西寧城郊黃土丘陵喬灌混交林生態(tài)系統(tǒng)碳濃度觀測

摘要：為探索西寧城郊黃土丘陵喬灌混交林生態(tài)系統(tǒng)CO2濃度與環(huán)境因素、不同土壤層（H層、A層、B層、C層）土壤溫度的變化規(guī)律及相關(guān)關(guān)系，進一步探明環(huán)境因子對碳濃度組分的調(diào)控作用，采集了該地區(qū)2023年3～6月碳濃度值的數(shù)據(jù)，并應用多種數(shù)值分析方法分析不同時間尺度的碳濃度，同時利用IRGASON碳通量自動監(jiān)測系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測的碳濃度值進行分析。結(jié)果表明：碳濃度與水汽通量在月數(shù)據(jù)的相關(guān)度上表現(xiàn)高于日數(shù)據(jù)。隨著土壤深度的增加，土壤溫度升高，碳濃度與土壤剖面相關(guān)系數(shù)有一定的提高。該方法可清晰揭示土壤CO2在不同土壤層之間的傳輸規(guī)律，有助于分析不同土壤層土壤呼吸特性的優(yōu)點，可為土壤剖面碳濃度計算提供參考。

關(guān)鍵詞：二氧化碳濃度； 人工林； 渦度相關(guān)法； 碳通量

中圖法分類號：X171文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S2.027

文章編號：1006-0081（2024）S2-0099-05

0引言

進入工業(yè)時代以來，CO2的排放易導致氣候變化、海平面上升、冰山融化等［1-3］。近年來，中國對于生態(tài)環(huán)境保護、推進生態(tài)文明建設愈發(fā)重視，森林資源是一項重要的自然資源與天然財富，具有凈化空氣、涵養(yǎng)水源、固碳釋氧、保護物種多樣性、維持生態(tài)平衡的作用［4-6］。

全球變暖背景下，CO2的排放對環(huán)境的影響突出，森林作為生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的主要交換對象，有必要對其碳排放進行研究。聯(lián)合國報告指出，2001～2020年全球氣溫比1850～1900年高出0.99 ℃，全球升溫比工業(yè)化前水平高1.5 ℃［1-3］。同時有研究表明光合速率和土壤溫度擬合模型相關(guān)度較高，例如太行山南麓栓皮櫟人工林，其擬合度可達0.81［5］。

CO2移動的動力主要來自土壤空隙和大氣之間的擴散，但也可能由氣壓、降雨引起的體積改變及土壤溫度等變化引起。人工林系統(tǒng)對碳通量的響應取決于多環(huán)境因子，機制復雜，需要通過各種觀測方法和數(shù)據(jù)分析模擬來進一步研究。同時，植物在夜間的呼吸作用強于光合作用，大多表現(xiàn)為碳源，其水熱條件也會影響碳排放，水、熱、光、溫度等因子都被證實與碳排放相關(guān)［7］。當水汽通量低時，生態(tài)系統(tǒng)會抑制蒸散發(fā)過程進一步降低光合作用。

1研究區(qū)自然條件

1.1地理條件

長嶺溝研究區(qū)域地處西寧市市區(qū)西山湟水河右岸，屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)第四副區(qū)，為湟水河二級支流，海拔2 294.2～2 600.6 m，相對高差306.4 m，地理坐標為東經(jīng)101°44′29.48″、北緯36°36′52.61。研究區(qū)總面積115 hm2（含綠化造林面積108.6 hm2，道路、管護房及未造林地等6.4 hm2），研究區(qū)位置如圖1所示。

1.2氣象條件

西寧市屬高原半干旱大陸性氣候，四季變化明顯，夏季涼爽，冬季寒冷，為黃河湟水谷地暖區(qū)，是天然的避暑勝地。其氣候特征表現(xiàn)為降水量少，蒸發(fā)量大，日照時間長，太陽輻射強，晝夜溫差大，無霜期短，冰凍期長。全年日照時數(shù)為2 795.4 h。項目區(qū)多年平均降水量368 mm，年均蒸發(fā)量約1 762.8 mm。多年平均氣溫6 ℃，極端最高氣溫33.5 ℃，最低氣溫-26.6 ℃。全年平均風速為1.97 m/s，多為東南風。多年平均無霜期129 d，最大凍土深度1 340 mm，最小凍土深度1 000 mm，最大積雪厚度180 mm。

