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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 8 期摇 摇 2012 年 4 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
东北地区 5 种阔叶树苗木对火烧的生理响应 王摇 荣,胡海清 (2303)……………………………………………
梭梭木虱发生规律及其影响因子 李粉莲,吴雪海,王佩玲,等 (2311)……………………………………………
基于遥感降尺度估算中国森林生物量的空间分布 刘双娜,周摇 涛,舒摇 阳,等 (2320)…………………………
流域景观格局与河流水质的多变量相关分析 赵摇 鹏,夏北成,秦建桥,等 (2331)………………………………
内蒙古达赉湖地区赤狐生境选择及生境景观特征分析 张洪海,李成涛,窦华山,等 (2342)……………………
雅鲁藏布江流域底栖动物多样性及生态评价 徐梦珍,王兆印,潘保柱,等 (2351)………………………………
用组合模型综合比较的方法分析气候变化对朱鹮潜在生境的影响 翟天庆,李欣海 (2361)……………………
2010 年牧区 2 代草地螟成虫迁飞的虫源分析 张摇 丽,张云慧,曾摇 娟,等 (2371)……………………………
基于细胞色素 b基因的中国岩羊不同地理种群遗传差异分析 李楠楠,刘振生,王正寰,等 (2381)……………
喀斯特峰丛洼地不同退耕还林还草模式的土壤微生物特性 鹿士杨,彭晚霞,宋同清,等 (2390)………………
永定河沿河沙地杨树人工林生态系统呼吸特征 方显瑞,张志强,查同刚,等 (2400)……………………………
基于湿地植物光谱的水体总氮估测 刘摇 克,赵文吉,郭逍宇,等 (2410)…………………………………………
背瘤丽蚌 F型线粒体基因组全序列分析 陈摇 玲,汪桂玲,李家乐 (2420)………………………………………
流域“源鄄汇冶景观格局变化及其对磷污染负荷的影响———以天津于桥水库流域为例
李崇巍,胡摇 婕,王摇 飒,等 (2430)
…………………………
……………………………………………………………………………
线虫群落对抚顺煤矸石山周边土壤可溶性盐污染的响应 张伟东,吕摇 莹,肖摇 莹,等 (2439)…………………
地上竞争对林下红松生物量分配的影响 汪金松,范秀华,范摇 娟,等 (2447)……………………………………
湿地松和马尾松人工林土壤甲烷代谢微生物群落的结构特征 王摇 芸,郑摇 华,陈法霖,等 (2458)……………
马尾松和杉木树干韧皮部水溶性糖 啄13C值对气象因子的响应 卢钰茜,王振兴,郑怀舟,等 (2466)…………
沙坡头人工植被演替过程的土壤呼吸特征 高艳红,刘立超,贾荣亮,等 (2474)…………………………………
豫西刺槐能源林的热值动态 谭晓红,刘诗琦,马履一,等 (2483)…………………………………………………
铁皮石斛种子的室内共生萌发 吴慧凤,宋希强,刘红霞 (2491)…………………………………………………
红光与远红光比值对温室切花菊形态指标、叶面积及干物质分配的影响
杨再强,张继波,李永秀,等 (2498)
………………………………………
……………………………………………………………………………
扑草净对远志幼苗根系活力及氧化胁迫的影响 温银元,郭平毅,尹美强,等 (2506)……………………………
地表臭氧浓度增加和 UV鄄B辐射增强及其复合处理对大豆光合特性的影响
郑有飞,徐卫民,吴荣军,等 (2515)
……………………………………
……………………………………………………………………………
AMF对喀斯特土壤枯落物分解和对宿主植物的养分传递 何跃军,钟章成,董摇 鸣 (2525)……………………
传统豆酱发酵过程中细菌多样性动态 葛菁萍,柴洋洋,陈摇 丽,等 (2532)………………………………………
定位施肥对紫色菜园土磷素状况的影响 孙倩倩,王正银,赵摇 欢,等 (2539)……………………………………
基于生态需水保障的农业生态补偿标准 庞爱萍,孙摇 涛 (2550)…………………………………………………
保障粮食安全造成的生态价值损失评估模型及应用 芦蔚叶,姜志德,张应龙,等 (2561)………………………
专论与综述
疏浚泥用于滨海湿地生态工程现状及在我国应用潜力 黄华梅,高摇 杨,王银霞,等 (2571)……………………
问题讨论
厌氧氨氧化菌群体感应系统研究 丁摇 爽,郑摇 平,张摇 萌,等 (2581)……………………………………………
基于形态结构特征的洞庭湖湖泊健康评价 帅摇 红,李景保,夏北成,等 (2588)…………………………………
研究简报
黄土高原不同树种枯落叶混合分解效应 刘增文,杜良贞,张晓曦,等 (2596)……………………………………
不同经营类型毛竹林土壤活性有机碳的差异 马少杰,李正才,王摇 斌,等 (2603)………………………………
干旱对辣椒光合作用及相关生理特性的影响 欧立军,陈摇 波,邹学校 (2612)…………………………………
硅和干旱胁迫对水稻叶片光合特性和矿质养分吸收的影响 陈摇 伟,蔡昆争,陈基宁 (2620)…………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*326*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*36*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄04
封面图说: 红树林粗大的气生根———红树林是热带、亚热带海湾及河口泥滩上特有的常绿灌木或乔木群落。 由于海水环境条
件特殊,红树林植物具有一系列特殊的生态和生理特征。 其中之一就是气根,红树从根部长出许多指状的气生根露
出海滩地面,以便在退潮时甚至潮水淹没时用以通气,故称呼吸根。 在中国,红树林主要分布在海南、广西、广东和
福建省沿海,它一般分布于高潮线与低潮线之间的潮间带,往往潮差越大、红树的呼吸根就长得越高越粗大。
彩图提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 8 期
2012 年 4 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 8
Apr. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家林业行业科研专项( 201204102); 北京市教育委员会共建项目;北京市林业碳汇工作办公室观测运行基金;教育部重点项目
(105027);高等学校博士专项科研基金(20040022013);中美碳联盟 USCCC国际合作项目资助
收稿日期:2011鄄03鄄07; 摇 摇 修订日期:2012鄄01鄄10
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: zhqzhang@ bjfu. edu. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201103070273
方显瑞,张志强,查同刚,谭炯锐,王小平,陈俊崎,陈吉泉,孙阁. 永定河沿河沙地杨树人工林生态系统呼吸特征. 生态学报,2012,32 (8):
2400鄄2409.
