淮北平原農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)非生長(zhǎng)季CO2通量變化特征

李新玉，耿紹波，趙淑琴，佟志彬，王 晶，張俊英

（1.河南西平縣林業(yè)局，河南 西平463900；2.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；3.河北省林業(yè)局，石家莊050081；4.河南省林業(yè)科學(xué)研究院，鄭州450003；5.邢臺(tái)市林業(yè)局，河北 邢臺(tái)054000）

氣候變化和全球變暖使陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳源／碳匯問(wèn)題成為當(dāng)前全球生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。作為陸域生態(tài)系統(tǒng)碳吸收能力最強(qiáng)的碳庫(kù)，森林生態(tài)系統(tǒng)碳交換特征及其環(huán)境控制機(jī)理研究已經(jīng)成為全球氣候變化研究的焦點(diǎn)問(wèn)題。20世紀(jì)80年代初，渦度相關(guān)法（eddy covariance）開(kāi)始應(yīng)用到森林碳交換研究中［1］。目前，渦度相關(guān)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收與排放測(cè)定中，該方法已經(jīng)成為通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)FLUXNET的標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)方法［2］。

目前，針對(duì)生長(zhǎng)季碳交換特征的研究已有很多［3－4］，但在非生長(zhǎng)季，由于植被、凋落物及土壤微生物的呼吸作用，生態(tài)系統(tǒng)碳交換通常表現(xiàn)為碳釋放，特別是冬季持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的寒帶及溫帶森林，它們?cè)诜巧L(zhǎng)季釋放出大量的CO2，很大程度上決定了該地區(qū)全年的碳源和碳匯強(qiáng)度［5］。但由于非生產(chǎn)季觀測(cè)期間易受雪、霜以及低溫條件的限制，相關(guān)的研究［6－7］開(kāi)展得并不多，已成為生態(tài)系統(tǒng)碳通量研究的薄弱時(shí)間環(huán)節(jié)。特別是我國(guó)淮北農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，開(kāi)展的研究更少。因此本文結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀缶钟^測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)雪、霜以及霧等因子對(duì)生態(tài)系統(tǒng)CO2通量的影響進(jìn)行初步研究。

1 研究區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選在河南省西平縣淮北平原農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，該站位于河南省西平縣五溝營(yíng)鎮(zhèn)五溝營(yíng)農(nóng)場(chǎng)內(nèi)，與縣老王坡農(nóng)場(chǎng)相接，人工楊樹林面積共有168hm2，人工楊樹林內(nèi)混植作物為冬小麥。

該區(qū)地處北亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡區(qū)，屬亞濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候。氣候溫和，四季分明，雨量充沛，光照充足，無(wú)霜期長(zhǎng)。年平均氣溫14.8℃，年平均降水量852mm，年日照時(shí)數(shù)2 157.2h，全年無(wú)霜期233d，積溫≥0℃持續(xù)時(shí)間319d，此間≥0℃的積溫為5 386.9℃，≥10℃的積溫為4 782℃。春季多西北風(fēng)，夏季多東南風(fēng)，平均風(fēng)速2.3m／s。生態(tài)站所在地土壤可分為三類：黃棕壤、砂姜黑土、潮土。其中黃棕壤占36.9%，砂姜黑土43.9%，潮土占19.2%。土壤有機(jī)質(zhì)含量多在1.39%以上，速效磷5～92mg／kg，速效鉀含量平均為99mg／kg，土壤pH值6.5～7.5。人工楊樹林林分組成單一，喬木層只有楊樹，平均樹高12.2m，平均胸徑為12cm。草本植被層中物種亦不豐富，共有12種植物，在調(diào)查地中草本植物種類較少但物種個(gè)體數(shù)較多，其植被覆蓋率可達(dá)90%以上。該區(qū)水流屬淮河流域的洪、汝水系，站點(diǎn)所在地為老王坡滯洪區(qū)，最大滯洪量1.76億m3，最大淹沒(méi)面積142km2。

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)

