全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿猿卷 第 员员期摇 摇 圆园员猿年 远月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
新一代 蕴葬灶凿泽葬贼系列卫星院蕴葬灶凿泽葬贼 愿 遥感影像新增特征及其生态环境意义 徐涵秋袁唐摇 菲 渊猿圆源怨冤噎噎噎噎
两种自然保护区设计方法要要要数学建模和计算机模拟 王宜成 渊猿圆缘愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
家域研究进展 张晋东袁灾葬灶藻泽泽葬 匀哉蕴蕴袁欧阳志云 渊猿圆远怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
浅水湖泊生态系统稳态转换的阈值判定方法 李玉照袁刘摇 永袁赵摇 磊袁等 渊猿圆愿园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
辐射传输模型多尺度反演植被理化参数研究进展 肖艳芳袁周德民袁赵文吉 渊猿圆怨员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
微囊藻毒素对陆生植物的污染途径及累积研究进展 靳红梅袁常志州 渊猿圆怨愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
年龄尧性别及季节因素对千岛湖岛屿社鼠最大活动距离的影响 叶摇 彬袁沈良良袁鲍毅新袁等 渊猿猿员员冤噎噎噎噎
寄主大小及寄生顺序对蝇蛹佣小蜂寄生策略的影响 詹月平袁周摇 敏袁贺摇 张袁等 渊猿猿员愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
两种苹果砧木根系水力结构及其 孕灾曲线水分参数对干旱胁迫的响应
张林森袁张海亭袁胡景江袁等 渊猿猿圆源冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
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三种根系分泌脂肪酸对花生生长和土壤酶活性的影响 刘摇 苹袁赵海军袁仲子文袁等 渊猿猿猿圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
象山港春季网采浮游植物的分布特征及其影响因素 江志兵袁朱旭宇袁高摇 瑜袁等 渊猿猿源园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
洞头海域网采浮游植物的月际变化 朱旭宇袁黄摇 伟袁曾江宁袁等 渊猿猿缘员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
狗牙根与牛鞭草在三峡库区消落带水淹结束后的抗氧化酶活力 李兆佳袁熊高明袁邓龙强袁等 渊猿猿远圆冤噎噎噎噎
三亚岩相潮间带底栖海藻群落结构及其季节变化 陈自强袁寿摇 鹿袁廖一波袁等 渊猿猿苑园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
长期围封对不同放牧强度下草地植物和 粤酝真菌群落恢复的影响 周文萍袁向摇 丹袁胡亚军袁等 渊猿猿愿猿冤噎噎噎
北京松山自然保护区森林群落物种多样性及其神经网络预测 苏日古嘎袁张金屯袁王永霞 渊猿猿怨源冤噎噎噎噎噎
藏北高寒草地生态补偿机制与方案 刘兴元袁龙瑞军 渊猿源园源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
辽东山区次生林生态系统不同林型树干茎流的理化性质 徐天乐袁朱教君袁于立忠袁等 渊猿源员缘冤噎噎噎噎噎噎噎
施氮对亚热带樟树林土壤呼吸的影响 郑摇 威袁闫文德袁王光军袁等 渊猿源圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
人工高效经营雷竹林 悦韵圆 通量估算及季节变化特征 陈云飞袁江摇 洪袁周国模袁等 渊猿源猿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎
新疆典型荒漠区单食性天花吉丁虫磷元素含量对环境的响应 王摇 晶袁 吕昭智袁宋摇 菁 渊猿源源缘冤噎噎噎噎噎噎
双斑长跗萤叶甲越冬卵在玉米田的空间分布型 张摇 聪袁葛摇 星袁赵摇 磊袁等 渊猿源缘圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
舟山群岛四个养殖獐种群遗传多样性和遗传结构 林杰君袁鲍毅新袁刘摇 军袁等 渊猿源远园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
乡镇尺度金塔绿洲时空格局变化 巩摇 杰袁谢余初袁孙摇 朋袁等 渊猿源苑园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
合并与不合并院两个相似性聚类分析方法比较 刘新涛袁刘晓光袁申摇 琪袁等 渊猿源愿园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
基于投入产出表的中国水足迹走势分析 王艳阳袁王会肖袁张摇 昕 渊猿源愿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 酝砸陨悦耘杂模型的气候融资模拟分析 朱潜挺袁吴摇 静袁王摇 铮 渊猿源怨怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄东海陆架区沉积物中磷的形态分布及生物可利用性 张小勇袁杨摇 茜袁孙摇 耀袁等 渊猿缘园怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎
鄱阳湖采砂南移扩大影响范围要要要多源遥感的证据 崔丽娟袁翟彦放袁邬国锋 渊猿缘圆园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
温度尧盐度及其互作效应对吉富罗非鱼血清 陨郧云鄄陨与生长的影响 强摇 俊袁杨摇 弘袁王摇 辉袁等 渊猿缘圆远冤噎噎噎
城乡与社会生态
福建省城镇鄄交通系统的景观分隔效应 张天海袁罗摇 涛袁邱全毅袁等 渊猿缘猿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
青藏高原高寒草原区工程迹地面积对其恢复植物群落特征的影响 毛摇 亮袁周摇 杰袁郭正刚 渊猿缘源苑冤噎噎噎噎
黄土山地苹果树树体不同方位液流速率分析 孟秦倩袁王摇 健袁张青峰袁等 渊猿缘缘缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿员源鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿猿鄢圆园员猿鄄园远
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封面图说院 清晨的天山马鹿群要要要家域是动物行为学和保护生物学的重要概念之一袁它在动物对资源环境的适应与选择袁种群
密度及社会关系等生态学过程研究中有着重要的作用遥 马鹿属于北方森林草原型动物袁在选择生境的各种要素中袁
隐蔽条件尧水源和食物的丰富度是最重要的指标遥 野生天山马鹿是中国的特产亚种袁主要分布在北天山深山海拔
员缘园园要猿愿园园皂地带的森林草原中袁在高山至谷地之间不同高度的坡面上袁马鹿按季节尧昼夜变化的不同进行采食遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援 糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援 糟燥皂
第 33 卷第 11 期
2013 年 6 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 33,No. 11
Jun. ,2013
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学重大基金(61190114); 国家 973 重点基础研究发展规划项目基金(2011CB302705,2010CB950702, 2010CB428503);浙
江省重点科技创新团队(2010R50030); 浙江农林大学研究生科研创新基金项目(3122013240142)
收稿日期:2012鄄03鄄30; 摇 摇 修订日期:2012鄄09鄄26
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: jianghong_china@ hotmail. com
DOI: 10. 5846 / stxb201203300444
陈云飞,江洪,周国模,杨爽,陈健.人工高效经营雷竹林 CO2 通量估算及季节变化特征.生态学报,2013,33(11):3434鄄3444.
