全 文 ：第 35 卷第 7 期
2015年 4月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.7
Apr.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家重点基础研究发展计划资助(2013CB429901); 国家自然科学基金项目(41301080, 41001025, 41371100); 中国科学院西部之光
博士项目
收稿日期:2013鄄06鄄10; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄07鄄22
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: gao_yanhong@ lzb.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201306101636
高艳红, 李新荣, 刘立超, 贾荣亮, 杨昊天, 赵洋, 陈永乐, 李培广, 李刚.腾格里荒漠红砂鄄珍珠群落 CO2收支变化及其不同观测方法间的比较.
生态学报,2015,35(7):2085鄄2093.
Gao Y H, Li X R, Liu L C, Jia R L, Yang H T, Zhao Y, Chen Y L, Li P G, Li G.Variation of the carbon budget and comparison between static chamber
method and eddy covariance method in the Reaumuria soongorica 鄄Salsola passerina community in the Tennger Desert.Acta Ecologica Sinica,2015,35(7):
2085鄄2093.
腾格里荒漠红砂鄄珍珠群落 CO2 收支变化及其不同观
测方法间的比较
高艳红1,*, 李新荣1, 刘立超1, 贾荣亮1, 杨昊天1, 赵 摇 洋1, 陈永乐1, 李培广2,
李摇 刚1摇
1 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 沙坡头沙漠研究试验站, 兰州摇 730000
2 中国科学院西双版纳热带植物园 中国科学院热带森林生态学重点实验室, 云南摇 650223
摘要:由于荒漠生态系统植被覆盖度低、生产力低下,其在全球碳循环中的作用被长期忽视。 为探讨荒漠生态系统碳收支各组
分的变化规律,以腾格里荒漠红砂(Reaumuria soongorica Maxim.)鄄珍珠 (Salsola passerina Beg. )群落为研究对象,采用静态箱式
法研究了该群落的净生态系统 CO2交换量(NEE)、生态系统呼吸、土壤呼吸的日变化规律,同时将该方法所获得的 NEE结果与
涡动相关法观测的结果进行了比较。 结果表明:(1)红砂鄄珍珠群落 NEE的日变化表现为,在 6:00—9:00左右出现一个 CO2吸
收的高峰值,随后在 12:00—15:00 左右出现一个 CO2释放高峰值。 红砂种群、珍珠种群和整个群落 NEE 的平均值分别为
0郾 018、 0.020和 0.028 mgCO2 m
-2 s-1;(2)红砂种群、珍珠种群、土壤及整个群落生态系统呼吸速率的日变化规律一致,均表现为
明显的单峰变化趋势,在 12:00—15:00左右出现一个 CO2释放的高峰值。 红砂种群、珍珠种群、土壤和整个群落的生态系统呼
吸的平均值分别为:0.121、0.062、0.029和 0.040 mg CO2 m
-2 s-1。 以盖度为加权因子计算得到红砂种群、珍珠种群和土壤呼吸占
生态系统呼吸的比例分别为:9%、21%和 70%,由此可见,生态系统呼吸主要来源于土壤呼吸。 (3)将箱式法和涡动相关法观测
的 NEE进行比较,结果表明两种方法观测的 NEE变化规律基本一致,相关系数达到 0.7。 采用箱式法观测的 NEE 高于涡动相
关法观测的结果,平均值分别 0.028 mgCO2 m
-2 s-1(箱式法)和 0.015 mg CO2 m
-2 s-1(涡动相关法),涡动相关法的观测结果与箱
式法观测结果的比值为 0.54。 综上可得,荒漠生态系统土壤呼吸的变化速率决定了生态系统呼吸的变化规律,采用箱式法可能
高估了荒漠生态系统 CO2的释放量。
关键词:荒漠生态系统; 碳收支; 生态系统呼吸; 土壤呼吸; 箱式法; 涡动相关
Variation of the carbon budget and comparison between static chamber method
and eddy covariance method in the Reaumuria soongorica 鄄Salsola passerina
community in the Tennger Desert
GAO Yanhong1,*, LI Xinrong1, LIU Lichao1, JIA Rongliang1, YANG Haotian1, ZHAO Yang1, CHEN Yongle1,
LI Peiguang2, LI Gang1
1 Shapotou Desert Research and Experimental Station, Cold and Arid Regions Environmental and Engineerring Research Institute, Chinese Academy of
Sciences, Lanzhou 730000, China
2 Key Laboratory of Tropical Forest Ecology,Xishuangbanna Tropical Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650223, China
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Abstract: Long鄄term field measurements of the exchange of CO2 between terrestrial ecosystems and the atmosphere can
contribute to our knowledge on the role of a particular ecosystem in the global carbon cycle. To date, little information is
available on the carbon fluxes in a typical steppitied desert, especially in areas with annual precipitation less than 200 mm.
