全 文 ：第 25卷第 6期
2005年 6月
生 态 学 报
ACTAECOLOGICASINICA
Vol.25,No.6
Jun.,2005
亚热带红壤丘陵人工混交林区 CO2源汇及变化
沈 艳1,缪启龙1,刘允芬2
(1.南京信息工程大学气象学院,江苏 南京 210044;2.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101)
基金项目:中国科学院知识创新工程重大资助项目(KZCX1-SW-01-01A2);中国科学院地理科学与资源研究所知识创新工程主干科学计划资助
项目(CX10G-E01-03-05);中国科学院知识创新资助项目(KZCX2-407)
收稿日期:2004-04-11;修订日期:2004-10-09
作者简介:沈 艳(1977～),女,山西忻州人,博士生,主要从事陆地生态系统 C、N循环研究.E-mail:dysy77@163.com
致谢:南京信息工程大学的陈万隆老师对本文给予指导和帮助,在此深表感谢!
Foundationitem:TheProjectofKnowledgeInnovationofCAS(No.KZCX1-SW-01-01A2),theProjectofKnowledgeInnovationScientific
ProgramofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearchInstituteofCAS(No.CX10G-E01-03-05)andtheProjectofKnowledge
InnovationofCAS(No.KZCX2-407)
Receiveddate:2004-04-11;Accepteddate:2004-10-09
Biography:SHENYan,Ph.D.candidate,mainlyengagedinCandNcyclingofterrestrialecosystem.E-mail:dysy77@163.com
摘要:利用 2003年 1～6月份 23m高度上的涡动相关观测数据,分析了典型亚热带红壤丘陵人工混交林区 CO2通量的变化特
征。结果表明:森林碳汇午前略高于午后,碳源是后半夜大于前半夜,但平均碳汇大小是碳源的 6倍,该生态系统是大气重要的
碳汇。研究 CO2通量的季节变化时发现:呼吸对升温有更大的正相关。日 NEE密度受光合作用有效辐射(PAR)、风速的影响
很大。研究时段的月 NEE密度在-0.0696～-0.1493mg/(m2·s)。最后,利用方差分析和多元线性回归方法建立了预报日
NEE的线性模型。
关键词:人工混交林;CO2通量;NEE;日变化;季节变化;PAR
文章编号:1000-0933(2005)06-1371-05 中图分类号:S154.2,S718 文献标识码:A
CO2source/sinkanditsvariationofartificialmixedforestinsubtropicalredsoil
hillyarea
SHEN Yan1,MIAO Qi-Long1,LIU Yun-Fen2 (1.CollegeofMeteorology,NanjingUniversityofInformationScience&
Technology,Nanjing210044,China;2InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China).Acta
EcologicaSinica,2005,25(6):1371～1375.
Abstract:Basedoneddy-covariancemeasurementdatainJan.～Jun.,2003at23mhigh,thechangingcharacteristicsofCO2
fluxinartificialmixedforestsareinvestigatedintypicalsubtropicalredsoilhilyarea.Researchresultindicatesthatforest
carbonsink/sourceishigherinforenoon(8:00～12:30)/firsthalfnight(0:00～5:30)thanafternoon(13:00～18:00)/latter
night(18:00～23:30)andtheaveragesinkis6timesofsource.Thisecosystemrepresentsanimportantsinktoatmosphere.
Respirationhasmorepositivecorrelationwithtemperatureincreasethanphotosynthesisderivedfrom CO2 fluxseasonal
variation.DiurnalNEEdensityismostlyinfluencedbyphotosyntheticalyactiveradiation(PAR)andwindspeed.Monthly
NEEdensityisbetween-0.0696and-0.1493mg/(m2·s).Finaly,alinearmodelisestablishedtoforecastdiurnalNEE
throughvarianceanalysisandmultiplelinearregressionmethods.