渦度相關(guān)觀測(cè)系統(tǒng)（EC系統(tǒng)）安裝在鐵塔18m（1.5倍林冠高）處，觀測(cè)日期為2009年9月29日（楊樹開(kāi)始落葉）至2010年3月4日（植被開(kāi)始萌芽）。電力供應(yīng)采用太陽(yáng)能電池板，并且使用蓄電池作為連續(xù)非間斷電源。系統(tǒng)組成是1臺(tái)CR3000數(shù)據(jù)采集器、1臺(tái)CSAT3超聲風(fēng)速儀、1臺(tái)LI7500CO2／H2O分析儀、CR3000控制測(cè)量、運(yùn)算及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；CSAT3測(cè)量三維風(fēng)速和超聲虛溫；LI7500測(cè)量CO2、H2O和大氣壓力。CSAT3、LI7500以SDM方式輸出。CR3000數(shù)據(jù)采集器有4M內(nèi)存。系統(tǒng)工作時(shí)計(jì)算在線通量，并存貯通量數(shù)據(jù)和時(shí)間系列數(shù)據(jù)。

同時(shí)，塔上還安裝了微氣象觀測(cè)系統(tǒng)，包括3層大氣溫濕度傳感器（HMP45C），安裝高度為6，10.5，15m。三層風(fēng)速儀，安裝高度為6，10.5，15m。一個(gè)風(fēng)向標(biāo)，安裝高度為15m。冠層上凈輻射（CNR－1）和光合有效輻射傳感器設(shè)于18m（Li－190Sb）。觀測(cè)塔21m高度處安裝有雨量測(cè)量裝置（TE525）。土壤中安裝了3層土壤濕度傳感器（257－L），深度分別為5，20，45cm。土壤熱通量板（HFP01），設(shè)置地下5 cm處一個(gè)；地下部分觀測(cè)的數(shù)據(jù)原始采樣頻率為0.5Hz，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器（CR 1000）采集并按30min計(jì)算平均值進(jìn)行存儲(chǔ)。

另外，在渦度相關(guān)觀測(cè)系統(tǒng)20m附近還安裝有LI－8100開(kāi)路式土壤通量測(cè)量系統(tǒng)，全天候觀測(cè)試驗(yàn)地的土壤呼吸，觀測(cè)期間無(wú)洪水淹沒(méi)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 渦度通量計(jì)算 CO2渦度通量通過(guò)垂直風(fēng)速 與CO2濃度c脈動(dòng)值的協(xié)方差計(jì)算獲得，上橫線表示單元數(shù)據(jù)平均。在此，通量平均化時(shí)間為30min，正通量值表示CO2從森林向大氣傳輸，負(fù)值與之相反。

2.2.2 WPL修正 當(dāng)紅外氣體分析儀實(shí)測(cè)的CO2或H2O脈動(dòng)量是氣體濃度而非混合比時(shí)，為消除下墊面與大氣間感熱與潛熱產(chǎn)生的密度脈動(dòng)效應(yīng)，必須對(duì)渦度通量做相應(yīng)的修訂，即 WPL修訂，其修正公式為

式中：Fc－WPL——WPL 修 訂 項(xiàng) ［（mg／（m2·s）］；c——CO2濃度（mg／m3）；T——虛溫（℃）；μ——干燥空氣和水汽分子質(zhì)量之比；ρa(bǔ)——干燥空氣密度（mg／m3）；ρv——水汽密度（mg／m3）；Ta——空氣溫度（℃）［8］。

2.2.3 二次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn) 對(duì)離線數(shù)據(jù)采用二次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行地形、儀器傾斜影響訂正，具體步驟為：首先以z軸為中心軸旋轉(zhuǎn)x和y軸從而使v＝0，然后在使x軸的方向與主導(dǎo)風(fēng)向一致的前提下，以y軸為中心軸旋轉(zhuǎn)新的坐標(biāo)系統(tǒng)的x軸和y軸，從而使w＝0。

