冬小麦净碳交换量和光能利用率对晴空指数变化的响应

晴空指数(k t)是反映天空晴朗状况的重要指标,能反映到达地面的太阳辐射的变化状况。为了定量化明确太阳辐射变化对冬小麦净碳交换量(NEE)和光能利用率(LUE)的影响。收集整理了寿县国家气候观测台的CO 2通量观测数据和常规气象数据(2008-2009年),分析了冬小麦拔节至乳熟期NEE和LUE对k t的响应。结果表明:冬小麦NEE的绝对值随着k t的增加为先升高后降低的变化趋势,k t的变化可以解释NEE变化的59%。当k t为0.6左右时,即天空有部分云量覆盖的中等辐射条件下,冬小麦农田生态系统的NEE达到最大。冬小麦LUE随着k t的增加而呈指数下降趋势,不同太阳高度角的拟合方程的决定系数平均值为0.57。随着k t的增加,空气温度和饱和水汽压差表现为增加趋势,这些气象要素的改变共同导致了晴朗天空条件下NEE的降低。研究结果表明k t是影响冬小麦NEE和LUE的重要因素,并在30 min尺度上明确了k t与NEE和LUE的数量关系,这些结果将有助于提高气候变化背景下GPP或LUE模型模拟准确度。

全球典型流域地表覆盖变化与净生态系统碳交换量时空相关性分析

随着社会经济的发展,流域管理目标已从早期的防洪、供水、航运等转变为注重资源利用和生态保护的综合管理,并在全球生态系统碳平衡中扮演着重要角色。作为量化生态系统固碳能力的重要指标,净生态系统碳交换量(NEE)在不同地表覆盖类型中的碳源/汇能力存在显著差异。探究全球典型流域地表覆盖类型与NEE的时空相关性对流域生态管理等具有重要意义。本文以全球30 m地表覆盖数据(GlobeLand30)和全球陆地净生态系统碳交换量数据为基础,分析2000—2020年全球8个典型流域的地表覆盖及NEE时空变化特征,研究地表覆盖类型变化与NEE的时空相关性。结果表明:①2000—2020年,流域内耕地、裸地、人造地表、湿地、水体及苔原面积增加,草地面积先增加后减少,整体为增加状态;②2000—2020年,流域整体NEE先减小后增加,整体为减小趋势,碳汇能力增强;③2000—2020年,草地与NEE呈显著负相关,耕地、裸地、人造地表、湿地及水体面积与NEE在2010—2020年呈正相关,地表覆盖类型变化对NEE有显著影响。本文可为流域碳中和管制和土地利用空间优化调控提供理论参考,推动流域协同减排和高质量发展。

江苏盐城滨海湿地净生态系统碳交换量模拟参数选择

滨海湿地净生态系统碳交换量受到多种环境因素的影响,在进行滨海湿地净碳交换量估算建模时,参数的选择至关重要,如何合理地选择输入参数不仅对于估算结果的精度有影响,同时也会影响预测模型的适用性。本研究使用了Pearson、Spearman、距离相关系数、最大互信息相关系数4种相关系数来计算各个环境因素与净碳交换量之间的相关性,基于相关系数来选择最佳的输入参数组合。利用实际测得的江苏盐城盐沼湿地数据,依次选择各个相关性中最高的8个参数组合,基于卷积神经网络对江苏盐城滨海湿地NEE进行建模,得到了4个预测模型,并使用均方根误差和平均绝对值误差来进行模型精度的验证。研究表明,使用基于最大互信息系数得到的参数组合进行滨海湿地NEE建模时模型的精度最好,误差最小;净光合有效辐射,净辐射,地表辐射与NEE在4个相关系数中都属于强相关,表明这一类辐射类参数对滨海湿地NEE的影响要大于其他参数;各参数与NEE之间的关系既包含线性关系也包含非线性关系,传统的单一线性分析手段无法完整准确地反应各个环境参数与NEE之间的响应关系;基于卷积神经网络的滨海湿地NEE预测模型在精度上要优于其它同类型模型,这表明使用该模型在进行NEE预测建模时具有很好的适用性。