Keywords:artificialmixedforest;CO2flux;NEE;diurnalvariation;seasonalvariation;PAR
大气中CO2等含碳气体含量的日益增加,是造成全球温室效应的主要原因之一。据IPCC2000[1]年的最新报道指出:自从工
业革命以来的近 200a内(1750～1998年),大约有 406±60GtC(1Gt=109t=10亿 t=1Pg=1015g),以 CO2的形式被排放进入
大气。森林系统是大气重要碳汇已逐渐成为科学界公认的事实。国外对各种类型森林排放 CO2的机制、变化规律和碳汇大小的
研究[2～12]支持了森林系统是大气碳汇这一事实,但也有报道[13]指出:黑云杉林是大气的碳源。国内相关报道尚不多见。我国南
方红壤丘陵区是世界上一个特殊的生态类型区,也是我国南方的主要生态类型区。研究该地区 CO2源汇和动态变化特征,
===================================================================
并探
讨环境因子的影响,对于揭示亚热带红壤丘陵区的碳收支机理,对温室效应的影响和响应,为建立并运行温室气体动态模型进
而精确查明全球碳收支都有重要意义,同时是我国社会经济发展和环境外交的双重要求。
本文采用的涡动相关法是通过快速传感器测定并计算垂直风速脉动和待测物理量脉动的协方差来获得湍流通量的。此方
法较其它微气象测量方法直接、简易,且在通量计算中几乎不存在任何假设。但必须使用高精度,响应速度极快的湍流脉动传感
器。近年来,超声波风速计和高性能气体分析仪的开发和改进,使其应用成为可能。自 1951年 Swinbank首次用涡动相关法测
量通量以来,一直被认为是当今测定通量的较精细而可靠的方法[14]。从 2003年 1～6月,在距地面 23m处进行 CO2通量涡动
相关测量,本文利用 CO2通量和温、湿、压、辐射资料,希望对该区域 CO2变化特征进行初步分析。
1 试区概况
中国科学院千烟洲生态试验站(115º0413"E,26º4448"N)位于江西省泰和县灌溪乡境内,是我国南方典型的亚热带中部红
壤丘陵区。试区现有林分基本为 1985年前后营造的人工纯林,主要树种有马尾松、湿地松、杉木以及木荷、柑橘等,常绿植被占
土地总面积的 76%。更详细的自然环境和观测站点位置描述见文献[15]。
2 研究方法
2.1 数据获取
千烟洲试验站的 2套开路涡动相关系统(OpenPathEddyCovarianceSystem简称OPEC)从 2002年 8月开始运行,为了获
得最佳观测高度,仪器定期在 15、23、31、39m调换。理论上认为,涡动相关法测定高度是林冠高度的 1.8倍时,其结果最能反映
森林系统的 CO2净交换[12]。故本文选用 2003年 1～6月运行的 23mOPEC数据。OPEC23m包括 CR5000数据采集器、
CSAT33-维超声风速仪和 LI-7500开路红外 CO2/H2O气体分析仪。CR5000实时采集全天 24h的原始数据并且根据输入程序
作即时通量及其相关量的计算,如 CO2通量 Fc(下同)、感热通量和潜热通量等;CSAT3能够测量 3-维风速和风向;LI-7500测
量 CO2和 H2O浓度。另外还装有温度和湿度探头。采样频率 10Hz。仪器定期校准。选时间步长 30min的 Fc数据进行分析。
2.2 数据处理
表 1 2003年 1～6月份每月缺测天数
Table1 MissingMeasurementDaysinJan～Jun,2003
月份
Month
1月
Jan.
2月
Feb.
3月
Mar.
4月
Apr.
5月
May
6月
Jun.
缺测天数(d)
Missingmeasurements
8 5 7 3 2 2
森林植物通过同化作用,吸收大气中的 CO2,固定在森林
生物量中,森林是大气的碳汇,涡动相关的 Fc是负值;另一方
面森林中动物、植物和微生物的呼吸以及枯枝落叶的分解氧
化等过程,以 CO2、CO、CH4等形式向大气排放碳,森林又是大
气的碳源,Fc是正值。实际工作中,由于各种原因[16]会出现缺
测和不合理数据 ,只取一天中不存在缺测且 Fc值在±2.2
mg/(m2·s)[12]之间的观测值,否则视缺测处理,各月缺测天数见表 1。
(1)Fc日变化计算方法 将每月中每天同一时间的 Fc相加后求平均,得到时间步长是 30min的 Fc。
图 1 1～6月份各月及 6个月平均的森林 Fc日变化
Fig.1 MonthlyforestFcdiurnalvariationfromJan.toJun.and
totalaverage
(2)NEE计算方法 群落以上 Fc测量值表示该生态系统与大气的 CO2净交换,即"净生态系统 Fc[10]"。净生态系统 Fc就
是多个Fc的代数和。所以,用一天中 48个Fc的平均值能换算得到每月的净生态系统CO2交换(NEE)(即森林系统碳储量)通
量密度。失测值用线性内插值代替。
3 结果与讨论
3.1 森林 Fc及其日变化
