全 文 ：文章编号: 1007-0435( 2005) 03-0242-06
积雪对藏北高寒草甸 CO2和水汽通量的影响
赵　亮1,徐世晓1 ,伏玉玲2 ,古　松1,李英年1,王勤学3 ,杜明远4 ,赵新全1
( 1. 中国科学院西北高原生物研究所, 青海 西宁 810001; 2. 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101;
3. 日本国立环境研究所, 日本 筑波 3050053; 4.日本农林环境技术研究所,日本 筑波 30508604)
摘要: 于 2002 和 2003年冬季运用涡度相关法测定藏北草甸在有积雪和无雪条件下的 CO2 和水汽通量。结果表明:在同
一层次 CO 2浓度, 在有雪时 CO 2浓度低于无雪时, 其中只有 20 cm 和 160 cm 层次间差异极显著 (P < 0. 01) ; 在同一层
次, 前者的水汽浓度极显著地高于后者(P < 0. 01) ; 积雪时, CO 2通量与 5 cm 土温相关不显著; 高寒草甸 CO 2交换量,随
着积雪时间的延长呈线性降低, 而高寒灌丛和沼泽则相反; 沼泽和草甸在有雪时, CO 2通量值极显著高于无雪时 (P <
0. 01) , 而灌丛在这两个条件下 CO 2通量值之间差异不显著。
关键词: 青藏高原;积雪; CO 2通量; 涡度相关法
中图分类号: S 812　　　文献标识码: A
Effects of Snow Cover on CO2 Flux of Northern Alpine Meadow
on Qinghai-Tibetan Plateau
ZHAO Liang
1* , XU Shi-x iao
1, FU Yu-ling
2, GU Song
3 , LI Ying-nian
1 ,
WANG Qin-xue
3 , DU M ing-yuan
4 , ZHAO Xin-quan
1
( 1. Northwest Plateau Ins titute of Biolog y, CAS , Xining, Qinghai Provin ce 810001 China;
2. Inst itute of Geographic S ciences an d Natural Research , CAS , Beijing 100101 C hina;
3. Nat ional In st itute for Environm ental Studies, Tsukuba, 3050053, Japan;
4. Nat ional Ins t itu te of Agro-Environmental S ciences, Tsukub a, 30508604, J apan)
Abstract: The alpine meadow eco system on Qinghai-T ibetan plateau plays a significant role in the r eg ional car-
bon cycle. To assess the CO 2 f lux and its relat ionship to environmental cont rols in the eco systems, eddy covari-
ance of CO2 was measur ed fr om both snow-covered areas and on snow areas w ith open-path sy stem in an alpine
meadow of the plateau, dur ing the w inters of 2002 and 2003. T he results indicated: At the same height , aver-
age CO 2 concentration in snow-covered condit ions w as less intense than in no snow condit ions, but significant
dif ferences occur red betw een 20 cm height and 160 cm level ( P< 0. 01) . T he average H2O con-centrat ion in
snow covered conditions was signif icant ly more intense than in no snow condit ions, respectively ( P< 0. 01) . In
snow covered condit ions, there was no significant relat ionship between CO 2 f lux and 5 cm soil temper ature.
There w as a significant , linearity relat ionship betw een CO 2 f lux and the number of snow-covered day s in the
alpine meadow ; how ever , no such relat ionship ex isted in both the shrub meadow and the sw amp meadow . Net
ecosystem CO2 exchange in snow-covered condit ion w as significant ly mor e fr equent than in no snow condit ions
( P< 0. 01) . T he CO 2 f lux of the shrub meadow in snow covered condit ion ( 0. 86 g / m
2
d) , how ever w as no t sig-
nif icantly differ ent from no snow condit ion ( 0. 60 g/ m
2
d) . T he seasonal snow influences the C cycling in w inter
of the Qinghai-T ibetan plateau.
