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。

鄱阳湖南矶湿地净生态系统CO_2交换量的日变化特征

利用涡度相关技术分未淹水期和淹水期对2015年4月—2016年10月鄱阳湖南矶湿地净生态系统CO_2交换量(net ecosystem CO_2exchange,NEE)进行观测,分析其日变化特征和影响因子。结果表明:在未淹水期,湿地NEE日变化呈现"U"型分布特征,日间最大CO_2吸收量为18.24μmol·m^(-2)·s^(-1),夜间最大CO_2释放量为24.92μmol·m^(-2)·s^(-1)。在淹水期,除较高洲滩及湖岸高地外,植被被水面覆盖,湿地NEE日变化无明显特征,日间最大CO_2吸收量为2.29μmol·m^(-2)·s^(-1),夜间最大CO_2释放量为12.66μmol·m^(-2)·s^(-1)。相关分析和主成分分析表明在未淹水期南矶湿地日间NEE月平均日变化与光量子通量密度相关性最高,与气温、降水、土壤含水量和土壤温度的相关性次之,夜间NEE月平均日变化与气温、土壤温度和土壤含水量相关性较高。在淹水期,南矶湿地日间NEE月平均日变化与光量子通量密度、土壤含水量有关,夜间变化与土壤温度、土壤含水量和气温有关。

亚热带马尼拉草坪生态系统CO_2净交换量测定方法比较

利用IRGA法和GC法,同步观测了3种天气(晴天、多云、阴天)条件下福州市江滨公园马尼拉草坪生态系统CO2净交换量(NEE)的白昼动态变化,比较IRGA法和GC法透明通量箱对观测样点环境的影响程度,并探讨其对NEE观测结果的影响.结果表明:在单次观测结束时,IRGA法通量箱对样点环境的扰动小于GC法,晴天白天二者箱内的平均升温分别为1.79℃和2.33℃,箱内平均光合有效辐射(PAR)降低幅度分别为11.00%和21.00%.3种天气情况下,IRGA法与GC法观测的NEE白天变化趋势较一致,但3种天气相同时段内GC法测定的NEE平均值比IRGA法高3.17μmol·m-2·s-1,二者的差异在中午最大,在清晨和傍晚较小.IRGA法比GC法可以更为准确地测量草坪NEE.

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。

三江源地区人工草地的生态系统CO_2净交换、总初级生产力及其影响因子

为了揭示三江源区垂穗披碱草(Elymus nutans)人工草地生态系统(100°26′-100°41′E,34°17′-34°25′N,海拔3980m)的净生态系统CO2交换(NEE),该研究利用2006年涡度相关系统观测的数据分析了该人工草地的NEE,总初级生产力(GPP)、生态系统呼吸(Reco)以及Reco/GPP的变化特征及其影响因子。CO2日最大吸收值为6.56g CO2·m-2·d-1,最大排放值为4.87g CO2·m-2·d-1。GPP年总量为1761g CO2·m-2,其中约90%以上被生态系统呼吸所消耗,CO2的年吸收量为111g CO2·m-2。5月的Reco/GPP略高于生长季的其他月份,为90%;6月Reco/GPP比值最低,为79%。生态系统的呼吸商(Q10)为4.81,显著高于其他生态系统。该研究表明:生长季的NEE主要受光量子通量密度(PPFD)、温度和饱和水汽压差(VPD)的影响,生态系统呼吸则主要受土壤温度的控制。