Chen Y F, Jiang H, Zhou G M, Yang S, Chen J. Estimation of CO2 fluxes and its seasonal variations from the effective management Lei bamboo
(Phyllostachys Violascens). Acta Ecologica Sinica,2013,33(11):3434鄄3444.
人工高效经营雷竹林 CO2 通量估算及季节变化特征
陈云飞1,江摇 洪1,2,*,周国模1,杨摇 爽1,陈摇 健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,浙江摇 311300;
2. 南京大学国际地球系统科学研究所,南京摇 210093)
摘要:利用涡度相关技术观测高效经营雷竹林生态系统的 1a 碳通量变化过程,初步计算分析了碳收支以及影响的环境因子。
数据结果表明,雷竹林系统全年碳收支情况为碳汇,固碳能力小于毛竹林和杉木林,同时也小于水稻田和北方农田。 全年净生
态系统碳交换量(NEE)为-126. 303Cg·m-2·a-1,生态系统呼吸(RE)为 1108. 845 Cg·m-2·a-1,生态系统总交换量(GEE)为-1235.
15Cg·m-2·a-1。 其中冬季(12 月—2月)覆盖时为碳源,其余月份为碳汇。 各月碳吸收量以 11 月最高,6 月次之,呈双峰变化,碳
排放量以 1 月为最高。 计算全年平均固碳效率为 11% ,12—2月为负值,11 月最高 33% 。 生态系统呼吸呈单峰变化,以夏季最
高,冬季覆盖提高地温后生态系统呼吸随之增加,全年 RE受温度影响显著成指数关系。 人工经营下温度是影响雷竹林 CO2 通
量过程的主要因素,同时大量有机物覆盖增加了碳排放。
关键词:涡度相关;净生态系统交换量;雷竹;覆盖增温;森林碳汇
Estimation of CO2 fluxes and its seasonal variations from the effective
management lei bamboo (Phyllostachys Violascens)
CHEN Yunfei1,JIANG Hong1,2,*,ZHOU Guomo1,YANG Shuang1,CHEN Jian1
1 Zhejiang Provincial Key Laboratory of Carbon Cycling in Forest Ecosystems and Carbon Sequestration, Zhejiang Agriculture and Forestry University,
Hangzhou 311300, Zhejiang,China
2 International Institute for Earth System Science, Nanjing University, Nanjing 210093, China
Abstract: Greenhouse gas emissions broken the balance of the carbon budget in global biogeochemical cycles. Forest
ecosystems plays a great important role in maintaining the carbon鄄 oxygen biosphere balances by absorbing CO2 .
Quantifiable forest carbon sinks has become hot spot in worldwide research. As species of high economic value,
Phyllostachys violascens was widely planted in south of Yangtze River with an expanding planting area. Due to shorter
growing season and efficient operations, bamboo forestcould not olny brings significant economic benefit but also has a
meaningful impact on climate change and forest carbon sinks. Under a special style management as well as its own eco鄄
physiological processes, Phyllostachys violascens has both characteristic of forest and farmland system. Comparing other
types of forest, Phyllostachys violascens had a greater annual photosynthesis intensity, a shorter cuttingcycle, masses of
planting area and consideralbe potential capacity of the carbon sink.
But about bamboo flux process and solid carbon ability reported in the literature at home and abroad is very few,
enhancing the research is highly requirement. In subtropical regions to establish long鄄term continuous observation of the flux
tower, to reveal bamboo carbon source and sink process and the mechanism which influence carbon balance has profound
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significance for regional scale characteristics of ecosystem carbon balance research and it have inspired guiding role. In the
Zhejiang, linan city establishedbamboo forest flux observation tower, pick up three dimensional ultrasonic anemometer,
H2O / CO2 infrared analyzer, and multi鄄layer gradient of the temperature and humidity, wind speed, the radiation of the
conventional meteorological instruments, from September 2010 observation so far. In a year of observation data basis,
through coordinate rotation correction data, through the threshold to eliminate quality control, the application of average
daily variation method (MDV)plug fill a gap of data, and related calculation and analysis.