Key word: Qinghai-T ibetan plateau; Snow pack; CO 2 f lux ; Eddy covariance
　　全球碳循环动态与气候变化及人类活动的影响有
着密切关系。作为大气中 CO 2的源和汇,陆地生态系
统碳循环是全球碳循环中的重要环节, 已经成为碳循
环研究的焦点。积雪在可见光区反射率高且变化大以
收稿日期: 2004-06-28; 修回日期: 2005-03-03
基金项目:中国科学院知识创新工程项目( KZCX1-SW-01-01A5) ;国家 973 (2002cb4125o1) ; 亚太地区环境创新战略计划( APEIS)及中日合作
温带高山草原生态系统碳素动态和温暖化影响研究项目
作者简介:赵亮( 1974-) ,青海乐都人,助理研究员,主要从事高原生态学研究工作, E-mail: Lzhao @ nw ipb. ac. cn
第 13卷　第 3期
　Vo l. 13　 No . 3
草　地　学　报
ACT A AGRESTIA SIN ICA
　　2005年　 9 月
　Sept. 　　2005
及导热率低等特点,影响陆面与大气之间的能量交换。
目前已有对北极圈[ 2] ,高原生态系统[ 3, 4]和森林生态系
统[ 5. 6]非生长季节的 CO2 通量, 以及积雪对 CO 2 通量
影响进行研究。
青藏高原的形成和发展,强烈地影响着东亚、甚至
北半球的气候,是全球变化的“敏感区”,它集中了丰富
的冰雪资源, 其中冰川面积达 30, 831 km 2, 冬季积雪
贮量约 121. 9亿 m3 ,积雪最短时间一般在 40～60 d,
并且分布有多种植被类型, 青藏高原的草地生态系统
面积约为 2. 5×106 km2 ,其中高寒草甸、高寒灌丛草甸
和高寒沼泽化草甸分别为 0. 48×106, 0. 106×106 和
0. 049×106 km 2,是分布面积最广的草地生态系统, 所
以探讨这 3种生态系统的碳循环对认识整个青藏高原
草地生态系统乃至世界上高海拔草原生态系统的碳循
环都具有重要的意义。然而,至今积雪对这3种生态系
统非生长季节的 CO 2和水汽通量影响的研究较少。本
文通过运用涡度相关法测定高寒草甸、高寒沼泽化草
甸和高寒灌丛草甸冬季 CO 2通量,以确定在积雪条件
下,不同植被类型的 CO 2通量与积雪之间的关系。
1　材料与方法
1. 1　区域自然概况
本研究于 2002和 2003年冬季在中国科学院海北
高寒草甸生态系统定位站(海北站)进行。对该站的地
理位置及自然环境已有大量的报道[ 7] ,本文不在赘述。
1. 2　研究方法
本文以矮嵩草( K obresia tibet ica)草甸、金露梅灌
丛( Potent illa f r uticosa)草甸、藏嵩草( K . tibet ica)沼
泽草甸为研究对象。观测点设置在高寒草甸、高寒灌丛
草甸和高寒沼泽草甸。在观测站中心点方圆 600 m
内,地势平坦,地形开阔,具有足够的“风浪区”。观测系
统离地面 220 cm 高, 主要部分有 CSAT 型超声风速
仪、温度计( CSI) 和 LI-7500 CO2 / H2O 红外分析仪
( L I-COR, Inc. )。用 Moore[ 1]的方法进行行通量的纠
正,运用Webb 等[ 8]对通量值进行修正。观测项目见表
1。
表 1　仪器及其架设高度
Table 1　Measurement s o f elem ents and instruments used
气象元素
Meteorological elements
仪器
In st rument or sensor ( Model, Company, Coun tr y)
高度( cm)
Locat ion
净辐射
Net radiat ion
辐射表( CN R-1/ Kipp & Zon en)
N et r adiometer( CNR-1, Kip p and Zonen, The Netherlands)
150
土壤热通量 Soil heat flux 电热版( HFT -3/ CSI) Soil heat flux plate ( HFT-3, CSI, USA) -2
CO 2 通量 CO 2 f lu x 三维风速温度仪及 LI-7500 CO 2/H 2O 红外分析仪 ( CS-7500/ CSI)
CO 2/ H2O analyz er ( Li-7500, L i-Cor, U SA)
220
