. CSAT3 和 LI27500 的取样频率均为 10 Hz.
原始数据的记录和实时计算均由系统软件 Loggernet
(美国 CAMPBELL 公司)完成, 进而利用北京天正通公贸有
限公司设计的通量处理软件对所得数据进行处理 .为比较不
同校正方法的差异, 对 10 Hz的原始数据采用了虚温湿度订
正,趋势校正和包括自然风系统 2 次旋转、自然风系统 3 次
旋转和平面拟合在内的 3 种坐标旋转校正, 以及WPL 变换,
校正时依据虚温y 趋势y 坐标变换 y WPL 校正的顺序, 通
过这些校正方法的不同组合对数据进行处理;另外还使用了
由开路红外气体分析仪直接观测得到, 且未经过任何校正的
原始数据进行对比分析.
本文选取 2003 年 3 月 1~ 9 日的观测数据进行分析. 该
时段属于干热季, 温度相对较高, 湿度较低, 天气晴好. 分析
中所用数据均为 30 min 的平均值, 以虚温+ 趋势+ 自然风
系统 3 次旋转+ WPL 校正为基准进行比较. 考虑到昼间和
夜间各种校正方法所受影响不同, 将原始数据分为昼间
( 8: 00~ 19: 00)和夜间( 19: 30~ 7: 30)进行处理和比较.
3 结果与分析
311 不同时间林冠风速和风向变化
由图 1可见,研究期间的热带季节雨林林冠上风
速在中午时分和前半夜较大,而后半夜和上午较小,
在傍晚也有一个风速低值区.风向具有较强的日变化
特征,昼间多为东北至东南风( 45b~ 135b) ,而夜间多
为偏西风( 250b~ 280b) ,林冠上超声风速仪安装的方
位角为 210b,表明铁塔对测量的影响较小.
312 不同校正方法所得碳通量比较
31211 昼间 由图 2可见,昼间碳通量原始数据经
不同坐标旋转校正和趋势校正后, 其通量绝对值越
大,与基准值的偏差也越大;而经过WPL校正后的
碳通量值与基准值有较好的一致性. 因此可以认为,
对西双版纳热带季节雨林林冠碳通量的昼间数据仅
作坐标旋转校正和趋势校正是不够的.
2254 应 用 生 态 学 报 16卷
图 1 林冠上风速、风向时间变化(超声测量)
Fig. 1 Variation of wind speed and win d direct ion( 3D sonic anemometer) above the canopy.

图 2 昼间不同校正方法所得碳通量与基准值比较
Fig. 2 A comparison of carbon fluxes between corrected by various cor2
rection methods and by T rend+ Tsh+ TR+ WPL in the dayt ime.
Irga:原始 Original data; T rend:趋势 Tren d correction; WPL: WPL旋
转 WPL correct ion; DR: 2次旋转Double2 rotat ion t ilt ed correct ion; TR:
3次旋转 T riple2potat ion t ilted correction; PF: 平面旋转 Planar2fit cor2
rection.下同 The same below.
进一步求算经不同校正方法组合处理后的碳通
量值,通过与基准值的比较可知,增加虚温校正后其
规律与图 2基本一致, 显示昼间虚温校正对西双版
纳热带季节雨林林冠上碳通量的计算影响较小;而
经趋势校正后, 林冠上的碳通量数值趋于集中,说明
趋势校正对昼间西双版纳热带季节雨林林冠上碳通
量数值的收敛有一定作用. 经趋势+ WPL校正后,
林冠上的碳通量已十分接近基准值, 而再加上自然
风系统 3次坐标旋转校正后,昼间林冠上的碳通量
平均值达到基准值的 90% ;自然风系统 2次坐标旋
转和平面拟合校正分别与WPL 的组合对数据的校
正效果也较好(图 3) .
图 3 昼间不同校正方法所得碳通量与基准值比较
Fig. 3 A comparison of carbon flux es between corrected by varlous cor2
rect ion methods and by Trend+ T sh+ TR+ WPL in the dayt ime.