安吉毛竹林净生态系统碳交换量及叶绿素荧光参数的变化

利用涡度相关法,对安吉毛竹林生态系统的碳通量进行实时观测,同时用叶绿素荧光仪PAM-2500测定通量框架下毛竹的叶绿素荧光参数。分析了毛竹林净生态系统碳交换量(NEE)的日变化和月平均变化及荧光参数变化。结果表明,NEE值在6:00—7:00开始转为负值,至17:00—18:00转为正值;白天表现为碳汇,并且在数值上,NEE值的负值最高点表现为秋季(9月,10月,11月)>春季(3月,4月,5月)>冬季(12月,1月,2月),说明毛竹CO2通量具有明显的季节变化。逐月NEE值变化范围为-25.563 3~85.531 2 g C·m^(-2)·月-1,12和1月份NEE值较低,1月份达到最低点。叶绿素荧光参数中PSⅡ的最大光合量子产量(F_v/F_m)先降后升,12月,1月和3月份F_v/F_m低于正常水平,与其他月份差异显著(P<0.05),说明毛竹在这3个月份受到了胁迫,光化学效率降低;F_v/F_o与F_v/F_m趋势相同,12月,1月和3月份潜在活性最低,并且与其他月份差异显著(P<0.05);PSⅡ的实际光合量子产量(ФPSⅡ)变化趋势与F_v/F_m、光化学猝灭系数(q P)大致相同;在10月至翌年3月份,q P逐渐下降之后开始升高,同时伴随非光化学猝灭系数(q N)值的上升和下降。研究表明,毛竹在受到低温胁迫时,会导致其吸收的光能用于光化学电子传递的部分减少,光合碳同化率下降。

我国净生态系统碳交换量(NEE)的时空变化特征研究

利用LPJ（Lund-Potsdam-Jena）全球动态植被模型,对1971~1998年我国陆地净生态系统碳交换量（NEE）的年总量变化、空间分布格局及变化特征进行了分析。结果表明,近30年来我国的碳汇强度在波动中呈增强趋势,多年平均总碳汇强度为-0.25 Gt.C/a。全国不同区域年均净碳交换量差别显著,整体表现为东部碳汇强而西部弱,除西北部分荒漠草原地区外,全国大部分地区为碳汇区。1985~1998年平均相对于1971~1984年平均,我国不同地区NEE的变化存在较大的空间差异,其中内蒙的中部地区则由原来的弱碳汇区转为弱碳源区,大部分地区碳汇增强。

黑河中游植被生长季土壤呼吸和净生态系统碳交换量的季节变化

基于涡度相关法和静态箱―气相色谱法的净生态系统碳交换量（net ecosystem exchange,NEE）与土壤呼吸（soil respiration,Rs）速率观测数据,探讨了黑河中游不同土地利用方式下净生态系统碳交换量和土壤呼吸的季节变化,以及土壤呼吸对净生态系统碳交换量的贡献率。结果表明,净生态系统碳交换量和土壤呼吸速率在时间尺度上呈现多峰变化趋势,7月底至8月初达到峰值;在空间尺度上受植被覆盖度的影响,植被稀疏的荒漠、戈壁和沙漠呈现较为一致的变化趋势,土壤呼吸对净生态系统碳交换量的贡献率达20%～68%;而植被密集的玉米地、果园和湿地则呈现较高的季节变异性,土壤呼吸对净生态系统碳交换量的贡献率为10%～21%。土壤呼吸的微小变动可能引起净生态系统碳交换量明显变化。

中国北方针叶林碳通量动态变化及其影响因素分析

基于北方针叶林典型站点——呼中定位观测站2014~2018年不同时间尺度碳通量观测数据,探究了该生态系统长时间序列碳通量动态变化及其影响因素。结果表明:受总初级生产力(Gross Primary Productivity,GPP)和生态系统呼吸(Ecosystem Respiration,RE)的综合作用影响,北方针叶林生态系统净碳交换量(Net Ecosystem Exchange,NEE)年际变化差异较大,在2.64~17.63 g(C)m^(-2) a^(-1)之间波动;从季节上看,在生长季(6~8月)GPP值大于RE,北方针叶林以净碳吸收为主,在非生长季,NEE与RE相等,北方针叶林为弱碳源;逐日尺度上,NEE呈倒“U”形变化特征,RE和GPP则呈“U”形特征。日尺度NEE主要受净辐射、相对湿度、气温、土壤温度等因素影响,这些环境因素构建的回归方程可以解释45.19%的NEE日变化;月尺度上NEE主要受净辐射、相对湿度、气温3个因素影响,回归方程可以解释78.42%的NEE月变化。

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.