土壤温度 Soil temperatu re 热电偶 T herm ocouple -5. -10. -20. -40. -80
数据采集器 Datalogger CR10X、CR23X or CR5000 ( CS I: Campbell Scien tif ic Inc. , UT , USA) 100
CO 2 和 H20浓度
CO 2 and H 2O concent rat ions
L I-6262 CO 2/ H2O( LI-COR, In c. ) 20. 40. 80. 160. 320. 640
　　在高寒草甸的观测场架设 6层 CO 2和 H2O 廓线
系统。所测数据由 CR5000数据采食器( CSI)计算, 采
样频率每秒 10次。
1. 3　数据处理
实验数据分为积雪组( SA)和无积雪组( NS)。选择
积雪厚度≥5 cm 日期的通量观察数据作为积雪组, 选
择降雪前 5 d和雪融后 5 d 的通量数据为无积雪组(表
2)。所测数据在 SAS8. 1( SAS Institute Inc. , Cary ,
NC, U SA. )软件上分析, 用双尾 T 检验差异性。
表 2　积雪厚度、积雪时间、水汽压( 220 cm)、空气温度和土壤温度( 5 cm)
T able 2　The max imum snow pack dept h, the number of days, wat er v apo r , air temperat ur e,
5 cm soil temperature, CO2/ wat er concentr ations o f each t reatment g r oups
时间段
T ime
实验组
Group
最大积雪厚度
Maximum
snow pack
dep th ( cm)
积雪天数
Num ber
of days ( d)
　
水汽压
Water
vapor
(k pa)
气温
Air
tem perature
(℃)
土壤温度
5 cm soil
temperatu re
(℃)
CO 2 浓度
CO 2
concent rations
( mg/ m3)
水汽浓度
Water
con cent rat ions
( g/ m3)
2002. 10. 11 积雪 Snow covered 15 23 0. 46 -3. 75 2. 53 479. 92 3. 09
2002. 11. 23 无雪 No snow - - 0. 37 -7. 46 -0. 14 506. 09 2. 23
2003. 11. 05 积雪 Snow covered 7 7 0. 27 -7. 72 0. 59 508. 96 1. 63
2003. 11. 14 无雪 No snow - - 0. 42 -2. 82 0. 72 480. 79 3. 02
2003. 11. 15 积雪 Snow covered 10 9 0. 25 -8. 94 -0. 19 507. 09 1. 54
2003. 11. 24 无雪 No snow - - 0. 15 -11. 52 -1. 83 498. 61 1. 63
243第 3期 赵亮等:积雪对藏北高寒草甸 CO 2 和水汽通量的影响
2　结果和分析
2. 1　不同条件下 5 cm 土温变化
在地表积雪时, 5 cm 土温低于无雪者, 二者日变
化亦明显不同,前者土温变化振幅小,最大值和最小值
分别为 2. 22℃和-0. 65℃; 而后者变化振幅大,分别为
8. 46℃和-3. 08℃, 土温最大值超过 5℃(图 1)。
2. 2　不同高度 CO 2和水汽浓度变化
　　在冬季因受土壤微生物活动周期性变化的影响,
陆地大气 CO 2单位时间平均浓度也存在相应的日变
化。这种日变化随着地表状态及距地面高度不同差异
很大。
图 1　在地表积雪和无雪条件下 5 cm土温日变化
F ig . 1　The daily v ariation o f 5 cm soil t emperature
( T s-5cm ,℃) in snow covered and no snow conditions
图 2　在地表积雪( a, b)和无雪( c, d)时不同高度大气 CO2和水汽浓度日变化
F ig . 2　The daily var iat ion o f CO 2 and H2O concentrat ion in differ ent lev els fr om bo th
snow covered( a , b) and no snow ( c, d) conditions