Fang X R, Zhang Z Q, Zha T G, Tan J R, Wang X P, Chen J Q, Chen J Q, Sun G. Ecosystem and soil respiration of a poplar plantation on a sandy
floodplain in Northern China. Acta Ecologica Sinica,2012,32(8):2400鄄2409.
永定河沿河沙地杨树人工林生态系统呼吸特征
方显瑞1,张志强1,*,查同刚1,谭炯锐1,王小平2,陈俊崎2,陈吉泉3,孙摇 阁4
(1. 北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室, 北京 100083;2. 北京市林业碳汇工作办公室, 北京摇 100085;
3. Landscape Ecology & Ecosystem Science, University of Toledo, Toledo, OH 43606鄄3390, U. S. A;
4. Southern Global Change Program, USDA FS, 920 Main Campus, Raleigh, NC27606, U. S. A)
摘要:杨树是世界上广泛采用的人工造林树种之一,也是中国人工林面积最大的树种。 研究杨树人工林生态系统呼吸(Re)及
其分量土壤呼吸(Rs)的时间动态格局以及强度特征,分析两者对环境因子的响应是提高人工林生态系统净生产力和促进固碳
减排等人工林经营管理中考虑的首要问题。 采用开路式涡度相关系统、Licor鄄 8150 土壤呼吸测定系统以及小气候测定系统连
续测定了位于北京大兴区永定河沿河沙地杨树人工林的生态系统呼吸、土壤呼吸和小气候特征。 研究结果表明:(1)2007—
2009 年该生态系统的 Re 年总量分别为 946. 68、 863. 58、 817. 30gCm-2a-1,其中 Rs 年总量分别为 642. 11、 629. 29、
609郾 05gCm-2a-1, Rs年总量约占 Re年总量的 70% ;(2)Re和 Rs月总量一般在 7 或者 8 月份达到最大值,Rs的变化趋势与土壤
5cm温度(Ts5)相一致;(3)Ts5 是 Re和 Rs两者的显著影响因子,但 Re 与空气相对湿度(RH)的相关性最显著。 此外,Rs 更容
易受到 Ts5 和 0—20cm土壤平均体积含水量(vwc)两者耦合效应的限制。
关键词:杨树人工林;生态系统呼吸;土壤呼吸;生长季涡度相关法
Ecosystem and soil respiration of a poplar plantation on a sandy floodplain in
Northern China
FANG Xianrui1, ZHANG Zhiqiang1,*, ZHA Tonggang1, TAN Jiongrui1, WANG Xiaoping2, CHEN Junqi2, CHEN
Jiquan3, SUN Ge4
1 Key laboratory of Soil and Water Conservation and Desertification Combating, Ministry of Education / / Water and Soil Conservation College, Beijing Forestry
University, Beijing 100083, China
2 Beijing Forestry Carbon Sequestration Office, Beijing 100085, China
3 Landscape Ecology & Ecosystem Science, University of Toledo, Toledo, OH 43606-3390, U. S. A
4 Southern Global Change Program, USDA FS, 920 Main Campus, Raleigh, NC 27606, U. S. A
Abstract: Poplar is one of the most widely planted tree species through China忆s ambitious reforestation effort especially in
the northern China since the 1970s. Among various pressing issues related to this plantation, the magnitude and dynamics
as well as the biophysical regulation of carbon loss through respiration are critical information needed in the context of wood
productivity and carbon sequestration. Ecosystem respiration(Re), soil respiration(Rs), and meteorological conditions of a
Populus 伊 euramericana cv. “74 / 76冶 plantation located on the floodplain of the Yongding River in Daxing District of
Beijing, were measured through an eddy鄄covariance system, a four鄄channel soil respiration measurement system(Li鄄 8150,
Li鄄Cor, NE), and a microclimate measurement system from 2007 through 2009. The variation of Re and Rs in the different
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time scales and their responses to environmental factors including soil temperature and soil water content were analyzed and
discussed in this paper.