由图 4可见,第一级分类以是否进行WPL校正
相区别;其次为是否进行自然风 3次坐标旋转校正来
划分;第 3级中左支已无明显规律性,而右支中未进
行自然风坐标旋转校正的又以是否进行了趋势校正
为分支,而进行自然风坐标旋转校正的则以进行的是
自然风 2次坐标旋转校正还是自然风 3次坐标旋转
校正来区别.因此可以认为,在西双版纳热带季节雨
林,昼间林冠上的碳通量计算时最重要的是进行
WPL校正,其次是否进行自然风 3次坐标旋转校正,
其他校正处于末级分类中,可以认为作用不显著.
31212 夜间 由图 5可见,夜间原始数据和经过平
面拟合校正后的碳通量数值越大, 与基准值的偏差
225512 期 张一平等:热带季节雨林林冠碳通量不同校正方法的比较分析
图 4 昼间林冠上不同方法校正后碳通量的聚类图
Fig. 4 Cluster analysis of carbon fluxes corrected by various correct ion
methods above the canopy in the dayt ime.
图 5 夜间不同坐标旋转校正所得碳通量与基准值比较
Fig. 5 A comparison of cabron fluxes between corrected by various ccor2
rection methods and by T rend+ Tsh+ TR+ WRL in the night time.
越大;经趋势和 WPL 校正的碳通量值与基准值也
有较大差异;而经过自然风 2 次和 3次坐标旋转校
正后的结果相对较好. 这表明对西双版纳热带季节
雨林夜间林冠上的碳通量数据进行自然风坐标旋转
校正有一定作用,其他方法校正的效果则不显著.
进一步分析经各种校正方法组合处理后的碳通
量值(图略)可知, 经过平面拟合+ WPL校正的碳通
量与基准值仍有较大差异,而经过自然风 2次和 3次
坐标旋转+ WPL校正的碳通量值与基准值之间已有
较好的一致性, 特别是自然风 3次坐标旋转+ WPL
校正后的效果更好;与昼间相似,虚温校正对碳通量
的计算影响较小;趋势+ 自然风坐标旋转的组合校正
作用明显(图 6) , 而趋势+ 平面拟合校正所得碳通量
仍与基准值有较大差异;经趋势+ WPL校正后,林冠
上的碳通量值仍与基准值之间有较大差异,而通过趋
势+ 自然风坐标旋转+ WPL校正后的效果明显,特
别是经趋势+ 自然风 3次坐标旋转+ WPL校正后的
碳通量夜间平均值是基准值的 103%(图 6) .
图 6 夜间不同坐标旋转校正所得碳通量与基准值比较
Fig. 6 A comparison of carbon flux es between corrected by various cor2
rect ion methods and by Trend+ T sh+ TR+ WPL in the nightt ime.
a)趋势+ 2次旋转 Trend+ Double2 rotat ion t ilted correction; b)趋势+ 3
次旋转 Trend+ Triple2drotat ion tilit ed correction; c)趋势+ 2次旋转+
WPL T rend+ Double2rotation t ilited+ WPL correct ion; d) 趋势+ 3 次
旋转+ WPL T rend+ Triple2rotat ion t ilt ed+ WPL correct ion.
由图 7可见, 第一级分类以是否进行坐标旋转
校正及采用何种坐标旋转校正为依据;随后左支以
是否进行 WPL 校正来区分;近而左支继续以是否
进行趋势校正来分类;右支则首先通过是自然风 2
次坐标旋转校正还是进行自然风 3次坐标旋转校正
来区分数据.因此可以认为,在西双版纳热带季节雨
林,夜间林冠上碳通量的计算中,自然风坐标旋转校
正和WPL校正的贡献较大.
图 7 夜间林冠上不同方法校正后碳通量的聚类图
Fig. 7 Cluster analysis of carbon fluxes corrected by various correct ion
methods above the canopy in the n ight t ime.
2256 应 用 生 态 学 报 16卷
313 不同校正方法所得碳通量与基准值的差异显
著性检验
由表 1可见,在昼间,除 1~ 8号的校正方法外,
其他校正方法均未达到显著水平. 比较发现, 未达显
著差异的校正方法中, 均带有WPL 校正, 说明西双
版纳热带季节雨林昼间林冠上碳通量的校正作用的
贡献主要是WPL校正,其他校正方法的效果次之.