2. 2. 1　积雪时 CO 2和水汽浓度日变化与无雪者差异
显著。有雪时, CO 2和水汽浓度在 0～12 h 段变化步调
呈现相反的趋势(图 2)。在晚上 CO 2浓度较高且波动
较大, 凌晨 6 h, CO 2 浓度开始下降, 逐渐接近最小值,
而水汽浓度与 CO 2 浓度变化相反,晚上较低, 凌晨 7 h
水汽浓度开始上升, 达到最大值, 尔后再逐渐下降(图
2) ;无雪时, CO 2和水汽浓度在 0～12 h 段变化步调呈
现一致(图 2)。CO 2浓度晚上较平稳而白天波动较大,
244 草　地　学　报 第 13卷
在凌晨 8 h, CO 2 与水汽浓度开始上升, 逐渐达到最大
值,尔后下降,出现两个峰值。积雪时大气 CO 2和水汽
浓度最大值分别出现在晚上 5～7 h 和 8～12 h, 最小
值出现在 15 h 左右和晚上 6～7 h,而无雪时最大值分
别出现在 10 h 左右和 10～12 h, 最小值在 14 h 左右
和 14～16 h(图 2)。
2. 2. 2　地表有积雪和无积雪时不同高度的 CO 2和水
汽浓度的分布明显不同。前者在晚上和傍晚时 CO 2浓
度随着高度的升高而降低, 不同高度间差异显著,而水
汽浓度则与之相反,随着高度的升高而升高,在白天不
同高度的 CO2 浓度基本上相等,而水汽浓度则随着高
度的升高而降低; 无雪时,在晚上和傍晚, CO 2和水汽
浓度随着高度的变化与有雪者结果一致, 但不同高度
之间CO 2浓度相差相对较小,白天时 CO 2浓度波动较
大,变化不稳定, 而水汽浓度随着高度的升高而降低,
在 18～22 h不同高度的水汽浓度基本相等。
2. 2. 3　在地表有雪和无雪条件下, 不同层次 CO 2 和
水汽浓度各异。相同层次 CO 2浓度, 在有雪时低于无
雪者(表 3) ,但是只有 20 cm 和 160 cm 间 CO 2浓度差
异显著,其余相同层次间,有雪时水汽浓度显著地高于
无雪(表 3)。
表 3　不同层次 CO2 浓度(Lmol/mol)和水汽浓度(mmol/mol )
T able 3　Mean values of CO 2/ w ater concentr ations o f each height
变量
Variable
实验组
Group
平均值
Mean
标准差
SD
最小值
Min.
最大值
Max.
实验组差
Dif fer
T -检验 T-test
df T P
CO 2-20
SC
NS
384. 63
388. 26
5. 8344
30. 735
375. 73
301. 94
406. 68
574. 54
-3. 6290 356 -2. 10 0. 04
CO 2-40
SC
NS
384. 14
386. 74
5. 3205
24. 863
375. 73
307. 32
400. 09
580. 56
-2. 5970 363 -1. 85 0. 07
CO 2-80
SC
NS
383. 56
385. 29
4. 7830
20. 850
375. 54
310. 89
396. 47
580. 68
-1. 7380 370 -1. 47 0. 14
CO 2-160
SC
NS
382. 88
385. 77
4. 2348
25. 694
375. 64
308. 00
393. 44
576. 65
-2. 8910 347 -2. 01 0. 05
CO 2-320
SC
NS
382. 40
384. 20
4. 0408
20. 070
367. 76
302. 51
392. 72
567. 88
-1. 7970 358 -1. 59 0. 11
CO 2-640
SC
NS
382. 21
387. 94
3. 8693
29. 754
375. 59
334. 70
398. 10
587. 61
-5. 7290 340 -3. 54 0. 00
H2O-20
SC
NS
2. 2719
1. 5219
0. 8076
0. 8888
0. 8471
0. 0001
4. 4589
6. 5411
0. 7500 623 11. 07 0. 00
H2O-40
SC
NS
2. 2258
1. 5176
0. 7502
0. 8571
0. 9138
0. 0001
4. 4178
6. 3805
0. 7081 624 11. 02 0. 00
H2O-80
SC
NS
2. 2065
1. 5292
0. 6950
0. 8352
1. 0261
0. 0001
4. 4614
6. 2502
