鳳陽山針闊混交林通量觀測(cè)源區(qū)分布及特征

紀(jì)小芳,龔 元,鄭 翔,魯建兵,馮 明,莊家堯,葉立新,劉勝龍,方萬力,王 丹,何雪凱,姜 姜,*

1 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,南京 210037 2 南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院,南京 210037 3 鳳陽山-百山祖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)鳳陽山管理處,龍泉 323700

在全球氣候變化的背景下,2002—2011年間CO2濃度的增加速率達(dá)到了(2.0±0.1 )ppm/a,其對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)大約78%[1]。森林生態(tài)系統(tǒng)作為主要的碳匯之一,在陸地生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要的角色。過去幾十年大量的研究圍繞森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)展開,試圖了解和掌握其碳排放動(dòng)態(tài),為分析和解決溫室效應(yīng)等全球環(huán)境問題尋找途徑。

渦度協(xié)方差(Eddy covariance,EC)方法常用來測(cè)量生態(tài)系統(tǒng)尺度上地表與大氣的CO2氣體交換。渦度協(xié)方差也稱渦度相關(guān)法是一種多用于測(cè)量植被下墊面與大氣間熱量、物質(zhì)和動(dòng)量交換的工具,目前為國(guó)際上主流的基于微氣象理論的通量觀測(cè)技術(shù),20世紀(jì)90年代以來,隨著渦度相關(guān)法的發(fā)展和應(yīng)用為直接觀測(cè)不同生態(tài)系統(tǒng)CO2排放和吸收提供了技術(shù)方法[2]。早期的渦度相關(guān)技術(shù)多應(yīng)用于農(nóng)田、濕地、草地和森林等幾個(gè)關(guān)鍵陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的CO2交換研究[3],但受觀測(cè)高度,大氣邊界層高度,大氣穩(wěn)定度等環(huán)境因素的影響,通量塔傳感器所測(cè)得的通量值僅代表下墊面的一定區(qū)域[4],因此在應(yīng)用渦度協(xié)方差法時(shí),需要確定其空間代表性和通量源區(qū)[5]。目前通量源區(qū)的模型主要有解析模型、大渦模擬模型、拉格朗日模型和閉合模型等幾類。解析模型的假設(shè)基礎(chǔ)較多,理論上僅適用于下墊面平緩的區(qū)域,主要采用梯度擴(kuò)散理論、二維平流擴(kuò)散方程以及相似理論得出通量貢獻(xiàn)區(qū),較著名的有Kormann and Meixner(KM)模型、FSAM模型和Horst-Weil模型[6- 9];大渦模型最初用于大氣和環(huán)境科學(xué)的研究,但其物理機(jī)理、計(jì)算比較復(fù)雜繁瑣,耗時(shí),消耗大量的存儲(chǔ)空間,不適宜于長(zhǎng)期通量觀測(cè)數(shù)據(jù)下的計(jì)算[10- 11];拉格朗日模型是基于拉格朗日粒子擴(kuò)散的數(shù)值模擬,理論上嚴(yán)格考慮了擴(kuò)散的均勻分布約束,可以正確的反映出非均勻湍流中的擴(kuò)散,較為著名的有Hsieh模型以及Kljun模型[12- 13]。2015年由Kljun[14]等提出的三維通量足跡模型更加適用于長(zhǎng)期連續(xù)且多時(shí)間序列的通量塔觀測(cè)源區(qū)計(jì)算,運(yùn)算速度更快。目前應(yīng)用FSAM模型[5,9,15- 23]和KM模型[24- 27]的研究較多,但是對(duì)Kljun模型[28- 29]實(shí)際進(jìn)行運(yùn)用的研究較少。對(duì)通量源區(qū)的主要研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)季的源區(qū)分布在任何狀態(tài)下均小于非生長(zhǎng)季[5,24- 25,30- 31];但是也有研究表明在大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下時(shí),非生長(zhǎng)季的源區(qū)面積大于生長(zhǎng)季[32];在穩(wěn)定大氣條件下的通量源區(qū)長(zhǎng)度要顯著大于不穩(wěn)定條件下[33];不同時(shí)間其通量源區(qū)的大小有所不同[16],隨著研究的深入與實(shí)際需要針對(duì)下墊面不均一的森林生態(tài)系統(tǒng)碳通量的監(jiān)測(cè)方法也逐漸成為研究的熱點(diǎn)[34]。Schmid H P 等[35]對(duì)位于尼日爾薩赫勒地區(qū)的虎灌木(粗砂和灌木交錯(cuò)分布)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)從單一位置進(jìn)行測(cè)量不能代表生態(tài)系統(tǒng)的空間湍流通量。Sogachev A等[36]利用SCADIS模型對(duì)山脊不同位置的通量值進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),相比較于同等高度,背山脊處的通量所受到的干擾最大,而通量塔的最佳建設(shè)位置在山脊頂部。而目前使用的最多的為ART (Agroscope Reckenholz Tanikon) Footprint Tool模型(基于KM模型)來實(shí)現(xiàn)對(duì)空間異質(zhì)性不同土地類型對(duì)所測(cè)通量所占比例的確定[12,27]。

