草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量特征及其影響因子研究

李曉琳

(河南省三門峽市氣象局，河南 三門峽 472000)

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草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量特征及其影響因子研究

李曉琳

(河南省三門峽市氣象局，河南 三門峽 472000)

該文以內(nèi)蒙古科爾沁草原為研究對象，利用渦動相關(guān)系統(tǒng)觀測的2011年生長季(5—9月)的碳通量以及同期常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)，分析該生態(tài)系統(tǒng)的碳通量的日變化、季節(jié)變化及造成碳通量變化的原因，結(jié)果表明草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量日變化呈單峰型；生長季碳通量具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，基本呈“U”型；凈輻射和氣溫是影響草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量的主要氣象因子。

碳通量；草地；渦動相關(guān)；影響因子

1 引言

自20世紀70年代以來，亞洲工業(yè)排放的 CO2增長了 60% ，增長率高于其他所有地區(qū)，而我國則成為亞洲地區(qū)第一CO2排放大國，高于工業(yè)發(fā)達國家日本[1]。草地生態(tài)系統(tǒng)作為地球上最重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)之一，世界草原總面積約占地球陸地總面積的六分之一，中國是世界上草原資源最豐富的國家之一，草原總面積將近4億hm2，占全國土地總面積的40%[2]，為現(xiàn)有耕地面積的3倍。草地生態(tài)系統(tǒng)不僅對于發(fā)展畜牧業(yè)、保護生物多樣性以及保持水土等有重要意義，其對地球碳循環(huán)的重要意義也十分突出[3]。本研究選取我國四大草原之一的科爾沁草原，通過對其碳通量變化情況以及影響因子進行研究和分析，以更好的揭示科爾沁草原的碳循環(huán)規(guī)律，為更好的發(fā)揮草地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)價值提供一定的依據(jù)[4]。

2 研究地點和方法

2.1 研究地點

研究地點選取是內(nèi)蒙古科爾沁草原。位于42°5′～43°5′N，117°30′～123°30′E，海拔250～650 m。氣候冬寒冷、夏炎熱，春風大。年均降水量360 mm，年際變化較大，年內(nèi)分配不均，多集中6—8月份。冬季以西北風為主，春秋則對西南風為主，年平均風速3.5 m/s，大風日數(shù)常達30 d左右。全區(qū)年日照時數(shù)2 900 h，日照率達67% ，無霜期140～150 d。植被主要有白草、沙蓬、小黃柳、差巴嘎蒿等[5]。

2.2 觀測儀器

研究地建有3 m微氣象觀測塔，裝有一套開路渦動相關(guān)系統(tǒng)(Open Path Eddy Covariance，簡寫為OPEC)和常規(guī)氣象觀測系統(tǒng)，對草地生態(tài)系統(tǒng)CO2通量和相關(guān)氣象要素進行同步測量(表1)。

表1 渦度相關(guān)、常規(guī)氣象和太陽輻射儀器介紹

2.3 研究方法

渦動相關(guān)技術(shù)是以湍流傳輸理論和雷諾平均法則為理論基礎(chǔ)，某物理量的垂直湍流輸送通量可表示為：

(1)

式中，F(xiàn)c為 CO2的垂直湍流輸送通量，w′為垂直風速脈動量，c′為CO2濃度的脈動量。上橫線表示在一定時間間隔上的平均。

對于葉面積指數(shù)測定，選取試驗地每個物種具有代表性植株各30株，然后摘下所選植株葉片，并記錄植株葉片數(shù)及其長寬等數(shù)據(jù)，然后稱重，最后將其放于印有0.5 cm×0.5 cm方格的A4紙上，通過數(shù)字圖像處理法測定各植株葉片面積[6]。5—9月的葉面積指數(shù)變化范圍為0.32～5.93。

空氣的飽和水汽壓差(VPD)，通過空氣的水汽壓(ea)和相對濕度(Rh)來計算。根據(jù)關(guān)系式

VPD=es-ea

(2)

(3)

式中，es為飽和水汽壓(kPa)

由上面兩公式可得：

(4)