0. 6773 625 11. 08 0. 00
H2O-160
SC
NS
2. 2063
1. 5536
0. 6736
0. 8274
1. 0790
0. 0001
4. 4610
6. 2126
0. 6526 620 10. 86 0. 00
H2O-320
SC
NS
2. 2016
1. 5375
0. 6572
0. 8282
1. 1325
0. 0002
4. 4319
6. 1555
0. 6641 622 11. 19 0. 00
H2O-640
SC
NS
2. 2118
1. 5376
0. 6670
0. 8334
1. 1073
0. 0003
4. 4507
6. 1550
0. 6742 622 11. 24 0. 00
2. 3　CO2通量与地温和积雪时间的关系
积雪时, CO 2通量与5 cm 土温之间相关不显著,而
与积雪时间的相关则因下垫不同而异(图 3)。其中灌丛
和沼泽草甸 CO 2通量与积雪时间相关不显著而高寒草
甸与积雪时间之间呈极显著线性相关, ( R2= 0. 7258,
P< 0. 01) , CO 2通量随着积雪时间的增加而下降。
2. 4　CO 2通量日变化
地表积雪时, CO 2通量日变化与无雪者一致,都是
晚上低,白天高(图 4) , 但二者通量值显著不同, 沼泽
和草甸在积雪时, CO 2通量值显著地高于无雪者,而灌
丛在这两个条件下 CO 2通量值差异不显著(表 4)。
3　讨　论
3. 1　积雪对 CO 2和水汽浓度的影响
3. 1. 1　CO 2 是地球大气中最重要的温室气体, 大气
CO 2的浓度分布变化与自然发展环境有着密切关系,
它在整个循环过程中最敏感、最易受其它源、汇影响而
波动最大。本文的结果表明, 积雪对 CO 2浓度影响较
大。晚上 CO2 浓度随着离地表高度的升高而降低, 白
天随着离地表面高度升高而增大。究其原因,一方面由
245第 3期 赵亮等:积雪对藏北高寒草甸 CO 2 和水汽通量的影响
于 CO 2 的密度大于空气密度, 当大气结层处于稳定
时, CO 2下沉, 聚集在地表, 造成晚上离地表面较近处
CO 2浓度较高, 而较远处浓度较低(图 1) ;另一方面该
地区在晚上存在逆温层(图 5) ,引起空气向下运动, 造
成晚上 CO 2浓度随着离地表高度的升高而降低。
表 4　不同条件下 3 种植被类型 CO2通量
Table 4　Mean CO 2 flux of 3 types of v eget ation under
differ ent condition
CO 2 通量( g/ m2. d) CO 2 f lux
积雪 SC 无雪 NS t-value df P
草甸( Meadow ) 1. 17 0. 73 4. 10 3 240 0. 0001
灌丛( Shr ub) 0. 86 0. 60 0. 78 1 792 0. 4361
沼泽( Sw amp) 3. 33 2. 45 3. 97 1 689 0. 0001
3. 1. 2　在青藏高原, 积雪不但对大气中CO 2浓度有显
著的影响,而且对其日变化也有明显的影响。当地表无雪
时,凌晨CO 2浓度有一个明显上升阶段,而在有积雪时则
没有这个阶段。因为凌晨随着太阳高角的增大, 近地层气
温升高,聚集在地表面的 CO 2 大量向上运动, 引起上层
CO 2浓度突然升高,并且升高速度相当快; 另一方面,在
无雪时, 5cm 土温开始上升(图 1) , 并且最高时超过5℃,
达到土壤微生物活动的温度, 而在有积雪时, 5 cm 的土
温较平稳, 并且最高温度没有超过5℃,这样引起两个条
件下的凌晨的 CO 2浓度变化趋势不同。
图 3　草甸,灌丛草甸, 沼泽草甸日均 CO2通量
与积雪天数的关系
F ig . 3　Relat ionship bet ween the mean daily CO 2 flux
and the number o f days thaw ed in differ ent vegetation
types( include: the alpine meadow ( m eadow) , the shrub
meadow ( shrub) and the swam p meadow ( sw amp) )
图 4　在地表积雪和无雪条件下不同植被类型 CO2通量日变化
Fig. 4　T he daily v ar iation of CO 2 flux in differ ent vegetation types ( include: t he alpine meadow , the shrub
