全 文 ：© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
林业科学研究　2009, 22 (2) : 237～242
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2009) 0220237206
安庆杨树林生态系统碳通量及其影响因子研究
彭镇华 1 , 王　妍 23 , 任海青 2 , 孙启祥 1 , 周金星 1
(1. 中国林业科学研究院林业研究所 ,北京　100091; 2. 中国林业科学研究院木材工业研究所 ,北京　100091)
摘要 :以安徽安庆长江外滩地杨树林生态系统为研究对象 ,运用涡度相关技术进行长期 CO2 通量监测 ,得到 2005年
4月到 2006年 3月间生态系统碳通量的日动态变化过程 :从 7: 30左右生态系统开始吸收 CO2 ,午间 13: 30左右达
到全天碳吸收最高峰 ,然后开始降低 ,到 17: 30左右生态系统逐渐转入碳排放 ;同时分析了生态系统碳通量与光合
有效辐射 ( PAR )、温度、土壤热通量等环境因子的响应变化关系 : PAR > 1μmol·m - 2 ·s- 1时 ,在不同温度范围内 ,
PAR与碳通量的响应关系不同 ;平均夜间碳通量与月平均气温呈线性相关 ;平均夜间碳通量与 5 cm处土壤日平均
温度呈指数相关 ;月平均碳通量与 2 cm深处土壤热通量也呈指数相关。
关键词 :碳通量 ;杨树林 ;环境因子 ;响应关系
中图分类号 : S722. 3 文献标识码 : A
收稿日期 : 2007211206　　修回日期 : 2008210218
基金项目 : 国家林业局 948项目 (200624216) ;推广项目 :长江流域低山丘陵治理材料高附加值利用技术示范 [ 2007 ] 291
作者简介 : 彭镇华 (1931— ) ,主要研究方向 :森林生态. E2mail: wykelly@126. com.3 通讯作者 :博士 ,主要研究方向 :森林生态.
Research on the Var ia tion of Carbon Flux and the Rela tion sh ip of
Env ironm en ta l Factors and Carbon Flux of Popu lus Forest
Ecosystem in the Reaches of Yangtze R iver in Anq ing
PENG Zhen2hua1 , WANG Yan2 , REN Hai2qing2 , SUN Q i2xiang1 , ZHOU J in2xing1
(1 Research Institute of Forestry, CAF, Beijing　100091, China; 2 Research Institute of Wood Industry , CAF, Beijing　100091, China)
Abstract: The research chose the Populus forest ecosystem in the reaches of Yangtze R iver in Anqing, Anhui
p rovince as research object, and monitored the CO2 , H2 O, temperature, moisture, PAR , and so on by eddy2
covariance. The data of regulated change and p rocess of diurnal carbon flux of forest ecosystem were obtained. In
daytime, the ecosystem began to absorb CO2 at about 7: 30 am , and reached to the Max. at about 13: 30, then went
down slowly, and at about 17: 30, the ecosystem began to release CO2. The value of carbon sink or source varied
owing to different season and forest ecosystem. The paper also analyzed the relationship s of carbon flux of forest
ecosystem and environmental factors. The results are as follows: (1) W hen the PAR > 1μmol·m - 2 · s- 1 , the
relationship of carbon flux and PAR was different in different range of temperature. (2) Average air temperature and
carbon flux at night had linear relationship, namely when the air temperature arose, the carbon flux at night
augmented. The night2time CO2 flux and soil temperature in 5 cm dep th had exponential correlation. (3) The monthly
average carbon flux of night2time and soil heat flux in 2 cm dep th had the relationship of exponential correlation.