锡林浩特草原净生态系统碳交换量特征及源区分布

为探究草原生态系统固碳能力,利用锡林浩特国家气候观象台2018—2021年的涡动相关资料分析了锡林浩特草原生态系统CO_(2)通量的变化特征以及环境因子对CO_(2)通量的影响,并对通量源区分布进行了探讨。结果表明:研究区全年盛行西南风,生长季的源区面积大于非生长季,大气稳定条件下的源区面积大于不稳定条件;90%贡献率的源区最大长度接近400 m,与经典法则估算的长度一致。锡林浩特草原净生态系统碳交换量(NEE)具有明显的日变化和季节变化,生长季白天为碳汇,夜间为碳源,非生长季白天和夜间均为弱碳源。2018—2021年,年总NEE分别为-15.59、-46.28、-41.94和-78.14 g C·m^(-2)·a^(-1),平均值为-45.49 g C·m^(-2)·a^(-1),表明锡林浩特草原有较强的固碳能力。饱和水汽压差和光合有效辐射有助于草原生态系统吸收大气中CO_(2);夜间,当温度高于0℃时,气温和土壤温度升高会促进植被呼吸作用释放CO_(2)。

温度和水分对科尔沁草甸湿地净生态系统碳交换量的影响

基于涡度相关和波文比气象土壤监测系统,研究了2016年科尔沁草甸湿地生态系统生长季5—9月CO_2通量的动态变化特征,分析了温度、水分等环境因子与其的响应关系.结果表明:生长季累计净生态系统碳交换量(NEE)为-766.18 g CO_2·m^(-2),总初级生产力(GPP)和生态系统呼吸量(R_e)分别为3379.89和2613.71 g CO_2·m^(-2),R_e/GPP为77.3%,表现为明显的碳汇.NEE各月平均日变化呈单峰"U"型曲线,其中5—7月和8月中旬表现为吸收CO_2,8月后半月和9月表现为释放CO_2.日间NEE与光合有效辐射(PAR)呈显著的直角双曲线关系,同时受饱和水汽压差(VPD)、土壤含水量(SWC)和气温(T_a)等环境要素调控.回归关系表明,日间NEE达到最大时,VPD和SWC值分别为1.75 kPa和35.5%,而NEE随T_a增加逐渐增大,当T_a达到最大时,并未对NEE产生抑制作用;夜间NEE随土壤温度(T_s)呈指数趋势上升.在整个生长季,生态系统呼吸的温度敏感性指数(Q_(10))为2.4,且SWC越高,Q_(10)越小,夜间NEE受T_s和SWC共同调控.

围封和放牧对科尔沁沙质草地净生态系统碳交换量的影响

利用箱式法对科尔沁地区围封和放牧条件下的沙质草地净生态系统碳交换量(NEE)进行研究,以探讨围封、放牧对NEE的影响。结果显示:(1)围封17年样地的NEE显著小于围封22年样地的,围封22年样地的显著小于放牧样地的(P<0.01)。(2)在植物生长季内,围封样地总体表现出碳汇功能,放牧样地表现出碳源功能。(3)从碳净固定的量来看,围封17年沙质草地的净碳固定能力强于围封22年的;而围封22年比围封17年的沙质草地的在净碳固定方面持续的时间较长。(4)不同环境因子对不同处理NEE的影响程度不尽相同,其线性组合最大可解释NEE的变异依次为围封22年(39.5%)>围封17年(32.1%)>放牧(21.2%)。

1958—2008年太白山太白红杉林碳循环模拟

太白红杉(Larix chinensis)林主要分布于我国秦岭太白山的林线位置,对气候变化的响应十分敏感。为了定量分析太白山太白红杉林在气候变化背景下的碳循环特征,基于模型(MTCLIM)模拟的温度和降水数据,应用植被动态过程模型(LPJ-GUESS)模拟了太白山南北坡1958—2008年太白红杉林的净初级生产力(NPP)、生物量和净生态系统碳交换量(NEE)。结果表明:1)太白红杉和巴山冷杉(Abies fargesii)的NPP和生物量在太白红杉林占有优势,太白红杉的NPP和生物量均大于巴山冷杉。1958—2008年间太白红杉南北坡NPP的平均值为0.38 kgC.m-.2a-1,巴山冷杉为0.25 kgC.m-.2a-1,两者之和占整个太白红杉林NPP的86%;1958—2008年间太白红杉南北坡生物量的平均值为2.91 kgC/m2,巴山冷杉为2.02 kgC/m2,两者之和占太白红杉林生物量的94%。2)太白红杉和巴山冷杉的NPP均表现为北坡大于南坡,且南北坡均有逐年增加的趋势,北坡的增幅小于南坡,所以太白山南北坡太白红杉林的NPP差异有逐年减少的趋势。3)太白红杉生物量的年际波动较大,南北坡呈交替上升趋势,南坡的平均值(2.94 kgC/m2)大于北坡(2.89 kgC/m2)。巴山冷杉生物量的年际波动相对较小,北坡生物量水平大于南坡。4)1958—2008年南北坡太白红杉林平均NEE均为-0.023 kgC.m-.2a-1,表现为碳汇。南北坡碳汇水平均呈逐年增加趋势,南坡的增加幅度(0.91 g.m-.2a-1)大于北坡(0.42 g.m-.2a-1)。以气候和CO2为驱动因子对太白山太白红杉林的长期碳循环动态做了定量分析,从机理上揭示气候变化与生态系统碳循环的关系,还需要做进一步的野外观测和控制实验研究。