本研究利用Kljun通量足跡模型(后簡(jiǎn)稱Kljun模型)和ART Footprint Tool(KM模型),對(duì)浙江鳳陽山通量塔2017年全年的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,探討該森林生態(tài)系統(tǒng)在不同時(shí)間跨度、不同大氣條件下的通量源區(qū)變化情況以及不同土地類型的對(duì)通量觀測(cè)值的貢獻(xiàn),對(duì)研究區(qū)通量觀測(cè)值的空間代表性作出解釋,為其他森林生態(tài)系統(tǒng)CO2通量研究和類似下墊面的通量源區(qū)評(píng)估提供服務(wù)和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國(guó)東南部的浙江麗水龍泉市鳳陽山自然保護(hù)區(qū)內(nèi),該區(qū)建于1975年,現(xiàn)有管理面積15171hm2[37- 38]。位于東經(jīng)119°06′—119°15′、北緯27°46′—27°58′。保護(hù)區(qū)森林覆蓋率達(dá)到了90.8%,屬于中亞熱帶溫暖濕潤(rùn)氣候區(qū),同時(shí)受海洋性氣候和季風(fēng)影響較大,研究區(qū)內(nèi)雨量充沛,多年平均降水量達(dá)到2400mm,降水集中于4—6月,占全年的80%,濕度大,霧多;年均氣溫12.8℃,極端高低溫分別為30.2℃、-12.5℃,月均氣溫最高28℃左右,最低6℃—13℃,年蒸發(fā)量達(dá)到1170 mm以上,無霜期275 d,有效積溫約6500℃[39- 40]。四季分明,一般3月底4月初入春;7月初入夏;8月中旬入秋;11月中旬入冬,光照資源豐富[41]。土壤類型主要為黃壤土,分布在海拔800 m之上的高山坡地。地形以山地為主,地勢(shì)較高,溝壑交錯(cuò),保護(hù)區(qū)的黃茅尖,海拔高達(dá)1928 m,為江浙第一高峰。保護(hù)區(qū)內(nèi)的通量塔于2016年10月搭建完成,位于研究區(qū)中心,其所在下墊面為陰坡24°,森林遍山野嶺,風(fēng)浪區(qū)無限大,樹冠高度大部分分布均勻,符合Kljun模型的使用條件[42],周圍林地以木荷、杉木和木楠混交為主,平均冠層高度約15 m,平均林齡約40 a。植物資源豐富,形成多優(yōu)勢(shì)種結(jié)構(gòu)特征。人工杉木林和人工柳杉林分布在海拔1400—1500 m左右,木荷在海拔300 m,900 m和1500 m處均有分布,黃山松在海拔600 m和1300 m處均有分布,多脈青岡和黃山木蘭在海拔1500 m左右有分布[43]。