Energy balance closure was evaluated by statistical regression between turbulent energy fluxes of sensible (Hs) and
latent heat (LE) against the difference etween available energy of net radiation (Rn) and the soil heat flux (G), which
excluded the heat storage from the ground to the height of measurement. The ratio of turbulent energy fluxes to available
energy was 0. 78, with an average intercept of 18. 95 Wm-2s-1 at half鄄hourly scale in all three years indicating that the flux
data were reliable in general.
The total annual Re was 946. 68, 863. 58, and 817. 30gCm-2a-1 for 2007, 2008, and 2009, respectively; and the total
annual Rs was 642. 11, 629. 29, and 609. 05gCm-2a-1 . Rs was the dominant component of Re, accounting for about 70% of
Re on an annual basis. The annual Rscan be used to estimate the annual Re in the future studies.
The monthly Re and Rs reached the maximum in July or August, and Rs showed a similar seasonal variation in all three
years. The similar temporal variation was observed for the monthly Rs and the averaged soil temperature at 5cm depth (Ts5)
from 2007 to 2009.
The maximum daily Rs and Re were 5. 285 and 7. 781 gCm-2d-1, compared with the minimum value of 0郾 330 and
0郾 504 gCm-2d-1 for 2007,2008, and 2009, respectively. Re and Rs were significantly correlated with Ts5, however, we
found that Re was mostcontrolled by air relative humidity (RH) among all the climate and soil moisture conditions. In
addition, Rs was more determined than Re by the coupling factor of volumetric soil water content (vwc) and Ts 5.
Key Words: poplar plantation;ecosystem respiration;soil respiration;eddy鄄covariance method
森林作为陆地生态系统重要的碳库之一[1],在减缓和适应气候变化中发挥着重要的作用[2]。 而在全球
气候变暖日益严重的整体趋势下,森林生态系统 CO2 通量已经成为全球气候变化研究中的焦点之一[3]。 第
七次全国森林资源清查结果显示,中国人工林保存面积为 6168. 84 万 hm2,占全国森林总面积的 31. 8% ,居世
界首位[4]。 因此,对我国人工林生态系统碳循环的长期监测和精确估算,是评价我国森林乃至陆地生态系统
碳汇功能及其对全球气候变化影响的基础[5鄄6]。
森林生态系统的碳累积主要取决于生态系统净生产力(NEP),即生态系统总生产力(GEP)和生态系统
呼吸(Re)的差值,此两者谁是影响生态系统物质和能量平衡的最主要因素受到学术界的广泛关注[7鄄9]。
Noormets,Valentini和 Pilegaard等发现 Re比 GEP 更能够代表碳汇通量观测点的差异性[9鄄11]。 因此,Re 的动
态格局及其对环境因子的响应越来越受到学者们的重视。 在大量的研究中,Bubier 等[12]发现在干旱的生长
季,地下水位是影响 Re的主要因子,而在雨水充足的生长季,温度是影响 Re 的最主要因子。 Noormets 等[13]
利用经验模型分析了美国 14 个森林生态系统呼吸对土壤温度和土壤水分的响应,发现土壤温度是影响生态
系统呼吸的主要因子。 王春林等[14]发现鼎湖山针阔叶混交林的 Re受土壤温度、湿度和冠层温度和相对湿度
的共同影响,土壤温度是主要影响因子。 郑泽梅等[15]研究发现长白山温带混交林的林冠下层夜间 CO2 通量
与 Ts5 显著相关。 韩帅等[16]发现长江中游河流湿地杨树人工林生态系统的 Re具有明显的季节变化,空气温
度为驱动 Re的最主要因子。
土壤呼吸(Rs)作为生态系统呼吸的主要组成部分,它的碳循环过程一直是生态学界研究的焦点。 森林
土壤碳储量占全球土壤碳库的 73% [17],而土壤碳通量是土壤碳库输出的主要途径以及全球碳循环的主要方
式,土壤碳通量的储存或者释放不但能够影响森林生态系统的碳贮存能力[18],而且能够显著影响大气中温室
气体的浓度[19鄄20],进而影响全球气候的变化。 Reichstein,Valentini等[21鄄23]发现温度和水分共同限制着土壤呼
吸。 谭炯锐等[24]发现 Ts5 是影响杨树人工林土壤呼吸速率的主要因素,土壤呼吸在不同的土壤含水量区间
对土壤温度的响应有所差异。
很多学者分别研究了生态系统呼吸或者土壤呼吸的动态格局及其对环境因子的响应,但是对于两者之间
1042摇 8 期 摇 摇 摇 方显瑞摇 等:永定河沿河沙地杨树人工林生态系统呼吸特征 摇
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的差异,均没有进行过多的研究。 本文通过分析 2007—2009 年杨树人工林生态系统呼吸和土壤呼吸分别在
年、月、日上的动态格局,探求两者在不同时间尺度上的变化规律及其对环境气象因子响应的差异。
1摇 材料和方法
1. 1摇 研究区域概况
本研究区位于北京大兴区大兴林场,北纬 39毅31忆50义、东经 116毅15忆07义,平均海拔 30 m,坡度<5毅,地势平
坦,为海河水系永定河洪积———冲积平原。 该区属暖温带亚湿润气候区,多年年平均气温为 11. 6益,极端最
低气温-27. 4益,极端最高气温 40. 6益。 多年年平均无霜期 209d;年平均日照总时数 2772h,日平均太阳辐射
量为 6. 7MJm-2d-1,平均风速 2. 60m / s,风向变化显著。 1990—2009 年的年平均降雨量为 556mm,最少年降雨
