科尔沁沙地沙丘生态系统水热通量特征及影响驱动因子

以科尔沁沙地的典型沙丘区为研究对象,利用涡动相关系统(EC)持续监测沙丘生态系统2013~2022年的表面能量通量数据,采用普通最小二乘线性回归法(OLS)和表面能量平衡比率(EBR)两个指标评估能量平衡闭合度,对沙丘生态系统生长季(4~10月)能量通量的日变化、季节变化以及年际变化进行分析,并计算波文比(β)和能量平衡比,探讨了影响潜热通量(LE)、感热通量(H)和土壤热通量(G)变化的环境因素.结果表明:多年平均年净辐射(R_(g))为1592.77MJ/m^(2),其中H、LE和G分别为614.60,636.22和117.76MJ/m^(2),科尔沁沙地沙丘生态系统年能量的主要组成部分为潜热通量,占总能量的40%.β日动态曲线呈单峰变化,波动相对较平缓.各年年均表面能量平衡比率(EBR)介于0.75~0.90之间,多年年均EBR为0.87,说明能量平衡闭合度的残差为13%.研究表明饱和水汽压差(VPD)是影响能量通量的主要因素,其次是空气温度(T_a)和土壤温度(T_s),均与能量通量呈显著正相关;而植被对能量通量的影响表现在LE与叶面积指数(LAI)呈正相关,而H相反.

仪器表面加热效应对临泽站开路涡动相关系统CO_2通量的影响

LI-7500分析仪仪器表面加热效应对开路式涡动相关系统CO2通量观测结果影响显著,利用Burba校正方法对提高观测站CO2通量观测精度、年净生态系统碳交换量(NEE)估算、全球CO2交换量估算和气候变化模拟等具有重要意义。基于临泽站绿洲玉米农田的开路式涡动相关系统和小气候观测系统所获得的一年数据,利用Burba校正方法分别对LI-7500分析仪光路中的感热通量、大气潜热通量、CO2通量以及NEE的季节变化过程进行了修正。结果表明,LI-7500分析仪底部窗口和支杆部分热量交换是光路中感热通量校正量的主要贡献者,平均分别为6.81W.m-2和2.68W.m-2,其加热效应主要来源于太阳辐射和电子元件运行产生的热量;加热效应对潜热通量影响最小,平均校正量仅为0.24W.m-2;Burba校正对CO2通量和NEE的季节变化影响显著,其平均校正量分别为19.14μg.CO2.m-2.s-1和313.21mg.C.m-2.d-1,而且气温越低加热效应对通量的影响越显著;除生长季空气中水汽浓度显著高于非生长季而导致潜热校正量较大外,生长季其他各通量的校正量明显小于非生长季,生长季光路中感热、周围大气潜热、CO2通量和NEE日校正量分别为6.94 W.m-2、0.33W.m-2、12.86μg.CO2.m-2.s-1和161.58mg.C.m-2.d-1,分别是非生长季的60.4%,220.0%,50.6%和37.4%。若未进行仪器表面加热效应的Burba校正,在生长季和非生长季累计高估的绿洲玉米农田生态系统碳吸收量分别为25.85g.C.m-2和88.47g.C.m-2。

船载涡动相关观测系统及其有效性研究

涡动相关法是海-气间热量、物质与能量交换通量观测的标准方法,但其在船基平台上的应用非常困难。通过由光纤罗经和高精度差分GPS组成的船体运动姿态监测系统与涡动相关系统相结合,本文建立了新型的船载涡动相关观测系统。利用船体运动姿态监测系统的观测数据,可由Edson提出的船体运动校正公式计算出真实的三维风速,因此可以准确获得三维风速脉动的观测。采用这种新型的观测系统,我们在渤海进行了试验观测,对实测湍流能谱与其它湍流特征参数的分析结果显示,该系统可以有效去除船体运动对海-气间交换通量观测的影响。不同海况下校正前后湍流强度和动量通量的比较结果显示,在4~5级海况下,校正前的湍流强度的平均值比校正后的大20%,而校正前的动量通量的平均值约为校正后的2倍。这表明,在较高的海况下,使用船体运动姿态监测系统对实测的三维风速进行校正非常必要。这种新型的观测系统使得海-气间交换通量的精确观测成为可能。