The community dominated by Reaumuria soongorica Maxim. and Salsola passerina Bge. is one of the most common vegetation
types in desert areas in China. In this program, the R.soongorica鄄S.passerina community in the Tennger Desert was selected
as our study object. The diurnal variation of the net ecosystem CO2 exchange ( NEE), the gross primary productivity
(GPP), the ecosystem respiration (Reco) and the soil respiration (Rsoil) were measured using the closed static chamber
method. The results obtanined by the chamber method were compared with eddy covariance measurements and the main
results were as follows: (1) NEE of the R. soongorica鄄S. passerina community exhibited a negative peak ( negative values
indicate CO2 uptake by the desert ecosystem) in the morning between 6:00—9:00, and then increased and showed positive
values (positive values indicate CO2 release from the desert ecosystem to atmosphere) with the largest efflux peak occurring
between 12:00—15:00. The diurnal variation of NEE in the R. soongorica鄄S. passerina community was similar to the S.
passerina population, which means the variation of the R. soongorica鄄S. passerina community was determined by the S.
passerina population. The mean NEEs of the R.soongorica population, S.passerina population and R.soongorica鄄S.passerina
community were 0.018, 0.020 and 0.028 mgCO2 m
-2 s-1, respectively. (2) The diurnal variation of the respiration of the R.
soongorica population, S. passerina population, soil and the whole community were similar, and exhibiting single鄄peak
curves at daytime with the peak appearing at between 12:00—15:00, and the mean values of respiration of R. soongorica
population, S. passerina population, soil and the whole community were 0.121, 0.062, 0.029, and 0.040 mgCO2 m
-2 s-1,
respectively. We calibrated the carbon efflux using the coverage鄄weighted鄄average method and found that the R. soongorica
population, S. passerina population and the soil system comprise 9%, 21% and 70% of the total R.soongorica鄄S.passerina
community ecosystem respiration, respectively. Therefore the ecosystem respiration derived mainly from the soil system. (3)
The variation of NEE monitored using the closed static chamber method was generally consistent with that by using eddy
covariance method. The NEE measured by the closed static chamber was linearly correlated with the eddy covariance, and