2.2.4 數(shù)據(jù)剔除 為了得到準(zhǔn)確代表植被－大氣間碳交換量的數(shù)據(jù)，并減少噪音數(shù)據(jù)的干擾，并盡可能地利用原始晴好天氣的數(shù)據(jù)而減少人為干擾，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中運(yùn)用SAS數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了以下處理：（1）剔除同期有降水的通量數(shù)據(jù)；（2）找到偏離物理正常閾值范圍的單數(shù)據(jù)點(diǎn)，并用連續(xù)平均值取代；（3）剔除高于6倍標(biāo)準(zhǔn)差（6σ）的30min均值數(shù)據(jù)；（4）剔除穩(wěn)態(tài)測(cè)試中非常穩(wěn)定和非常不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。（5）剔除數(shù)據(jù)有效樣本數(shù)少于15 000的數(shù)據(jù)。

2.2.5 數(shù)據(jù)插補(bǔ) 利用渦度相關(guān)法評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)碳收支狀況需要獲得連續(xù)的通量觀測(cè)數(shù)據(jù)，但在長(zhǎng)期通量觀測(cè)過(guò)程中往往存在數(shù)據(jù)的缺損。同時(shí)數(shù)據(jù)剔除過(guò)程中也會(huì)剔除部分?jǐn)?shù)據(jù)，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。在此，運(yùn)用SAS數(shù)據(jù)處理軟件只對(duì)于短時(shí)間（＜2h）的數(shù)據(jù)采用線性內(nèi)插法填補(bǔ)，對(duì)于長(zhǎng)期缺失數(shù)據(jù)，本論文剔除后不予插補(bǔ)。

3 結(jié)果與分析

3.1 CO2通量變化特征

3.1.1 生態(tài)系統(tǒng)CO2通量日變化及季節(jié)變化特征

從圖1中可以看出，非生長(zhǎng)季農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)CO2通量具有明顯的季節(jié)變化和日變化趨勢(shì)，早春變化最大，秋末次之，冬季較小，其通量變化范圍為－0.42～0.27mg／（m2·s）。農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)在整個(gè)非生長(zhǎng)季白天仍表現(xiàn)為吸收CO2，這主要是由生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)冬小麥光合作用所致。

在秋末和冬季，生態(tài)系統(tǒng)CO2通量在00：00－10：00表現(xiàn)為碳源，通量值較穩(wěn)定，大多為0～0.1 mg／（m2·s），在上午10：00左右，生態(tài)系統(tǒng)與大氣CO2交換達(dá)到平衡，繼而生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樘嘉?。?0：00－5：30左右為負(fù)通量，整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為碳吸收，峰值出現(xiàn)在13：00－14：00，期間CO2通量較為穩(wěn)定，變化不大。到5：30左右，生態(tài)系統(tǒng)與大氣CO2交換再次達(dá)到平衡，從5：30至次日10：00，生態(tài)系統(tǒng)又表現(xiàn)為碳釋放，通量值亦較穩(wěn)定，大多為0～0.1mg／（m2·s）。在早春，冬小麥開(kāi)始返青，楊樹開(kāi)始吐葉，生態(tài)系統(tǒng)在白天開(kāi)始表現(xiàn)為強(qiáng)的碳吸收，CO2通量為－0.2～－0.4mg／（m2·s），是秋末和冬季的數(shù)倍，碳吸收時(shí)間為8：30－18：30，比秋末和冬季延長(zhǎng)2.5h，從18：30至次日8：30生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為碳釋放，碳通量波動(dòng)較大，尤其在18：30－24：00時(shí)段，表現(xiàn)為碳通量比秋末和冬季的要高，說(shuō)明該時(shí)段初春生態(tài)系統(tǒng)的呼吸比較活躍。

圖1 農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)CO2通量不同月份日變化過(guò)程

圖2顯示的是農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)在非生長(zhǎng)季選取晴好天氣所得出的逐天CO2通量變化，從圖2可以看出，非生長(zhǎng)季的秋末和冬季，生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的CO2交換較為穩(wěn)定，其通量值基本為－5～5g／（m2·d），期間大量負(fù)值的出現(xiàn)與農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中的冬小麥密切相關(guān)，說(shuō)明冬小麥在其非生長(zhǎng)季亦能進(jìn)行微弱的光合作用。初春，生態(tài)系統(tǒng)的CO2交換由穩(wěn)定轉(zhuǎn)為活躍，通量值變化幅度較大，在0～－26 g／（m2·d）上下浮動(dòng)，生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的碳吸收過(guò)程，由此可以得出整個(gè)非生長(zhǎng)季生態(tài)系統(tǒng)碳通量為－57.74g／（m2·d），表現(xiàn)為微弱的碳匯。