1.3地質(zhì)條件

研究區(qū)地勢西高東低，溝道及兩岸分布多為第四系上更新統(tǒng)濕陷性風積黃土，結(jié)構(gòu)為松散—稍密。排洪渠地基無地下水分布，標準凍土深埋約1 340 mm。項目區(qū)50 a超越概率10%的地震動峰值加速度為0.10g，地震動反應譜特征周期0.45 s，對應地震基本烈度為Ⅶ度。

研究區(qū)土壤類型多樣，以栗鈣土和灰鈣土為主，其分布具有明顯的地形特點。高海拔至低海拔區(qū)土壤類型依次為灰褐土、黑鈣土、栗鈣土、灰鈣土等；同時分布有北方紅土、灌淤土、潮土等多種非地帶性土壤類型。規(guī)劃區(qū)土壤主要發(fā)育在黃土性母質(zhì)上，其次是坡殘積母質(zhì)及第三系紅土母質(zhì)，有機質(zhì)分解快，流失多，積累少，一般含量在1%～2%，土壤貧瘠干旱，保水、保肥能力差，植被稀疏，水土流失較嚴重。土層厚度30～50 cm，土壤理化性質(zhì)呈堿性或微堿性反應。

1.4森林資源狀況

長嶺溝研究區(qū)自然植被屬溫帶草原，以針茅、蒿類為群落的優(yōu)勢種。主要伴生植物有賴草、針茅、駱駝蓬和各種蒿類，并且分布有零星的灌木群落，如甘蒙錦雞兒灌叢、鬼箭錦雞兒灌叢，伴生有白刺、北方枸杞等灌木。由于自然生境嚴酷，土壤干旱貧瘠，植物生長量小、覆蓋率低。沒有天然林分布，現(xiàn)有的林地為人工林，主要樹種有喬木林如青楊、河北楊、旱柳、青海云杉、油松、祁連圓柏等；灌木有沙棘、甘檉柳、檸條、黑刺、山杏、榆葉梅、丁香、山桃、連翹、珍珠梅、紫葉李、紫葉矮櫻、北美海棠、白刺等。植被現(xiàn)狀見表1。

1.5水文

研究區(qū)灌溉水源為解放渠，位于西寧市湟水河南岸，西起西郊陰山堂，東至東郊楊溝灣，全長42 km，渠道橫穿西寧市三區(qū)（城西、城中、城東）。湟水河為黃河一級支流，干流在西寧境內(nèi)流域面積260.6 km2，湟水西寧水文站以上流域面積9 022 km2，多年平均流量為41.3 m3/s，多年平均徑流量13.03億m3。解放渠引水口位于湟水河石灰溝口處，解放渠上游流域面積4 825 km2，河道平均比降4‰。

2系統(tǒng)及平臺介紹

2.1系統(tǒng)及平臺建設

對林地下墊面的動量、能量和物質(zhì)（水汽、二氧化碳）交換規(guī)律開展觀測和研究。采用渦動相關(guān)通量觀測系統(tǒng)可長期定位觀測大氣邊界層中CO2、H2O、熱量和動量交換，實時測量地氣通量交換，迅速捕捉到微量的CO2碳源與碳匯的變化，是獲取地氣之間的CO2、H2O和能量交換信息的有效手段［6］。觀測系統(tǒng)不僅可以為遙感反演的植被蒸散數(shù)據(jù)提供重要的實測、地面驗證數(shù)據(jù)，也為大尺度、長期和連續(xù)的水分循環(huán)等科學研究提供支撐，進一步加深氣候變化、林地管理措施與林地水源涵養(yǎng)能力之間的反饋機制的認識，為林地生產(chǎn)、改造作業(yè)等提供更為精準的數(shù)據(jù)支撐。項目系統(tǒng)建設包括通量觀測系統(tǒng)、土壤水分觀測系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集平臺建設。