the correlative value was 0.7. The NEE measured by the closed static chamber was higher than the eddy covariance, with
the mean values were 0. 028 mgCO2 m
-2 s-1( the former), 0.015 mg CO2 m
-2 s-1( the latter), respectively. The result
measured by the eddy covariance vs closed static chamber was 0.54. In conclusion, the carbon efflux of desert ecosystem
maybe overestimated by using the closed static chamber method.
Key Words: desert ecosystem; carbon budget; ecosystem respiration; soil respiration; static chamber method;
eddy covariance
陆地生态系统与大气间碳交换的长期定位观测及其精确估算,是精确评估陆地生态系在全球碳循环中的
作用和地位以及准确预测其对未来气候变化响应的基础和前提[1],因此陆地生态系统碳循环与碳收支研究
成为全球变化研究中的一个核心问题。 明确碳收支各组分及其贡献率,对预测未来气候变化的背景下,碳循
环规律及源汇动态变化非常重要[2]。 20世纪 90 年代,随着涡动相关技术和仪器的日益成熟,该技术已经在
全世界范围内被广泛地应用于大气和地球表面碳通量的观测中。 涡动相关法可以在生态系统尺度上连续、直
接地观测植被与大气间净 CO2交换量(NEE),但是该技术的观测结果不能直接区分为生态系统光合、生态系
统呼吸以及土壤呼吸,从而无法为准确理解和预测生态系统碳交换过程提供足够的信息[3]。 如果要获得白
天生态系统呼吸,许多研究者采用环境因子和夜间生态系统呼吸之间关系外推白天的生态系统呼吸[4鄄5]。 但
是也有研究表明,在干旱区,由于夜间生态系统呼吸与环境因子之间的关系较弱[6],从而使得采用环境因子
与夜间生态系统呼吸关系外推白天生态系统呼吸存在较大的误差[7鄄8]。 因此采用涡动相关法无法准确推算
碳收支各组分的量,从而在估算碳收支过程中存在较大的误差[9]。
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除了涡动相关技术之外,箱式法也是目前碳通量观测中常用的方法[10]。 该技术可以用于观测各种低矮
植被(如灌木、草地)及土壤与大气间 CO2交换量的时空变异特征,并且可以区分出碳收支各组分(包括总初
级生产力(GPP)、生态系统呼吸(Reco)、土壤呼吸(Rsoil)等)。 该方法原理简单、适应范围广、移动性强、易于
操作,被广泛的应用于我国典型的陆地生态系统微量气体的同步观测中。 但是箱式法的观测结果也受到环
境[9, 11]和箱子体积[10]等因素的影响,导致观测数据存在误差。 因此,为了准确认识碳交换的过程,需要采用
箱式法对碳收支的各组分进行观测,但是由于箱式法观测的局限性,还需将箱式法与涡动相关法的结果进行
比较。
红砂(Reaumuria soongorica Maxim.)鄄珍珠猪毛菜(Salsola passerina Bge.)群落 (简称红砂鄄珍珠群落)是我
国荒漠地区分布最广泛的植被类型之一[12]。 在自然界中,红砂和珍珠群落常镶嵌分布,由红砂和珍珠所组成
的超旱生半灌木层片群落是我国荒漠东部和荒漠区中的顶级植物群落。 但是目前采用箱式法及涡动相关法
对该群落碳收支各组分的研究还非常少见,因此对红砂鄄珍珠群落碳收支各组分变化特征的研究,是对我国陆
地生态系统碳循环研究的一个重要补充,可以为正确认识荒漠生态系统在全球碳循环中的作用及其对全球变
化的响应提供基础的数据,为我国荒漠生态系统碳管理提供科学依据。
1摇 材料与方法
1.1摇 研究区域概况
实验区位于宁夏回族自治区中卫市与甘肃省景泰县交界处的小红山地区鄄中国科学院沙坡头沙漠研究试
验站荒漠生态系统碳通量观测场 (37毅29忆 N, 104毅25忆E, 海拔 1665 m),距离中国科学院沙坡头沙漠研究试验
站约 60 km。 该区地处腾格里沙漠东南缘,属于典型的草原化荒漠。 年降水量不足 200mm,主要集中在 7—9
月份,年潜在蒸发量达到 3000 mm。 该区的年平均气温约 10 益,植物生长期 150—180 d。 该区生长的灌木、
半灌木主要有红砂、珍珠、驼绒藜(Ceratoides latens)、合头草(Sympegma regelii )、盐爪爪(Kalidium gracile)、白
刺(Nitraria tangutorum),草本主要有雾冰藜(Bassia dasyphylla)、小画眉草(Eragrostis poaeoides)、沙葱(Allim
mongolicum)、隐子草(Cleistogenes squarrosa)、无芒隐子草(Cleistogenes songorica)、冷蒿(Artenmisa frigida)等。
植被总盖度为 10%—30%,优势种为红砂和珍珠。 群落发育良好,植被分布均匀,形成干旱地区典型的主要由