Key words: carbon flux; Populus forest; environmental factors; responsive relationship
　　温室气体浓度升高导致全球气温明显上升 ,带
来一系列环境变化 ,引起了各国政府和科学界的高
度重视 [ 1 - 2 ]。《京都议定书 》的签署与生效要求发达
国家承担温室气体减排义务 ,一些发达国家在量化
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林 　业 　科 　学 　研 　究 第 22卷
不同类型生态系统的 CO2 源 /汇值的同时提出了
“抵消排放”和“换取排放 ”,即在国外扩大森林面积
来实现本国减排的目标 [ 3 ]。森林生态系统是地球上
重要的碳库 ,其碳动态变化成为研究的焦点 [ 4 ] ,但是
由于受研究方法的限制 ,森林生态系统与外界的
CO2 交换量及其变化规律一直是研究的难点。涡度
相关 ( Eddy2covariance简称 EC)随着红外感应系统
的改进 ,实现了对森林生态系统碳通量的长期定位
监测 [ 5 - 6 ]。欧美以及日本最早采用了涡度相关技术
对森林生态系统进行定位监测 ,我国在这方面的研
究起步较晚 ,特别是人工林的研究相对较少 ,碳通量
资料还十分零散。我国人工林面积达世界首位 ,杨
树是我国人工速生丰产林的主要造林树种之一 ,其
生态系统的碳通量研究具有重要意义。
1　试验点自然概况
碳通量监测站设在安徽安庆大观区海口镇长江
北岸滩地杨树林地 [ 7 ] ,是受长江和皖河水系冲积形
成的小平原 (116°59′27″E, 30°28′08N) ,属北亚热带
季风气候区 ,平均气温 16. 7 ℃, ≥10 ℃积温约
5 300 ℃,太阳总辐射量约 1. 07 ×105 k· cm - 2 ·
a
- 1 ;降水量约 1 500 mm,主要集中在 4—8月 ;土壤
为冲积潮土类 ,滩地高程 14. 0～16. 5 m, 1989年造
林整地 ,采用的是大苗 (苗高﹥ 4 m ,地径﹥ 3 cm)栽
植 , I269 ( Popu lus deltoids Bartr. cv. ‘Lux’)、I272
( Populus deltoids Bartr. cv. ‘Lux’)混植 ,造林密度
为 318株 ·hm - 2 ,平均树高约 22 m ,株行距为 3 m ×
10 m ,面积共计 220 hm2。在造林前 ,林下植被以芦
( Phragm ites austra lis ( Cav. ) Trin. ex Steud. )、荻
(M iscan thus saccharif lorus (Maxim. ) Benth. Et Hook.
F. )为主 ,在造林前期 ,每年退水后杨树与小麦、油
菜间种 ,造林中后期不再间种 ,林下逐渐有柳 (Sa lix
babylon ica L. )、构树 (B roussonetia papyifera (L inn. )
L’Hert. ex Vent. )等小灌木出现 ,草本主要有益母
草 (L eonu rus artem isia (Lour. ) S. Y. Hu)、水芹 (O e2
nan the javan ica (B l. ) DC. )、泥胡菜 (Hem istepta lyra2
ta (Bunge) Bunge)、苔草 ( Carex lipa rocarpos Gaud2
in)、杠板归 ( Polygonum perfolia tum L. )等。
2　研究方法
本研究运用开路式涡度相关设备 (Open Eddy2
covariance)与常规气象观测仪器进行长期定位观
测 ,具体安装情况如下 :三维超声风速仪 ( CAST23,
Campbell, USA )以及红外 CO2 /H2 O气体分析仪 (L i2
7500, L iCor Inc. , USA )的安装高度为 29 m;辐射传