圖1 鳳陽山研究區(qū)土地利用類型地形圖Fig.1 Topographic map and land use types in Fengyangshan research area

1.2 觀測(cè)方法和數(shù)據(jù)處理

研究區(qū)中心建有高40m的觀測(cè)鐵塔,塔上裝有通量和梯度系統(tǒng)。通量觀測(cè)系統(tǒng)的傳感器有數(shù)據(jù)采集器(CSI CR300,Campbell Scientific Inc.,USA),三維超聲及CO2/H2O分析儀(IRGASON,Campbell Scientific Inc.,USA),四分量輻射表(CNR4,Campbell Scientific Inc.,USA),空氣溫濕度(HMP155A,Campbell Scientific Inc.,USA),土壤熱通量板(HFP01,Campbell Scientific Inc.,USA)。配套的氣象觀測(cè)系統(tǒng)為6層梯度觀測(cè)(空間高度2、8、16、24、32、40m,土壤深度10、20、30、40、60、90cm),梯度系統(tǒng)測(cè)量大氣中不同高度的溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向以及不同深度土壤含水量和土壤溫度,適用于不同的下墊面和大氣條件,是邊界層氣象、農(nóng)林氣象、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)最普遍運(yùn)用和最基本的觀測(cè)手段。主要傳感器有土壤溫度傳感器(TCAV)、土壤水分傳感器(Campbell CS616,Campbell Scientific Inc.,USA)、風(fēng)向傳感器(MetOne 020C,Campbell Scientific Inc.,USA)、數(shù)據(jù)采集器(CSI CR300,Campbell Scientific Inc.,USA)、6層風(fēng)速傳感器(MetOne 010C,Campbell Scientific Inc.,USA)、HOBO雨量傳感器(Onset RG3-M,Campbell Scientific Inc.,USA)和空氣溫濕度傳感器(HMP155A,Campbell Scientific Inc.,USA)。整套觀測(cè)系統(tǒng)于2016年10月修建完成。研究人員每隔三個(gè)月去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)下載和維護(hù)儀器等工作。本研究選取鳳陽山通量塔2017全年的連續(xù)通量觀測(cè)數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過在線程序(EasyFluxTM-PC, Campbell Scientific Instruments, USA, https://www.campbellsci.com/)處理,EasyFlux程序中所用代碼均與EddyPro (Li-COR,NE, USA, https://www.licor.com/)軟件所用源代碼一致。主要處理過程包括：野點(diǎn)去除、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、WPL校正、建立數(shù)據(jù)質(zhì)量等級(jí)指標(biāo)(1—9)等最后得到30 min時(shí)間間隔的通量和微氣象數(shù)據(jù)序列[44- 45]。之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選,主要是去除降雨及降雨前后1h數(shù)據(jù);剔除紅外分析儀信號(hào)強(qiáng)度低于0.8的數(shù)據(jù);去除質(zhì)量控制等級(jí)標(biāo)記為“9”的數(shù)據(jù)[46]?；诒疚奶蕹龜?shù)據(jù)的原則,2017年的通量數(shù)據(jù)有效率為51%,來進(jìn)行通量貢獻(xiàn)區(qū)分析,一般通量數(shù)據(jù)有效率超過50%則具有代表性[26,28]。

依據(jù)鳳陽山當(dāng)?shù)氐膶?shí)際氣候狀況,季節(jié)劃分以3、4、5月為春季,6、7、8為夏季,9、10、11為秋季,1、2、12月為冬季[47]。

1.3 通量足跡模型

一般通量觀測(cè)塔上紅外分析儀所測(cè)得的通量值為某一時(shí)刻迎風(fēng)方向上對(duì)觀測(cè)值產(chǎn)生影響的下墊面空間代表區(qū)域的碳源或碳匯強(qiáng)度,對(duì)觀測(cè)點(diǎn)通量值有貢獻(xiàn)的下墊面區(qū)域即為通量貢獻(xiàn)區(qū)[48- 49]。以觀測(cè)點(diǎn)通量塔為原點(diǎn)(0,0)建立坐標(biāo),x軸的正值方向代表上風(fēng)距離：