黄河口潮间盐沼湿地生长季净生态系统CO_2交换特征及其影响因素

潮间盐沼湿地生物地球化学过程独特,生态系统CO2交换存在着极大的复杂性和不确定性。利用2012年黄河口潮间盐沼湿地生态系统生长季(4—10月)连续的涡度相关观测数据,分析了潮间盐沼湿地的净生态系统CO2交换(NEE)、总初级生产力(GPP)和生态系统呼吸(Reco)的变化特征及其影响因素。结果表明:生长季,生态系统NEE具有明显的日变化和季节变化。日尺度上,表现为白天CO2净吸收,夜间CO2净释放,NEE日平均值为-0.38 g CO2m-2d-1;月尺度上,平均气温最高的7月生态系统释放CO2最多(15.16 g C/m2),6月生态系统吸收CO2最多(25.07 g C/m2)。潮间盐沼湿地生态系统的CO2交换受到光合有效辐射(PAR)、土壤温度(Ts)、土壤含水量(SWC)和潮汐淹水的共同影响。白天NEE主要受控于PAR,且生态系统表观初始光能利用率(α)和最大光合速率(NEEsat)分别在6月和5月达到最大值,分别为(0.0086±0.0019)μmol CO2μmol-1光子和(4.79±1.52)μmol CO2m-2s-1。夜间NEE随Ts呈指数增加趋势,生态系统呼吸的温度敏感性(Q10)为1.33,且SWC越高,Q10值越大。研究典型晴天(6月19日—6月25日)表明,潮汐淹水增强了生态系统白天对CO2的吸收,同时也增强了夜间CO2释放,研究时段内,潮汐淹水使生态系统净CO2吸收增加了0.76 g CO2m-2d-1。整个生长季,黄河口潮间盐沼湿地生态系统表现为CO2的汇,NEE为-22.28 g C/m2(其中,吸收118.34 g C/m2,释放96.28 g C/m2)。研究结果利于对潮间盐沼湿地源汇功能和影响机制的进一步认识与研究。

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。

不同封育年限高寒草甸植被/土壤碳密度及净生态系统CO2交换量的比较

封育是推广范围最广的草地恢复措施之一.为研究不同封育年限高寒草甸植被、土壤碳密度变化,对1a、6a和16a不同封育年限样地监测结果进行分析.结果表明:不同封育年限高寒草甸植被现存碳密度表现出封育16a>封育1a>封育6a,分别为1 522.57gC·m-2、1 323.12gC·m-2和1 148.17gC·m-2,但不同封育年限之间植被现存碳密度差异不显著(P>0.05).土壤碳密度垂直分布明显,0～5cm和5～10cm土层有机碳密度较高,随土层深度增加土壤有机碳密度明显下降,土壤容重上升;不同封育年限之间0～40cm层次土壤碳密度和土壤容重差异性均不显著,但仍可表现出土壤碳密度封育1a>封育6a>封育16a,分别为28 636.32gC·m-2、26 570.92gC·m-2和26 060.71gC·m-2;同时,土壤容重随封育时间延长而下降.对7月下旬到10月上旬净生态系统CO2交换率(NEE)监测来看,封育1a植被土壤碳吸收速率显著高于封育16a(P<0.05);而排放率与封育16a样地接近,差异不显著(P>0.05).

原始兴安落叶松林生长季净生态系统CO_2交换及其光响应特征

对2006—2008年寒温带原始兴安落叶松林生长季(6—10月份)生态系统CO2交换及其影响因素的分析表明:净生态系统CO2交换(NEE)呈单峰型曲线,最大值出现在9:00—10:00。兴安落叶松林的NEE在生长季前期(6—8月份)呈净碳吸收,生长季末期(9—10月份)呈碳排放。生长季6、7、8月份的NEE平均值分别为-0.082、-0.082、-0.061 mg CO2·m-2·s-1,生长季末期9、10月份的NEE平均值分别为0.009、0.014 mg CO2·m-2·s-1。6—10月份原始兴安落叶松林生长季每天的固碳时间从14h(5:00—19:00)逐渐缩短为9h(7:30—16:30)。从不同温度下NEE光响应特征可知,原始兴安落叶松林NEE最适气温是20—30℃,NEE最大值为-0.43mgCO2·m-2·s-1。