圖2 農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)CO2通量非生長(zhǎng)季變化過(guò)程

3.1.2 土壤呼吸速率變化特征 在觀測(cè)生態(tài)系統(tǒng)通量的同時(shí)，還對(duì)該生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸速率做了研究，由圖3可以看出，非生長(zhǎng)季土壤呼吸可以明顯分為三個(gè)層次，10月和3月算第一層，11月算第二層，12月、1月、2月算第三層。10月和3月的土壤呼吸尚屬活躍階段，土壤呼吸速率為0.08～0.1mg／（m2·s），峰值明顯，出現(xiàn)在12：00和13：30，10月峰值可達(dá)0.12mg／（m2·s）；11月土壤呼吸速率明顯下降，大多為0.06～0.08mg／（m2·s），峰值明顯，出現(xiàn)在中午12：00；12月、1月、2月土壤呼吸微弱，其速率為0.02～0.06mg／（m2·s），且峰值不明顯，出現(xiàn)在14：00－15：00。土壤呼吸主要包括植物根系呼吸和土壤微生物呼吸［9］，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是在10月和3月，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)植物生理功能正常，其根系進(jìn)行呼吸作用從而產(chǎn)生CO2，加上土壤微生物的呼吸作用，使得此時(shí)土壤呼吸表現(xiàn)活躍，11月，楊樹葉已落盡，林地內(nèi)草本植物除冬小麥外都已枯萎，而冬小麥的生理活動(dòng)也受到了限制，植物根系呼吸作用也變得微弱，而此時(shí)的溫度尚未完全限制微生物的活動(dòng)，使得土壤呼吸較為活躍，再到12月、1月、2月，溫度的下降使土壤表層微生物的生理活動(dòng)也受到了限制，只有冬小麥和土壤深處的微生物進(jìn)行微弱的呼吸作用，導(dǎo)致土壤呼吸表現(xiàn)不活躍。

圖3 農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸速率不同月份日變化過(guò)程

3.1.3 植被層CO2通量變化特征 本文中植被層碳通量的計(jì)算采用晴好天氣白天生態(tài)系統(tǒng)通量減去對(duì)應(yīng)的土壤呼吸通量。植被層碳通量不同月份日變化過(guò)程如圖4所示。很多研究已表明，生態(tài)系統(tǒng)夜間碳通量存在低估問(wèn)題，即晚上由渦度相關(guān)系統(tǒng)所觀測(cè)的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)與大氣界面之間的碳通量，比之生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用所產(chǎn)生的 CO2通量要?。?0－12］，所以，對(duì)于植被層部分，只選取晴好天氣的白天部分做研究。可以看出，整個(gè)非生長(zhǎng)季地表以上的植物部分白天光合作用要大于其呼吸作用，表現(xiàn)為碳吸收。初春3月的碳通量比其他月份都要突出，這與這一時(shí)期楊樹的發(fā)芽、展葉，冬小麥的返青和林內(nèi)雜草的生長(zhǎng)密切相關(guān)，該月峰值出現(xiàn)在12：30左右，較之其他月份峰值（14：00左右）有所提前。白天地上植物部分對(duì)于整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)碳通量的貢獻(xiàn)要高于土壤呼吸，成為生態(tài)系統(tǒng)白天碳通量的主要影響部分。

圖4 農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)植物部分白天CO2通量不同月份日變化過(guò)程

3.2 生態(tài)系統(tǒng)CO2通量的環(huán)境影響機(jī)制

影響生態(tài)系統(tǒng)CO2通量的主要環(huán)境因素有光合有效輻射［2，13］、溫度［10，14］和濕度［15－17］等。影響土壤呼吸速率的主要環(huán)境因子為土壤溫度和土壤濕度［7，18］，而本實(shí)驗(yàn)時(shí)間為生態(tài)系統(tǒng)的非生長(zhǎng)季，光合有效輻射對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)主要通過(guò)影響溫度和水分來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此本論文不分析光合有效輻射的影響，只分析溫度和濕度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳通量的影響。