(1)

式中Zm為有效觀測(cè)點(diǎn)高度,f為碳源或碳匯的轉(zhuǎn)換函數(shù)即footprint函數(shù),代表了表面上某點(diǎn)(x,y)對(duì)Zm處觀測(cè)值的貢獻(xiàn)率密度,Qc代表的是表面碳源或碳匯的點(diǎn)源強(qiáng)度,Fc為在Zm處所測(cè)得的通量值,R代表對(duì)通量值有貢獻(xiàn)的下墊面區(qū)域[7]。

Zm=Zreceptor-Zd

(2)

式中Zreceptor為通量塔相對(duì)于地面的觀測(cè)高度,Zd為零平面位移高度,采用森林冠層高度的2/3[50- 51]。

而側(cè)風(fēng)積分足跡函數(shù)fiy則主要受到上風(fēng)距離(x),有效動(dòng)力學(xué)高度(Zm),大氣邊界層高度(h),摩擦風(fēng)速(u*)和垂直風(fēng)速脈動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差(σw)等幾個(gè)參數(shù)決定。以上參數(shù)除了h需要單獨(dú)計(jì)算,主要與L(Obukhov,奧布霍夫長(zhǎng)度)有關(guān),詳細(xì)計(jì)算方法Kljun文章中給出[14],其他的都可以通過EasyFluxTM在線程序處理獲取[46]。由量綱分析(Π定理),將以上變量有可能構(gòu)成的無量綱參數(shù)組如下所示：

Π1=fiyZm

(3)

(4)

(5)

(6)

側(cè)風(fēng)積分足跡的無量綱函數(shù)F*可以由為上風(fēng)距離X*表示,即F*=φ(X*),由X*=Π2Π3-1Π4,F*=Π1Π3-1Π4可得到：

(7)

式中的a,b,c,d為通過后向拉格朗日隨機(jī)粒子擴(kuò)散模型(LPDM-B)不斷的實(shí)驗(yàn)計(jì)算出的各擬合參數(shù),均與粗糙度(z0)有關(guān)。用Zm/L來判別大氣穩(wěn)定度,其中L為Obukhov長(zhǎng)度(可由EasyFlux在線程序計(jì)算獲取),當(dāng)Zm/L>0時(shí),大氣為穩(wěn)定狀態(tài),而當(dāng)Zm/L<0時(shí),大氣為不穩(wěn)定狀態(tài)[21]。一般在分析中常用貢獻(xiàn)率密度的P水平等值線所包圍的區(qū)域(一般取P=0.8或0.9)來表示EC系統(tǒng)的觀測(cè)范圍[21],這里參考Kim等[42]基于Kljun模型的森林生態(tài)系統(tǒng)通量源區(qū)的研究方法,本研究選取P=0.8[42],Kljun等[42]還提供了該模型的在線數(shù)據(jù)處理網(wǎng)站(http://www.footprint.kljun.net/index.php),該研究下載了該模型的開源Matlab (MathWorks,USA,https://www.mathworks.com/)函數(shù)代碼應(yīng)用于浙江鳳陽山針闊混交林森林生態(tài)系統(tǒng)的通量足跡研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 主風(fēng)向分析

從圖2和表1可以清晰的看到鳳陽山森林全年和四季的風(fēng)速和風(fēng)向分布頻率,除秋季的主風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)之外,其余季節(jié)與全年的主風(fēng)向均為西南風(fēng)。結(jié)合圖1中的地形可以看出,風(fēng)向受到地形的很大影響,由于通量塔位于山坡上,所以其西北方向的風(fēng)受到山坡高度的影響,很難傳輸?shù)酵克谖恢?而西南方向海拔從通量塔位置開始逐漸增高,因此不會(huì)完全阻擋風(fēng),給風(fēng)的傳輸提供了可能,東北和西南方向也是如此。同時(shí)從表1中的白天和黑夜不同風(fēng)頻數(shù)據(jù)可以看出,全年晝夜風(fēng)向相反,白天和黑夜的主風(fēng)向分別為東北風(fēng)和西南風(fēng),可能受到山谷風(fēng)的影響[52]。