Annual carbon fluxes from high鄄efficiency management of bamboo forest were measured using eddy covariance
technology. The observation were to investigate the variation of CO2 fluxes on seasonal scale, analyze the relationship
between carbon budget and related environmental factors. Results showed that annual carbon budget of bamboo forest
ecosystem was a carbon sink. Carbon sequestration capacity of bamboo forest was less than that of Phyllostachys heterocycla,
Cunninghamialanceolata, paddy fields and farmland in northern China. The research indicated: annual NEE ( Net
Ecosystem Exchange,NEE) ( 126. 303 gC·m-2·a-1),RE(Ecosystem Respiration,RE) (1108. 845 gC·m-2·a-1) and GEP
(Gross Ecosystem Exchange,GEE) (1235. 15 gC·m-2·a-1 ). Except covered in winter ( December鄄February), carbon
budget for other months was carbon source. Carbon sequestration peaked in November,then in June. It showed a double-
peak curve. Carbon emissions peaked in January. The diurnal variation of bamboo forest carbon flux was significantly
changing with seasonal pattern. With mean annual value of 11% , the annual carbon sequestration efficiency was highest in
November(33% ) and was negative from December to February. Ecosystem respiration peaked in summer, which would be
increasing along with the higher soil temperature by straw mulching in winter. Annual RE has an exponential relationship
with temperature. In winter, temperature in plantations was a major factor in CO2 fluxes variation. Meanwhile a large
number of organic mulch leaded to an increasing carbon emission.
Key Words: eddy covariance; NEE;leibamboo;cover鄄warming; forest carbon sequestration
温室气体排放使得地球生物化学循环碳收支失衡,森林生态系统在吸收 CO2 维持生物圈碳氧平衡过程
中作用巨大,可计量的森林碳汇日益成为国际研究的热点。 研究生物圈的碳循环机理和全球陆地生态系统碳
收支及其对环境变化的响应已成为当今一系列大型国际计划共同关注的核心问题,科学界急切的要揭示“碳
失汇冶问题[1],这部分未知的碳汇有待研究。 CO2 和 H2O通过植被的光合作用和呼吸作用在土壤鄄植被鄄大气
圈空间层次上时刻进行着交换,以涡度相关技术为主体对土壤鄄植被鄄大气间的 CO2 / H2O 和能量通量以及生
态系统碳水循环的关键过程进行长期连续的观测,所获取的观测数据将被用来量化和对比分析研究区域内的
生态系统碳收支与平衡特征及其对环境变化的响应[2]。 目前涡度相关技术已在全球范围内广泛的应用于陆
地生态系统的碳通量吸收与排放测定中,并取得了很好的成效,该方法已成为国际通量观测网(FLUXNET)的
标准方法。 中国陆地生态通量观测网络(ChinaFLUX)也已经利用该技术开展了广泛的观测[3鄄4]。
亚热带季风气候分布在北纬 25毅—35毅亚热带大陆东岸地区,分布地区包括日本、韩国,美国、巴西的部分
地区,中国的秦岭鄄淮河以南的区域,并以中国面积最大。 在亚热带通量观测的系统还很有限,只有江西千烟
州人工针叶林观测站站以及哀牢山地常绿阔叶林观测系统,两站点南北跨度大仅对两大植被类型进行了观
测,而亚热带植被类型以常绿阔叶林为主,混杂有落叶林、针叶林、混交林和竹类,亚热带季风区域植被类型丰
富,同时多丘陵,森林覆盖率高,有巨大的碳汇潜力和重要的碳源汇角色。 竹林的通量观测正是对亚热带通量
观测的补充和深入研究。
雷竹(Phyllostachys violascens)作为经济竹类在长江以南均有种植,且种植面积日益扩大。 竹林采伐期短,