感器 (CNR21, Kipp & Zonen, Holland)、光量子传感
器 (L I2190SB , L iCor Inc. USA )、有效辐射 (L I2200X,
L iCor Inc. USA) 的安装高度也为 29 m;空气温度、湿
度 (HMP45C, Vaisala, Helsinki, Finland)分别装在离
地 6、15、23、29 m 处 ;数据采集器 ( CR5000, Camp2
bell, USA )安装高度为 28 m;土壤温度传感器 ( 1072
L, Campbell, USA )的埋入深度为 5、10、20 cm;用 2
个土壤含水量传感器 ( CS6162L, Campbell, USA )监
测 15 cm 深处的土壤含水量 ; 3 个土壤热通量板
(HFP01, Hukeflux, The Netherlands)距地表 2 cm。
L i27500可以直接监测出 CO2 通量值 , CO2 /H2 O
通量和风速风向等监测频率为 10 Hz,仪器根据程序
自动进行平均值加和 ,计算半小时的通量平均值 ,同
时 W PL校正消除水汽对 CO2 密度的影响。对半小
时平均碳通量输出值做 2次坐标旋转 [ 8 ] ,第 1次旋
转以 z为轴 ,使 X轴平行于平均风速的方向 , v平均
为零 ,变换后 3个方向的风速分别是 u1 , v1 , w1 ,即 :
γ = arc tan ( vm / um )
u1 = um co sγ + vm sinγ　v1 = - um sinγ + vm cosγ
w1 = wm
　　第 2次旋转以 y为轴 ,使平均侧风速度和平均
垂直风速度为零 ,变换后风速分别为 u2 , v2 , w2 ,即 :9 = arc tan (w1 / u1 )
u2 = u1 69 + w1 sin9　　v2 = v1
w3 = - u1 sin9 + w1 cos9
　　2005年 4月到 2006年 3月 ,记录数据的覆盖率
为 87. 1% ,这是由于仪器故障、停电等原因造成数
据缺失。剔除受降雨等气象因子影响造成的突变数
据 ,夜间风速较小易形成平流或泄流现象 ,以夜间风
速 u3 > 0. 2 m· s- 1的通量值为有效数据 [ 9 ]。目前
常用能量平衡来评价站点数据的质量 ,该站点能量
闭合度 EBR为 0. 81,据 Baldocchi等 [ 10 - 11 ]相关研究
结果 ,可以认为通量数据是可靠的。对于缺失的数
据 ,半小时缺失值采用查表法 ,选择邻近相似气象条
件 (温度、湿度 )的值来替代 ;如果缺失值太多 ,采用
的是平均值插补法 ,用邻近天的平均值补齐 ;对于日
通量值 ,白天一般采用前后 14 d左右的数据平均值
补足 ,夜间一般用 7 d左右平均值求得 ,避免由于时
间太长而增大估算误差。
3　结果与分析
图 1是试验点温度和降水情况 , 7月日平均气
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第 2期 彭镇华等 :安庆杨树林生态系统碳通量及其影响因子研究
温最高为 29. 70 ℃, 12月气温降到最低 ,日平均气
温最低为 0. 69 ℃。试验点 2005年 4月到 2006年 2
月的降水量近 2 000 mm,但分配不均匀 , 7月降水量
约 200 mm, 9月降水量为零。
图 1　杨树林生态系统年气温与降水量
3. 1　杨树林生态系统碳通量的变化
杨树林生态系统碳通量日变化与其本身的生理
变化规律相一致 ,开路式涡度相关设备监测得到的
数据负值表示系统吸收 CO2 ,即碳汇 ;正值表示系统
放出 CO2 ,即碳源。生态系统碳通量指的是一个瞬
时差值 ,即生态系统吸收 CO2 与放出 CO2 的一个矢
量值。图 2为不同季节晴天日 30 m in碳通量平均
值的日变化规律 ,从早晨 7: 30左右杨树林生态系统
碳开始吸收 CO2 ,即此时 CO2 吸收量大于释放量。
直到午后 13: 30左右达到最大值 ,然后随光合作用