圖2 研究區(qū)風(fēng)向風(fēng)速玫瑰圖Fig.2 The wind rose map in the study area

表1 不同時(shí)間不同風(fēng)向的風(fēng)頻

2.2 研究區(qū)總體通量源區(qū)特征

利用Kljun模型計(jì)算出30 min時(shí)間間隔的90%的通量貢獻(xiàn)率的通量足跡,并繪制出其所對(duì)應(yīng)的上風(fēng)距離分布圖和累計(jì)頻率概率圖。從圖中可以明顯的看出,通量貢獻(xiàn)區(qū)最遠(yuǎn)點(diǎn)的分布比較集中,距離通量塔觀測(cè)點(diǎn)最遠(yuǎn)的距離為7000m,主要的通量測(cè)量值來自于東北和西南方向,結(jié)合全年的風(fēng)向風(fēng)速圖2可以發(fā)現(xiàn),風(fēng)向和風(fēng)速是影響通量貢獻(xiàn)區(qū)的主要因素。

對(duì)全年的貢獻(xiàn)率在10—80%的源區(qū)分布進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),在不穩(wěn)定條件下的源區(qū)面積明顯小于穩(wěn)定條件。當(dāng)大氣處于不穩(wěn)定條件時(shí),其通量貢獻(xiàn)率在80%的源區(qū)面積為0.89 km2,源區(qū)長(zhǎng)度在323.62—839.62 m間,0—90°方向上源區(qū)長(zhǎng)度達(dá)到最大,此時(shí)大氣做垂直劇烈運(yùn)動(dòng),物質(zhì)不穩(wěn)定輸送速度很快,渦流更易形成和傳播,EC系統(tǒng)所測(cè)得的通量值來自上風(fēng)向更短距離,導(dǎo)致其源區(qū)面積較小;而當(dāng)大氣處于穩(wěn)定條件時(shí),其通量貢獻(xiàn)率在80%的源區(qū)面積為4.88 km2,源區(qū)長(zhǎng)度在672.69—2390.49 m之間,在180—270°方向上源區(qū)長(zhǎng)度達(dá)到最大,空氣的湍流運(yùn)動(dòng)較弱,物質(zhì)上下垂直擴(kuò)散速度比較緩慢,EC系統(tǒng)可以測(cè)得來自較遠(yuǎn)距離的渦流,因此所代表的源區(qū)面積較大[16,24,53]。