量为 262mm,最多年降雨量为 1058mm,其中 7、8、9 月份降水占全年降水总量的 60%—70% 。 该区土质为沙
壤土,平均厚度为 2. 0m,通透性好,保肥蓄水能力差。 2003—2009 年的平均地下水位为 16. 7m,地下水位低。
试验地为 1998、2001 和 2003 年分别营造的杨树人工林(欧美 107(Populus伊 euramericana cv. “74 / 76冶))。
林分结构单一,下垫面均匀整齐,平均栽植密度为 3 m伊2 m。 林下植被绝大多数为当年生草本植物,其中主要
植被为黄花蒿(Artemisia annua L. )和尖头叶藜(Chenopodium acuminatum)以及紫苜蓿(Medicago sativa)等。
1. 2摇 仪器设备与数据采集
采用开路式涡度相关系统连续测定杨树人工林生态系统与大气间的碳、水和能量交换。 在杨树人工林中
心位置架设一高为 25m 的观测塔,H2O / CO2 红外气体分析仪( Li鄄 7500, Li鄄Cor, NE)、净辐射仪(Q7. 1,
REBS)、量子探头(Li鄄 190SB鄄L, Li鄄Cor, NE)和三维超声风速仪(CSAT3, CS, USA)等仪器安装高度为 2007
年和 2008 年的 18m。 根据林分调查结果,2008 年的年平均树高生长量为 1. 8m,为了保持通量源区的一致性,
在 2009 年 2 月将以上涡度相关仪器安装高度调整为 20m。 气压计(CS105, CS, USA)和翻斗式自动雨量计
(TE525鄄L, CS, USA)的安装高度分别为 21 m和 22. 5m,4 层空气温湿度传感器(HMP45C probe, CS, USA)
的安装高度分别为 5、10、15m 和 20m;3 个土壤温度传感器(TCAV107, CS, USA)和 3 个土壤热通量板
(HFT3, Seattle, WA)均分别置于地表以下 5、10、20cm处;土壤水分观测仪 TDR(CS616, CS, USA)分别位于
地表以下 5 和 20cm处。 10Hz高频数据和 30min的在线平均数据采用 CR5000 数据采集器(CS, USA)采集,
30min的常规气象数据采用 CR23X数据采集器(CS, USA)采集。
土壤呼吸采用 4 气室测定系统(Li鄄8150, Li鄄Cor, NE)测定,4 个气室以中央控制室为中心、10m为半径分
布在东南西北 4 个方位上,其呼吸室均朝正南方向放置,测定间隔为 30min,依次测量 4 个气室的土壤呼吸速
率,每个气室的采样时间为 3 min,土壤呼吸速率为 3 min 的平均值。 为减少对土壤的扰动,气室安装在插入
地下 3—6 cm的土壤隔离圈上。 在测量土壤呼吸速率的同时测量土壤 5、10、20cm温度以及 10、20cm土壤体
积含水量,土壤呼吸及其相关的温度和体积含水量数据均采用 CR1000 数据采集器(CS, USA)采集。
1. 3摇 研究方法与数据处理
1. 3. 1摇 涡度相关法
涡度相关技术是现今唯一能够直接测量陆地生态系统与大气间物质和能量交换的标准方法[25],现已成
为全球通量观测网络(FLUXNET)中直接测定陆地生态系统 CO2 和水热通量的主要方法[7]。 在实际应用中,
CO2 通量(Fc)的计算公式为[25鄄28]:
Fc = w籽c = w忆籽c忆 + w籽c 抑 w忆籽c忆 (1)
式中, 籽c 是 CO2 密度(mg / m3),w是风速的垂直分量(m / s),上划线(-)表示某时间段内的平均值,( 忆)是表示
瞬时值与平均值的偏差即脉动值。
通量数据的处理主要包括以下 5 个步骤,(1)采用平面拟合(planar fit, PF)法[28鄄29]对 10Hz的原始高频数
据进行坐标旋转[30]使三维超声风速仪平行于拟合平面,以剔除仪器倾斜误差和侧风影响湍流通量矢量;(2)
对半小时的通量数据进行 WPL校正[31鄄33]以消除由水热传输造成的 CO2 通量变化的密度效应影响;(3)异常
数据的剔除,剔除时遵循以下标准:淤 同期有降雨的数据,于 质量控制数值(AGC) >65 的数据,盂 样本数
2042 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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<17000 的数据,榆 高于 6 倍标准差(6滓)的数据;(4)求取摩擦风速阈值(U*),并且剔除摩擦风速
在利用涡度相关法研究生态系统呼吸的早期,大多数学者通过建立 Re 与温度的方程来对整个生长季的
Re进行估算[35鄄36];目前则是建立 Re 与温度和水分的耦合模型来模拟整个生长季的 Re[37鄄38]。 在通量数据插
补过程中,夜间通量观测数据(Carbon Flux,Fc)就是生态系统呼吸,一般利用夜间生态系统呼吸与温度和水
分的模拟方程来反推白天的生态系统呼吸。 首先对夜间半小时尺度的 Re 和土壤 5、10、20cm 的温度 Ts5、
Ts10、Ts20 等温度指标和土壤 5、20cm的质量含水量 m5、m20 以及 vwc等水分指标进行相关性分析,确定其中
与 Re相关性最显著的温度和水分指标分别为 Ts5 和土壤体积含水量( vwc);最后利用 2007—2009 年的夜间
(夜间定义为:光合有效辐射 PAR<4 mmol / m2,并且日出<时间<日落)通量观测数据 Fc比较了由 Lloyd鄄Taylor
方程[39](2)和 R10 的土壤水分二次方程[32](3)演变而来的 Law model[40](4)与由温度和水分连乘的 Q10 模
型[37](5)两种数据插补方法,结果表明 Law model比 Q10 model具有更小的平均相对偏差,模拟数据更接近实
际观察值,因此,本研究采用由 Ts5 和 vwc耦合连乘的 Law model指数方程(4)来对生长季白天的生态系统呼
吸进行数据插补。 同时,通过比较非生长季的插补方程(2)和方程(4)的数据插补精度,确定方程(2)为插补
非生长季 Re数据的优化方程:
Lloyd鄄Taylor方程 Re = R10 exp Ea / R(1 / (Ts5
+273. 15( ))) (2)
R10 对水分的二次方程 R10 = a0 + a1 伊 vwc + a2 伊 vwc2 (3)
Law模型 Re = (a0 + a1 伊 vwc + a2 伊 vwc2) exp(Ea / R(1 / (Ts5
+273. 15))) (4)
Q10 模型 Re = (a0 + a1 伊 vwc + a2 伊 vwc2)exp((Ts5
-10) 伊 log10Q10 / 10) (5)
式中,R10 是土壤温度为 10益的生态系统呼吸,Ea 是活化能(kJ / mol),R 是气体常数(8. 3143kJ mol
-1 K-1),
Ts5 为土壤 5cm温度;vwc是 0—20cm土壤平均体积含水量,Q10 是土壤温度每升高 10益,土壤呼吸的变化率。
采用能量平衡比率法(EBR)评价涡度相关法的数据质量。 EBR 就是指在一定观测期间内的由涡度相关
仪器直接观测的湍流能量(Hs+LE)与可供能量(Rn-G)的比值(因为其它能量源汇 Q通常很小接近于 0,所以
在实际计算中被忽略) [41],即:
EBR =移 Hs +( )LE /移(Rn - G) (6)