降低 ,生态系统碳吸收值逐渐降低 ,到傍晚 17: 30左
右生态系统转化为碳排放。生长季 ( 4—9月 )和非
生长季 (10月到次年 3月 )生态系统碳通量的日变
化在源、汇的转化时间上略有差别 ,而且碳排放与吸
收量差异较大。4—6月是杨树的纵向生长期 ,生态
系统碳吸收量达到全年最高值 ,碳通量的最大瞬时
值达到 - 0. 901 mg·m - 2 · s- 1 ,这时生态系统夜间
呼吸量也较大 ,夜间碳通量平均值达到 0. 155 mg·
m
- 2 ·s- 1。7—9月由于生态系统呼吸量加大 ,且杨
树生长速度减慢导致生态系统吸收 CO2 的能力下
降 ,碳通量最大值为 - 0. 773 mg·m - 2 ·s- 1 ,夜间平
均碳通量值为 0. 097 mg·m - 2 · s- 1。10—12月杨
树进入了非生长期 ,但林下仍生长一些小灌木以及
草本植物 ,生态系统的碳吸收量较小 , CO2 的日平均
吸收量为 - 0. 168 mg·m - 2 ·s- 1 ,而 CO2 的释放量
也较 4—9月小 ,均值为 0. 036 mg·m - 2 ·s- 1 ,由于
10—12月气温没达到全年的最低值 ,生态系统与外
界的碳交换量较 1—3月大。1—3月杨树林生态系
统的碳吸收量和碳排放量都达到全年的最低值 ,分
别为 - 0. 075、0. 060 mg·m - 2 ·s- 1。
图 2　杨树生态系统不同季节碳通量日变化
注 : 4 - 6月 : 4月 16 - 18日 , 5月 10 - 12日 , 6月 17 - 19日 ; 7 - 9月 : 7月 16 - 18日 , 8月 8、10、
11日 , 9月 9、10、18、19日 ; 10 - 12月 : 10月 6 - 8日 , 11月 13 - 15日 , 12月 7、8、22、26日 ; 1 - 3
月 : 1月 7、8、10日 , 2月 13、17、19日 , 3月 13、14、20日
3. 2　杨树林生态系统碳通量与环境因子的相关性
分析
　　杨树林生态系统碳通量的变化规律由其自身的
生物特性所决定 ,同时也受环境因子的影响 [ 12 - 14 ]。
3. 2. 1　杨树林生态系统碳通量 ( FC )与光合有效辐
射的关系 　光合有效辐射 ( PAR )的强弱直接影响植
物叶片光合作用的大小 ,从图 3可知 :当 PAR > 1
μmol·m - 2 ·s- 1时 ,不同温度范围内 ,二者相关关系
不同 ,气温在 - 5～10 ℃时 ,随着 PAR 的增大 , Fc
接近 X轴呈线性变化 ;温度在 10～25 ℃时 ,当 PAR
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增大时 ,生态系统明显表现出碳吸收 , Fc与 PAR 呈
直线相关 ;特别是在 20～25 ℃时 ,生态系统的碳吸
收随 PAR增大而较快增大 ,相关性更强 ;温度在 25
～30 ℃的范围内 ,生态系统的碳吸收随着 PAR增大
而增加 ,但增加到一定程度时趋于平缓 ,二者呈
M ichalis2Menten模型变化规律 ;当温度达到 30 ℃以
上时 , Fc与 PAR的变化关系 M ichalis2Menten模型拟
合的更好 [ 15 - 16 ]。
3. 2. 2　杨树林生态系统碳通量与温度的关系
3. 2. 2. 1　碳通量与气温的关系 　树木的光合作用
随着气温的升高而增加 ,同时林木、草本及林地土壤
的呼吸作用也随着气温的升高而增强 ,所以森林生
态系统碳通量的变化与气温的关系在不同生态系统
以及同一生态系统的不同时期都不一样。由图 4可
见 :瞬时 Fc月平均值与夜间平均气温呈直线相关 ,
温度升高 ,生态系统呼吸加强 [ 17 ]。
图 3　杨树林生态系统碳通量与光合有效辐射的相关性
图 4　杨树林生态系统月平均夜间碳通量 ( y)与 ( x)气温的关系
3. 2. 2. 2　碳通量与土壤温度的关系 　由图 5可知 ,
