基于渦度相關(guān)法的森林生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測研究

田東哲，吳蘇，徐夢帥，李明放，劉立業(yè)

（河南中原光電測控技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450047）

0 引 言

近50年來，全球氣候變暖主要是由人類活動(dòng)排放的二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等溫室氣體產(chǎn)生的增溫效應(yīng)所致?？諝庵械亩趸己枯^多，因此二氧化碳排放在對全球升溫的貢獻(xiàn)中所占比例最大，約為55%。減少溫室氣體排放已成為人類減緩和適應(yīng)全球氣候變化的重要途徑，也是國際社會(huì)保護(hù)地球系統(tǒng)的主要手段。近年來森林生態(tài)系統(tǒng)與碳循環(huán)的研究已成為全球研究的熱點(diǎn)之一，尤其是當(dāng)下，碳達(dá)峰和碳中和已被納入國家生態(tài)文明建設(shè)整體布局。對森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行長期連續(xù)的定位觀測，可以明確不同氣候區(qū)的季節(jié)變化規(guī)律以及植被類型生態(tài)系統(tǒng)的碳通量強(qiáng)度基線，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)固碳能力、水分和能量平衡狀況以及生態(tài)系統(tǒng)對全球氣候變化的影響提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

經(jīng)過20多年的發(fā)展，渦度相關(guān)法（Eddy covariance,EC）在生態(tài)系統(tǒng)碳水通量研究方面得到廣泛的應(yīng)用。我國于2002年建成了以中國科學(xué)院生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)為依托、以微氣象學(xué)的渦度相關(guān)技術(shù)等為手段的中國通量觀測研究網(wǎng)絡(luò)（ChinaFLUX），開展了針對森林、草地、農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)的碳水通量研究。本文以森林生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測為主要研究內(nèi)容，概括介紹了渦度相關(guān)法的觀測原理、觀測系統(tǒng)組成，選擇位于不同氣候帶，不同地形，不同下墊面類型的兩個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)開展觀測試驗(yàn)。采用渦度相關(guān)法對兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行碳通量計(jì)算，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，獲得兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)在觀測時(shí)間內(nèi)的凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)。最后，對本文的研究成果進(jìn)行了總結(jié)。

1 渦度相關(guān)法基本原理

1895年，雷諾建立了渦度相關(guān)技術(shù)的理論基礎(chǔ)——雷諾分解。由于缺乏快速響應(yīng)的觀測儀器，在一定程度上制約了渦度相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。很長一段時(shí)間內(nèi)，研究人員使用一階閉合假設(shè)和對地表上兩個(gè)高度的平均狀態(tài)變量的觀測值來計(jì)算湍流通量，即通量梯度法。隨著科技的發(fā)展，尤其是高頻三維超聲風(fēng)速儀和紅外CO/HO分析儀的日趨成熟，渦度相關(guān)法被廣泛應(yīng)用于各種生態(tài)系統(tǒng)的通量研究中。

渦度相關(guān)法最基本的原理是物質(zhì)和能量守恒，通過測定大氣湍流中溫度、CO、HO的脈動(dòng)，計(jì)算其與垂直風(fēng)速脈動(dòng)的協(xié)方差，從而求算出湍流中的感熱通量、CO通量以及潛熱通量。渦度相關(guān)法在觀測和求算通量的過程中無需做任何假設(shè)，具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，適用范圍廣，在國際上公認(rèn)為是現(xiàn)今唯一能夠直接測量大氣湍流運(yùn)動(dòng)中能量與物質(zhì)交換通量的標(biāo)準(zhǔn)方法。

2 基于渦度相關(guān)法的碳通量計(jì)算

3 通量觀測系統(tǒng)組成

通量觀測系統(tǒng)因觀測地點(diǎn)實(shí)際下墊面植被狀況的不同而略有差異，但是一般的通量觀測需要在保證獲取湍流渦度通量觀測數(shù)據(jù)的前提條件下，再去考慮解釋通量結(jié)果和分析過程所需的各種輔助觀測儀器。觀測系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 通量觀測系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