2.3 不同季節(jié)的通量源區(qū)足跡氣候態(tài)特征

圖6表示在40m觀測(cè)高度Kljun模型評(píng)價(jià)浙江鳳陽山針闊混交林分別在春、夏、秋、冬季節(jié)在大氣條件穩(wěn)定和不穩(wěn)定條件通量貢獻(xiàn)率為80%時(shí)的源區(qū)分布圖?？梢钥闯?通量貢獻(xiàn)區(qū)存在季節(jié)差異,不同季節(jié)通量貢獻(xiàn)區(qū)的面積和主要分布方向都有差異,穩(wěn)定條件下的源區(qū)面積要明顯大于不穩(wěn)定大氣條件下,與全年的源區(qū)分布規(guī)律相似,且源區(qū)的方向和形狀均與風(fēng)向風(fēng)速圖相一致。春季在不穩(wěn)定和穩(wěn)定條件的源區(qū)面積分別為0.64 km2和4.89 km2,源區(qū)長(zhǎng)度分別在277.08—707.41 m和622.73—1887.58 m之間,分別在0—90°和180—270°方向源區(qū)長(zhǎng)度達(dá)到最大。夏季在不穩(wěn)定和穩(wěn)定條件下的源區(qū)面積分別為1.07 km2和2.58 km2,源區(qū)長(zhǎng)度分別在442.04—1822.53 m和329.40—1880.01 m之間,源區(qū)長(zhǎng)度最大值均出現(xiàn)在180—270°方向。秋季在不穩(wěn)定和穩(wěn)定條件下的源區(qū)面積分別為1.42 km2和5.37 km2,源區(qū)長(zhǎng)度分別在359.69—1212.98 m和441.73—2717.48 m之間,源區(qū)長(zhǎng)度最大值出現(xiàn)在0—90°和180—270°風(fēng)向。冬季不穩(wěn)定和穩(wěn)定條件下的源區(qū)面積分別為0.70 km2和5.54 km2,源區(qū)長(zhǎng)度分別在122.43—756.86 m和650.90—2468.66 m之間,源區(qū)長(zhǎng)度最大值風(fēng)向?yàn)?—90°和180—270°風(fēng)向。明顯可以看出,源區(qū)長(zhǎng)度的最大值出現(xiàn)方向主要在東北(0—90°)和西南(180—270°)方向,這完全符合全年源區(qū)的分布規(guī)律。在大氣條件不穩(wěn)定的條件下,源區(qū)長(zhǎng)度分布不超過2000 m,源區(qū)范圍從大到小排列為：秋季、夏季、冬季和春季,可以看出生長(zhǎng)季的貢獻(xiàn)區(qū)在大氣不穩(wěn)定條件下較大;當(dāng)大氣條件穩(wěn)定時(shí),源區(qū)長(zhǎng)度分布不超過3000 m,源區(qū)范圍從大到小排列為：冬季、秋季、春季和夏季,此時(shí)生長(zhǎng)季的源區(qū)分布最小。

圖3 通量足跡最遠(yuǎn)點(diǎn)分布圖Fig.3 The distribution of the flux footprint furthest point

圖4 通量足跡最遠(yuǎn)點(diǎn)累計(jì)頻率圖Fig.4 The probability chart of the flux footprint furthest point

圖5 全年源區(qū)分布Fig.5 Flux footprint through 2017(0,0)點(diǎn)為觀測(cè)點(diǎn),東南西北方向分別為x正軸、y負(fù)軸、x負(fù)軸和y正軸

圖6 不同季節(jié)的源區(qū)分布Fig.6 Flux footprint during different seasons

圖7 側(cè)風(fēng)積分函數(shù)圖Fig.7 Crosswind integral function diagram

從圖7中可以看出通量貢獻(xiàn)率峰值均位于傳感器附近,不超過150m,且隨著大氣條件從不穩(wěn)定到穩(wěn)定,其在上風(fēng)向的傾斜更少。在不穩(wěn)定條件下,其湍流強(qiáng)度較高導(dǎo)致化合物向上傳輸和較短的傳輸距離與傳輸時(shí)間。在穩(wěn)定條件下側(cè)風(fēng)向距離是明顯高于不穩(wěn)定條件下,該結(jié)論與Kim[42]等研究結(jié)果一致,與前文通量貢獻(xiàn)區(qū)在不穩(wěn)定條件下的源區(qū)分布范圍小于大氣穩(wěn)定條件的結(jié)果一致。Zm/L<0,表示大氣不穩(wěn)定狀態(tài),當(dāng)Zm/L>0,表示大氣穩(wěn)定狀態(tài)[22]。從表2可以看出在春、夏、秋、冬季,當(dāng)大氣條件不穩(wěn)定時(shí),Z0、h、sigmav和u*值均大于穩(wěn)定條件下的,在穩(wěn)定條件下,夏季的z0、h、sigma和u*最高,冬季的L值最高;在不穩(wěn)定條件下,夏季的z0、sigmav、u*和L的絕對(duì)值最高,冬季的h最高。