稀疏植被或荒漠植被构成的生态系统(斑块植被结构或镶嵌植被结构)。
1.2摇 试验方法
1.2.1摇 碳收支各组分观测
(1)箱式法仪器及观测方法
自 2010年 8月开始采用静态箱式法结合 CO2红外气体分析仪(Li鄄 840ACO2 / H2O,Li鄄Cor,USA)测定红
砂、珍珠种群的 NEE、GPP、Reco、Rsoil。 分别在 2010年 8月 13日 15:00—2010 年 8 月 17 日 6:00、2010 年 9 月
13日 11:00—2010年 9月 14日 8:00、2010年 10月 13日 12:00—2010年 10月 15日 9:00、2011年 7月 15日
9:00—2011年 7月 16日 6:00进行了观测,共观测了 4次,测定了 8 d。 分别选择 3株大小相近且在整个群落
中长势处于中间状况的红砂、珍珠进行固定观测。 本实验中观测的红砂株高约为 40 cm,冠幅约为 45 cm,地
上生物量为 97 g /株[13];珍珠的株高约为 30 cm,冠幅为 38 cm,地上生物量为 245 g /株[13]。 将底座(50 cm伊50
cm)插入每株植物所在的土壤中,深度为 20 cm,同时选择无植物生长的空白地也插入 3 个同样大小的底座,
用以测定土壤呼吸(Rsoil)。 观测时将采样箱(50 cm伊50 cm伊50 cm)扣在底座上,同时连接 CO2红外分析仪,采
用明箱和暗箱分别测量红砂、珍珠种群的 NEE、Reco、Rsoil。 在箱体罩上底座之后,待 CO2浓度变化平稳之后,
就开始测量,每隔 1s记录 1个数据,测量 1min,每次测量约 2 min。 由于实验地较远,因此开始观测的时间存
差异。 观测时每隔 3 h观测 1次,以完成一个完整的观测日为 1 d来计算日平均值。
(2) 数据处理
静态箱鄄 CO2红外气体分析仪测定 CO2通量的公式如下:
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Fc = dc忆
dt
伊 V 伊 Pav 伊
(1000 - Wav)
R 伊 S 伊 (Tav + 273)
(1)
式中,Fc为 CO2交换速率(滋mol m
-2 s-1); dc忆
dt
为经过水汽校正后的 CO2浓度变化速率,即斜率;V为采样箱体
积(m3);Pav为测量期间箱体内的平均大气压(kPa);Wav为测量期间箱体内的水汽分压;R 为气体常数,8.314;
S为箱体底面积(m2);Tav为观测期间箱体内温度(益)。 由于涡动相关系统的观测结果(mg CO2 m
-2 s-1),因
此将箱式法观测的 Fc的单位最后换算成了(mg CO2 m
-2 s-1)。
以盖度为权重,采用加权法计算 Reco和 NEE(mg CO2 m
-2 s-1)。 Reco采用以下公式计算
Reco = RReaumuria伊C1+RSalsola伊C2+Rsoil伊(1-C1-C2) (2)
式中, Reco为生态系统呼吸;RReaumuria为红砂种群的生态系统呼吸速率;C1为红砂种群盖度(4%);RSalsola为珍珠
种群生态系统呼吸速率;C2为珍珠种群盖度(20%);Rsoil为土壤呼吸速率;(1- C1 - C2)为空白土壤的盖度
(76%)。
NEE=NEE Reaumuria 伊C1+NEE Salsola 伊 C2+ Rsoil伊(1-C1-C2) (3)
式中,NEE为群落净 CO2交换量;NEEReaumuria为红砂种群净 CO2交换量;NEESalsola为珍珠种群净 CO2交换量。
由于 NEE计算结果中负值时表示植被系统从大气中吸收 CO2,正值表示植被系统向大气中释放 CO2,因
此 GPP = -NEE+Reco。
1.2.2摇 涡动相关观测方法
(1) 涡动相关观测仪器及方法
涡动相关系统观测塔安装高度 3 m,安装三维超声风速仪(CAST3,Campbell Scientific Inc, USA)测量三维
风速和超声虚温,采用开路式红外气体分析仪(Li7500,Li鄄Cor,USA)测量 CO2浓度和水汽密度。 实时观测的
数据记录在带低温扩展板的数据采集器 CR5000(Campbell Scientific Inc, USA)中,采样频率为 10 Hz。
(2) 数据资料处理
参考 Gao等[6]的方法,从涡动相关仪观测 10Hz 的原始数据出发,采用英国爱丁堡大学开发的 Edire
(Edire Reprocessing) 软件对观测数据进行后处理,处理过程主要包括:野点剔除、延迟时间校正、超声虚温转
化为实际空气温度、坐标旋转(平面拟合法)、空气温度密度效益的校正(即 wpl校正)等。 同时对数据进行了
严格的质量控制,包括阈值检查、摩擦风速检验、湍流强度、湍流相似性规律检验以及湍流的平稳性、发展的充
分性检验。 采用平均昼夜变化法,对通量观测中缺失的数据进行了插补。 对于处理好的涡动相关数据,选择
与箱式法观测时间一致的数据进行比较。 由于在该研究中发现,夜间碳通量与温度的相关性较弱,这可能是
由于在干旱区,土壤含水量较低时限制了植物的呼吸速率和土壤呼吸速率,因此两者之间没有表现出较好的
相关性。 从而采用夜间碳通量与温度的关系外推白天的生态系统呼吸存在较大的误差,因此本研究中仅将两
种方法观测的 NEE进行了比较。
2摇 结果与分析
2.1摇 净生态系统 CO2交换量(NEE)的日变化规律
静态箱式法观测的红砂与珍珠种群的 NEE日变化特征见图 1。 从图中可以看出,红砂种群 NEE 的日变