湿地生态系统CO_2净交换、水汽通量及二者关系浅析

湿地生态系统碳循环是陆地碳循环研究中的重要组成部分,对于全球变化具有重要意义。水汽通量是影响湿地生态系统碳循环最重要、最基本的生态因子之一,与湿地生态系统CO2净交换密切相关。本文在总结湿地生态系统CO2净交换与水汽通量变化基本规律及其主要影响因子的基础上,从宏观和微观2个方面分析二者之间的内在关系。从宏观上看,湿地生态系统本身的特点决定了CO2净交换与水汽通量之间必然是相互影响、相互制约的;就微观而言,叶片尺度上的气孔行为是水分蒸腾和净碳通量这两个生理生态过程相互联系的纽带。最后,对湿地生态系统CO2净交换与水汽通量关系的研究方向提出展望。

节水灌溉与生物炭施用对稻田生态系统CO_(2)净通量日变化的影响

为了揭示不同水碳管理对稻田生态系统-大气间CO_(2)交换的影响,基于田间试验,分析了不同水碳管理模式下稻田生态系统CO_(2)净通量日变化特征。结果表明:分蘖期、拔节孕穗期、乳熟期稻田生态系统CO_(2)净通量变化趋势均呈现U型特征,总体表现为白天吸收,夜晚排放,且各生育期的净吸收阶段与净排放阶段在时间上呈现一致性。随着生育期的推进,稻田生态系统白天CO_(2)净吸收时长及吸收量呈现先升高后降低趋势。除分蘖期高量生物炭处理降低了稻田生态系统白天CO_(2)净吸收通量外,生物炭施用增大了节水灌溉稻田生态系统白天CO_(2)净吸收通量与夜晚CO_(2)净排放通量。与不施用生物炭处理相比,2种生物炭情况下稻田生态系统白天与夜间CO_(2)净通量增加幅度为2.26%~27.16%和2.30%~32.69%。节水灌溉减小了稻田生态系统白天CO_(2)净吸收通量,增大了稻田生态系统夜间CO_(2)净排放通量,白天吸收和夜晚排放的变化幅度为2.68%~59.79%和1.26%~40.95%。研究结果可为实现稻田水资源高效利用及充分发挥稻田生态系统的碳汇功能提供理论依据。

放牧强度对青藏高原高寒草甸净生态系统交换量的影响

放牧是青藏高原主要的土地利用方式之一。放牧强度不同,对青藏高原高寒草甸生态系统NEE的影响也不同。为揭示不同放牧强度下高寒草甸生态系统气体交换的变化规律,同时为生态系统碳收支核算提供基本数据,本研究于2012年5-10月采用Li-6400便携式光合仪和密闭式箱法,对青藏高原高寒草甸生态系统不同放牧强度下的气体交换进行分析测定。结果表明,1)净生态系统交换量(NEE)、生态系统呼吸量(Reco)和生态系统初级生产力(GPP)均表现出明显的季节变化,NEE在整个生长季的变化趋势呈"U"型,Reco和GPP为单峰型变化趋势;2)从5月中旬到9月中旬,NEE为负值,表明高寒草甸生态系统为CO2净吸收;3)在放牧率为50%的中度放牧强度下,高寒草甸的NEE和GPP具有最大值,表明中度放牧生态系统具有较高的碳汇水平。

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。

青藏高原高寒灌丛生态系统CO_2通量年变化特征研究

高寒灌丛生态系统是广布于青藏高原的高寒草甸植被类型,它是青藏高原大气与地面之间生物地球化学循环的重要构成部分,在区域生态系统碳平衡中起着极为重要的作用。采用涡度相关法对青藏高原高寒灌丛CO2通量进行连续观测(2003年1月1日至2005年12月31日),结果表明:2003,2004和2005年高寒灌丛年净生态系统CO2交换量分别为223,277和61g CO2.m-2.a-1,3年平均CO2值为187g CO2.m-2.a-1;与其他地区草地生态系统类型相比,在为期3年的研究时段海北地区高寒灌丛生态系统表现为大气CO2的汇。

