全 文 ：书贝加尔针茅草原生态系统生长季碳
通量及其影响因素分析
徐丽君１，唐华俊１，杨桂霞１，王旭１，王波２，辛晓平１
（１．农业部资源遥感与数字农业重点开放实验室 呼伦贝尔国家野外站 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京１０００８１；
２．中国工程院咨询服务中心，北京１０００８８）
摘要：以贝加尔针茅草原为研究对象，利用涡度相关通量测量系统，测定ＣＯ２ 通量及其影响因子。结果表明，贝加
尔针茅草原ＣＯ２ 通量存在明显的日、季变化，不同生育阶段ＣＯ２ 通量日、季变化呈“Ｕ”型，其中以７月最为明显，
ＣＯ２ 通量固碳、释放碳最大值均出现在７月，分别为－０．５６和０．８３ｍｇ／（ｍ２·ｓ）。潜热通量、显热通量、有效光合
辐射与ＣＯ２ 通量显著相关，与土壤温度、土壤含水量相关不显著。
关键词：贝加尔针茅草原；涡度相关技术；ＣＯ２ 通量；环境因子
中图分类号：Ｓ８１２．２９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４５７５９（２０１１）０６０２８７０６
草地生态系统是全球陆地生态系统的主体类型，在全球碳循环研究中占有重要位置［１３］。草地生态系统碳素
行为很活跃，碳蓄积能力强，这些潜在碳汇在全球碳循环中起着重要作用［４６］。近年来涡度相关技术的进步使得
长期的定位观测成为可能。涡度相关技术是对大气与森林、草原或农田等生态系统间的ＣＯ２、Ｈ２Ｏ和热量通量
进行非破坏性测定的一种微气象观测技术［６８］。目前，涡度相关技术已经广泛应用于陆地生态系统 ＣＯ２ 吸收与
排放的测定中，也是世界上ＣＯ２ 和水热通量测定的标准方法，所观测的数据已经成为检验各种模型估算精度的
权威资料［８１１］。利用涡度技术研究草地生态系统碳通量变化在国外已有大量报道，而目前国内相关研究报道较
少，特别是涡度相关技术的应用，多集中在草地微生物［１２，１３］与呼吸方面的研究［１４］。
呼伦贝尔草原是我国目前原生植被保存最好、景观生态类型和生物多样性最丰富的草原生态系统类型，是我
国北方草原的主要代表，是最大的生物系统［１５，１６］。呼伦贝尔草原对保持生态多样性，保持水土和维护生态平衡
发挥着重要作用，而且是我国北方乃至东亚地区的重要生态屏障。因此，以呼伦贝尔草甸草原为典型代表，深入
研究草原生态系统碳循环过程及其与环境因子之间的影响和响应机制，其结果可为估测贝加尔针茅（犛狋犻狆犪犫犪
犻犮犪犾犲狀狊犻狊）草原生态系统碳收支估算和相关碳模型参数修正提供参考。
１ 材料与方法
１．１ 研究区自然概况
试验地选在呼伦贝尔国家野外站（内蒙古海拉尔市谢尔塔拉镇），北纬４９°０６′～４９°３２′，东经１１９°３２′～１２０°
３５′，研究区域内水热条件较好，属于温带大陆性气候，海拉尔河与伊敏河交汇于此，水资源丰富，无霜期一般为
１１０ｄ左右，年平均气温－２℃，日照时效平均为２８０７ｈ，太阳辐射年总量平均为５１６１ＭＪ／ｍ２。土壤为黑钙土，
肥力中等，土壤含水量在１３％～１５％。研究区为贝加尔针茅草原，围封３年，面积为３３．３３ｈｍ２。
１．２ 研究方法
１．２．１ 数据来源 通量观测系统为开路式涡度相关系统，主要由开路式ＣＯ２／Ｈ２Ｏ分析仪（ＣＳ７５００，ＬＩＣＯＲ，
ＵＳＡ）、超声风速仪（ＣＳＡＴ３，Ｃａｍｐｂｅｌ，ＵＳＡ）和数据采集器（ＣＲ３０００，Ｃａｍｐｂｅｌ，ＵＳＡ）组成。观测仪器安装在
４ｍ高度，测量植被与大气间的通量交换，采样频率为１０Ｈｚ，同时在线计算３０ｍｉｎ通量及其他各种必要的协方
差并把结果存储在数据采集器内。按照微气象学符号，净生态系统ＣＯ２ 交换（ｎｅｔｅｃｏｓｙｓｔｅｍＣＯ２ｅｘｃｈａｎｇｅ，
ＮＥＥ）向下通量（即碳吸收）用负号表示。
第２０卷 第６期
Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．６