3.2.1 土壤溫度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)CO2通量和土壤呼吸的影響 在數(shù)據(jù)的前期處理中，發(fā)現(xiàn)5cm土壤呼吸速率和生態(tài)系統(tǒng)CO2通量與土壤溫度的擬合關(guān)系最好，因此本論文將重點(diǎn)分析5cm土壤溫度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)CO2通量和土壤呼吸的影響。

（1）日內(nèi)尺度溫度的影響。選取每個(gè)月中旬左右的晴好天氣的數(shù)據(jù)，取其各時(shí)刻的平均值，對(duì)5cm土壤溫度和土壤呼吸速率進(jìn)行回歸方程擬合，擬合過(guò)程選擇擬合關(guān)系最好的方程建立回歸模型。

表1 不同月份日內(nèi)尺度5cm土壤溫度與土壤呼吸速率和生態(tài)系統(tǒng)CO2通量的擬合關(guān)系

從表1可以看出，不同月份，所建立的擬合模型不盡相同，整個(gè)非生長(zhǎng)季擬合關(guān)系較好的一般為二次方程。5cm土壤呼吸速率與土壤溫度在日內(nèi)尺度上具有很好的相關(guān)性，尤其是10月和3月，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.9以上，呈極顯著相關(guān)，這說(shuō)明5cm土壤溫度是決定土壤呼吸強(qiáng)度的一個(gè)重要因素，而5cm土壤溫度與生態(tài)系統(tǒng)CO2通量之間相關(guān)性并不明顯，比較5 cm土壤溫度與土壤呼吸速率和生態(tài)系統(tǒng)碳通量的相關(guān)性可以看出，5cm土壤溫度與土壤呼吸速率多呈正相關(guān)，而與生態(tài)系統(tǒng)CO2通量全部呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這說(shuō)明溫度升高，促進(jìn)土壤碳釋放的同時(shí)，也促進(jìn)了生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)冬小麥群落的碳吸收，這是生態(tài)系統(tǒng)CO2通量與5cm土壤溫度相關(guān)性差的一個(gè)原因，另外，晚上CO2通量的低估問(wèn)題和大氣湍流運(yùn)動(dòng)具有的隨機(jī)性使生態(tài)系統(tǒng)CO2通量和5cm土壤溫度的相關(guān)性較差。

（2）日際尺度土壤溫度的影響。從整個(gè)生長(zhǎng)季的相關(guān)關(guān)系來(lái)看，土壤呼吸速率與5cm土壤溫度存在良好的相關(guān)性，而生態(tài)系統(tǒng)CO2通量與5cm土壤溫度的相關(guān)性很差。這是因?yàn)闇u度相關(guān)系統(tǒng)測(cè)定的是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)表面與大氣界面之間的CO2交換，生態(tài)系統(tǒng)吸收或釋放CO2，并不能直接傳到生態(tài)系統(tǒng)與大氣界面上，以釋放CO2為例，在理想狀態(tài)下生態(tài)系統(tǒng)呼吸產(chǎn)生的CO2經(jīng)大氣的湍流和濃度擴(kuò)散作用會(huì)逐漸上升至渦度相關(guān)系統(tǒng)采樣界面，但是，現(xiàn)實(shí)中的大氣運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的，例如，晚上過(guò)于穩(wěn)定的大氣狀況或者大氣的平流運(yùn)動(dòng)都會(huì)影響CO2的正常傳送，致使渦度相關(guān)系統(tǒng)測(cè)定的CO2通量與實(shí)際不符，而長(zhǎng)期的大氣運(yùn)動(dòng)更是存在各種不確定性因素，從而表現(xiàn)為與環(huán)境因子的相關(guān)性較差（圖5）。

圖5 農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)非生長(zhǎng)季土壤呼吸速率、CO2通量與5cm土壤溫度的擬合關(guān)系