更新代谢快,高效经营,收获竹笋经济效益显著,同时应对气候变化,增加森林碳汇有着积极的意义。 独特的
管理方式和生理生态过程使其兼具森林、农田两大系统的特点,雷竹林生态系统较一般森林,作为常绿树种全
年光合能力强,采伐期短更新代谢快,经济林型种植面积广大。 很多研究表明,青幼年森林的碳吸收能力要强
5343摇 11 期 摇 摇 摇 陈云飞摇 等:人工高效经营雷竹林 CO2 通量估算及季节变化特征 摇
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于衰老森林。 北美黑云杉的采伐对碳源汇的影响[5],EOBS站点为采伐前林分年龄 105a 微弱碳汇(6依4)Cg·
m-2·a-1, HBS75 站点青幼年林型林分年龄 33a为强的碳汇(143依35)Cg·m-2·a-1。 因此,从生物学角度雷竹始
终为青幼年的林龄,应具有较强碳汇潜力,但竹林的通量过程与固碳能力国内外文献报道很少,有待于深入研
究。 在亚热带地区建立长期连续观测的通量塔,对揭示竹林碳源汇过程以及影响碳平衡机制有深刻意义,对
区域尺度下特色生态系统的碳平衡研究有启发指导作用。
本文以浙江省临安太湖源雷竹林生态系统观测塔的一年通量数据为依据,结合雷竹高效经营覆盖耕作科
学的管理措施[6]。 分析雷竹林系统 CO2 通量变化过程和碳收支量,及其人为干扰和环境因子对 CO2 通量变
化的影响。
1摇 材料与方法
1. 1摇 观测站点
试验区位于浙江省临安市太湖源镇,地理位置 N 30毅18忆169义 E119毅34忆104义属亚热带季风气候,温暖湿润,
雨热同期,气候特征春季多雨,夏湿热有梅雨期,秋气爽,冬干冷。 全年降水量 1600mm,年平均气温 16益,全
年日照时数 1900h。 试验地土壤以红壤为主,海拔 185m,坡向北偏东 35毅,坡度 2—3毅,雷竹林建园历史 10 a。
观测塔下雷竹林群落平均高度 4. 5m,平均胸径 4cm,以 2、3 年生竹为主,总盖度 80% ,立竹密度每亩 1500 株,
林下灌木草本很少,有竹叶糠皮覆盖,为人工经营的笋用经济林。 雷竹是禾本科竹亚科刚竹属竹种,由于早春
打雷即出笋而得名,实为早竹之变种。 自然状态下雷竹,秆高 7—11m,径达 4—6cm。 节间较短而均匀,幼竿
密被白粉生长季以 1a为 1 个周期,连年出笋能力强,在出笋期与笋芽分化期要求有充足降水[7]。
人工高效经营的雷竹主要措施是充足肥料供给、充足水分灌溉、钩梢剪枝、间伐老竹、覆盖增温等。 其中
冬季采用双层法覆盖增温是关键技术,用砻糠、稻草双层覆盖,其厚度 30cm(下面铺稻草 10—15cm,上面覆盖
砻糠 15—20cm)。 自然状态下,2 月下旬到 3 月上旬土壤温度 10益以上,竹出笋最低温度需 9—10益,最适温
度 20—24益 [8],有效积温 200益。 4 月份覆盖的稻草腐烂入土,砻糠及时移除。 覆盖增温后,11 月底竹林覆盖
稻草砻糠保持地温 10益以上,使雷竹提前发笋 12 月底开始萌动。 1 月中下旬大量出土,恰赶春节前后上市,
价格较高。 雷竹林每年都要收获竹笋留养新竹,伐走等量的 4a 老竹,相当于间伐的管理措施,间伐量约占竹
林的 20%—30% ,始终保持一定的立竹密度和 1—3a 的竹龄,这样竹林生态系统处于发育的青幼时期,其碳
汇能力较森林和农田系统有明显优势。
1. 2摇 观测仪器
观测竹林建有高 20m 的微气象观测塔,开路涡度相关系统的探头安装在 17 m 高度上,由三维超声风温
仪(CAST3, Campbell Inc. , USA) 和开路 CO2PH2O 分析仪(Li鄄7500, LiCor Inc. , USA) 组成,原始采样频率
为 10Hz,数据传输给数据采集器(CR1000, Campbell Inc. , USA) 进行存储,同时根据涡度相关原理在线计算
并存储 30min 的 CO2 通量(FC)、潜热通量(LE)和显热通量(HS)等统计量。 常规气象观测系统,包括 3 层风
速(010C, met one, USA) 、3 层大气温度和湿度(HMP45C,Vaisala, Helsinki, Finland),安装高度分别为 1m,
5m, 17m,2 个 SI鄄111 红外温度分别置于 1. 5m 和 5m,用于采集地表和冠层温度,净辐射仪 ( CNR4,
Kipp&Zonen)传感器安装高度 17m,用于采集上行 /下行的长波 /短波辐射、净辐射的数据,此外还有土壤热通
量(HFP01,Hukseflux)观测深度 3cm,5cm;土壤含水量(CS616,Campbell, USA)观测深度 5,50,100cm;土壤温
度(109,Campbell, USA)观测深度 5,50,100cm。 常规气象观测系统数据采样频率为 0. 5 Hz,通过数据采集器
(CR1000,Campbell Inc, USA) 每 30 min自动记录平均风速、温度、气压、净辐射等常规气象信息。 常规气象
数据用于插补通量观测数据的缺失。 7 层 CO2 / H2O廓线观测系统(LI鄄840,Li CorInc, USA)观测 CO2 / H2O从
土壤到植被再到大气的扩散过程,为闭路系统,采样频率为 0. 2Hz,同时输出 30min 平均值。 全部观测数据保
存到数据采集器的 TF卡上,同时配置无线传输模块利用远程计算机加载虚拟串口通过手机信号连接数据采
集器,可以实时监测传感器状态,30min数据可以实时传输。
1. 3摇 研究方法
开路涡度系统数据采集器可在线计算虚温订正和空气密度变化订正。 但是未考虑地形和仪器倾斜影响,