青藏高原净生态系统碳交换量的遥感评估模型研究

青藏高原作为世界海拔最高的区域,是全球气候变化的敏感区之一。定量估算这一区域的净生态系统碳交换量(NEE)有利于理解陆地生态系统碳平衡对未来气候变化的响应。本文构建了一个模拟该地区NEE动态变化的净碳收支模型(NCBM)。该模型由来源于MODIS影像的增强型植被指数(EVI)、陆地表面水分指数(LSWI)以及来源于地面观测的空气温度和短波辐射共同驱动,并利用青藏高原地区的3种植被类型(包括高寒灌丛、高寒湿地和高寒草甸)的碳通量长期观测数据对模型进行了校准和验证。结果表明,在模型校准站点年,NCBM模型可以模拟NEE观测值81%的变化,均方根误差(RMSE)为0.03mol C/m^2/d,模型效率(EF)为0.81。在模型验证站点年,NCBM模型可以预测NEE观测值84%的变化,RMSE为0.03mol C/m^2/d,EF为0.81。在大多数情况下,NCBM模型可以清晰地模拟各植被类型的NEE季节和年际变化。此外,NCBM模型因为结构简单,模型驱动变量易于获取等优势,具有在区域尺度上模拟NEE时空变化的潜力。但是该模型还需要进一步的改进和发展,特别需要提高对植被非常稀疏地区NEE变化的模拟能力。

基于涡度相关的黑河玉米生态系统生长季碳通量和固碳能力变化特征研究

利用黑河计划数据管理中心提供的黑河大满灌区农田生态系统4套涡度相关仪和配套的气象观测站点的数据，在对通量和气象数据预处理前提下，得到完整可靠的CO2通量和配套的气象观测数据，计算4个站点的CO2通量（ Fc）、净生态系统交换量（ NEE）、总初级生产力（ GPP），分析它们的动态变化特征。结果表明，在研究区内，整个生长季Fc介于-2.78~0.60 mg/（m2·s），最小Fc出现在7月中下旬；整个生长期月平均Fc表现为“U”型曲线，在13：00达到峰值[-1.91 mg/（m2·s）]。夜间生态系统的碳通量与地表温度呈显著的指数关系，土壤温度是其主要影响因素；NEE最大碳吸收量出现在7月中旬，达到16.04 g/（m2·d），极个别与临近值变化趋势不同的数值，是由高温季节的强降雨天气导致；最终得到的生长季GPP在7月中旬日积累量达到最高[17.74 g/（m2·d）]。4个站点生长期的GPP总累积量分别是914.68 g/m2、937.03 g/m2、984.18 g/m2、1002.20 g/m2。

围栏封育恢复和提升辽西退化草地的碳固持功能

以辽西退化草地为例研究了不同围封年限(3年和5年)草地与自由放牧地碳固持功能的差异,探讨了围封恢复草原碳库的机制。结果表明:围封提高了草地碳固持能力,生长季测定期间的放牧地和围封3年、5年的草地碳固持能力分别为0.50 t/hm^2、1.39 t/hm^2和1.25 t/hm^2;随围封年限的增加植物碳贮存量分别提高了5倍和8.39倍,土壤碳库分别提高了43%和94%;放牧不仅损伤植物地上生物量,对地下生物量的损伤可能更大,围封首先恢复植物地上生物量,从而带动地下生物量的提升。围封是恢复退化草地碳汇功能的有效措施,但长期围封对草地生态功能的保育并无益处,因此还要进行更长期观测,根据草地碳汇动态辅以适度放牧等干扰措施,保障草地生态系统的可持续发展和利用。