式中,Hs为显热通量(W m-2 s-1),LE为潜热通量(W m-2 s-1),G为土壤热通量(W m-2 s-1),Rn 为净辐射(W
m-2 s-1)。
1. 3. 2摇 动态箱式法
土壤呼吸采用动态箱式法测定,主要利用采样室 CO2 增加的速度来估算室外自由大气 CO2 的传播。 土
壤呼吸即为土壤 CO2 通量,计算公式为:
Rs = dc / dt 伊 (V / A) 伊 Mv (7)
式中,dc / dt 是土壤排放的二氧化碳变化率(滋mol / m2),V 是气室体积(m3);A 是土壤暴露面积(m2),Mv 是由
气压与温度决定的量。
土壤呼吸速率数据的剔除标准为:(1)<0 的数据;(2)大于 6 倍标准差(6滓)的数据。 在数据插补中,分别
对 4 个气室进行 Rs与 Ts5 的指数方程[42]拟合以及利用拟合方程和对应 Ts5 进行缺失 Rs数据的插补。
分析数据时间段为 2007 年 1 月 1 日至 2009 年 12 月 31 日,Rs数据插补中使用的 Ts5 为每个对应气室的
土壤 5cm温度,Re数据插补以及日尺度上分析使用的 Ts5 和 vwc 数据分别为 5 个土壤 5cm 温度和 0—20cm
土壤体积含水量的平均值。 在碳通量的研究中,当 NEE <0 时为碳吸收期( carbon uptake period, CUP)。
2007—2009 年,该生态系统均在第 90 天左右进入 CUP,在第 305 天左右结束 CUP;为方便分析,大致将每年
的 4 月 1 日到 10 月 31 日确定为生长季。
2摇 结果与分析
3042摇 8 期 摇 摇 摇 方显瑞摇 等:永定河沿河沙地杨树人工林生态系统呼吸特征 摇
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2. 1摇 生态系统能量闭状况
2007—2009 年该人工林生态系统在半小时尺度上的(即包括夜间通量数据)能量闭合度为 0. 775(图 1)。
而在剔除夜间通量数据的情况下,很多森林生态系统的能量闭合程度一般在 0. 7—0. 9 之间[43鄄44]。 可见,本
杨树人工林生态系统的实际能量闭合程度较高,涡度相关技术的观测数据可靠。
2. 2摇 生态系统和土壤呼吸的年际变化
2007—2009 年该生态系统 Re 年总量分别为 946. 68、863. 58gCm-2a-1 和 817. 30gCm-2a-1,其中生长季总
量分别为 626. 78、646. 23gCm-2a-1 和 631. 18gCm-2a-1;由于生态系统在 2008 和 2009 年分别受到病虫害和干
旱胁迫的影响,这俩年的 Re年总量比 2007 年小。 3a中土壤呼吸(Rs)年总量分别为 642. 11、629. 29gCm-2a-1
和 608. 35gCm-2a-1,其中生长季总量分别为 519. 29、502. 78gCm-2a-1 和 495. 69gCm-2a-1(图 2)。 2007—2009
年,Rs生长季总量跟 Rs年总量的比值分别为 80. 9% 、79. 9%和 81. 4% ,其变化很小,采用 Rs生长季总量来估
算 Rs年总量非常可靠。 Rs年总量与 Re年总量的比值在这 3a 中分别为 67. 83% 、72. 87%和 74. 52% 。 而 Rs
生长季总量与 Re生长季总量的比值分别为 82. 85% 、77. 80%和 78. 53% 。 这说明在年总量上,Rs 约为 Re 的
70% ,而在生长季总量上,Rs为 Re的 80%左右。
图 1摇 2007—2009 年杨树人工林生态系统能量平衡闭合
摇 Fig. 1摇 Energy balance closure of the poplar plantation ecosystem
at half鄄hourly scale from 2007 to 2009
摇 图 2摇 2007—2009 年生态系统呼吸和土壤呼吸的年总量和生长季
总量
Fig. 2 摇 Annual and growing seasonal ecosystem and soil
respiration for 2007, 2008, and 2009
2. 3摇 生态系统呼吸和土壤呼吸的月总量变化
图 3 是 2007—2009 年 Re和 Rs的月总量变化。 3a中 Re 月总量最小值出现在 2009 年 2 月份,最大值出
现在 2008 年 8 月份(图 3);Re月总量在 2007 和 2008 年中均在 8 月份达到最大值(2009 年因严重干旱胁迫在
7 月份达到最大值)。 Rs月总量在 3a中均呈整体上的单峰曲线(图 3),表现为从 1 月份开始上升,在 7 或者 8
月份达到最大值,此后下降至 12 月份,其中最小值出现在 2 或者 12 月份;这与 Ts5 月均值的变化趋势相一致
(图 3)。
2. 4摇 生态系统呼吸和土壤呼吸日总量的季节动态
图 4 是 Re和 Rs日总量在 2007,2008 和 2009 年的季节动态变化。 从图 4 中可以看出,3a中 Rs日总量最
大值和最小值分别为 5. 285 和 0. 330gCm-2d-1;而 Re日总量最大值和最小值分别为 7. 781 和 0郾 504gCm-2d-1。
在变化趋势上,Re日总量和 Rs日总量的动态变化相一致,即 90 d左右开始上升,在 240 d 左右达到高峰
值,305 d左右开始下降。 2007 年,Re日总量在非生长季明显大于 Rs 日总量,而在生长季中两者差别不大。
Re日总量在 2008 年的 244 d时有一个急剧下降,这主要是因为生态系统 225 d 时受到病虫害(美国白娥)的
影响,新陈代谢受到抑制(叶面积指数从 236 d 的 3. 15m2 / m2 下降到 264 d 的 2郾 52m2 / m2 )。 Re 日总量在
2009 年的生长季波动较前两年小,这是由于生态系统在 2009 年的生长季中后期受到严重干旱胁迫影响而导
4042 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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致人工林生态系统的新陈代谢受到抑制。
图 3摇 2007—2009 年生态系统呼吸、土壤呼吸的月总量和土壤 5cm温度 Ts5 的月均值变化
Fig. 3摇 Changes of monthly ecosystem respiration, soil respiration and monthly mean Ts5 from 2007 to 2009
图 4摇 2007、2008 和 2009 年生态系统呼吸和土壤呼吸日总量的动态变化
Fig. 4摇 Seasonal variation of daily ecosystem respiration and soil respiration in 2007,2008 and 2009
2. 5摇 生态系统呼吸对环境因子的响应
2. 5. 1摇 生态系统呼吸与环境因子的相关性分析
摇 摇 2007—2009 年半小时的夜间通量(Fc)与环境因子相关性分析表明,Re在 2007 和 2008 年均与 Ts5、Ts20、
5042摇 8 期 摇 摇 摇 方显瑞摇 等:永定河沿河沙地杨树人工林生态系统呼吸特征 摇