化幅度大于珍珠种群。 在所有观测中还发现 NEE在早晨 6:00—9:00 左右时出现一个较大的 CO2吸收峰值,
其中红砂种群峰值最大的出现在 2011年 7月 15日的 9:00,峰值为-0.232 mg CO2 m
-2 s-1,珍珠种群峰值最大
的出现在 2011年 7月 16日的 6:00,峰值为-0.166 mg CO2 m
-2 s-1。 随后在 12:00—15:00左右 NEE出现一个
较大的 CO2释放峰(图 1)。 红砂和珍珠种群 NEE的平均值分别为: 0.018和 0.020 mg CO2 m
-2 s-1。
2.2摇 生态系统呼吸与土壤呼吸的日变化特征
红砂和珍珠种群生态系统呼吸的日变化特征见图 2。 从图中可以看出,红砂和珍珠种群生态系统呼吸的
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图 1摇 红砂与珍珠种群净生态系统 CO2交换量日变化特征(2010—2011年)
Fig.1摇 Diurnal variation of net ecosystem exchange (NEE) in Reaumuria soongorica population and Salsola passerina population(2010—2011)
图 2摇 红砂与珍珠种群生态系统呼吸日变化特征
Fig.2摇 Diurnal variation of ecosystem respiration (Reco) in Reaumuria soongorica population and Salsola passerina population
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日变化规律基本一致,红砂种群的生态系统呼吸量高于珍珠种群,两个种群的平均生态系统呼吸分别为:
0郾 121 mg CO2 m
-2 s-1(红砂种群)、0.062 mg CO2 m
-2 s-1(珍珠种群)。 除了 2010年 8月 16日之外,其他观测日
的生态系统呼吸均表现为单峰变化的趋势,最大值 12:00—15:00 之间。 土壤呼吸与群落生态系统呼吸的变
化规律见图 3。 土壤呼吸与群落生态系统呼吸的变化规律基本一致,均表现为单峰变化的趋势。 群落生态系
统呼吸、土壤呼吸的平均值分别为:0.040 、0.029 mg CO2 m
-2 s-1。 以盖度为加权因子计算生态系统呼吸中各
组分占生态系统的比例,红砂种群呼吸、珍珠种群呼吸、土壤呼吸占生态系统呼吸的比例分别为:9%、21%、
70%。 生态系统的呼吸主要来源于土壤呼吸。
图 3摇 生态系统呼吸与土壤呼吸的日变化特征(2010—2011年)
Fig.3摇 Diurnal variation of ecosystem respiration (Reco) and soil respiration (Rsoil)(2010—2011)
2.3摇 箱式法与涡动相关法结果比较
箱式法观测荒漠植被系统碳通量的日变化如图 4 所示,与涡动相关的结果相比,除了 2010 年 8 月 16 日
和 2010年 10月 13—15日的日变化规律有较大的差异之外;其他观测日的日变化基本一致,两者之间有着较
好的相关性。 采用箱式法观测的碳通量高于涡动相关法观测的结果,两种方法的观测结果平均值分别为
0郾 028 mgCO2 m
-2 s-1(箱式法)、 0郾 015 mg CO2 m
-2 s-1(涡动相关),箱式法观测结果为涡动相关法观测结果的
1郾 8倍。
箱式法与涡动相关法观测碳通量的曲线拟合见图 5,从图中可以看出, 箱式观测的结果与涡动相关的观
测结果有显著的正相关关系,相关系数为 0.70。
3摇 讨论与结论
陆地生物圈和大气圈之间碳的净交换(NEE)是指光合作用的碳吸收与植物呼吸、土壤呼吸和扰动过程
造成的碳释放平衡的结果。 由于碳交换中不同的生态过程对环境因子的响应存在差异,因此碳收支各组分变
化规律存在差异。 我们采用静态箱式法的观测结果显示,红砂鄄珍珠群落 NEE 在每天 6:00—9:00 左右出现
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图 4摇 箱式法观测碳通量与涡动相关法观测碳通量日变化特征
Fig.4摇 Diurnal variation of net ecosystem exchange (NEE) measured with closed static chamber and eddy covariance (EC)
图 5摇 箱式法与涡动相关法观测碳通量结果比较
摇 Fig. 5 摇 Comparison of the net ecosystem exchange ( NEE )
measured by eddy covariance and closed static chamber
一个 CO2吸收的高峰值,随后在 12:00—15:00 左右出
现一个 CO2释放高峰值,珍珠种群 NEE 的日变化幅度
和规律与整个群落的变化规律更为一致(图 1,图 4)。
目前,在大多数干旱区的研究中[8, 14鄄16] NEE 的日变化
规律表现为白天吸收 CO2,夜间释放 CO2的模式,与本
研究中观测的 NEE日变化规律存在差异。 在本研究中
6:00—9:00左右出现一个吸收的高峰值,这可能是因
为植物为了避开高温的影响,在高温出现之前的短暂时
间内充分利用水与光资源,从而在早晨出现了这种现