基于涡动相关技术的森林生态系统二氧化碳通量研究进展

森林生态系统是陆地生态系统碳循环的重要组成部分,森林对大气二氧化碳(CO2)浓度具有重要的调节作用,开展森林生态系统碳循环研究对更好地了解生物地球化学过程和应对全球气候变化具有重要的科学意义和应用价值。涡动协方差/涡动相关技术是目前应用最广泛的森林生态系统CO2通量观测技术。讨论了基于该技术的森林生态系统CO2通量研究的部分代表性成果,总结了当前森林生态系统CO2通量的主要研究成果并对未来研究提出展望。目前,森林生态系统CO2通量的研究主要集中于:①森林生态系统的碳源/汇估算;②CO2通量观测源区/足迹的计算;③CO2通量动态特征的提取及其环境影响因子;④基于统计模型的森林生态系统物候特征参数的提取;⑤基于机理模型的气候系统对森林生态系统碳循环的影响。主要结论为:森林生态系统是陆地生态系统的重要碳汇,在对森林生态系统进行CO2通量观测时需对其通量源区的空间代表性进行检验,森林生态系统碳源/汇状态受到树龄、降水和土壤含水量等因素的影响,空气温度是森林生态系统碳循环的重要影响因子。未来森林生态系统CO2通量研究应该集中于提高通量足迹模型计算精度,讨论不同林分对大气CO2的贡献强度。结合气候系统模型和生态生理模型建立植物生理过程参数化模型、预测气候变化对森林碳交换的影响。区域-全球尺度森林生态系统CO2通量研究未来将关注多站点通量,气象数据长时间序列的整合分析,讨论CO2通量气候态特征与碳源/汇的空间格局,更好地了解全球陆地生态系统碳循环机制。

区域尺度无人机涡动相关通量观测系统的应用研究

陆地生态系统的水热循环与碳循环是陆地表层系统中物质能量循环的核心,其中区域尺度地表水、热、碳通量的直接观测是当下陆地生态系统通量观测与模拟研究中的热点与难点。机载涡动相关方法能够直接观测区域尺度生态系统通量,基于无人机平台的涡动相关通量观测技术同时兼具了区域覆盖性与经济灵活性等优点,是机载通量观测技术的最新发展方向。在介绍机载涡动相关通量观测方法的主要技术原理、观测特点以及无人机通量观测系统组成的基础上,通过在相对均匀的区域开展无人机与地面通量观测对比试验,采用谱分析、观测结果对比以及源区分析等方式对无人机通量观测系统的性能进行了初步评价。结果表明:无人机通量观测系统能够实现对大气高频湍流信号的有效采样;无人机与地面观测的湍流通量具有较好的一致性,但是感热和CO_(2)通量出现了低估、潜热和摩擦风速出现了高估;观测平台与仪器的差异、垂直通量辐散、大气边界层条件、不同的地面源区及地表异质性的影响是造成二者差异的潜在主要因素。最后对未来研究目标进行了展望,以进一步推动该技术在相关领域中的应用。

基于涡动相关技术对生态系统生产力和呼吸作用的模拟研究

陆地生态系统和大气之间的净生态系统CO_2交换(NEE)反映了总的CO_2同化陆地和生态系统呼吸作用(R_(eco))之间的平衡。将这两部分通量区分开来对于理解环境变化生态过程引起的响应机制很重要。夜间(定义为太阳总辐射小于20 W/m^2)[1]总的CO_2同化(GPP)为0,测量得到的NEE与R_(eco)相等,本文使用基于夜间数据的估计方法,将夜间测量的呼吸作用外推到白天,再根据公式NEE=R_(eco)-GPP计算出GPP,并利用观测数据和计算数据分析了NEE、GPP和R_(eco)的日变化趋势以及NEE、GPP、R_(eco)与气象因子之间的关系。

基于涡动相关系统的水稻需水规律研究——以云南省楚雄州蜻蛉河灌区为例

以水稻为研究对象,利用涡动观测设备采集数据,采用Eddypro软件计算云南省楚雄州蜻蛉河灌区水稻各阶段的需水量并拟定该灌区水稻灌溉制度。结果表明:用涡动观测系统计算的水稻需水量与灌溉试验站试验资料接近,拟定的水稻灌溉定额与云南省《用水定额》标准十分接近。