其中，紅外HO/CO分析儀用于測量水汽和CO的脈動(dòng)值，三維超聲風(fēng)速儀用于測量風(fēng)速脈動(dòng)值，空氣溫濕度傳感器用于測量空氣溫濕度值，氣壓傳感器用于測量大氣壓值，氣壓和空氣溫濕度數(shù)據(jù)用于對測量的CO和水汽濃度進(jìn)行校正。數(shù)據(jù)采集器用于實(shí)現(xiàn)對傳感器的長期連續(xù)測定。電源系統(tǒng)用于提供可靠的電能，保證觀測系統(tǒng)能夠在野外連續(xù)穩(wěn)定地工作。采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸模塊，經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、質(zhì)控、存儲(chǔ)與應(yīng)用。

4 觀測試驗(yàn)站點(diǎn)及儀器選擇

通量觀測的理想場地是地形平坦、植被分布均勻的下墊面，而實(shí)際上下墊面地形復(fù)雜、氣象條件多變，多數(shù)情況下并不能滿足通量觀測所需的條件。在實(shí)際的通量計(jì)算過程中，需要對觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的修訂。本文選取了兩個(gè)場地進(jìn)行觀測試驗(yàn)，試驗(yàn)1的場地位于西北地區(qū)山嶺地帶，選擇較為平緩的山脈，植被覆蓋均勻，具有較長的風(fēng)浪區(qū)，在山頂構(gòu)建觀測系統(tǒng)并進(jìn)行觀測試驗(yàn)，此試驗(yàn)選擇在夏季進(jìn)行。試驗(yàn)2的場地位于華北平原，地勢平坦，植被覆蓋均勻，植被高度較為一致，在林間構(gòu)建觀測系統(tǒng)并進(jìn)行觀測試驗(yàn)，此實(shí)驗(yàn)選擇在冬季進(jìn)行。

采用渦度相關(guān)法進(jìn)行通量觀測時(shí)，要求將觀測系統(tǒng)安裝在通量不隨高度變化而變化的內(nèi)邊界層（即常通量層）內(nèi)，觀測系統(tǒng)傳感器選用Campbell scientific生產(chǎn)的三維超聲風(fēng)傳感器和開路HO/CO分析儀，數(shù)據(jù)采樣頻率為10 Hz，采用30 min的平均值作為通量計(jì)算數(shù)據(jù)，試驗(yàn)時(shí)間為1個(gè)月。本文的試驗(yàn)站點(diǎn)信息如表1所示。

表1 試驗(yàn)站點(diǎn)信息

5 數(shù)據(jù)處理與分析

分別提取兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)，因天氣和儀器等原因，本文選擇較為完整的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)1數(shù)據(jù)的始末時(shí)間為2021年6月1日00時(shí)00分至2021年6月30日23時(shí)30分，試驗(yàn)2數(shù)據(jù)的始末時(shí)間為2021年12月1日15時(shí)00分至2022年1月1日23時(shí)30分。

以30 min為采樣頻率對三維超聲風(fēng)速儀測量的三維風(fēng)速和HO/CO分析儀測量的CO質(zhì)量濃度進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)，首先剔除由于環(huán)境因素（降雨、降雪等）遮擋HO/CO分析儀光路而產(chǎn)生的超量程值；其次采用4檢驗(yàn)法剔除由于儀器電子線路、供電等原因產(chǎn)生的野點(diǎn)值；最后計(jì)算得到CO質(zhì)量濃度和垂直方向風(fēng)速U的平均值，數(shù)據(jù)曲線如圖2、圖3所示。在計(jì)算垂直風(fēng)速U時(shí)，由于超聲風(fēng)速儀測量的三維風(fēng)速是在超聲風(fēng)坐標(biāo)系下完成的，因此，需要將其轉(zhuǎn)換到自然坐標(biāo)系下，通常采用二次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)與平面擬合旋轉(zhuǎn)方法實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