表2 不同月份日內(nèi)尺度5cm土壤含水量與土壤呼吸速率和生態(tài)系統(tǒng)CO2通量的擬合關(guān)系

3.2.2 土壤含水量對(duì)生態(tài)系統(tǒng)CO2通量和土壤呼吸的影響

（1）日內(nèi)影響規(guī)律。選取每個(gè)月中旬左右的晴好天氣的數(shù)據(jù)，取其各時(shí)刻的平均值，對(duì)5cm土壤含水量和土壤呼吸速率進(jìn)行回歸方程擬合，詳見(jiàn)表2。

與相同深度土壤溫度對(duì)土壤呼吸速率的影響相比，5cm處土壤含水量對(duì)土壤呼吸速率的影響較小，表現(xiàn)為兩者的相關(guān)性不高，僅3月兩者呈現(xiàn)出極顯著相關(guān)，這說(shuō)明土壤溫度比土壤含水量對(duì)土壤呼吸的影響更為顯著。而土壤含水量對(duì)生態(tài)系統(tǒng)CO2通量的影響較之土壤溫度的影響整體相差不大，土壤含水量對(duì)土壤呼吸速率影響亦不顯著。從相關(guān)性來(lái)看，土壤呼吸與土壤含水量大多呈正相關(guān)，而生態(tài)系統(tǒng)的CO2通量與土壤含水量大多呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與前面所分析的土壤溫度對(duì)兩者的影響機(jī)理相似。

（2）日際影響規(guī)律。從整個(gè)非生長(zhǎng)季來(lái)看，土壤呼吸速率和生態(tài)系統(tǒng)CO2通量與土壤含水量的相關(guān)性不大。這是因?yàn)樵摰匚挥谛购閰^(qū)，地下水位低，觀測(cè)期間降水較多，土壤水分充足，不存在水分脅迫，能滿植物和土壤微生物的生理需求，因此，兩者受土壤含水量的影響小，詳見(jiàn)圖6。

3.2.3 特殊天氣對(duì)碳通量的影響

（1）雨天前后的比較。從圖7可以看出，降雨前后生態(tài)系統(tǒng)CO2通量日變化規(guī)律變化不大，從CO2通量收支的日總值來(lái)看，三個(gè)月份的CO2通量分別由降雨前的1.38，0.03，1.20g／（m2·d），變?yōu)榻涤旰蟮?.31，－0.55，－4.94g／（m2·d），可見(jiàn)降雨有利于碳吸收，這可能有兩方面的原因：一是因?yàn)榻涤赀^(guò)程中，雨水堵塞了土壤孔隙，使得土壤微生物的呼吸作用受到了限制，從而減少了CO2的釋放；另外，雨過(guò)天晴，空氣通透性增加，光照相對(duì)增強(qiáng)，加強(qiáng)了冬小麥的光合作用，增加了CO2的吸收。

圖6 農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)非生長(zhǎng)季土壤呼吸速率、CO2通量和5cm土壤含水量的擬合關(guān)系圖

圖7 不同月份雨天對(duì)農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)CO2通量日變化的影響

（2）霧天對(duì)碳通量的影響。從圖8可以看出，霧天后CO2日變化存在一段CO2釋放高峰，12月份出現(xiàn)在0：00－10：00，而1月份出現(xiàn)在12：00－20：00，從數(shù)值來(lái)看，12月和1月的CO2通量分別由－1.63，3.57g／（m2·d）變?yōu)殪F天后的1.58，5.04g／（m2·d），可以看出，霧天后碳釋放有增加的趨勢(shì)。這是因?yàn)殪F天大氣狀況穩(wěn)定，湍流不發(fā)育，生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的CO2僅靠擴(kuò)散作用分散到更高的大氣中，霧天后，大氣活動(dòng)恢復(fù)正常，湍流發(fā)育活躍，儲(chǔ)存在林內(nèi)的CO2很快通過(guò)渦度相關(guān)系統(tǒng)界面，這就會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間內(nèi)CO2突增現(xiàn)象，導(dǎo)致霧天后CO2日總釋放量要高于霧天前。這與Grace［19］在雨季和旱季對(duì)亞馬遜盆地中部一塊最大的熱帶雨林進(jìn)行的通量觀測(cè)所發(fā)現(xiàn)的“清晨CO2通量突增現(xiàn)象”產(chǎn)生的原因類似。