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空气温度(Ta)和空气相对湿度(RH)四者显著相关,其中 Re与 RH的显著性最高(表 1);而在 2009 年,Re与
各环境因子均不显著相关,但与 RH的相关系数最高。 综合分析可得,Re在 2007—2009 年的最主要影响因子
为 RH。 而根据谭炯锐 2009 年对北京大兴杨树人工林土壤呼吸的研究结果[24],2007—2008 年 Rs在半小时尺
度上与 Ts5 的相关性最显著(R2 =0. 837),Ts5 为土壤呼吸的最主要影响因子。
表 1摇 夜间碳通量与环境因子在半小时尺度上的相关性分析
Table 1摇 Correlation analysis between nighttime carbon flux and environmental factors at half鄄hourly scale
土壤 5cm温度
Ts5
/ 益
土壤 20cm温度
Ts10
/ 益
空气温度
Ta
/ 益
空气相对湿度
RH
/ 益
饱和大气压差
Vpd / kPa
0—20cm土壤体积
含水量 vwc
( / m3 / m3)
2007 Pearson相关性 0. 068** 0. 068** 0. 062** 0. 111** -0. 027** -0. 003
显著性(双侧) 0 0 0 0 0. 042 0. 817
N 5623 5623 5623 5623 5623 5623
2008 Pearson相关性 0. 166** 0. 166** 0. 157** 0. 182** -0. 033 0. 133**
显著性(双侧) 0 0 0 0 0 0
N 6213 6213 6213 6213 6213 6213
2009 Pearson相关性 0. 001 0. 003 -0. 011 0. 021 -0. 041 -0. 01
显著性(双侧) 0 0 0 0 0 0
N 5817 5817 5817 5817 5817 5817
2. 5. 2摇 生长季生态系统呼吸和土壤呼吸对 Ts5 和 vwc两者耦合效应的响应
从图 5a中可以看出,Rs较高值(Rs>4 gCm-2d-1)主要集中在 Ts5 处于[25,32],且 vwc 处于[4,13]时;Rs
较低值(Rs<2 gCm-2d-1)主要集中在 Ts5 处于[10,20],且 vwc处于[14,18]和[0,8]时。
Re较高值(Re>5 gCm-2d-1)和较低值(Re<2 gCm-2d-1)的分布较为分散(图 5)。 Re 较高值在 Ts5 处于
[10,33]和 vwc处于[4,18]之间都出现过,Re较低值的分布则没有明显的规律。
图 5摇 土壤呼吸和生态系统呼吸对 Ts5 和 vwc两者耦合效应的响应
Fig. 5摇 Soil and ecosystem respiration responses to the coupling effect of Ts5 and vwc
6042 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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从耦合效应来看,在日尺度上,Rs比 Re更容易受 Ts5 的影响;这与 Zha在 2007 年发现欧洲赤松林生态系
统土壤呼吸比叶呼吸和树干呼吸更容易受到温度影响的结论相一致[45]。 同样从整个图 5 中可以得出,vwc更
能够影响 Rs;Rs对 Ts5 和 vwc两者的耦合效应的响应较明显,而 Re对 Ts5 和 vwc两者的耦合效应的响应则要
复杂的多。
3摇 结论
2007—2009 年,杨树人工林生态系统的 Re年总量分别为 946. 68、863. 58、817. 30gCm-2a-1,较一般温度森
林生态系统低[16鄄46];Rs年总量在 3a中分别为 642. 11、629. 29 gCm-2a-1 和 609. 05 gCm-2a-1,约为 Re年总量的
70% ,是生态系统呼吸的主要组分[45鄄47]。 Rs生长季总量与 Rs年总量的比值年际变化很小,约为 80%左右,采
用 Rs生长季总量来估算 Rs 年总量非常可靠。 3a 中 Re 日总量最大值和最小值分别为 7. 781gCm-2d-1 和
0郾 504gCm-2d-1,Rs日总量最大值和最小值分别为 5. 285 和 0. 330gCm-2d-1。 从月尺度上看,Re月总量和 Rs月
总量一般在 7 或者 8 月份达到最大值,两者在变化趋势上与 Ts5 等温度相一致。 从环境影响因子来看,Re 和
Rs都受 Ts5 的显著影响,但是 Re的最主要影响因子为 RH, 而 Rs的最主要因子为 Ts5;从耦合效应上来说,Rs
更容易受到 Ts5 和 vwc耦合效应的限制。
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9042摇 8 期 摇 摇 摇 方显瑞摇 等:永定河沿河沙地杨树人工林生态系统呼吸特征 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 8 April,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Physiological responses of five deciduous broad鄄leaved tree seedlings in the Northeast Area of China to burning
WANG Rong,HU Haiqing (2303)
………………………
……………………………………………………………………………………………………
The occurrence regularity of psyllid in Haloxylon spp and its influencing factors
LI Fenlian, WU Xuehai, WANG Peiling,et al (2311)
………………………………………………………
……………………………………………………………………………
The estimating of the spatial distribution of forest biomass in China based on remote sensing and downscaling techniques
LIU Shuangna, ZHOU Tao,SHU Yang,et al (2320)
……………
………………………………………………………………………………
Multivariate correlation analysis between landscape pattern and water quality
ZHAO Peng, XIA Beicheng, QIN Jianqiao,et al (2331)
…………………………………………………………
……………………………………………………………………………
Red fox habitat selection and landscape feature analysis in the Dalai Lake Natural Reserve in Inner Mongolia
ZHANG Honghai, LI Chengtao, DOU Huashan,et al (2342)
………………………