由此公式求得空氣的飽和水汽壓差的數(shù)據(jù)用于本文的分析。

3 結(jié)果分析

3.1 碳通量的日變化和季節(jié)變化

通過應(yīng)用渦度相關(guān)系統(tǒng)的測量可以得到所研究草地生態(tài)系統(tǒng)中CO2通量在草地生態(tài)系統(tǒng)與大氣系統(tǒng)之間的交換狀況。分析觀測所得數(shù)據(jù)可以得出草地生態(tài)系統(tǒng)的光合作用強度與其呼吸作用的強弱關(guān)系，當草地生態(tài)系統(tǒng)的光合作用大于其呼吸作用時，此時CO2通量視為負值；反之當生態(tài)系統(tǒng)的光合作用強度小于其呼吸作用強度時，此時的CO2通量表現(xiàn)為正，如果光合強度與呼吸強度基本在同一水平線上時，則整個草地生態(tài)系統(tǒng)與大氣生態(tài)系統(tǒng)之間的凈CO2交換為零。

3.1.1 碳通量的日變化 由于晴天和多云天碳通量日變化的不同，在該草地生態(tài)系統(tǒng)3個不同生長時期分別選擇1個典型的晴天和多云天進行碳通量日變化的分析。

科爾沁草地7月份晴天碳通量具有明顯的日變化規(guī)律(圖1a)，日振幅較大，從07時開始隨著太陽輻射的增強和氣溫的升高(圖2a、3a)，凈光合速率逐漸增大。其中CO2凈吸收峰值出現(xiàn)在當日的14時左右，峰值約為1.32 mg·m-2·s-1。下午隨著太陽輻射和氣溫的降低(圖2a、3a)，凈光合速率逐漸降低，至18時左右變?yōu)檎?。而整個夜間碳通量都為正值，生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為CO2凈排放，在22時30分左右達到排放最大值，為0.61 mg·m-2·s-1。生長初期的5月份和生長末期的9月份，碳通量日變化幅度較小，但有較為明顯的日變化規(guī)律，碳通量在白天隨著太陽輻射和氣溫的升高(圖2a、3a)，光合速率不斷增強，在正午時分達到峰值，而后又隨太陽輻射和氣溫的降低(圖2a、3a)，碳通量又開始下降。5月份和9月葉面積指數(shù)較低(5月4日為0.39，9月1日為1.87)，氣溫較低(圖2a)，太陽輻射稍低(圖1a)， 因而生態(tài)系統(tǒng)的光合速率較低。

7月份葉面積指數(shù)達到最大，氣溫也最高，各項環(huán)境因素都有利于植被的光合作用，因而凈固碳能力最強[7]。圖1b為多云天，碳通量在3個不同生長時期的日變化圖。由圖可明顯發(fā)現(xiàn)多云天碳通量變化與晴天的差異。相對于晴天，3個時期多云天的碳通量日變化幅度小于同時期晴天的變化幅度，并且陰天的碳通量日變化波動較大，變化曲線不平滑。這主要是由于陰天的凈輻射和氣溫值均小于同期晴天的值(圖2b、3b)，并且陰天凈輻射和氣溫的波動相較于晴天明顯較大(圖2b、3b)。

3.1.2 碳通量的季節(jié)變化 計算得整個生長季碳通量的日總量，作圖分析其季節(jié)變化，如圖4a所示，并添加趨勢線。正值表示CO2的凈排放，負值表示CO2的凈吸收。在生長季，科爾沁草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，基本呈“U”型。碳通量隨時間的推移而逐漸增大，在6—7月份達到最大，隨后又逐漸減小，在9月份以后碳通量變?yōu)檎担尫臗O2。通過計算得出碳通量月值，用月值作圖4b，由圖可更直觀看出碳通量隨季節(jié)的變化。在5月份，碳通量月總量絕對值為160.29 g·m-2，而后碳通量月總量絕對值變大，6—7月份相差不大，7月份達到最大值517.41 g·m-2，較5月份值翻了3倍還要多，隨后開始下降，到8月份碳通量月總量絕對值為226.70 g·m-2，9月份碳通量月總量已變?yōu)檎担優(yōu)镃O2凈排放，值為83.08 g·m-2。