表 1 不同校正方法所得碳通量与基准值的差异显著性检验 ( t 检
验)
Table 1 t test of carbon fluxes between the valuel corr ected by various
cor rect ion methods and by Trend+ Tsh+ TR+ WPL
校正方法
Correct ion methods
序号
No
昼 间
Dayt ime
夜 间
Nightt ime
Irga 1 71043422* * * 21634848
DR 2 61176516* * * - 2149668
TR 3 41994524* * * - 2157675
PF 4 61221706* * * 11749925
T rend 5 6139426* * * 21453014
T rend+ DR 6 51647165* * * - 1195161
T rend+ TR 7 41435216* * - 2126692
T rend+ PF 8 51741209* * * 11606002
WPL 9 11152136 41194024* *
DR+ WPL 10 01396966 - 0113447
TR+ WPL 11 - 0131992 - 0144288
PF+ WPL 12 0170177 31673063*
T rend+ WPL 13 01672691 41035023*
T rend+ DR+ WPL 14 01104897 01307341
T rend+ TR+ WPL 15 - 0160654 - 0115784
T rend+ PF+ WPL 16 01384119 31530134
T sh+ WPL 17 11836845 41289219* *
T sh+ DR+ WPL 18 11053133 01046359
T sh+ TR+ WPL 19 01287832 - 012824
T sh+ PF+ WPL 20 11373292 31791992*
T rend+ Tsh+ WPL 21 11347622 41130549* *
T rend+ Tsh+ DR+ WPL 22 01748241 01476154
T rend+ Tsh+ PF+ WPL 23 - 1104278 - 3164852*
T rend+ Tsh+ TR+ WPL 24 0 0
* P [ 0105; * * P [ 0101; * * * P [ 01001.
夜间与昼间有较大差异. 比较发现, 主要是
WPL和平面拟合+ WPL及与其相组合的其他校正
方法处理的碳通量值与基准值之间差异显著;而与
自然风 2次和 3次旋转校正相组合的校正均与基准
值无显著差异.
4 讨 论
综上分析可知,在西双版纳热带季节雨林林冠
上,利用涡度相关法观测资料进行碳通量计算时, 必
须进行适当的校正, 才能得到较为合理的数值;在昼
间和夜间,不同校正方法的贡献不同;无论是昼间还
是夜间,虚温校正都没有显著作用. 在昼间, 经 t 检
验表明, 凡包含 WPL 的校正方法所处理的碳通量
值,在与基准值间比较时,差异均不显著;反之,其差
异均达显著水平;进一步参考聚类图可见,西双版纳
热带季节雨林昼间林冠上碳通量的校正作用的贡献
主要是WPL 校正, 其次是自然风坐标旋转校正,其
他校正方法的效果次之.夜间与昼间有较大差异, t
检验结果发现,导致所计算的碳通量值与基准值差
异显著的校正方法主要是WPL 和平面拟合+ WPL
及与其相之组合的校正方法(未带有自然风 2次或
3次坐标旋转) ;而自然风 2 次和 3 次坐标旋转校
正,以及与这两种方法相组合的校正所处理的碳通
量值与基准值之间均无显著差异. 进一步参考聚类
图可以认为, 西双版纳热带季节雨林夜间林冠上的
碳通量校正主要贡献是自然风坐标旋转校正;其次
是WPL校正.
夜间如果采用不同的坐标旋转组合校正为基
准,则可能得出不同的结果.即如果以与平面拟合相
组合的校正值为基准, 所得结果将不同.因此,夜间
是采用自然风 3 次坐标旋转校正还是平面拟合校
正,更能合理地反映真实的碳通量,将是值得深入研
究的课题.
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作者简介 张一平, 男, 1957 年 8 月生, 博士, 研究员. 主要
从事生态气候学研究, 发表论文 100 余篇. Tel: 08712
5160904; E2mail: yipingzh@xtbg. ac. cn
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