………………………………………………………………………
Research on assemblage characteristics of macroinvertebrates in the Yalu Tsangpo River Basin
XU Mengzhen, WANG Zhaoyin, PAN Baozhu, et al (2351)
………………………………………
………………………………………………………………………
Climate change induced potential range shift of the crested ibis based on ensemble models ZHAI Tianqing, LI Xinhai (2361)………
Analysis of the sources of second generation meadow moth populations that immigrated into Chinese pastoral areas in 2010
ZHANG Li, ZHANG Yunhui, ZENG Juan, et al (2371)
…………
…………………………………………………………………………
Genetic diversity based on cytochrome b gene analysis of different geographic populations of blue sheep in China
LI Nannan, LIU Zhensheng, WANG Zhenghuan, et al (2381)
……………………
……………………………………………………………………
Soil microbial properties under different grain鄄for鄄green patterns in depressions between karst hills
LU Shiyang, PENG Wanxia, SONG Tongqing, et al (2390)
……………………………………
………………………………………………………………………
Ecosystem and soil respiration of a poplar plantation on a sandy floodplain in Northern China
FANG Xianrui, ZHANG Zhiqiang, ZHA Tonggang, et al (2400)
…………………………………………
…………………………………………………………………
Estimating total nitrogen content in water body based on reflectance from wetland vegetation
LIU Ke,ZHAO Wenji,GUO Xiaoyu,et al (2410)
…………………………………………
……………………………………………………………………………………
Analysis on complete F type of mitochondrial genome in Lamprotula leai CHEN Ling,WANG Guiling, LI Jiale (2420)………………
The source鄄sink landscape pattern change and its effect on phosphorus pollution in Yuqiao watershed
LI Chongwei, HU Jie, WANG Sa, et al (2430)
…………………………………
……………………………………………………………………………………
Responses of soil nematode communities to soluble salt contamination around Gangue hill in Fushun
ZHANG Weidong, LV Ying, XIAO Ying, et al (2439)
…………………………………
……………………………………………………………………………
Effect of aboveground competition on biomass partitioning of understory Korean pine (Pinus koraiensis)
WANG Jinsong, FAN Xiuhua, FAN Juan, et al (2447)
………………………………
……………………………………………………………………………
Research of methane metabolic microbial community in soils of slash pine plantation and Masson pine plantation
WANG Yun, ZHENG Hua, CHEN Falin, et al (2458)
……………………
……………………………………………………………………………
啄13C values of stem phloem water soluble sugars of Pinus massoniana and Cunninghamia lanceolata response to meteorological
factors LU Yuxi,WANG Zhenxing,ZHENG Huaizhou,et al (2466)………………………………………………………………
Soil respiration patterns during restoration of vegetation in the Shapotou area, Northern China
GAO Yanhong, LIU Lichao, JIA Rongliang, et al (2474)
…………………………………………
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Dynamics of caloric value of Robinia pseudoacacia L. energy forest in the west of Henan Province
TAN Xiaohong, LIU Shiqi, MA Luyi, et al (2483)
……………………………………
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Ex鄄situ symbiotic seed germination of Dendrobium catenatum WU Huifeng, SONG Xiqiang, LIU Hongxia (2491)……………………
Effects of red / far red ratio on morphological index,leaf area and dry matter partitioning of cut chrysanthemum flower
YANG Zaiqiang,ZHANG Jibo,LI Yongxiu,et al (2498)
………………