图 1是Fc日变化曲线,称"抛物线型"曲线。统计数据和图 1
都表明:从 1月到 6月,森林系统吸收的碳量逐渐增大,呼吸释
放的碳量也逐渐增大,而且二者的差值即森林固定的碳量除了 6
月份也是逐渐增大的。平均而言,森林 Fc正、负值有 2个转折时
间,即早 8:00和晚 18:00。从早 8:00开始光合作用首次超过呼
吸作用,一直持续到 18:00。18:00以后,呼吸作用再次强于光合
作用。实际上,平均光合作用开始的时间要比 8:00早,呼吸作用
要比 18:00早。总的来说,白天(8:00～18:00)Fc绝对值高于夜
间(18:00～8:00)。就占日总量的比率来说,白天吸收的碳占
86%,夜间释放的碳仅占 14%,该森林系统是很强的碳汇。12:30
以后,光合作用速率开始变慢,表现为 8:00～12:30碳汇大于
13:00～18:00。就占碳汇的比率来说,8:00～12:30占 45%,
13:00～18:00约占 40%。另外,夜间 Fc波动性较大,可能与森
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林地区夜间大气层结稳定性和湍流有关。
另外,绘制了光合作用最强(即CO2日最大汇)的频率时间分布图(图 2)。从 10:00～14:30出现最大值的频率合计占 80%,
其中光合作用最强的前 5个时间分别是:11:30、12:00、11:00、13:30和 10:30,合计占 55%强。而 12:00、12:30出现的频率较
小,合计仅占 11%强。似乎也说明了短暂的生态系统"午休"现象。呼吸作用最强(即 CO2日最大源)的频率时间分布图(图 3),
没有图 2那样集中的趋势,表现为波动增减,但是 0:00～5:30出现最大值的频率大于 18:00～23:30,分别占 60%和 40%。
图 2 光合作用最强的频率时间分布
Fig.2 Frequentand temporaldistribution ofphotosynthetic
maximum
图 3 呼吸作用最强的频率时间分布
Fig.3 Frequentandtemporaldistributionofrespirationmaximum
3.2 森林 Fc及其季节变化
表 2是月 NEE值,图 4是 NEE季节变化图。可知,1～6月份森林系统固定的 CO2在-0.0696～-0.149mg/(m2·s)之
间,最大值出现在 5月份,最小值在 1月份。1～6月份净 Fc密度的变化趋势是先增加后减小。从 4月份开始明显增大,比 3月
份增大了 0.045mg/(m2·s),5月份达到最大值,这与温度升高和植物进入生长期有密切关系。2003年 6月下旬到 7月份该地
区在偏强西太平洋副热带高压的控制下,日平均温度都超过了 30℃,呼吸作用释放碳量增幅超过了光合作用吸收量,这是 6月
份 NEE较 5月份低的重要原因之一。说明在一定温度范围内,呼吸对升温有更大的正相关。另外,6月份植物生长发育变慢也
使得该月的 NEE减小。从 10d移动平均曲线(图 4)也能看出同样的变化趋势,从 1月 1日开始日 NEE逐渐增大,到 5月 21日
附近达到最大值,之后有减小的趋势。研究时段 1～6月份无缺测日共 154d,该系统共储存碳量 1485.93g/m2,日平均值 9.65
g/(m2·d)。
表 2 2003年 1～6月份每月的 NEE密度
Table2 MonthlyNEEdensityinJan.～Jun.,2003
月份 Month 1月 Jan. 2月 Feb. 3月 Mar. 4月 Apr. 5月 May 6月 Jun.
碳汇(mg/(m2·s))Carbonsink -0.0696 -0.0986 -0.0988 -0.1438 -0.1493 -0.1196
"-"表示汇大于源 Carbonsink>Carbonsource
3.3 影响森林 Fc的主要环境因子
这里仅讨论外部因素对呼吸速率和光合速率的影响。光合作用有效辐射(PAR)和 Fc的日变化有很大的相关性(图 5)。随
着 PAR的增加,森林生态系统碳汇功能逐渐增大,碳汇最大值出现时间和 PAR最大值的时间对应。之后碳汇和 PAR都开始
减小。图 5相应的相关系数 R2=0.975(n=48)。已有的研究 NEE与 PAR关系的模型是非线性的[4,17],形如:
NEE= a- bPAR1+ cPAR (1)
在本测站,拟合数据得到 a=-0.06,b=-0.00013,c=-0.002,概率 F检验在 0.05水平上显著,R2=0.73。另外,从图 6较好
的线性关系得到启发,为了综合考虑NEE的影响因子,采用方差分析方法判断外部因子对日NEE的方差贡献率。选取 8个因
子:气温 Ta、5cm、10cm土温(分别记作:Ts5、Ts10)、相对湿度 RH、风速 WS、水气压 Pv、CO2浓度 C(这 7个因子全是日均值)
和 7:00～18:00光合作用有效辐射(PAR)平均值 PAR。方差分析结果见表 3:方差贡献最大的是 PAR达 75.2%,其次是 WS
37316期 沈 艳等:亚热带红壤丘陵人工混交林区 CO2源汇及变化