圖8 不同月份霧天對(duì)農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)CO2通量日變化的影響

（3）雪天前后的比較。雪天前后CO2通量日變化規(guī)律差別不大，但是雪天后的CO2日總釋放量增多，雪前CO2通量為0.38g／（m2·d），雪后為1.12 g／（m2·d），這可能是因?yàn)榉e雪對(duì)CO2有一定的富集作用［6］，雪天后，天氣放晴，積雪融化，富集的CO2釋放出來(lái)，表現(xiàn)為雪后比雪前碳釋放量增多（圖9）。

（4）復(fù)雜混合性天氣對(duì)CO2通量的影響。另外選擇了雨、雪、霧、淞天氣的時(shí)日，分析復(fù)雜混合性天氣對(duì)CO2通量的影響。從圖10可以看出，復(fù)雜混合性天氣對(duì)生態(tài)系統(tǒng)CO2通量日變化規(guī)律影響不大，從數(shù)值上來(lái)看，復(fù)雜混合性天氣狀況下，11月和12月日CO2總通量值分別由1.84，－0.59g／（m2·d）變?yōu)椋?.99，－0.93g／（m2·d）。雖然該天氣中有雪和霧，但是經(jīng)歷該天氣后，生態(tài)系統(tǒng)CO2通量較之前有增加的趨勢(shì)，這是因?yàn)榛旌咸鞖庵羞€有降雨，降雨破壞了積雪對(duì)CO2的富集作用，同時(shí)還能消去霧氣，提高了大氣的湍流運(yùn)動(dòng)，使得因積雪和霧氣富集到土壤和林內(nèi)的CO2很快擴(kuò)散出去，而該種復(fù)雜混合型降水天氣過(guò)后，天氣一般比降水前要晴朗，太陽(yáng)輻射相對(duì)要增強(qiáng)，使得農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的光合作用增加，因此生態(tài)系統(tǒng)CO2通量在經(jīng)歷雨雪天氣后有增加的趨勢(shì)。

圖9 雪天對(duì)農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)CO2通量日變化的影響

圖10 不同月份復(fù)雜混合型天氣對(duì)農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)CO2通量日變化的影響

4 結(jié)論

（1）在非生長(zhǎng)季，農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的CO2通量具有明顯的日變化和季節(jié)變化特征，在日變化上，生態(tài)系統(tǒng)CO2通量在中午2：00左右達(dá)到高峰，白天呈現(xiàn)出負(fù)值，表現(xiàn)為碳吸收；而在月變化上，秋末和初春呈現(xiàn)出明顯的碳吸收。

（2）在非生長(zhǎng)季，農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)CO2通量受土壤溫度、土壤含水量等環(huán)境影子的影響較小，而土壤呼吸通量受環(huán)境因子的影響較大。土壤5cm溫度對(duì)土壤碳通量的日變化影響顯著，尤其是10月和3月，可達(dá)到極顯著水平；而就整個(gè)非生長(zhǎng)季來(lái)看，土壤碳通量與土壤溫度的相關(guān)關(guān)系較為顯著。相比較而言，農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)CO2通量受土壤溫度的影響較小，兩者的相關(guān)性較低，此外，在整個(gè)非生長(zhǎng)季兩者的相關(guān)性都較差。

（3）與5cm土壤溫度相比，5cm土壤含水量對(duì)土壤呼吸和整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)碳通量的影響均較小。表現(xiàn)為不論是日變化和整個(gè)生長(zhǎng)季上，兩者的相關(guān)性均較差。

（4）通過(guò)分析和研究降水對(duì)生態(tài)系統(tǒng)CO2通量的影響發(fā)現(xiàn)，碳通量觀測(cè)期間的降雨和復(fù)雜的降水過(guò)程（如雨夾雪等）對(duì)生態(tài)系統(tǒng)CO2通量具有一定的影響。表現(xiàn)為降雨和雨雪過(guò)后，生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收有增加趨勢(shì)，而降雪和霧天過(guò)后生態(tài)系統(tǒng)碳釋放能力有增加趨勢(shì)。

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