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Effect of prometryne on root activity and oxidative stress of Polygala tenuifolia Willd. seedling roots
WEN Yinyuan, GUO Pingyi,YIN Meiqiang,et al (2506)
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Combined effects of elevated O3 concentration and UV鄄B radiation on photosynthetic characteristics of soybean
ZHENG Youfei, XU Weimin, WU Rongjun, et al (2515)
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Nutrients transfer for host plant and litter decompositon by AMF in Karst soil
HE Yuejun,ZHONG Zhangcheng,DONG Ming (2525)
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The dynamics of bacteria community diversity during the fermentation process of traditional soybean paste
GE Jingping,CHAI Yangyang , CHEN Li, et al (2532)
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Effect of site鄄specific fertilization on soil phosphorus in purple garden soil
SUN Qianqian,WANG Zhengyin,ZHAO Huan,et al (2539)
……………………………………………………………
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A method of determining standards for ecological compensation in agricultural areas, giving priority to environmental flows in water
allocation PANG Aiping, SUN Tao (2550)…………………………………………………………………………………………
The loss of ecosystem services value caused by food security assessment model and it忆s application
LU Weiye,JIANG Zhide,ZHANG Yinglong,et al (2561)
……………………………………
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Review and Monograph
Review of the current situation of coastal ecological engineering using dredged marine sediments and prospects for potential app鄄
lication in China HUANG Huamei, GAO Yang, WANG Yinxia, et al (2571)……………………………………………………
Discussion
Quorum sensing in anaerobic ammonium oxidation bacteria DING Shuang,ZHENG Ping,ZHANG Meng,et al (2581)………………
Health evaluation of Dongting Lake based on morphological characters SHUAI Hong,LI Jingbao,XIA Beicheng,et al (2588)………
Scientific Note
Effects of mix鄄leaf litter decomposition of different trees in the Loess Plateau
LIU Zengwen,DU Liangzhen,ZHANG Xiaoxi,et al (2596)
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Changes in soil active organic carbon under different management types of bamboo stands
MA Shaojie, LI Zhengcai, WANG Bin, et al (2603)
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Effects of drought stress on photosynthesis and associated physiological characters of pepper
OU Lijun, CHEN Bo, ZOU Xuexiao (2612)
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Effects of silicon application and drought stress on photosynthetic traits and mineral nutrient absorption of rice leaves
CHEN Wei, CAI Kunzheng, CHEN Jining (2620)
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《生态学报》2012 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的自然科学高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研究原
始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方
法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,280 页,国内定价 70 元 /册,全年定价 1680 元。
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生摇 态摇 学摇 报
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(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 32 卷摇 第 8 期摇 (2012 年 4 月)
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