2.2開路渦動通量觀測系統(tǒng)

渦動協(xié)方差系統(tǒng)，亦稱渦度相關(guān)系統(tǒng)，是一種微氣象學的測量方法，采用渦度相關(guān)原理，利用快速響應的傳感器來測量大氣下墊面的物質(zhì)交換和能量交換。它是一種直接測定通量的標準方法，已成為近年來測定生態(tài)系統(tǒng)碳、水交換通量的關(guān)鍵方法，得到了越來越廣泛的應用，并逐漸成為國際通量觀測網(wǎng)絡的主要方法［8-10］。渦動協(xié)方差系統(tǒng)可以測量CO2濃度、摩擦風速，能較好地反映地表碳、水分蒸散和地表與空氣間的熱量交換情況，分析下墊面對碳、水分平衡和熱量平衡的影響，合理確定地表的碳、水分損耗。通過快速采集三維超聲風傳感器和開放式紅外CO2/H2O傳感器的三維風速脈動值、水汽脈動值和CO2脈動值，依據(jù)微氣象學理論中的湍流渦動協(xié)方差方法，可自動計算出CO2濃度等地表通量及摩擦風速等微氣象特征量，對研究全球氣候變化中林地碳循環(huán)、水循環(huán)起著重要作用［11-15］。

2.3土壤水分觀測系統(tǒng)

土壤水分是土壤的重要組成部分，對作物的生長、節(jié)水灌溉等有著非常重要的作用。通過設置多點進行土壤水分測定，可以系統(tǒng)掌握土壤水分的分布狀況。觀測林地的土壤水分梯度時需要使用EnviroScan土壤水分廓線系統(tǒng)。

2.4系統(tǒng)配置

為了觀測林地的蒸散發(fā)量，試驗室在林場內(nèi)安裝一套渦動觀測系統(tǒng)。充分利用現(xiàn)有的徑流場，添置部分設備以完善水文要素的觀測，并按照監(jiān)測目標要求進行儀器配置，儀器配置如表2所示。開路渦動觀測系統(tǒng)核心設備采用美國campbell公司生產(chǎn)的IRGASON，此產(chǎn)品是集成三維風速與氣體密度高頻分析儀（CO2/H2O）于一體的高精度傳感器，可同時測定CO2/H2O在空氣中的摩爾密度、三維風速和超聲虛溫。

3試驗觀測

3.1日序列及月序列數(shù)據(jù)

本次試驗在時序上分別選取了日序列及月序列。日數(shù)據(jù)分析選取了2023年3月23～25日的夜間18∶30～00∶00的碳濃度實時數(shù)據(jù)進行分析，并在對比后對24 d的空值運用平均窗口法進行了插補［15］；對于月數(shù)據(jù)分析，本次觀測選取2023年7月7日至2023年8月4日每日碳濃度均值數(shù)據(jù)以及10，30，50，90，110，130，150 cm深度的土壤溫度數(shù)據(jù)平均值及最大值進行分析。其中通量塔在極端天氣，如大量降水下會出現(xiàn)數(shù)據(jù)斷點現(xiàn)象，對于無效數(shù)據(jù)不予以使用。

3.2數(shù)據(jù)處理過程

本次試驗所使用設備在首次設計后因場地儀器干擾原因發(fā)生了位置更換，同時儀器在使用過程中如遇到極端天氣會導致數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)的空值及斷點較多，造成了客觀原因的分析困難。因此使用logger，excel，R語言對原始數(shù)據(jù)進行預處理，處理步驟包括空值剔除和插補［15-16］、格式轉(zhuǎn)換，并采用了多組樣數(shù)據(jù)，建立了線性模型，采用了對比分析的方法，可以為日時序及月時序數(shù)據(jù)的人工林碳濃度與水通量等多種因素的關(guān)系提供一定的參考。

3.3日數(shù)據(jù)分析

圖2～4為2023年3月23～25日18∶30至凌晨碳濃度變化趨勢，最小值與最大值分別為567.84，630.54 mg·（m2·s-1），對應時間為3月25日18∶30和3月24日23∶00。