象。 Zhang和 Gao[17]在研究荒漠植被的日光合动态变
化时也发现,荒漠植物的光合曲线的第 1个高峰出现在
8:00左右,这与本文发现的现象基本一致。 此外,在白
天出现 1个 CO2释放高峰的原因可能是一方面因为荒
漠植物受到高温胁迫时,光合作用的正常功能不能实现,因此植物的净光合速率受到限制[18];此外,在本研究
的观测期内,降水较少(在植物生长季(4—10 月份),2010 降水量为 126.4 mm;2011 年降水量为 181.3 mm
(在 2011年 4—7月份的降水量仅为 64.2 mm)),由于受到干旱胁迫的影响,荒漠植物为了应对胁迫,都要以
光合能力的消弱为代价[19];另一个原因是高温对生态系统呼吸,尤其是土壤呼吸的限制作用较弱,因此本研
究 NEE的变化主要受到生态系统呼吸的控制,在观测中白天出现较多正值且出现了一个释放的高峰。
1902摇 7期 摇 摇 摇 高艳红摇 等:腾格里荒漠红砂鄄珍珠群落 CO2收支变化及其不同观测方法间的比较 摇
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表 1摇 碳收支各组分的日平均值及土壤和植物呼吸与生态系统呼吸的比值
Table 1摇 The mean values of carbon budget components and the ratio of soil and plant respiration vs ecosystem respiration
日期 Date
碳收支各组分 Carbon budget components / (mgC m-2 d-1)
总初级生产力
Gross Primary
Productivity
生态系统呼吸
Ecosystem
Respiration
土壤呼吸
Soil Respiration
植物呼吸
Plant Respiration
土壤呼吸 /
生态系统呼吸
Soil Respiration /
Ecosystem Respiration
植物呼吸 /生态
系统呼吸
Plant Respiration /
Ecosystem Respiration
2010鄄08鄄14 0.12 1.4 1.29 0.11 0.92 0.08
2010鄄08鄄15 0.22 0.9 0.75 0.15 0.83 0.17
2010鄄08鄄16 0.19 0.9 0.78 0.12 0.87 0.13
2010鄄09鄄13 0.35 0.99 0.65 0.34 0.66 0.34
2010鄄10鄄13 0.2 0.63 0.49 0.14 0.78 0.22
2010鄄10鄄14 0.17 0.454 0.42 0.034 0.93 0.07
2011鄄07鄄15 0.8 1.44 0.65 0.79 0.45 0.55
红砂、珍珠种群的生态系统呼吸、土壤呼吸和群落的生态系统呼吸的日变化规律一致,均表现为明显的单
峰变化趋势。 其中红砂种群的生态系统呼吸最高,分别约为珍珠种群、群落生态系统呼吸、土壤呼吸的 2、3、4
倍。 表 1给出了碳收支各组分在不同观测日的值。 从表 1 中可以看出,在红砂鄄珍珠群落中,植物呼吸作用
(Rplant)与 GPP 的比值为 0.82;Reco与 GPP 的比值为 3.3。 有研究表明,森林生态系统植物的自养呼吸是 GPP
中一个相对恒定的部分,植物的总呼吸约是 GPP 的一半(48%—60%) [20鄄21];在草地生态系统中,生态系统呼
吸占 GPP 的比值约为 0.7—1.0[22];在盐生荒漠群落中干旱年份 GPP 与 Reco 的量几乎一致,而在湿润年份
GPP 大于生态系统呼吸[23]。 土壤呼吸是生态系统呼吸的重要组成部分,约占 75%[24]。 而我们采用箱式法的
结果显示生态系统呼吸远大于 GPP,两者的比值约为 3.3。 出现这种现象可能是因为荒漠植物受到高温和干
旱的胁迫,植物光合速率降低,从而导致两者之间的比值较大。 Rsoil与 Rplant占 Reco的比例在不同的观测日存在
较大的差异,变化范围分别为:45%—93%、7%—55%。 以盖度为加权因子计算生态系统呼吸中各组分占生态
系统的比例,红砂种群呼吸、珍珠种群呼吸、土壤呼吸占生态系统呼吸的比分别为:9%、21%、70%。 因此土壤
呼吸的变化规律决定了生态系统呼吸的变化规律。
将箱式法和涡动相关法的结果进行比较,结果表明,这两种方法观测的碳通量变化规律基本一致,相关系
数达到 0.7,但是涡动相关法的观测结果仅为箱式法的 54%,这一结果低于森林[25鄄26]、高山草甸[5, 27 ]、盐生荒
漠[28]等生态系统的研究结果。 造成这种差异的主要原因可能是由于箱体罩上之后,会导致温度升高,而土壤
呼吸主要受到温度的影响[4鄄5],因此在采用箱式法观测时土壤呼吸可能会偏高,从而导致箱式法的结果高于
涡动相关法。 Buchmann[29]也认为造成箱式法与涡动相关差异的原因可能是土壤呼吸的差异所致。 且在本文
研究的群落中,生态系统呼吸的量远超过植物的光合作用,因此生态系统呼吸的微小升高都会导致 NEE 较大
的变化,这可能也是本文研究观测结果中箱式法结果偏高的原因。
参考文献(References):
[ 1 ]摇 于贵瑞, 付玉玲, 孙晓敏, 温学发, 张雷明. 中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)的研究进展及其发展思路. 中国科学 D
辑, 2006, 36(S1): 1鄄21.