大口径闪烁仪和涡动相关仪测量大气折射率结构常数的比较

利用大理国家气候观象台大口径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer,LAS)和涡动相关系统(Eddy-covariance System,EC)在洱海湖滨农田下垫面的同步观测资料,初步分析了两种仪器测量大气折射率结构常数C2n的异同特征。结果表明,两种仪器测量的C2n具有较好的相关性,相关系数达0.73。LAS测量的C2n数量级为10-17~10-14m-2/3,EC测量的数量级为10-16~10-13m-2/3。在典型晴天、多云和阴天条件下,两种仪器测量的有植被水田和无植被旱地的C2n均表现出明显的日变化特征,日出后1 h和日落前1 h左右出现最小值,中午前后达到最大值,而且这种日变化趋势基本一致。测量结果在数量级上的差异是由测量高度、测量方法、仪器噪声、天气状况、风速风向、净辐射通量和大气稳定状态等因素造成的。

2012-2015年河西走廊中部绿洲农田生态系统水热碳通量观测数据集

陆地生态系统与大气间水分、热量和二氧化碳交换过程是陆地表层物质与能量交换的核心内容。涡动相关系统已成为当前测算陆地生态系统水热碳交换过程的首选方法之一。本数据集是中国通量观测研究联盟(ChinaFLUX)临泽内陆河流域研究站点河西走廊中部绿洲农田生态系统2012–2015年的水分、热量和二氧化碳通量,以及辅助微气象观测数据集。本数据集为深刻理解干旱区绿洲农田生态系统水分传输、能量交换、碳循环过程及其植物与环境调控机理提供了关键基础数据,对深入认识干旱区绿洲水文循环、生态–水文相互作用和气候变化中的碳水热耦合机制等具有重要科学价值。本数据集也可为干旱区绿洲水土资源管理、绿洲稳定与可持续发展、绿洲生态保护等干旱区所亟待解决的水资源短缺和生态环境脆弱等现实问题提供科学数据支撑。

我国东部山地针阔混交林碳通量特征分析

以浙江省金华市武义县大毛尖山为研究区域,开展复杂山地森林生态系统碳汇能力的观测研究,并利用涡动相关法在2022年6月~2023年5月进行观测,经过数据质量控制和质量评价分析,得到42%的优质CO_(2)通量数据.结果表明,大毛尖山周边以针阔混交林为主,能量闭合度为0.89,能够很好的代表站点通量情况.CO_(2)通量在日尺度上均表现为U型变化,范围为-1.20~0.89mgCO_(2)/(m^(2)·s).四季碳汇能力强弱依次为,夏季、春季、秋季、冬季;各月份净生态系统碳交换量(NEE)均为负值,整体表现为碳汇.CO_(2)通量与气象因子中的空气温度呈负相关,相对湿度和平均风速正相关,夜间因呼吸作用产生的CO_(2)通量与土壤温度正相关.本研究初步解释了大毛尖山森林生态系统的碳汇特征.

森林生态系统CO_2通量研究方法与进展

介绍了森林生态系统CO2 通量研究的主要方法 :估算法、箱式法和微气象学法。其中微气象法包括空气动力学法、涡动相关法和涡动积聚法。着重介绍了涡动相关法的原理与应用 ,并对这几种研究方法分别进行了评价。最后概述了森林生态系统CO2

青藏高原那曲高寒草甸生态系统CO_2净交换及其影响因子

利用2008年中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站(下称那曲站)的观测资料,分析了青藏高原腹地的高寒草甸生态系统碳通量的日变化和季节变化特征及其影响因子。结果表明,那曲站年平均气温在0℃以下,90%降水主要集中在夏季;在生长季,生态系统白天碳吸收和夜间碳排放速率均达到最强,最大吸收速率和最大排放速率分别为5.3和1.7μmolCO_2·m^(-2)·s^(-1),与低海拔地区草地生态系统相比要偏小;高寒草甸生态系统碳汇作用较为明显,年吸收量为151.5 gCO_2·m^(-2)(即41.3gC·m^(-2));5-9月生态系统呼吸占总初级生产力的比重约为76%,这表明生态系统通过光合作用固定的碳,大部分通过呼吸作用消耗;在高寒草甸植物生长旺盛的月份,白天生态系统与大气间CO_2净交换(NEE)受光合有效辐射PAR的影响,表观光量子产率α为-0.0255±0.0105μmol CO_2·mol^(-1)photons。在生长季,尽管在昼夜温差相近时,NEE变化较大,但是随着昼夜温差的增大,NEE绝对值趋向增大,即昼夜温差越大越有利于生态系统吸收CO_2。生长季末期的降水事件促进了高寒草甸生态系统的碳排放,对生态系统的碳平衡有重要的影响。