6343 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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当下垫面有倾斜度时,由于地球引力作用,顺着山坡走向大气会发生汇流、漏流现象,此时平均垂直风速并不
为零。 很多研究都是通过旋转风向坐标轴来计算通量[9鄄11]。 在中尺度大气环流时,可以旋转坐标轴迫使平均
垂直风速为零[12]。 根据风向、仪器底座、主风向地形坡度等建立一新的坐标轴参考系统,经过坐标旋转后,净
生态系统交换量即为涡度相关通量、储存项、水平和垂直方向的平流 3 项的和。 常见的有二次坐标旋转、三次
坐标旋转和平面拟合,本文采用二次坐标旋转(DR),使坐标系 x 轴与平均水平风方向平行,从而使平均侧向
风速度和平均垂直风速度为零。
本文的观测方法采用的是涡度相关的微气象观测方法,通过测定大气中湍流运动产生的风速脉动和气体
浓度脉动,计算二者协方差求解通量值[13]。
净生态系统碳交换量(NEE)主要是指生态系统中植物光合作用、植被冠层空气的碳储存和生态系统呼
吸消耗的碳排放引起的生态系统碳储量变化[14]
微气象学研究以大气为对象,当 CO2 从大气进入到生态系统时,定义 NEE 符号为负;当 CO2 从生态系统
排放到大气中时,定义 NEE符号为正。 生态学家研究的重点在生态系统的变化,对于通量的符号规定为:气
体由大气圈进入生态系统的通量值符号为负,反之为正[15]。
净生态系统生产力(NEP),定义的符号刚好和 NEE符号相反,生态系统总交换量(GEE)与生态系统总初
级生产力(GPP)符号也是相反的,这样陆地和大气之间的气体交换过程中的关系,可用下列方程描述:
GEE=NEE-RE (2)
NEE=Fc+Fs (3)
RE=REnight+REday (4)
式中,Fc为大气和生态系统冠层的碳通量,即涡度探头观测值,Fs 为冠层内的碳储存通量(雷竹林高度不足
8m年际变化可忽略);式中 RE生态系统呼吸包括植物自养呼吸以及土壤微生物分解土壤有机质和凋落物呼
吸通量,分为白天与夜晚计算。 夜间生态系统完全为 CO2 排放状态,NEE数值上就等于生态系统呼吸值 RE。
白天的生态系统呼吸是通过拟合半小时时长的 5cm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,推算 REday。 根据公式(2),(4)。 分解 NEE可以分解成 GEE和 RE,进而计算出 GEE。
1. 4摇 数据校正与插补
基于涡度原理开路系统采集的 10Hz原始数据,因为用红外气体仪观测的 CO2 气体浓度是相当于干空气
的质量混合比,大气的温度、压力、湿度发生变化会引起 CO2 质量浓度的变化,需要根据理想气体状态方程校
正气体密度为摩尔质量比。 需要进行水汽校正,即 WPL校正。 根据垂直平均风速为零假设,做坐标轴旋转校
正。 以上校正应用 EdiResoftwar设定参数,加载模块,计算成为 30min 步长数据。 EdiRe software 是由爱丁堡
大学编写,专门处理涡度观测数据,并做相关校正。
在实际观测中由于受到降水、凝水、昆虫以及随机电信号异常等的影响,需要对通量数据进行质量控制,
结合涡度相关法通量观测原理和 ChinaFLUX 推荐筛选标准,目前通用的涡度数据处理,有平均日变化法
(MDV),查表法(LookUp鄄table),非线性回归法(NLR)。 本文中应用非线性的经验方程,光合有效辐射数据偏
差较大,插补数据的结果不理想相关性很小,因此采用平均日变化法。 平均日变化法是对缺失数据用相邻几
天同时刻数据的平均值进行查补。 该方法首先确定平均时段的长度,研究发现白天取 14d、夜间取 7d 的平均
时间长度时偏差最小[16]。
涡度相关开路系统数据易受降水、电信号、仪器故障影响造成数据缺失或者不合理,一般来说文献报道的
国际通量网络各个站点数据缺失和不合理比例在 17%—50% [17]。 美洲通量网(AmeriFlux)的站点白天缺失
和不合理数据在 20%—35% [18]。 本站点白天数据有效率在 80%左右;夜间湍流不充分 CO2 过多的沉积在林
冠下部不能被探头检测到,筛选风摩擦系数较大的数据,有效数据在 48%左右。 表 1 说明除 8 月份数据有效
率偏低外,其余各月数据有效率要高于通量观测网络系统的平均水平。
7343摇 11 期 摇 摇 摇 陈云飞摇 等:人工高效经营雷竹林 CO2 通量估算及季节变化特征 摇
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表 1摇 各月有效数据统计
Table 1摇 Statistical effectivedatamonthly
月份
Month
白天有效数据 / %
Effective data on daytime
夜晚有效数据 / %
Effective data on night
月份
Month
白天有效数据 / %
Effective data on daytime
夜晚有效数据 / %
Effective data on night
1 82. 70 41. 69 2 88. 64 44. 23
3 83. 87 49. 88 4 83. 18 55. 77
5 77. 42 52. 05 6 71. 67 48. 33
7 89. 59 55. 33 8 57. 77 33. 00
9 75. 97 43. 92 10 84. 16 54. 84
11 93. 03 52. 95 12 82. 70 46. 15
平均 Average / % 80. 87 48. 18
2摇 结果与分析
2. 1摇 常规气象因子的季节变化
观测数据从 2010 年 10 月到 2011 年 9 月,构成全年数据。 日平均最高温 2011 年 7 月 8 日 30. 21益,最低