[2] 摇 Wang Y S, Wang Y H. Quick Measurement of CH4, CO2 and N2O emissions from a short鄄plant ecosystem. Advance in Atmospheric Science,
2003, 20(5): 842鄄844.
[3] 摇 Valentini R, Matteucci G, Dolman A J, Schulze E鄄D, Rebmann C, Moors E J, Granier A, Gross P, Jensen N O, Pilegaard K, Lindroth A,
Grelle A, Bernhofer C, Gr俟nwald T, Aubinet M, Ceulemans R, Kowalski A S, Vesala T, Rannik 譈, Berbigier P, Loustau D, Gudmundsson J,
Thorgeirsson H, Ibrom A, Morgenstern K, Clement R, Moncrieff J, Montagnani L, Minerbi S, Jarvis P G. Respiration as the main determinant of
carbon balance in European forests. Nature, 2000, 404(6780): 861鄄865.
[4] 摇 Reichstein M, Falge E, Baldocchi D, Papale D, Aubinet M, Berbigier P, Bernhofer C, Buchmann N, Gilmanov T, Granier A, Gr俟nwald T,
Havrankova K, Ilvesniemi H, Janous D, Knohl A, Laurila T, Lohila A, Loustau D, Matteucci G, Meyers T, Miglietta F, Ourcival J M,
Pumpanen J, Rambal S, Rotenberg E, Sanz M, Tenhunen J, Seufert G, Vaccari F, Vesala T, Yakir D, Valentini R. On the separation of net
ecosystem exchange into assimilation and ecosystem respiration: review and improved algorithm. Global Change Biology, 2005, 11(9): 1424鄄1439.
2902 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
http: / / www.ecologica.cn
[5]摇 Gilmanov T G, Soussana J F, Aires L, Allard V, Ammann C, Balzarolo M, Barcza Z, Bernhofer C, Campbell C L, Cernusca A, Cescatti A,
Clifton鄄Brown J, Dirks B O M, Dore S, Eugster W, Fuhrer J, Gimeno C, Gruenwald T, Haszpra L, Hensen A, Ibrom A, Jacobs A FG, Jones M
B, Lanigan G, Laurila T, Lohila A, Manca G, Marcolla B, Nagy Z, Pilegaard K, Pinter K, Pio C, Raschi A, Rogiers N, Sanz M J, Stefani P,
Sutton M, Tuba Z, Valentini R, Williams M L, Wohlfahrt G. Partitioning European grassland net ecosystem CO2 exchange into gross primary
productivity and ecosystem respiration using light response function analysis. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2007, 121(1 / 2): 93鄄120.
[6] 摇 Gao Y H, Li X R, Liu L C, Jia R L, Yang H T, Li G, Wei Y P. Seasonal variation of carbon exchange from a revegetation area in a Chinese
desert. Agricultural and Forest Meteorology, 2012, 156: 134鄄142.
[7] 摇 Baldocchi D. Measuring and modelling carbon dioxide and water vapour exchange over a temperate broad鄄leaped forest during the 1995 summer
drought. Plant, Cell and Environment, 1997, 20(9): 1108鄄1122.
[8] 摇 Hastings S J, Oechel W C, Muhlia鄄Melo A. Diurnal, seasonal and annual variation in the net ecosystem CO2 exchange of a desert shrub community
(Sarcocaulescent) in Baja California, Mexico. Global Change Biology, 2005, 11(6): 927鄄939.
[9] 摇 郑泽梅, 于贵瑞,孙晓敏,曹广民,王跃思,杜明远,李俊,李英年. 涡动相关法和静态箱 /气相色谱法在生态系统呼吸观测中的比较. 应
用生态学报, 2008, 19(2): 290鄄298.
[10] 摇 王跃思, 王迎红. 中国陆地和淡水湖泊与大气间碳交换观测. 北京: 科学出版社, 2007.
[11] 摇 Liang N, Nakadai T, Hirano T, Qu L, Koike T, Fujinuma Y, Inoue G. In situ comparison of four approaches to estimating soil CO2 efflux in a
northern larch (Larix kaempferi Sarg.) forest. Agricultural and Forest Meteorology, 2004, 123(1 / 2): 97鄄117.
[12] 摇 丘明新, 刘家琼. 珍珠植物群落的研究. 生态学报, 1982, 2(4): 311鄄318.