草 业 学 报
ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ
２８７－２９２
２０１１年１２月
收稿日期：２０１００８２６；改回日期：２０１１０３２１
基金项目：草畜业数字化管理与优化决策技术研究（２００７ＡＡ１０Ｚ２３０）和现代农业产业技术体系建设专项资金资助。
作者简介：徐丽君（１９７８），女，蒙古族，内蒙古通辽人，博士。Ｅｍａｉｌ：ｘｕｌｉｊｕｎ＿ｎｍｇ＠１６３．ｃｏｍ
通讯作者。Ｅｍａｉｌ：ｘｉｎｘｐ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
微气象观测系统主要包括：辐射（ＣＮＲ１，Ｋｉｐｐ＆Ｚｏｎｅｎ，ＴｈｅＮｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ）、光合有效辐射（ＬＩ１９０ＳＢ，ＬＩ
ＣＯＲ，ＵＳＡ）监测，辐射探头安装高度为２ｍ；２，４，１０，２０，３２ｍ处的空气温／湿度（ＨＭＰ４５Ｃ，Ｃａｍｐｂｅｌ，ＵＳＡ）、风
速（Ｍｏｄｅｌ０１０Ｃ，Ｃａｍｐｂｅｌ，ＵＳＡ）以及２ｍ处风向（Ｍｏｄｅｌ０２０Ｃ，Ｃａｍｐｂｅｌ，ＵＳＡ）监测。其他相关环境要素如温
度、相对湿度、降水量数据均通过气象观测站固定观测，土壤温度（５，１０，１５，２０，４０ｃｍ）、土壤湿度（１０，２０，５０，１００，
１８０ｃｍ）等分别采用温度１０９和水分探头ＣＳ（ＣＡＭＰＢＥＬＬＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ，ＩＮＣ．）进行定位测定。
１．２．２ 数据分析与处理 选取了２００８年贝加尔针茅草原生态系统主要生长季（６－１０月）的碳通量和相关数据
进行研究，为确保数据的准确性，对涡动相关系统的半小时通量数据进行了３次坐标旋转和 ＷＰＬ密度效应修
正［１７］。为了消除夜间低湍流的影响，以夜间摩擦风速＞０．１ｍ／ｓ为标准对数据进行了筛选［５］。经过数据筛选和
剔除异常点后，白天的碳通量利用光响应曲线进行插补［５，１８，１９］；夜间当摩擦速度＞０．１ｍ／ｓ时，碳通量采用指数关
系插补。
１．３ 统计分析
试验数据为２００８年贝加尔针茅草原生长季数据，选择各生长季连续７ｄ的试验数据进行计算，文中数据均
是７ｄ数据的平均值。土壤温度、土壤湿度设置５个重复。数据采用ＳＡＳ８．０进行相关分析。
２ 结果与分析
２．１ 气象因子变化
试验区的降水量、土壤湿度及土壤温度存在一
定的差异性（表１）。８月各项指标均出现明显的“拐
点”，出现了“高温低湿”的现象，这一现象的出现对
牧草的生产造成较大的影响，这将在下面草原ＣＯ２
通量的变化规律上有所体现。
２．２ 贝加尔针茅草原碳通量的月均日动态
贝加尔针茅草原生态系统ＣＯ２ 通量月平均变
化具有明显的季节性，不同月份间ＣＯ２ 通量变化存
在一定的差异性（图１）。７月ＣＯ２ 通量日变化波动
较大，其余月份ＣＯ２ 通量日变化波动较平缓。６－
１０月白天ＣＯ２ 通量以小于０为主，表明地表植被和
表１ 气象因子月平均变化
犜犪犫犾犲１ 犃狏犲狉犪犵犲犿狅狀狋犺犾狔犮犺犪狀犵犲狊犻狀
犿犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犾犳犪犮狋狅狉狊犻狀２００８
月份
Ｍｏｎｔｈ
降水量
Ｒａｉｎｆａｌ
（ｍｍ）
土壤湿度
Ｓｏｉｌｈｕｍｉｄｉｔｙ
（％）
土壤温度
Ｓｏｉｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
（℃）
气温
Ａｉｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
（℃）
６ ４５．５ ２４．４９ ２１．３７ １７．９０
７ １２０．２ ３５．８２ １９．４６ １９．５５