生态系统内的土壤温度与系统夜间碳通量同样呈指
数相关 ,即随着林内温度升高生态系统的呼吸强度
增加。因为当土壤温度升高的时候 ,不仅杨树等植
被的呼吸作用会加强 ,林地土壤温度升高也会使土
壤中的根际呼吸、微生物活动量增加 ,从而加大生态
系统的呼吸量 , 这与国内外研究的结果基本
一致 [ 18 ]。
y指夜间生态系统瞬时碳通量; x指土壤 5 cm深处夜间平均温度
图 5　杨树林生态系统夜间碳通量与 5 cm深处土壤温度的关系
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3. 2. 3　杨树林生态系统碳通量与土壤热通量的相
关性分析 　土壤热通量是指土壤与外界大气的热交
换量 ,是生态系统内部能量交换的重要环节 ,热通量
的大小主要决定于土壤温度与土壤热容量。
从图 6中可以看出 :夜间碳通量的月平均值与
土壤热通量呈指数相关。夜间土壤与外界大气的热
交换量越大 ,生态系统的碳排放量越大 [ 19 - 20 ]。
y指夜间生态系统瞬间碳通量的月平均值 , x指土壤夜间
瞬时热通量的月平均值
图 6　杨树林生态系统夜间碳通量与土壤 2 cm处热通量的关系
4　讨论
杨树林生态系统碳通量的规律变化反应了生态
系统内植被的生物物候节律 [ 21 - 23 ]。白天植被的光
合作用使生态系统吸收大量 CO2 ,为碳汇作用 ;夜间
植被的光合作用停止 ,生态系统呼吸释放 CO2 ,即碳
源作用。杨树林生态系统的碳汇作用不仅来自于杨
树对 CO2 的吸收 ,同时也包括了林下灌木和草本植
物的碳吸收 ;而且 ,杨树落叶进入非生长季节 ,林下
仍有灌木、草本植物生长 ,所以在冬季白天生态系统
仍有少量的碳吸收光合有效辐射 ,但因冬季多无风 ,
涡度相关仪器监测误差加大。生态系统碳排放基本
来自植被和土壤的呼吸作用 ,一般生长季 ,由于适宜
的土壤含水量以及较高的气温和土壤温度 ,植被和
土壤的呼吸强度高 ,而在非生长季杨树进入休眠期 ,
生态系统呼吸量明显下降 ,碳排放降低 [ 24 - 25 ]。
光合有效辐射 PAR > 1μmol·m - 2 · s- 1时 ,温
度对光合有效辐射和系统碳通量的关系影响较大 ,
根据植物的生理特点 ,低温下叶片气孔开张数量较
少 ,气孔导度降低 ,植物光合作用较弱 ,因此在低温
下光合有效辐射增强而生态系统 CO2 吸收较小。本
文关于 PAR与系统碳通量相关关系研究结果与其
他人研究结果略有不同 ,刘允芬等 [ 26 - 27 ]研究了千烟
洲人工针叶林全年碳通量与 PAR的相关性 ,其结果
为白天生态系统碳通量对 PAR 的响应关系符合
M ichalis2Menten的双曲线模型 ,本文在未能得到二
者较好拟合效果的情况下 ,分不同温度范围研究其
相关性 ,发现气温在 25 ℃以下时 ,碳通量与 PAR呈
线性相关 ,在大于 25 ℃时 ,碳通量与 PAR符合双曲
线模型。这可能由于本研究的试验点是杨树人工林
生态系统 ,与混交林和针叶林不同 ,杨树林下生长的
常绿植物少 ,低温下 ,杨树落叶 ,生态系统内进行光
合作用的植物较少 ,生态系统的碳吸收量在低温下
也较小。
夜间生态系统的碳通量主要是指土壤和植被的
呼吸 ,据相关研究证明 ,生态系统释放的 CO2 相当一
部分来自土壤呼吸 ,气温、土壤温度是影响土壤呼吸
的重要环境因子 ,本研究也得到了生态系统夜间碳
通量与土壤温度和土壤热通量较好的相关性 ,这与
黄湘等 [ 28 ]研究结果一致 ;但杨树林作为一个复杂的
生态系统 ,其生态过程会同时受到多种内在和外在
环境因子的影响 ,在 8月份 ,杨树林生态系统夜间
CO2 通量的平均值达到最大 ,为 0. 206 mg·m - 2 ·
s
- 1
,依据碳通量与气温的关系 8月的平均气温也应
最高 ,然而全年 7月的平均气温最高 ,可见碳通量的
变化受多种因子的影响。
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