占 13.5%,都通过了概率 0.05的检验。此时利用多元线性回归法建立线性模型(2),运算得到的模型系数和概率T检验见表 4。
其中截距、PAR、WS的概率T检验在 0.001水平上显著,说明因子对NEE的影响高度有效,R2=0.89。所以,本测站利用PAR
和 WS建立的 NEE预报模型(2)的预报值比(1)更准确:
NEE=- 0.061095- 0.000237× PAR+ 0.028649× WS (2)
在模型(2)中,PAR对 NEE的方差贡献率在 70%以上,下面讨论环境因子与 PAR的关系。采用逐步回归法判断 6个因子
的日均值:Ta、Ts5、Ts10、RH、WS和 Pv与 PAR的关系。在概率 F检验 0.05水平上依次入选 Ta和 Pv,利用多元线性回归方
法建立模型(3),其中截距、PAR、WS的概率 T检验在 0.001上显著,说明模型(3)高度有效:
PAR= 378.538943+ 57.07026× Ta- 662.685242× Pv (3)
从实用角度出发建立的模型(3),可为我国亚热带红壤丘陵区没有 PAR观测资料的测站用气温和水汽压估计 PAR提供参考。
图 4 NEE的季节变化
Fig.4 SeasonalvariationofNEE
◆日均值Dailyaverage; 10d滑动平均 10daysrunningaverage
图 5 PAR和 Fc时间变化图
Fig.5 TemporalvariationsofPARandFc
表 3 8个因子对日 NEE的方差贡献率及概率 F检验
Table3 VariancecontributionratetodiurnalNEEandprobabilityFtestof8factors
因子
Factors
方差贡献率 Variance
contributionrate(%)
累计方差贡献率 Cumulative
variancecontributionrate(%)
F值
Fvalue
Prob> F
PAR 75.2 75.2 34.87 0.0001
WS 13.5 88.7 6.27 0.0153
Ts5 3.6 92.3 1.68 0.2006
Ta 3.3 95.6 1.53 0.2213
Ts10 2.8 98.4 1.31 0.2569
C 0.8 99.2 0.39 0.5336
Pv 0.5 99.7 0.21 0.6477
RH 0.3 100 0.16 0.6914
表 4 多元线性回归得到的变量系数及概率 T检验表
Table4 VariablecoefficientbymultiplelinearregressionandprobabilityTtest
变量 Variables 自由度 DF 系数 Coefficient T值 Tvalue Prob> |T|
截距 Intercept 1 -0.061095 -4.138 0.0001
PAR 1 -0.000237 -7.277 0.0001
WS 1 0.028649 4.319 0.0001
如上述分析已知,日 NEE是负值,而参加筛选的其它环境因子全是正值,所以根据模型中各系数的正、负号得到:模型 1
中,日 NEE与 PAR均值成正相关,而与日平均风速成负相关。因为相同条件下,光合有效辐射强,必将加速森林光合作用。平
均风速越大CO2平流输送越强,本底CO2浓度越低,净通量也越低。在我国亚热带地区,因为水热条件适合植物生长,所以在该
地区影响NEE最主要因子是光合有效辐射和当地的湍流条件。模型(3)中,PAR与Ta成正相关,而与Pv成负相关。因为辐射
越强,气温越高;当大气中水汽含量增加,吸收太阳辐射的量也相应增加,则到达地面的光合有效辐射减少。
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图 6 PAR和 Fc关系图(n=1931)
Fig.6 RelationshipofPARandFc(n=1931)
4 结论
(1)Fc的日变化 碳汇的作用是午前高于午后,而碳源是
后半夜高于前半夜。总的白天森林系统吸收的 CO2远远高于夜
间释放的 CO2,该生态系统是大气的重要碳汇。这是因为该生态
系统属于 20多年生的针阔混交林,加之人为破坏非常少,森林
处于顺行演替过程中,物质和能量快速积累的结果。
(2)Fc的季节变化 随着温度升高,植物开始生长,森林生
态系统吸收的碳量逐渐增大,6月份达到最大;呼吸作用释放的
碳量也逐渐增加。但 6月份高温干旱造成呼吸释放碳量的增幅
大于光合吸收碳量的增大,说明呼吸对升温有更大的正相关。导
致 6月份固定碳量小于 5月份。
(3)月 NEE密度在-0.0696～-0.1493mg/(m2·s)之
间。
(4)Fc和 PAR随时间变化有相同的趋势,同增减,线性关
系明显,相关系数 R2=0.975(n=48)。
(5)建立了日 NEE线性预报模型,并进行了合理性分析。
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