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。

荒漠灌丛碳通量对极端水分和温度的响应研究

利用位于中国北方半干旱区的两个观测站(陕西榆林站和内蒙古通辽站)的碳通量及气象数据,获得荒漠灌丛生态系统碳通量的季节动态特征,并定量估算环境因子的极端状况对该生态系统各碳通量的影响。结果表明:(1)榆林站2011—2012年和通辽站2015年的净碳交换量(NEE)分别为-132.8 gC/m^2/yr和-59.6 gC/m^2/yr,表明榆林站碳汇功能更明显;(2)极端水分状况对NEE的影响大于极端温度状况的影响。以生长季平均而言(4—10月),水分和温度的极端状况对榆林站(和通辽站)的NEE的影响最大值分别为0.51 gC/m^2/s(0.26 gC/m^2/s)和0.17 gC/m^2/s(0.20 gC/m^2/s);(3)生长旺盛期(6—8月),高温(榆林站>27℃;通辽站>29℃)状况会抑制植被的光合作用能力,导致榆林站和通辽站的总初级生产量(GPP)相较于正常温度状况分别减少0.37 gC/m^2/s和0.53 gC/m^2/s。

科尔沁沙地流动沙丘不同时空尺度水热变化及CO2交换特征

陆面碳循环在气候变化和生态系统碳收支平衡中起到关键作用。水热变化与CO2交换分析对于深刻揭示荒漠生态系统的区域碳循环规律及机制具有重要意义。本研究选取科尔沁沙地典型流动沙丘为对象,利用涡度相关技术和波文比气象观测系统所测的数据分析近地层水热变化及CO2交换特征,探讨了日和季节尺度,以及0~10 m垂直空间尺度下流动沙丘近地层温湿度与CO2交换过程的相互关系。结果表明:研究区近地表气温垂直变幅在0.4~2℃,4—9月,气温随着高度的升高呈减的趋势,其余月份则相反,空气相对湿度季节变幅超过40%;在2018年生长季,沙丘净生态系统碳交换量(NEE)的日均值为-0.02 mg·m^-2·s^-1,全年水平的NEE日均值为0.003 mg·m^-2·s^-1,全年整体上表现为碳源;垂直空间尺度上,垂直温、湿度差与NEE拟合均较好,水热影响拐点分别为10%和0.5℃,而全年尺度上温度拟合结果相对较好,水热影响拐点分别为17℃和65%。在生长季,研究区近地层垂直温差为负,会抑制流动沙丘对大气CO2的吸收,而大气高湿环境则会促进流动沙丘对大气CO2的吸收。不同时间和不同垂直高度上,水热变化与CO2交换关系较密切,对沙丘碳汇和碳源的产生具有一定的影响,且碳收支对温度的敏感性强于相对湿度。

我国亚热带毛竹林CO_2通量的变异特征

2010年12月至2011年11月,利用涡度相关技术研究了我国亚热带(浙江)毛竹林生态系统的CO2通量,分析了毛竹林净生态系统交换量(NEE)、生态系统呼吸量(RE)和生态系统总交换量(GEE)的变化.结果表明:研究期间,毛竹林各月的NEE均为负值,7月最大,为-99.33 g C·m-2,11月最小,仅-23.49 g C·m-2,其变化曲线呈双峰型.各月CO2通量平均日变化差异明显,9月最大,为-0.60 g CO2·m-2·s-1,1月最小,为-0.30 g CO2·m-2·s-1,且在NEE正负转换的时间点上呈明显的季节变化特征;全年RE呈单峰型变化,夏季最高、冬季最低,夜间RE与土壤温度呈极显著正相关.全年NEE、RE和GEE分别为-668.40、932.55和-1600.95 g C·m-2·a-1,NEE占GEE的41.8%.与其他生态系统相比,毛竹林的固碳能力极强.

基于多源数据的禹城农田生态系统冬小麦生育期识别方法比较研究

多源数据与其技术方法逐渐被应用于植被物候的研究当中,但基于多源数据物候识别方法间的差异性比较及定量化评估工作还有待加强。以山东禹城农田生态系统为例,探讨了基于多源数据,NDVI、EVI、数字相机图片、碳通量数据(NEE)以及人工实测数据获取的冬小麦主要生育日期的结果进行差异比较及定量化评估。结果表明:(1)通过碳通量数据获取的主要生育日期的计算结果与人工实测结果最接近,各阶段差异均<3d;通过数字相机图片获取的结果仅次于通过碳通量数据获取的结果,而通过遥感数据NDVI、EVI获取的结果与人工实测结果差距最大;(2)通过NDVI、EVI两种数据获取的冬小麦主要生育期结果具有极显著的相关性,最高达到R2=0.857(P<0.001);(3)基于多源数据获取的冬小麦主要生育期的计算结果,均显示出禹城站冬小麦返青期提前,蜡熟期推迟,生长季长度变长的年际变化特征。