温 2011 年 1 月 17 日-5. 50益。 月平均气象因子见表 2。 全年最高气温 7 月,最低气温 1 月;光合有效辐射变
化与气温相同;降雨量最大 6 月,最小 12 月,降雨与该地区往期持平,降雨量变化较气温变化年际差异大。
表 2摇 各月气象因子变化
Table 2摇 Meteorological factors monthly
月份
Month
平均气温
Temperature of air / 益
空气相对湿度
Relative air humidity / %
土壤温度
Soil temperature / 益
光合有效辐射
Photosynthetically
active radiation
/ (umol·m-2·s-1)
降雨量
rain capacity
/ mm
1 -0. 47 66. 96 10. 28 181. 97 98. 45
2 5. 37 67. 53 10. 03 246. 83 56. 8
3 8. 25 59. 14 11. 40 313. 28 103. 4
4 15. 47 61. 61 14. 29 378. 91 121. 1
5 19. 28 68. 67 18. 06 325. 63 96. 85
6 23. 36 79. 79 21. 89 272. 34 290. 75
7 27. 61 74. 99 25. 63 411. 11 186. 3
8 26. 89 76. 01 26. 02 368. 35 154. 25
9 23. 15 77. 45 23. 30 314. 68 95. 6
10 17. 06 76. 59 17. 49 261. 01 98. 9
11 12. 05 72. 27 12. 79 243. 91 78. 55
12 6. 77 64. 45 12. 54 236. 76 38. 55
2. 2摇 净生态系统碳交换量
从图 1 月每时刻平均的日进程可以看出,NEE呈“U冶形变化,表现为在白天通量负值,夜间通量正值,雷
竹林生态系统月尺度上的 NEE符号变化时刻和最大的碳排放、碳吸收时刻都有明显的差异。 各月通量符号
变化,由正值转为负值在日出 1—1. 5h,春冬季与夏秋季相比延迟 1h;由负值转为正值时刻较集中,发生在
17:00—18:00。 9—11 月 NEE由正转负发生在 6:30—7:00,NEE最大负值出现在 11:00 前后。 在 12 月—翌
年 2 月 NEE由正转负发生在 7:30—8:00,NEE最大负值出现在 12:00 前后。 3—8月的通量符号变化时刻和
最大负值时刻介于秋季与冬季之间,NEE由正转负发生在 7:00—7:30,NEE最大负值出现在 11:00—11:30。
从全年 NEE 变化看,年碳吸收总量 126. 303gC·m-2·a-1,总体是碳汇。 这要小于周国模应用生物量调查法
对毛竹固碳能力 509gC·m-2·a-1,杉木为 348gC·m-2·a-1 的估算[19]。 李静洁等研究江西红壤丘陵地区双季稻碳
收支[20],在不同施肥措施下估算早稻田两季稻的碳汇能力为 311—629gC·m-2·a-1,雷竹年固碳能力要小于水
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图 1摇 CO2 通量各月平均日变化
Fig. 1摇 Diurnal variation of CO2 fluxes by monthly
稻,同时也小于北方农田系统 198—318gC·m-2·a-1 [21]年吸收能力。 具体季节分析 12—2 月即冬季覆盖月份
NEE为正,雷竹林表现为碳源,春季、夏季、秋季均为碳汇。 全年碳通量,吸收量表现为双峰变化曲线,第 1 峰
出现在 6 月(-21. 39gCm-2·月-1);第二峰出现在 11 月(-35. 89gC·m-2·月-1)。 最高排放量 1 月(16郾 061gC·
m-2·月-1)。
6 月全月净积累总量要小于 11 月,这可能是由于亚热带 6 月份开始进入梅雨期,影响雷竹的光合生产能
力。 同纬度气候下千烟洲站点 6 月出现的净积累量也小于 11 月的净积累量[22]。 7—8月受高温影响有明显
的“午休冶现象,CO2 通量一般在 10:0—11:00 达到峰值,之后降低,09—11 月适宜的水热条件使碳吸收持续
增加可为冬季竹笋萌发积蓄有机物。 7—8月份虽然有较强的初级生产力,但由于呼吸过程排放的碳也比较
大,碳净吸收低于 5—6月和 9—11 月。 这在很多类型的生态系统普遍存在,在竹类系统也得到了验证。 12
月进入冬季开始覆盖增温,人为经营措施干扰 NEE开始减小。
从图 2 可以看出 RE 呈单峰变化,在夏季较高冬季较低。 图 5 中显示夜间 NEE 与土壤 5cm 温度的散点
图,拟合曲线显示夜间 NEE与土壤 5cm温度成指数关系变化,相关系数 0. 3。 7 月土壤温度最高月份,RE 达
到峰值 151. 05 gC·m-2·月-1,在气温较低的春冬季呼吸较低。 从季节上分析,分为冬季(12—2月),春季(3—
5月),夏季(6—8 月),秋季(9—11 月)。 各季节 RE 占全年总量的比例分别为 16. 7% ,21. 2% ,37. 0% ,
25郾 1% ;各季节 NEE占全年比例分别为-21. 3% ,26. 6% ,25. 8% ,68. 9% ;各季节 GEE占全年比例为 12. 8% ,
21. 8% ,35. 8% ,29. 6% 。 全年 RE贡献最大为夏季,夏季生态系统呼吸是冬季的 2. 3 倍;全年 NEE 贡献最大