meadow and t he sw amp meadow ) fo r bot h snow covered and no snow areas
图 5　不同海拔高度气温(Ta, ℃)日变化
F ig . 5　The daily var iat ion o f the air temperatur e
( T a,℃) in different elevat ions
　　在青藏高原,积雪对水汽浓度的日变化趋势没有
影响,但对不同层次平均水汽浓度有影响, 在有雪时水
汽浓度显著地高于无雪者。这是由于积雪的融化和升
华造成的。
3. 2　积雪对 CO2通量的影响
3. 2. 1　有关季节性的积雪对 CO 2通量的影响已经进
行了大量的研究[ 2, 6] ,这些研究认为,当地表有积雪时,
土壤温度与 CO 2通量不存在相关关系,这与本文的实
验结果一致, 有积雪时, CO2 通量与 5 cm 土壤温度间
不存在相关关系。虽然土壤表层( 0～5 cm)的温度对植
物和微生物的生命活动有着决定性的影响,它影响土
壤排放 CO 2的过程, 但是有雪时, 积雪的保温作用超
过其冷却作用,积雪时间越长,保温作用愈大,同时积
246 草　地　学　报 第 13卷
雪减少了土温的变化, 使之处于一个稳定阶段。研究结
果表明, 当地表面有雪时, 5 cm 的土温比较稳定, 在
-0. 65～2. 22℃范围内波动, 最大值没有超过 5℃, 因
而影响了土壤微生物的活动。
3. 2. 2　CO 2通量与积雪时间的相关因下垫面不同而
异(图 3)。灌丛草甸和沼泽草甸 CO 2通量与积雪时间
相关不显著,而高寒草甸 CO 2 通量与积雪时间相关极
显著, CO2 通量随着积雪时间的增加而下降 ( R2 =
0. 7258, P < 0. 01) , 而在北极的一些研究结果表明
CO 2通量随着积雪时间的增加呈指数增长[ 4]。这是因
为在北极积雪时间较长,积雪厚度大, 不易融化, 随着
时间的延长, 积雪厚度愈来愈厚,而本文的研究地点的
积雪是周期性,降雪后,经过一段时间后,雪完全融化,
积雪厚度随着时间的推移而减小。另外, 积雪时, CO 2
通量值显著地高于无雪者(表4)。因此, 北极的 CO 2通
量随着积雪时间的延长而增加,而藏北地区 CO 2通量
则随着积雪时间的延长而减少。
3. 3　积雪对不同生态系统 CO2交换量的影响
研究结果表明, 积雪对生态系统 CO 2交换量的影
响因生态系统的性质的不同而异, 其中高寒草甸 CO 2
交换量,随着积雪时间的延长呈线性降低, 而高寒灌丛
和高寒沼泽生态系统则不随着积雪时间的延长而降
低。这可能是三个生态系统下垫面的不同所致。在灌
丛草甸由于植被盖度较高, 积雪没有完全覆盖地表, 土
壤-大气之间存在一定的气体交换通道。沼泽草甸生态
系统,在冬季下垫面全是冰面,已经把土壤- 大气的物
质循环分成了两个较为独立的系统, 因而积雪对 CO 2
交换量影响不大;高寒草甸因植被盖度低,约 10～15
cm ,积雪完全覆盖地表,雪将土壤-大气的物质循环隔
离开,形成两个较为独立的系统。虽然积雪把土壤-大
气隔离为两个独立系统,但是由于积雪增加大气中的
水汽浓度,本研究结果表明,有积雪时, 平均水汽通量
显著地高于无雪者(图 3) ,增加了 CO 2交换速度,从而
影响了 CO2 通量。这个影响因生态系统类型的不同而
异,沼泽和草甸在有积雪时, CO 2通量值显著地高于无
雪者( P< 0. 01) , 而灌丛在这两个条件下 CO2 通量值
差异不著性。
4　结　论
首次报道了运用涡度相关法测定青藏高原北部地
区地表积雪与无雪时, 3种植被类型的 CO 2 / H2O 通量
与积雪之间关系,为青藏高原高寒草甸生态系统冬季
呼吸提供了一个理论依据和数据资料。结果表明: CO 2
通量与 5 cm 土温相关不显著,积雪显著地影响着青藏
高原北部地区 CO 2通量,但这种影响因生态系统类型
的不同而异, 高寒草甸 CO 2 交换量, 随着积雪时间的
延长呈线性降低,而高寒灌丛和高寒沼泽生态系统则
不随着积雪时间的延长而降低,沼泽和草甸在有积雪
时 CO 2通量显著高于无雪者, 而灌丛在这两个条件下
CO 2通量值差异不显著。因此,在冬季,积雪是影响青
藏高原土壤- 大气 CO 2交换量的重要因子。
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247第 3期 赵亮等:积雪对藏北高寒草甸 CO 2 和水汽通量的影响