水动力条件对沉积物-水界面氧通量的影响

氧环境决定了水体沉积物中各种生命所需元素的最终归趋,沉积物-水界面是水相与沉积物相氧传递的重要场所,而水动力条件是影响沉积物-水界面氧传递的重要因素.选择三峡库区一级支流御临河为研究对象,根据长年监测数据建立实验室模型,采用声学多普勒流速测试仪及微电极测试系统构建了非侵入式涡度相关测试系统,探究了不同水动力条件对沉积物-水界面氧通量的影响.结果表明:水体静止状态下沉积物-水界面溶解氧浓度随时间的增加而减少,非静止状态下随时间的增加而增加;沉积物-水界面氧通量随水体流速的增加而增加.根据氧通量求解对应流速下垂直涡动扩散系数并进行线性拟合,当水体流速为0.01~0.14 m/s时,垂直涡动扩散系数与水体流速的相关性最好,此时沉积物-水界面氧通量的传递以涡动扩散为主导.

基于Hsieh和Kljun模型的城市生态系统碳通量贡献区分析与对比

利用上海市奉贤大学城内的涡动相关通量观测站点,基于Hsieh和Kljun模型对研究区内的碳通量贡献区进行了分析。结果表明:1)随着大气稳定度的增加,各风向上的碳通量贡献区范围有增加的趋势;2)当大气处于稳定条件下时,非主风向上的碳通量贡献区范围要大于主风向;3)当大气处于不稳定状态时,主风向和非主风向上的碳通量贡献区范围相差不大;4)在各风向和各大气稳定度上Hsieh和Kljun模型所输出的碳通量贡献区范围数值不同,但无显著差异,碳通量贡献区范围形态近似椭圆;5)Hsieh和Kljun模型输出的垂直于主风向和非主风向上的碳通量贡献区的长度无显著差异;6)在迎风向上Hsieh和Kljun模型的碳通量贡献峰值所处的位置有显著差异。

城市生态系统-大气间的碳通量研究进展

城市生态系统对全球碳收支具有显著的贡献,城市化进程促进城市向大气排放碳。随着观测手段和仪器的发展,涡动相关法已成为陆地生态系统碳通量观测的主要手段,并广泛应用于中心城市碳通量观测;城市CO2浓度和通量变化具有日、周、季节变化特征,不同城市之间CO2浓度和通量也有很大差异,其主要原因是由于城市生态系统的下垫面类型不均一,土壤、植被、路面、交通、人呼吸等对碳通量都有贡献,绿地(树木、草坪)对燃料燃烧、人呼吸等的碳排放起着一定的抵消作用;由于多种因素对碳通量起作用,在对城市通量数据进行分析时必须开展贡献区即碳足迹分析。本文综述了城市生态系统-大气间碳通量研究的历程;分析了城市生态系统碳通量的时空变化特征及其主要控制因子;探讨了复杂下垫面条件下城市生态系统-大气间碳通量研究的特点和难点,并提出了未来研究的重点。

涡动相关系统和小孔径闪烁仪观测的森林显热通量的异同研究

涡动相关系统和闪烁通量仪都是评价局地到区域尺度的地表显热通量的有效途径。以ChinaFLUX千烟洲人工林生态系统2倍和3倍冠层高度的2套涡动相关(EC)系统和通量塔及其东偏南方向距离通量塔约70 m处1.2倍冠层高度安装的1套小孔径闪烁通量仪(SAS)为基础,重点对比分析了EC系统和SAS系统观测的显热通量的异同。研究表明,2倍和3倍冠层高度EC系统与SAS系统的显热通量的观测值有非常好的相关关系与一致性。在季节尺度和日尺度上,在降水正常的季节里SAS测定的显热通量值高于2倍和3倍冠层高度EC系统的测定值。但是在干旱胁迫条件下,SAS测定的显热通量低于2倍和3倍冠层高度EC系统的显热通量值。按16方位风向进行的相关分析表明,以南到南偏西和北偏东到东偏北2个与盛行风向垂直的方位相关性最高。在白天条件下,2倍和3倍冠层高度EC系统与SAS测定的显热通量值均显示出较高的相关性。但夜间无论是2倍还是3倍冠层高度EC系统与SAS测定的显热通量值之间相关性均很低。EC系统与SAS观测的显热通量的差异主要与通量覆盖区的差异以及各自的局限性有关。