为秋季超过全年其余月份之和,而冬季为负贡献降低了全年碳汇总量,春夏季 NEE 贡献为年平均水平;全年
GEE最大贡献为秋季,最小为夏季,变化与 RE一致。
全年 GEE季节变化特征明显,峰值出现在 6—7月,可能与温度、水分影响有关;之后开始下降,但秋季生
长明显大于春季,冬季 GPP 最小。 根据雷竹的生长特性,竹笋出土吐叶到成竹经 30—40 d,5 月大量新竹开始
光合生产,6 月下旬到 7 月梅雨期,为雷竹生长提供充足的水分供给。 冬季的防雪钩梢和温度影响,可能是生
产力开始下降的主要影响因素。 覆盖月份为 12—3 月,出笋是 1—3 月,竹笋在适宜的水热条件下爆发性生
长,竹笋出土呼吸加大,同时覆盖后土壤和覆盖物分解呼吸大大超出覆盖前的土壤呼吸,有研究发现覆盖后是
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覆盖前的 5—10 倍[23],造成冬季 CO2 排放不降。 土壤呼吸、覆盖物呼吸以及植物呼吸都土壤温度密切相关,1
月温度降低,生态系统呼吸随之降低。 6 月 GEE与 RE 同时上升出现峰值,新竹不断增强的光合作用吸收了
一定 CO2,同时生态系统呼吸达到了较大值,造成 NEE 不为最高值。 9 月 GEE 与 RE 同时开始下降时,NEE
开始增加,并在 11 月达到全年的最高峰值。 在春季 NEE随 GEE与 RE的升高而增加,在秋季 NEE随 GEE与
RE的下降而增加,出现两个峰值。 由此可见人工高效经营下,温度是主要的影响因子,光照次之。 雷竹喜湿
怕涝,在受水分胁迫时人工会及时补水排涝,水分影响这里先不考虑。
摇 图 2摇 全年各月累积净生态系统 CO2 交换量(NEE)、生态系统呼
吸(RE)和总生态系统 CO2 交换量(GEE)变化过程
Fig. 2摇 Change process about annual cumulative NEE,RE,GEE
图 3摇 固碳效率变化
Fig. 3摇 Carbon sequestration efficiency changes
2. 3摇 竹林固碳效率
在一定的时间尺度上,生态系统碳交换通量与碳固定和排放速率根据选定的研究界面和对象能够相互直
接转化[24],在数值上 GEE可等同为生态系统固碳速率,RE 即为生态系统碳排放速率,NEE 即生态系统净固
碳速率,量纲不变仍为 gC·m-2·a-1。 相对于植物生理研究,定义有碳利用效率(CUE),就是植物净积累的碳占
总光合生产中固定碳的比例[25],即有 CUE=NPP / GEP [26],该指标表示植物碳同化能力的强弱,但是对于整个
生态系统的碳收支研究缺失土壤呼吸和植物凋落物等异养呼吸碳排放计算,不能代表整个生态系统碳收支水
平。 如果将大气鄄植被鄄土壤看作一个连续的整体,研究在生态系统气体交换过程中生态系统的碳收支,将生
态系统净固碳速率与生态系统固碳速率比值,可以暂时定义为生态系统碳固定效率(ECSE),反映生态系统气
体交换中固定下来碳的比例,即 ECSE=NEE / GEE。 从图 3 中看出,生态系统的碳利用效率从 1 月份开始为负
值表明,是极强的碳释放,冬季雷竹虽然有一定的光合能力但生态系统呼吸大大超过光合生产的净积累量;3
月开始,变为正值转,为固碳并保持在 10—16% ;夏季 7—8月固碳能力下降,碳排放的比例增加,进入秋季达
到峰值,有生态系统气体交换过程有 33%被固定下来,全年固碳效率为 11% 。
2. 4摇 高效经营覆盖措施对 CO2 通量的影响
冬季覆盖技术是雷竹高效经营的关键技术,覆盖的主要作用是增加土壤温度。 夏季土壤表层温度高于深
层温度,在冬季则相反,土壤温度随深度增加而升高。 在冬季增加覆盖措施后 5cm 土壤温度要高于 1m 处气
温 5—10益。 从图 4 中看出在 12—2月,地表 5cm土壤温度明显高出空气温度,平均温度都维持在 10益以上,
这就加大了生态系统的呼吸,同时冬季光合有效辐射为全年最低,形成冬季月份碳源。
全年土壤温度变化范围 9—26益,波动范围不大,夜间 NEE可以代表生态系统呼吸即包括植物暗呼吸、土
壤微生物呼吸以及凋落物分解的 CO2 排放,最高呼吸在 0. 6—0. 7mg·m
-2·s-1。 全年的土壤 5cm温度与经摩擦
风速筛选后夜间 NEE关系并不明显,因为点数太多,将各个温度下的夜间 NEE做平均处理,得到图 5。 从图 5
中,可以看出生态系统与土壤 5cm成指数关系,但相关系数只有 0. 3,成指数关系这与之前有关文献报道的研
究结果较一致[16,27]。 ChinaFLUX站点也有相似的报道,陈述悦研究华北麦田发现 5cm 地温同土壤呼吸相关
性最好[28],刘允芬等研究千烟洲人工针叶林土壤温度与夜间 NEE 数值呈指数关系相关系数 0. 38[29]。 相关
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图 4摇 土壤 5cm温度与空气 1m温度的比较
摇 Fig. 4 摇 Relationship between soil temperature at 5cm and air
temperature at 1m
系数不大的原因可能有两个,首先冬季的覆盖增温措施
干扰了土壤自然的呼吸,使温度变化范围减小,生物菌
肥的使用加大了呼吸;再有温度升高使植物自养呼吸增
加,生态系统呼吸也随之增加。
假定雷竹光合能力不变,数据显示冬季无覆盖时近
地 1m空气温度与土壤 5cm 温度相差不大,用 1m 处空
气温度代替无覆盖的 5cm 土壤温度,根据与夜间 NEE
的指数方程模拟无覆盖的生态系统呼吸。 以温度为影
响因子比较无覆盖与有覆盖的碳排放,模拟结果说明
12—2月单位面积上,覆盖后分别多增加 21. 56g,