青藏高原高寒草甸生态系统CO_2通量研究进展

高寒草甸是广布于青藏高原的主要植被类型,它是青藏高原大气与地面之间生物地球化学循环的重要构成部分,在区域碳平衡中起着极为重要的作用。基于对青藏高原主要高寒草甸生态系统类型CO2通量研究方面的综述,系统分析了高寒草甸生态系统CO2通量日、季、年等不同时间尺度的变化特征以及温度、光合有效辐射、降水等主要环境因子对高寒草甸生态系统CO2通量的影响;同时,结合其他地区草地生态系统,就青藏高原三种典型高寒草甸生态系统类型源汇效应和Q10值进行了比较;最后,结合青藏高原高寒草甸生态系统CO2通量研究的现实与需要,提出了当前存在一些不确定性和有待深入研究的问题。

湖南岳阳地区杨树人工林生态系统净碳交换季节动态研究

利用涡度相关法对长江流域杨树人工林CO2通量季节变化进行了研究。结果表明：CO2通量的日变化特征与杨树所处生长阶段以及光合有效辐射（PAR）有关,夜间生态系统净碳交换（NEE）与5 cm土壤温度呈指数相关,全年的生态系统净碳交换（NEE）数值波动在-2~2 mg.m-2.s-1之间。生长季NEE的变化特点为：早上7点开始生态系统整体表现为吸收CO2,到午时（11：00—13：00）NEE的值较为稳定,日落（18：30—19：00）开始生态系统呼吸作用占主导,而晚上NEE的值变化不大。CO2的最大吸收出现在早上10点左右。NEE同时表现为较为明显的季节变化,在生长季节（4-9月）NEE多为负值,生态系统整体表现为对CO2的吸收,而在非生长季表现为一定强度的碳释放,值得注意的是在2006年的6月碳固定能力弱于生长季的其他月份,原因是长期降雨导致土壤呼吸加剧和水淹的生理胁迫导致杨树呼吸作用加剧。2006年全年NEE为-579 g.m-2,说明该生态系统具有明显的碳汇功能。

科尔沁草甸生态系统净碳交换特征及其驱动因子

以2013年10月-2014年9月连续观测的CO2 通量数据为基础,分析了科尔沁草甸生态系统净碳交换量（NEE）的时间变化特征及其驱动因素.结果表明,NEE 日变化季节差异明显,生长季变化幅度大,净CO2 日吸收速率7月〉8月〉9月〉6月〉5月;生长季内,NEE 主要受控于叶面积指数和光合有效辐射.NEE 与光合有效辐射（PAR）之间的关系可用直角双曲线方程来描述,拟合得到的表观初始光能利用率α为0.0015μmolCO2/μmolPAR,最大光合速率Pmax为0.65μmolCO2/（m^2·s）.叶面积指数（LAI）对NEE 的影响可由分段函数表示,当LAI〉3.08时,表现为渐进饱和型,且LAI越大NEE 对PAR 的响应越明显;当高饱和水汽压差（VPD）在1.5～2.0kPa时,光合作用开始降低,NEE 明显受到VPD 值的抑制;短暂强降雨（累计降雨量〉40 mm/d）对昼间NEE 有一定的抑制,而持续低强度降雨（降雨时长〉15h）对夜间NEE 存在激发作用;夜间NEE 随土壤温度呈指数增长,温度敏感系数（Q10）为2.63.

草地退化对三江源区高寒草甸生态系统CO_2通量的影响及其原因

为了揭示草地退化对三江源地区高寒草甸生态系统碳通量的影响,利用涡度相关技术,于2006年12月1日~2007年11月30日对三江源地区的退化高寒草甸生态系统的碳通量及生物和环境因子进行观测.结果发现：草地退化对高寒草甸生态系统的碳通量产生了深刻影响,与未退化的高寒草甸生态系统相比,退化高寒草甸生态系统全年总初级生产力（GPP）下降了36.6%,全年生态系统呼吸（Reco）下降了7.9%,全年净生态系统CO2交换（NEE）也由退化前的负值（碳吸收）转变为正值（碳排放）,二者相差132.5gC/（m2.a）,生态系统由原来的碳汇转变为目前的碳源.这些变化与高寒草甸退化后,生态系统植物地上生物量锐减、植物生长期缩短（NEE〈0的天数）、植物多样性下降、土壤含水量降低等因素密切相关.