８ ３９．４ １６．５１ １９．３５ １７．６０
９ ３０．５ ３１．６１ １２．４２ ９．３５
１０ ２３．９ ２６．６６ ４．８４ ０．６０
土壤总体上表现为ＣＯ２ 吸收。夜间ＣＯ２ 通量以大于０为主，说明地表植被和土壤总体上表现为ＣＯ２ 排放。ＣＯ２
通量日变化幅度夏季明显高于秋季，夏季ＣＯ２ 通量平均日变化幅度为４８．９８ｋｇＣ／（ｈｍ２·ｄ），秋季ＣＯ２ 通量平
均日变化幅度为２０．２３ｋｇＣ／（ｈｍ２·ｄ），说明夏季地表植被具有更强的光合吸收能力。从各月份ＣＯ２ 通量变化
来看，随着气温的升高和降水量的增加（土壤含水量的增加），植物日间ＣＯ２ 吸收量和夜间的ＣＯ２ 排放量都开始
增大，出现了不同程度的日吸收峰值，碳通量的日变化呈“Ｕ”型曲线，１０月变化不明显。
２００８年贝加尔针茅草原生态系统生长季碳通量的月均最大固碳量和最大碳排放量均出现在７月，分别为
－０．５６和０．８３ｍｇ／（ｍ２·ｓ），说明贝加尔针茅草原生态系统在７月日间的碳固定和夜间的碳排放活动都较强。
２．３ 贝加尔针茅草原碳通量影响因素分析
２．３．１ 碳通量与潜热通量、显热通量的关系 潜热通量和显热通量与碳通量总体上呈显著相关关系（图２），在
不同生长时期，变化趋势相似。６月以后，海拉尔地区气温逐渐回升，水热条件逐渐转好，贝加尔针茅草原植被生
长加速。分析结果显示，６－７月ＣＯ２ 通量随着潜热通量、显热通量的增加呈逐渐下降的变化趋势，即ＣＯ２ 通量
排放量随潜热通量、显热通量的增加而逐渐减少，以碳吸收为主。８月以后，贝加尔针茅草原生态系统碳通量以
碳排放为主。从相关系数看，潜热通量、显热通量与ＣＯ２ 通量相关系数６，７和９月明显高于８和１０月。显热通
量与ＣＯ２ 通量的相关系数略高于潜热通量。
２．３．２ 碳通量与光合有效辐射（ＰＡＲ）的关系 不同时期，ＣＯ２ 通量与ＰＡＲ相关程度不同，６－９月相关系数分
别为０．８３５，０．８９７，０．４４５和０．８５４，１０月缺值（图３）。
８８２ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２０１１） Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．６
图１ 贝加尔针茅草原碳通量月均日变化
犉犻犵．１ 犃狏犲狉犪犵犲犱犪狋犪犮犺犪狀犵犲犻狀狅狀犲犿狅狀狋犺狅犳狀犲狋犲犮狅狊狔狊狋犲犿犮犪狉犫狅狀犳犾狌狓犲狓犮犺犪狀犵犲
狅狏犲狉犛．犫犪犻犮犪犾犲狀狊犻狊犻狀狋犺犲犵狉狅狑犻狀犵狊犲犪狊狅狀
图２ 犆犗２ 通量与潜热通量、显热通量回归分析
犉犻犵．２ 犚犲犵狉犲狊狊犻狅狀犪狀犪犾狔狊犻狊犫犲狋狑犲犲狀犮犪狉犫狅狀犳犾狌狓犪狀犱犾犪狋犲狀狋犺犲犪狋犳犾狌狓，狊犲狀狊犻犫犾犲狉犪犱犻犪狋犻狅狀犳犾狌狓
９８２第２０卷第６期 草业学报２０１１年
图３ 犆犗２ 通量与光合有效辐射回归分析
犉犻犵．３ 犚犲犵狉犲狊狊犻狅狀犪狀犪犾狔狊犻狊犫犲狋狑犲犲狀犮犪狉犫狅狀犳犾狌狓犪狀犱犘犃犚
２．３．３ 碳通量与土壤温度、土壤含水量的关系 草地ＣＯ２ 通量与土壤温度、土壤含水量间总体上呈一元二次线
性关系（表２）。ＣＯ２ 通量与土壤温度间的关系与生长季节有关，６，８，和１０月呈负相关，７和９月呈正相关。ＣＯ２
通量与土壤含水量总体上呈正相关，但不显著，相关系数与土壤温度相比相对较低。
表２ 贝加尔针茅草原生态系统碳通量与土壤温度、土壤含水量间相关分析
犜犪犫犾犲２ 犆狅狉狉犲犾犪狋犻狅狀犪狀犪犾狔狊犻狊犪犿狅狀犵犮犪狉犫狅狀犳犾狌狓犪狀犱狊狅犻犾狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲，狊狅犻犾狑犪狋犲狉犮狅狀狋犲狀狋