科其喀尔冰川表碛区空气动力学粗糙度分析

基于冰川表碛上的空气动力学粗糙度z0是表征表碛上空气动力学性质和估算其上能量平衡中的重要参数,利用科其喀尔冰川3号观测站涡动相关系统的2009年观测数据,采用无因次化风速法,对其表碛上冰川消融前期和消融期的z0进行了分析。结果表明,在冰川消融前期z0为0.101 m,消融期z0值在0.093~0.098 m之间,表明积雪对z0的影响显著;大气处于不稳定层结时,z0值较大,处于稳定层结时,z0值较小;风速不变时,z0随摩擦速度的增大而增大;摩擦速度不变时,z0随风速的增大而减小。

植被对亚热带城市生态系统CO_2通量的影响

城市是陆地生态系统的主要碳源,而城市植被是城市区域缓解人类活动所释放的二氧化碳的主要碳汇,但对城市植被对城市大气二氧化碳的影响方面的研究比较缺乏,尤其是发展中国家。发展中国家多数处于亚热带气候区,且发展中国家城市化进程较快,为推进不同生态系统类型碳循环的研究,该研究以位于中国东南部的上海市奉贤大学城为案例,研究该区域植被对亚热带城市生态系统CO_2通量的影响。使用上海市奉贤大学城的涡动相关通量观测站点所观测和记录的2016年10月1日至2017年9月30日共计12个月的通量,气象数据结合遥感数据分析了该研究区的CO_2通量动态特征及其影响因子,主要结论是:(1)整个生态系统全年CO_2通量总交换量为9664.06μmol m^(-2)a^(-1)即表现为碳源。CO_2通量增长率在2017年5月6日达到最低为-4.48μmol m^(-2)d^(-1)在2017年7月30日的CO_2通量增长率为0,在2017年8月30日达到最高为2.24μmol m^(-2)d^(-1),生长季CO_2通量交换量为2169.58μmol m^(-2)月^(-1)低于非生长季的CO_2通量交换量(7494.48μmol m^(-2)月^(-1));(2)不同风区的CO_2通量特征不同,主要表现为随着植被面积的上升CO_2通量有下降的趋势,生长季CO_2通量均值的最低值出现在西北风区为0.09μmol m^(-2)s^(-1);(3) CO_2通量与叶面积指数呈现负相关关系,即随着叶面积指数的上升CO_2通量有下降的趋势。植物的生长状况和其生理活动影响亚热带城市生态系统的碳循环过程,该研究可以为量化城市植被对大气二氧化碳的影响提供参考,同时为亚热带地区建设绿色低碳城市提供服务。

2011和2016年亚热带城市生态系统通量源区及CO_2通量特征——以上海市奉贤大学城为例

以上海市奉贤大学城为例,基于地理信息系统、涡动相关(EC)系统和通量源区模型分析了2011和2016年上海市奉贤大学城二氧化碳(CO_2)通量特征(CO_2通量、碳浓度)、通量源区的变化特征.分析结果表明:1)2011年CO_2通量日均值和CO_2质量浓度分别为0.6μmol·m^(-2)·s^(-1)和388 mg·L^(-1),2016年两者增加到了0.9μmol·m^(-2)·s^(-1)和406 mg·L^(-1);2)2011和2016年研究区内通量源区范围都随着大气稳定度的增加而增加;3)当大气处于稳定状态时,非主风向上的通量源区范围远远大于主风向上的通量源区范围;当大气处于不稳定状态时,主风向和非主风向上的通量源区长度相差较小.

气温变化对温带混交林生态系统CO2通量的影响

森林是陆地生态系统的主要碳汇。由于植物自身独有的生长特性,其生长状况和生理活动对气候变化的响应会影响森林生态系统碳循环过程。该研究以国际通量网(FLUXNET)注册站点,哈佛森林通量观测塔记录的2000—2012年局域尺度CO2通量和气温观测数据为基础,结合物候模型,分析气温变化对温带森林生态系统CO2通量的影响。结果表明:(1)2000—2012年NEE的最大值为298.13 g·m^-2·a^-1,出现在2010年,除2010和2011年之外,其它年份的年NEE均为负值。(2)NEE、GPP和气温与物候模型的拟合效果较好(R 2>0.8),显示温带混交林森林生态系统光合作用稳定期主要集中在夏季,植被生长状况是温带混交林森林生态系统碳循环的主导因素。(3)气温的变化量时间点(最大点、最小点和0点日期)与NEE、GPP的变化量时间点(最大点、最小点和0点日期)的线性拟合结果显示,气温与CO2通量存在显著的正相关关系(P<0.01),气温的变化影响温带混交林生态系统碳循环过程。