[13] 摇 杨昊天, 李新荣, 刘立超, 贾荣亮, 王增如, 李小军, 李刚. 荒漠草地 4种灌木生物量分配特征. 中国沙漠, 2013, 33(5): 1340鄄1348.
[14] 摇 Emmerich W E. Carbon dioxide fluxes in a semiarid environment with high carbonate soils. Agricultural and Forest Meteorology, 2003, 116(1 / 2):
91鄄102.
[15] 摇 刘冉, 王勤学, 唐立松, 李彦. 盐生荒漠地表水热与二氧化碳通量的季节变化及驱动因素. 生态学报, 2009, 29(1): 67鄄75.
[16] 摇 许皓, 李彦, 谢静霞, 程磊, 赵彦, 刘冉. 光合有效辐射与地下水位变化对柽柳属荒漠灌木群落碳平衡的影响. 植物生态学报, 2010, 34
(4): 375鄄386.
[17] 摇 Zhang S R, Gao R F. DiurnaI changes of gas exchange, chlorophyll fluorescence, and stomatal aperture of hybrid polar clone subjected to midday
light stress. Photosynthrtica, 2000, 37: 559鄄571.
[18] 摇 蒋高明, 朱桂杰. 高温强光环境条件下 3种沙地灌木的光合生理特点. 植物生态学报, 2001, 25(5): 525鄄531.
[19] 摇 周海燕. 荒漠沙生植物生理生态学研究与展望. 植物学通报, 2001, 18(6): 643鄄648.
[20] 摇 Ryan M G. A simple method for estimating gross carbon budgets for vegetation in forest ecosystems. Tree Physiology, 1991, 9(1 / 2): 255鄄266.
[21] 摇 Yi C X, Li R Z, Bakwin P S, Desai A, Ricciuto D M, Burns S P, Turnipseed A A, Wofsy S C, Munger J W, Wilson K, Monson R K. A
nonparametric method for separating photosynthesis and respiration components in CO2 flux measurements. Geophysical Research Letters, 2004, 31
(17): 125鄄135.
[22] 摇 Flanagan L B, Wever L A, Carlson P J. Seasonal and interannual variation in carbon dioxide exchange and carbon balance in a northern temperate
grassland. Global Change Biology, 2002, 8(7): 599鄄615.
[23] 摇 Liu R, Pan L P, Jenerette G G, Wang X Q, Cieraad E, Li Y. High efficiency in water use and carbon gain in a wet year for a desert halophyte
community. Agricultural and Forest Meteorology, 2012, 162鄄163: 127鄄135.
[24] 摇 Law B E, Thornton P E, Irvine J, Anthoni P M, Van Tuyl S. Carbon storage and fluxes in ponderosa pine forests at different developmental stages.
Global Change Biology, 2001, 7(7): 755鄄777.
[25] 摇 Lavigne M B, Ryan M G, Anderson D E, Baldocchi D D, Crill P M, Fitzjarrald D R, Goulden M L, Gower S T, Massheder J M, McCaughey J
H, Rayment M, Striegl R G. Comparing nocturnal eddy covariance measurements to estimates of ecosystem respiration made by scaling chamber
measurements at six coniferous boreal sites. Journal of Geophysical Research, 1997, 102(D24): 28977鄄28985.
[26] 摇 Griffis T J, Black T A, Gaumont鄄Guay D, Drewitt G B, Nesic Z, Barr A G, Morgenstern K, Kljun N. Seasonal variation and partitioning of
ecosystem respiration in a southern boreal aspen forest. Agricultural and Forest Meteorology, 2004, 125(3 / 4): 207鄄223.
[27] 摇 Wohlfahrt G, Anfang C, Bahn M, Haslwanter A, Newesely C, Schmitt M, Dr觟sler M, Pfadenhauer J, Cernusca A. Quantifying nighttime
ecosystem respiration of a meadow using eddy covariance, chambers and modeling. Agricultural and Forest Meteorology, 2005, 128 ( 3 / 4):
141鄄162.
[28] 摇 马杰, 吴玉, 郑新军, 唐立松, 王玉刚. 盐生荒漠净生态系统碳交换的涡度相关法与箱式法对比. 生态学杂志, 2013, 32 ( 10):
2627鄄2634.
[29] 摇 Buchmann N. Biotic and abiotic factors controlling soil respiration rates in Picea abies stands. Soil Biology and Biochemistry, 2000, 32(11鄄 12):
1625鄄1635.
3902摇 7期 摇 摇 摇 高艳红摇 等:腾格里荒漠红砂鄄珍珠群落 CO2收支变化及其不同观测方法间的比较 摇