指标Ｉｎｄｅｘ 月份 Ｍｏｎｔｈ 回归方程Ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎ 相关系数Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ（犚） 显著性Ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ（犘）
土壤温度
Ｓｏｉｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
６ 狔＝－４１８．４５狓２－４１．４０７狓＋２２．５８５ ０．５６９ ＜０．０１
７ 狔＝０．０４８５狓＋２２．２６１ ０．５８０ ＜０．０１
８ 狔＝－３２．１５３狓２＋４．３２２３狓＋２０．９３９ ０．３６６ ＜０．０１
９ 狔＝１．５８３狓＋１１．０８１ ０．１３０ ＜０．０５
１０ 狔＝－６．９４７９狓２－０．２８４７狓＋３．７７６５ ０．１７４ ＜０．０５
土壤含水量
Ｓｏｉｌｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ
６ 狔＝０．９３９５狓２＋０．０９６５狓＋０．２３３１ ０．５３６ ＜０．０５
７ 狔＝０．０４３３狓２＋０．００９１狓＋０．３２３５ ０．１４６ ＜０．０５
８ 狔＝０．００７４狓２－０．００１７狓＋０．１４５６ ０．１２１ ＜０．０５
９ 狔＝－０．００７４狓２＋０．０１２２狓＋０．２５３７ ０．１７０ ＜０．０５
１０ 狔＝－０．２３１１狓２＋０．０３０６狓＋０．２６５９ ０．４６６ ＜０．０５
３ 讨论
海拉尔地区由于气温低，贝加尔针茅草原通常在５月才进入返青期，该阶段温度低，日平均气温在９℃左右，
但土壤水分条件相对较好，主要以雨、雪作为水分来源，月降水量在４１ｍｍ左右，植物的生长活动逐渐恢复，土壤
呼吸释放ＣＯ２ 逐渐增多。进入６月，随着雨量和温度的逐渐升高，白天碳吸收峰值有所增强。进入７月以后，温
度、水分不再成为光合作用的限制因子，适宜的温度、水分、植物的根系都将大大促进系统的呼吸［２０］，从测定结果
可以看出，７－９月这一阶段碳吸收活动最强，特别是７月，ＮＥＥ形成宽大的单峰曲线。１０月以后，贝加尔针茅草
原进入生长末期，植物体逐渐衰老枯萎，光合作用微弱，整个系统碳吸收活动微弱，表现为碳排放的过程。
６月ＣＯ２ 通量日波动较大，日间基本处于碳吸收阶段，夜间处于碳排放状态；７月出现了明显的ＣＯ２ 日吸收
峰，分别出现在１０：００－１１：００和１４：００期间，ＣＯ２ 通量的变化呈“Ｕ”型曲线（图１）；到了１０月，除在凌晨０：００－
６：００期间ＣＯ２ 通量波动较大外，全天ＣＯ２ 通量日变化都较为平缓，且全天大部分时间均处于碳排放状态。与其
他针茅草原生态系统相比，贝加尔针茅草原高于克氏针茅草原（最小值和最大值分别为－０．１６和０．０８
０９２ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２０１１） Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．６
ｍｇ／ｍ２·ｓ），与以Ｃ４ 植物为主的大须芒草（犃狀犱狉狅狆狅犵狅狀犵犲狉犪狉犱犻犻）草原（－１．４和０．５ｍｇ／ｍ２·ｓ）、美国俄克拉荷
马州地区的高草草原（－１．１和０．４４ｍｇ／ｍ２·ｓ）相近。说明影响草原生态系统碳通量的因素，除了与光照、温
度、水分等环境因素有关外，植物种类、地理位置等也是影响碳排放的因素［１８，２０］。
４ 结论
２００８年生长季，贝加尔针茅草原生态系统ＣＯ２ 通量白天以固碳为主，夜间以碳释放为主，进入生长季后期，
ＣＯ２ 通量白天以碳释放为主，夜间以固碳为主；贝加尔针茅草原生态系统生长季固碳和碳释放的最大值均出现
在７月，相应的数值分别为－０．５６和０．８３ｍｇ／（ｍ２·ｓ）。
分析影响ＣＯ２ 通量的各因子，相关分析结果显示，显热通量、潜热通量和光合有效辐射对ＣＯ２ 通量影响较