出現(xiàn)上述變化特征，主要受葉面積指數(shù)、氣溫和凈輻射的影響。在生長季的初期，主要是5月，葉面積指數(shù)為0.33～2.78，氣溫較低，月平均值為15.61℃，因而植被的光合速率較低，5月碳通量的月總量較小。隨后氣溫不斷上升(圖5)和葉面積指數(shù)也不斷增大，在6—7月，葉面積指數(shù)大約為5～6，氣溫在20～25℃之間，凈輻射充足，這段時間的植被生長情況和各項環(huán)境因子都達到了植被光合作用所需的最佳要求，因此這段時間CO2的凈吸收達到整個生長季的最高峰。旺盛期過后，8月葉面積指數(shù)開始降低，氣溫和凈輻射也出現(xiàn)下降趨勢，導致植被生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)不斷衰退狀態(tài)，CO2凈吸收量不斷變小，8月的碳通量已不及7月的一半。而在9月，氣溫明顯降低，凈輻射明顯減弱(圖5)，葉面積指數(shù)也迅速減少，多種原因?qū)е律鷳B(tài)系統(tǒng)9月變?yōu)樘荚矗瑑襞欧臗O2。

圖1 不同生長時期晴天和多云天碳通量的日變化特征

圖2 凈輻射日變化

圖3 氣溫日變化

圖4 草地碳通量季節(jié)變化特征

圖5 凈輻射的季節(jié)變化特征

3.2 CO2通量與環(huán)境因子的關(guān)系

3.2.1 碳通量與氣象因子的關(guān)系 從以上所分析的結(jié)果中我們初步得知，影響草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量的氣象因子主要是凈輻射和氣溫。2011年科爾沁草地生態(tài)系統(tǒng)生長季(5—9月)碳通量與凈輻射和氣溫的關(guān)系，分別如圖6、圖7所示。

圖6 凈輻射與碳通量的關(guān)系

圖7 氣溫與碳通量的關(guān)系

從圖6我們可以看出，圖中的點較為密集的集中在趨勢線上下，由此可見碳通量受凈輻射影響很大。凈輻射處于-100～100 W·m-2附近時，圖中的點分布十分密集，并且上下波動較大，這片區(qū)域，呼吸作用起主導作用，而后隨著太陽輻射增強，植被光合作用增強，在凈輻射值約為500 W·m-2時，碳通量絕對值達到峰值，約為1.8 mg·m-2·s-1，此時為光合作用最強點，隨后隨著凈輻射增強，碳通量絕對值略微變小。凈輻射對碳通量的影響，主要通過影響植被的光合作用，充足的凈輻射可以提供植被光合作用所需的光能，從而促進植被的光合作用強度，增強其固碳能力[8]。此外，在凈輻射達到500 W·m-2以后，碳通量隨凈輻射的增強而變化的趨勢略有放緩，這主要是由于植被光合作用出現(xiàn)了光飽和現(xiàn)象。

從圖7可以看出，碳通量與氣溫也存在其與凈輻射類似的關(guān)系，隨著氣溫的升高，碳通量絕對值不斷變大，在氣溫低于10℃時，碳通量與溫度的變化規(guī)律不明顯，主要是由于氣溫較低時，植被的光合作用受到抑制，難以體現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律[9]。而后隨著氣溫的升高，碳通量的變化變大，在氣溫約為20℃時，碳通量絕對值迅速增大到1.5 mg·m-2·s-1。氣溫從20～30℃，碳通量均維持在較高水平，說明這個溫度段適宜植被的光合作用的進行，在27℃左右，碳通量絕對值達到最大值，約為1.8 mg·m-2·s-1。在氣溫>30℃以后，碳通量絕對值又逐漸減小，此時溫度過高，植被為避免蒸騰作用過強而關(guān)閉部分氣孔，導致光合作用強度減弱，從而出現(xiàn)此現(xiàn)象。

分別將2011年生長季每半小時的凈輻射、氣溫、飽和水汽壓差、土壤溫度(5 cm)和風速與碳通量做線性回歸分析，各氣象因子與碳通量的方程式和R2如表2所示。根據(jù)表中的R2值我們可以看得出，對草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量影響最大的氣象因子是凈輻射，其次分別是氣溫、飽和水汽壓差和土壤溫度，風速對碳通量影響較小。而且對所有氣象因子與碳通量的顯著性檢驗結(jié)果顯示，所有氣象因子都達到了極顯著水平。