2.4 不同土地利用類型的通量貢獻(xiàn)率

下墊面的土地利用類型對(duì)通量值有重要影響,所以能將兩者進(jìn)行結(jié)合,可以對(duì)源區(qū)不同植被對(duì)通量觀測(cè)值的貢獻(xiàn)有更加直觀的認(rèn)識(shí)。本研究選取1120×1180 m的研究區(qū)范圍利用ART Footprint Tool[6,54- 56]進(jìn)行定量化分析,將該范圍分割成3304個(gè)20×20m的方格,確定其格內(nèi)的土地利用類型并求出其對(duì)通量值的貢獻(xiàn)率,最后疊加得到不同植被類型在全年對(duì)通量貢獻(xiàn)的百分占比(圖8)所選范圍全年總貢獻(xiàn)率達(dá)90%。從圖中可以看出源區(qū)貢獻(xiàn)從大到小依次為針闊混交林、闊葉林、建筑用地及道路、杉木林、毛竹林、柳杉林、黃山松林。結(jié)合圖1可以看出通常土地類型的面積越大,其占比就較大。毛竹林的面積是柳杉林的兩倍,但是其貢獻(xiàn)百分比卻是柳杉林的3.7倍,可以看出毛竹林在對(duì)該研究區(qū)的碳預(yù)算功能有重要作用。該區(qū)域內(nèi)的建筑用地主要為生態(tài)定位站的實(shí)驗(yàn)樓及標(biāo)準(zhǔn)氣象場(chǎng),其本身的CO2通量理論上可以忽略不計(jì)。

表2 側(cè)風(fēng)積分函數(shù)輸入?yún)?shù)

圖8 不同土地利用類型的源區(qū)貢獻(xiàn)率占比Fig.8 Proportion of source area contribution by land use type

3 討論

通量貢獻(xiàn)區(qū)主要受到風(fēng)向和風(fēng)速的影響,但是自然條件中的風(fēng)向風(fēng)速幾乎時(shí)刻在發(fā)生變化,為了更好的對(duì)貢獻(xiàn)區(qū)進(jìn)行分析,本文分析了不同大氣層結(jié)條件和不同季節(jié)下的貢獻(xiàn)區(qū)分布。如結(jié)果(圖6)中所示,通量源區(qū)的位置在不同季節(jié)有相應(yīng)的變化,主要受到風(fēng)向風(fēng)速的影響,因?yàn)橄募镜娘L(fēng)向風(fēng)速變化幅度較大,所以其對(duì)應(yīng)的源區(qū)分布范圍無論是在大氣穩(wěn)定還是不穩(wěn)定的條件下,都分布較廣,冬季時(shí)的大氣較為穩(wěn)定從圖6中的冬b可以看出,該季節(jié)在西南方向的源區(qū)分布范圍明顯較其他季節(jié)大,而在大氣穩(wěn)定的條件下夏季的源區(qū)范圍較小,主要是夏季植物茂盛生長(zhǎng),導(dǎo)致湍流形成比較迅速,從而導(dǎo)致源區(qū)的范圍較小,該結(jié)論與朱明佳[53]等的研究結(jié)果一致,在大氣不穩(wěn)定的條件下源區(qū)范圍從大到小排列為：夏季、秋季、春季和冬季,可以看出生長(zhǎng)季的貢獻(xiàn)區(qū)在大氣不穩(wěn)定條件下較大,該結(jié)論與龔笑飛[16]等研究結(jié)論一致;無論從全年還是季節(jié)的尺度上來看,在大氣不穩(wěn)定的情況下,其源區(qū)分布范圍均小于大氣穩(wěn)定條件,主要是由于當(dāng)大氣條件不穩(wěn)定時(shí),空氣上下交換較快,垂直運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,擴(kuò)散也較快,最終使通量值所代表的源區(qū)范圍較小,然而在大氣穩(wěn)定條件下,空氣垂直產(chǎn)生湍流的速度減緩,擴(kuò)散減弱,源區(qū)范圍可以追溯到上風(fēng)方向更遠(yuǎn)處,該結(jié)論與前人[5,16,24- 25,31- 32,57- 58]研究結(jié)論均一致。本研究區(qū)的源區(qū)距離最遠(yuǎn)可達(dá)到7000m(圖3),這可能也與下墊面、冠層高度和儀器的觀測(cè)高度有關(guān),本研究中觀測(cè)高度為40m,冠層高度大約15m,超過了冠層高度的2.5倍。與魏遠(yuǎn)[5]等人所得出源區(qū)最遠(yuǎn)點(diǎn)距離為3500m結(jié)果不同,主要其儀器高度為25m,冠層高度為16m,由于儀器測(cè)量高度不同從而導(dǎo)致源區(qū)最遠(yuǎn)點(diǎn)的距離有差異;而顧永劍[17]等對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行源區(qū)分析得出其源區(qū)長(zhǎng)度不超過300m,主要由于濕地的植被均為較低矮的草類植被,儀器觀測(cè)高度僅為4.8m,因此造成其源區(qū)長(zhǎng)度小于本研究。而下墊面會(huì)對(duì)摩擦速率產(chǎn)生影響,從而對(duì)通量貢獻(xiàn)區(qū)產(chǎn)生影響,在未來的研究中,特別是在地形及其復(fù)雜的情況下,探索研究出能夠考慮到下墊面,地形變化等方面的源區(qū)模型并加以運(yùn)用。本研究發(fā)現(xiàn)建筑用地及道路的源區(qū)分布貢獻(xiàn)率也會(huì)達(dá)到5.48%,僅次于常綠闊葉林。雖然這部分對(duì)CO2通量理論上可以忽略不計(jì),但人為活動(dòng)產(chǎn)生的CO2排放會(huì)低估對(duì)該區(qū)域的森林碳匯功能。