大，土壤温度与土壤含水量对其影响相对较小。
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１９２第２０卷第６期 草业学报２０１１年
犞犪狉犻犪狋犻狅狀狅犳狀犲狋犲犮狅狊狔狊狋犲犿犮犪狉犫狅狀犳犾狌狓犪狀犱犻狋狊犻犿狆犪犮狋犳犪犮狋狅狉狊狅狀犛狋犻狆犪犫犪犻犮犪犾犲狀狊犻狊
狊狋犲狆狆犲犻狀狋犺犲犵狉狅狑犻狀犵狊犲犪狊狅狀
ＸＵＬｉｊｕｎ１，ＴＡＮＧＨｕａｊｕｎ１，ＹＡＮＧＧｕｉｘｉａ１，ＷＡＮＧＸｕ１，ＷＡＮＧＢｏ２，ＸＩＮＸｉａｏｐｉｎｇ１
（１．ＫｅｙＬａｂｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎｇａｎｄＤｉｇｉｔａｌＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ／ＨｕｌｕｎｂｅｒＧｒａｓｓｌａｎｄＥｃｏｓｙｓｔｅｍ
ＯｂｓｅｒｖａｔｉｏｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＳｔａｔｉｏｎ／ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＲｅｇｉｏｎａｌＰｌａｎｎｉｎｇ
ｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｎｓｕｌｔａｎｙ
ＰｒｏｇｒａｍｍｅＣｅｎｔｒｅｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８８，Ｃｈｉｎａ）
犃犫狊狋狉犪犮狋：ＣＯ２ｆｌｕｘａｎｄｉｔｓｉｍｐａｃｔｆａｃｔｏｒｓｗｅｒｅｍｅａｓｕｒｅｄｂｙａｎｅｄｄｙｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｎ犛狋犻狆犪ｇｒａｓｓｌａｎｄ．
ＴｈｅｒｅｗｅｒｅｄｉｓｔｉｎｃｔｄｉｕｒｎａｌａｎｄｓｅａｓｏｎａｌｖａｒｉａｔｉｏｎｓｗｉｔｈａｎｉｎｖｅｒｔｅｄＵｓｈａｐｅｄｉｕｒｎａｌｃｈａｎｇｅｉｎＣＯ２ｆｌｕｘ．Ｔｈｅｒｅ
ｗａｓｏｂｖｉｏｕｓｃｈａｎｇｅｉｎＪｕｌｙ，ａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｕｐｔａｋｅａｎｄｅｍｉｓｓｉｏｎｗｅｒｅ－０．５６ａｎｄ０．８３ｍｇ／（ｍ２·ｓ），ｒｅｓｐｅｃ
ｔｉｖｅｌｙ．Ｌａｔｅｎｔｈｅａｔｆｌｕｘ，ｓｅｎｓｉｂｌｅｈｅａｔｆｌｕｘ，ｎｅｔｒａｄｉａｔｉｏｎｆｌｕｘａｎｄｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｃｔｉｖｅｒａｄｉａｔｉｏｎｗｅｒｅｒｅｌａｔｅｄ
ｔｏＣＯ２ｆｌｕｘ．ＴｈｅｒｅｗａｓｎｏｏｂｖｉｏｕｓｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｏｉｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｓｏｉｌｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｗｉｔｈＣＯ２ｆｌｕｘ．
犓犲狔狑狅狉犱狊：犛狋犻狆犪犫犪犻犮犪犾犲狀狊犻狊ｓｔｅｐｐｅ；Ｅｄｄｙｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ＣＯ２ｆｌｕｘ；ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆａｃｔｏｒ
２９２ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２０１１） Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．６