表2 碳通量與氣象因子的相關(guān)性

**表示p<0.01，*表示p<0.05(Rn為太陽凈輻射，Ta為氣溫，VPD為飽和水汽壓差，Ts為土壤溫度，Wnd為風速)

3.2.2 碳通量與環(huán)境因子的多元回歸分析 將碳通量與凈輻射、氣溫、葉面積指數(shù)、風速、地溫和飽和水汽壓差利用SPSS軟件進行多元回歸分析，如表3所示。由表中內(nèi)容可知，輸入的6個可能影響碳通量的因子共建立了3個模型，其中，以第3個模型(LAI，Ts和Rn)的R2值最大，為0.652，即此模型的擬合度最好；其次是第2個模型(LAI和Ts)，R2值為0.606；最后是第1個模型，R2值為0.522。同時由分析結(jié)果得知3個模型的回歸系數(shù)均達到極顯著水平。由此可得出結(jié)論：碳通量主要受葉面積指數(shù)、土壤溫度和凈輻射影響，而氣溫、風速和飽和水汽壓差對碳通量影響不明顯。

表3 碳通量與環(huán)境因子的多元回歸分析

**表示p<0.01，*表示p<0.05(LAI為葉面積指數(shù)，Ts為土壤溫度，Rn為太陽凈輻射)

由表3可以看出，模型3的擬合度最好，對模型3中3個自變量的數(shù)據(jù)進行計算得出預測值(Fcp)，并作圖分析預測值與實際值的關(guān)系，如圖8，并添加趨勢線，并顯示公式和R2，預測值與實測值擬合效果較好。

Fcp= 0.657 7Fc- 2.941 6R2= 0.657 7

圖8 模型預測值Fcp與實測值Fc的關(guān)系

4 結(jié)論

本研究主要利用渦動相關(guān)技術(shù)對科爾沁草甸草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量進行觀測，通過觀測數(shù)據(jù)分析碳通量的日變化和季節(jié)變化特征，并討論分析了碳通量與環(huán)境因子之間的關(guān)系，為科爾沁草地生態(tài)系統(tǒng)的碳通量變化特征及其影響因子進行了一定的研究分析。主要結(jié)論如下：

① 草地生態(tài)系統(tǒng)各生長時期碳通量日變化特征相似，呈單峰型日變化。自日出后，碳通量絕對值逐漸增大，在14時前后達到最大值，此時光合作用最強，然后隨著氣溫和凈輻射的不斷減小，碳通量絕對值也不斷減小。此外，不同的天氣狀況和不同的生長時期也都會影響碳通量的日變化情況：多云天碳通量變化幅度小于晴天，且波動較大；生長旺盛期碳通量日變化幅度大于生長季初期和末期。

② 草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量呈明顯季節(jié)變化，其日值變化曲線接近于“U”型。5月份植被葉面積指數(shù)較小、氣溫較低，碳通量值較小；隨著植被葉面積指數(shù)的增大和氣溫的升高，草地生態(tài)系統(tǒng)在6—7月份碳通量達到最大值；隨后，植被葉面積指數(shù)、氣溫開始降低，8月份碳通量值明顯減少；最后的9月份，由于自然和人為(牧民收草)原因?qū)е氯~面積指數(shù)迅速降低且凈輻射和氣溫的降低，9月份碳通量值為正，排放CO2。整個2011年生長季(5—9月)，草地生態(tài)系統(tǒng)固定CO2值為1 314.7 g·m-2。

③ 多種氣象因子會影響草地生態(tài)系統(tǒng)的碳通量，其中凈輻射和氣溫對其影響最大，其次按順序分別為飽和水汽壓差、土壤溫度和風速。除氣象因子外，植被的葉面積指數(shù)對碳通量的影響很大。

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2015-07-01

李曉琳(1983—)，女，助工，主要從事應(yīng)用氣象研究工作。

1003-6598(2015)06-00019-05

S162

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