圖2 試驗(yàn)1 半小時(shí)CO2質(zhì)量密度和Uz風(fēng)速均值曲線圖

圖3 試驗(yàn)2 半小時(shí)CO2質(zhì)量密度和Uz風(fēng)速均值曲線圖

根據(jù)式（2）計(jì)算CO通量，考慮熱量或水汽通量對微量氣體觀測的影響，以及儀器響應(yīng)特性對測量數(shù)據(jù)的影響，對所求得的CO通量進(jìn)行WPL校正和頻率響應(yīng)校正，獲得修正后的CO通量數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 修正后的CO2通量數(shù)據(jù)曲線

由CO通量的求算過程可知，文中計(jì)算結(jié)果為半小時(shí)尺度CO的通量密度，分別對兩個(gè)試驗(yàn)求算其時(shí)間尺度上的積分，得到月尺度CO累積量，即凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEP），計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力曲線

由圖中曲線可知，試驗(yàn)1的NEP＜0，表明生態(tài)系統(tǒng)是大氣CO的匯，說明在夏季植被光合作用吸收的二氧化碳大于生態(tài)系統(tǒng)呼吸產(chǎn)生的二氧化碳。試驗(yàn)2的NEP＞0，表明生態(tài)系統(tǒng)是大氣CO的源，說明在冬季植被光合作用吸收的二氧化碳小于生態(tài)系統(tǒng)呼吸產(chǎn)生的二氧化碳。結(jié)合試驗(yàn)點(diǎn)下墊面的植被類型可知，試驗(yàn)1的植被夏季枝繁葉茂，植物的光合作用很強(qiáng)，因此其碳匯能力較強(qiáng)。試驗(yàn)2的下墊面為人工林白蠟，冬季枝枯葉落，植物的光合作用微弱，因此吸收二氧化碳的能力較低，從月尺度數(shù)據(jù)來看，其碳源能力較弱。

6 結(jié) 論

本文通過對兩個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行定點(diǎn)觀測，獲得其月尺度連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，通過采用渦度相關(guān)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、WPL修正、頻率響應(yīng)校正等方法，分別得到了兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的CO通量值，繪制了凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力曲線，獲得了兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)生態(tài)系統(tǒng)固態(tài)能力變化趨勢，分析了不同季節(jié)植物光合作用和呼吸作用對生態(tài)系統(tǒng)的碳源碳匯能力的作用效果?；诒疚牡难芯拷Y(jié)果，有兩部分內(nèi)容可以做進(jìn)一步研究。第一，在通量計(jì)算中，本文考慮了儀器觀測數(shù)據(jù)的野點(diǎn)去除，但實(shí)際上，由于試驗(yàn)1處于夏季，在連續(xù)降雨或在間歇性降雨過程中，開路HO/CO分析儀因其結(jié)構(gòu)特征，有部分?jǐn)?shù)據(jù)異常，因此在計(jì)算中，采用了缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)方法對缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行了插補(bǔ)，在后續(xù)研究中，可以結(jié)合觀測地點(diǎn)氣象環(huán)境因子，開展基于梯度法的數(shù)據(jù)插補(bǔ)方法研究，驗(yàn)證不同數(shù)據(jù)插補(bǔ)方法對觀測結(jié)果的影響。第二，因觀測時(shí)間限制，數(shù)據(jù)量有限，本文僅對月尺度觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，后續(xù)將基于本文研究基礎(chǔ)，增加時(shí)間尺度，分析其年尺度通量，根據(jù)本文研究結(jié)果，結(jié)合通量貢獻(xiàn)區(qū)理論，采用footprint函數(shù)定量分析源區(qū)范圍，進(jìn)而定量評(píng)價(jià)森林生態(tài)系統(tǒng)碳源碳匯能力，為深入研究森林生態(tài)系統(tǒng)與碳循環(huán)之間的關(guān)系和2030碳達(dá)峰2060碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支撐。