4 結(jié)論

本文利用2017年全年浙江鳳陽山針闊混交林生態(tài)系統(tǒng)通量塔觀測(cè)資料,在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下,對(duì)其所測(cè)通量值所代表的源區(qū)分布進(jìn)行分析,從而對(duì)研究區(qū)通量觀測(cè)值的空間代表性作出解釋,為其他森林生態(tài)系統(tǒng)CO2通量研究和類似下墊面的通量源區(qū)評(píng)估提供服務(wù)和參考,研究發(fā)現(xiàn)：

研究區(qū)內(nèi)全年盛行東北風(fēng)和西南風(fēng),風(fēng)向在東北方向的占總風(fēng)頻的34.16%,風(fēng)向在西南方向的占總風(fēng)頻的46.96%;而風(fēng)向是影響源區(qū)分布的主要因素,研究區(qū)的源區(qū)分布主要也在東北和西南方向,從源區(qū)的季節(jié)分布也可以看出,各季節(jié)的源區(qū)分布方向和形狀基本與該季節(jié)的風(fēng)向一致;當(dāng)通量貢獻(xiàn)率達(dá)到90%和80%時(shí),通量觀測(cè)值分別來自距通量塔7000m和3000m范圍,且各季節(jié)的側(cè)風(fēng)向積分函數(shù)峰值均位于傳感器附近,不超過150m。在大氣層結(jié)不穩(wěn)定條件下,湍流強(qiáng)度較高;穩(wěn)定時(shí),源區(qū)范圍大于大氣不穩(wěn)定條件,主要由于大氣不穩(wěn)定條件直接影響了大氣運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度,湍流形成速度與傳播距離;季節(jié)尺度上,當(dāng)大氣條件不穩(wěn)定時(shí),源區(qū)范圍從大到小排列為：秋季、夏季、冬季和春季;當(dāng)大氣條件穩(wěn)定時(shí)源區(qū)范圍從大到小排列為：冬季、秋季、春季和夏季源區(qū)貢獻(xiàn)從大到小依次為針闊混交林、闊葉林、建筑用地及道路、杉木林、毛竹林、柳杉林、黃山松林。