圖2夜間碳濃度折線（2023年3月23日）圖3夜間碳濃度折線（2023年3月24日）同時，對3月23～24日碳濃度與3個方向的風速關(guān)系及水汽通量進行了對比分析。Ux、Uy、Uz分別為x，y，z軸方向上的超聲風速對Ux，Uy，Uz的超聲風速做線性回歸模型，結(jié)果見表3。

3.4月數(shù)據(jù)分析

本次觀測選取2023年3月24日至4月22日的碳濃度數(shù)據(jù)作為月數(shù)據(jù)的分析基礎(chǔ)。均值折線圖如圖5所示，總體呈下降趨勢，即喬灌混交人工林表現(xiàn)為碳匯，單日最高為2023年4月3日數(shù)據(jù)，碳濃度和水汽通量數(shù)據(jù)呈弱相關(guān)關(guān)系，pearson相關(guān)系數(shù)為0.796 085。當日水汽通量表現(xiàn)均為負值，與日變化規(guī)律相同，即林分中水汽通量越高，對CO2的吸收越高。

記錄每小時內(nèi)土壤溫度的月度變化，隨著土壤深度增加，溫度波動減小而數(shù)值變大，變化趨勢基本相同，呈向下的趨勢，其變化規(guī)律折線如圖6所示。

試驗所選地點為城市中心小氣候林，人工林面積占比較大。在觀測日時序碳源、碳匯的結(jié)果時發(fā)現(xiàn)人工林夜間大多表現(xiàn)為碳源。這可能與儀器記錄時間相關(guān)，需要拉長時間序列進一步觀測。碳數(shù)據(jù)采錄和分析時，大多為夜間，植物呼吸作用占主導地位，碳源表現(xiàn)明顯。而對于月數(shù)據(jù)的分析碳源表現(xiàn)不明顯，碳濃度有碳源有碳匯，白天多表現(xiàn)為碳匯。只有在水汽條件不良、溫度較高的條件下，碳源才表現(xiàn)明顯。同時，水汽、風向、風速、土壤溫度等會影響碳濃度。

4結(jié)語

該研究的重點在于分析西寧市城郊黃土丘陵喬灌混交林生態(tài)系統(tǒng)的碳濃度與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系。通過數(shù)據(jù)分析及建立數(shù)理模型對比了相關(guān)結(jié)果，從不同的時間尺度來分析數(shù)據(jù)，并對土壤不同深度的溫度數(shù)據(jù)進行了分析。通過相關(guān)度及模型分析得出了研究結(jié)果。但是儀器在極端天氣下會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，影響試驗結(jié)果，同時軟件網(wǎng)絡斷聯(lián)，且儲存空間有限，對于在線分析造成一定的困難。

該研究主要成果：① 分析了碳濃度與Ux、Uy、Uz方向上風速的相關(guān)關(guān)系。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果，風速與碳濃度相關(guān)性較小，同時呈負相關(guān)關(guān)系。② 分析了碳濃度源匯與水汽通量的關(guān)系。根據(jù)夜間數(shù)據(jù)顯示水汽通量和碳濃度呈弱相關(guān)關(guān)系。③ 分析了碳濃度與不同土壤深度的溫度之間的相關(guān)關(guān)系。根據(jù)結(jié)果顯示，碳濃度與不同土壤深度的溫度無相關(guān)關(guān)系。

在生長季，生態(tài)系統(tǒng)夜間碳交換包括樹干呼吸、樹枝呼吸、土壤呼吸和樹葉呼吸；而在非生長季，生態(tài)系統(tǒng)夜間碳交換沒有樹葉呼吸，同時樹枝呼吸和樹干呼吸也較生長季小。在討論夜間碳濃度與所對應的溫度、水分和風向等環(huán)境因子的相關(guān)性時，也應該考慮日間和夜間的區(qū)別。該研究對日序列夜間數(shù)據(jù)的分析表明研究區(qū)風向、風速、水汽通量與碳濃度的相關(guān)度較低，在月序列的分析中，研究區(qū)水汽通量與碳濃度相關(guān)度相對較高，土壤溫度與碳濃度的相關(guān)度明顯低于水汽通量。

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（編輯：張爽）