26郾 52g,20. 53g的排放(表 3)。 因此若雷竹林无覆盖可
少排放 CO2,相应冬季月份可由碳源转汇。
冬季覆盖增加的碳排放部分来自覆盖的有机物分
解。 从表 4 中可以计算不包括地下部分生长计算碳收
支平衡,其中雷竹每株干重计以 3kg 计算,每年每亩伐
图 5摇 土壤 5cm温度变化与夜间 NEE的关系
摇 Fig. 5 摇 Relationshipbetweensoil temperatures at 5cmand NEE
at night
300 株,地上部分碳密度参照周国模研究毛竹碳密
度[19]以 500g / kg计算,竹笋收获以 1500kg,含水 90%计
算,总年收获量为 525kg碳,即 787. 50Cg·m-2·a-1。 竹笋
收获占 14% ,竹材收获占 86% ,竹材的碳可以作为碳库
多年储存,竹笋的碳运出系统后又将排放到大气中,则
雷竹林系统为十分微弱的碳源。 雷竹林 NEE 较水稻
田、北方农田都小,但收获量缺明显高出其他农田系统,
可见高效经营措施对收获量产出的影响。
覆盖物投入的有机碳含量以及砻糠收回,稻草则腐
烂入土的比例需要进一步实验,对竹林系统碳库影响都
还不甚清楚。 目前有关覆盖物对雷竹林碳储量影响、雷
竹土壤有机质转化研究的文献还很少见,初步估计,每
年每公顷投入覆盖的稻草及砻糠等有机物料共 100 t左右,大量的有机质输入对土壤有机碳库的组成分解及
转化应产生重要影响[30鄄32]。 有文献研究 15a 种植雷竹有机碳转化变化,覆盖经营后极大地提高了土壤有机
质含量,每年每亩表层有机质增加达到 616 kg,占投入物料的 23. 8% 。 该值略低于南方红壤区作物秸秆的平
均腐殖化系数(0. 22—0. 34,平均 0. 28),可能是由于砻糠 C / N 比较高,不易腐殖化[33]。 每亩 1. 6t 有机碳投
入,以 23. 8%转化系数计算,将有 380kg有机碳进入系统,即增加了碳排放 571Cg·m-2·a-1,这些有机碳在系统
中如何分配的有待深入研究。
表 3摇 模拟覆盖与无覆盖碳排放变化
Table 3摇 Simulatecover and no鄄cover carbon emissions changes
月份
Month
覆盖
Cover / (g·m-2·月-1)
无覆盖
No鄄cover / (g·m-2·月-1)
增加排放
Emissions add to / (g·m-2·月-1)
12 60. 61 39. 05 21. 56
1 52. 06 25. 54 26. 52
2 60. 99 38. 26 20. 53
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表 4摇 高效经营中投入产出(以 666. 7m2 计)
Table 4摇 Input鄄outputin the effective management (calculate with 666. 7m2)
月份
Month
投入 Input
施肥 / kg
Fertilization
覆盖物(稻草、砻糠) / kg
Mulch(straw&chaff)
产出 Output
老竹(干重) / kg
Old鄄bamboo(dryweight)
竹笋(鲜重) / kg
Bambooshoots( fresh weight)
2 25 500
3—5 100 900 850
7—8 100
11 2000 4500
12—1 150 9000 150
3摇 结论与展望
本文分析了太湖源人工经营的雷竹林碳通量各月的平均日变化趋势,季节碳通量的变化趋势,同时探究
了冬季覆盖增温过程中对碳通量变化以及碳平衡的影响。 研究表明:
人工经营的雷竹林生态系统全年各月碳通量平均日变化趋势明显;2010 年 10 月到 2011 年 9 月碳收支为
-126. 303gC·m-2·a-1,RE为 1108. 845 gC·m-2·a-1,GEE为-1235. 15gC·m-2·a-1。 整体为碳汇,冬季覆盖的 12—
2月份为碳源,其余月份为碳汇。 通量过程具有明显的季节性,雷竹林生态系统月尺度上的 NEE 符号变化时
刻和最大的碳排放、碳吸收时刻都有明显的差异,通量符号由正值转为负值在日出 1h—1. 5h,春冬季与夏秋
季相比延迟 1h;由负值转为正值时刻较集中,发生在 17:00—18:00;最大碳汇时刻秋季在 11:00,冬季在
12:00,春夏介于 11:00—12:00 之间。 温度是影响碳通量的主要因子,5cm 处土壤温度与生态系统呼吸存在
明显的指数关系。 在春季 NEE随 NEE与 RE的同时升高而增加,在秋季 NEE随 NEE与 RE的同时下降而增
加,出现两个峰值并有碳汇总量秋季大于春季。 秋季竹林 NEE 贡献达 68. 9% ,同时固碳效率最高为 33% 。
冬季覆盖通过投入有机物料,提高地温,同时增大了生态系统呼吸,增加了碳排放。
竹林具有很强的森林碳汇潜力,合理的耕作措施,科学采伐老竹,保持生态系统活力,可为陆地生态系统
维持碳氧平衡应对气候变化做出积极的贡献。 另一方面,对于竹林生态系统碳循环研究,本文仅对雷竹林的
碳源汇做了结论,对与影响碳吸收、排放的各个分量未做计算。 同时本站点仅对雷竹林一年的碳通量过程研
究进行初步观测研究,时间较短,因碳通量过程有明显的年际变化易受气候变化影响,要通过长期的连续观测
和相应的辅助实验,来做深入研究。
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叶生态学报曳圆园员猿年征订启事
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