黃河小浪底人工混交林冠層CO2儲存通量變化特征

同小娟， 張勁松， 孟 平， 李 俊

1 北京林業大學林學院, 北京 100083 2 中國林業科學研究院林業研究所, 國家林業局林木培育重點實驗室, 北京 100091 3 中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環及地表過程重點實驗室, 北京 100101

黃河小浪底人工混交林冠層CO2儲存通量變化特征

同小娟1,*， 張勁松2， 孟 平2， 李 俊3

1 北京林業大學林學院, 北京 100083 2 中國林業科學研究院林業研究所, 國家林業局林木培育重點實驗室, 北京 100091 3 中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環及地表過程重點實驗室, 北京 100101

基于黃河小浪底人工混交林2008年的CO2濃度和碳通量數據，分析了不同天氣條件下CO2濃度在時間和空間上的變化特征，對比了CO2濃度廓線法和渦度相關法估算的CO2儲存通量，研究了CO2儲存通量的日、季變化特征。結果表明：人工混交林冠層上方月平均CO2濃度具有明顯的季節變化規律。月平均CO2濃度最大值出現在3月(370 μmol/mol)，最低值出現在8月(347 μmol/mol)。渦度相關法估算的CO2儲存通量比廓線法所得結果偏低9%。生長季，冠層CO2儲存通量和凈生態系統碳交換量(NEE)日平均值分別為-0.0004和-0.091 mg CO2m-2s-1，冠層CO2儲存通量在NEE中僅占0.4%。2008年CO2儲存通量和NEE分別為-46.1、-1133 g CO2m-2a-1。在年尺度上，CO2儲存通量占NEE的4.1%。因此，在日和年尺度上計算黃河小浪底人工混交林NEE時，CO2儲存通量可以忽略。

人工混交林；渦度相關法；CO2濃度廓線法；CO2儲存通量；凈生態系統碳交換

森林在陸地生態系統碳循環和全球變化中起著重要的作用。測定森林生態系統與大氣間碳交換的方法主要有箱法和微氣象法。在各種微氣象法中，渦度相關法被認為是長期測算生態系統碳通量最可靠和切實可行的方法[1]。該方法為評價陸地生態系統在全球碳循環中的作用提供了重要的數據支持[2]。從2002年開始，我國采用渦度相關技術對森林水、熱和碳通量進行了大范圍的連續觀測。近10年來，在溫帶/暖溫帶森林[3- 10]、亞熱帶森林[11- 16]和熱帶季雨林[17- 19]生態系統碳交換方面取得了一系列的研究進展。然而，在森林生態系統碳收支各分量研究中，當夜間大氣層結穩定或湍流混合作用較弱時，土壤和植物呼吸釋放的部分CO2由于大氣湍流弱無法達到渦度相關儀器的觀測高度，造成部分CO2通量會被儲存在植被冠層的大氣中，于是低估了夜間生態系統呼吸[20]。此外，冠層內和冠層上方CO2通量的時空變異大，這也會低估生態系統呼吸[20]。因此，為了準確估算生態系統與大氣間凈碳交換以及理解生理因子對凈生態系統碳交換量(NEE)的影響，有必要開展森林CO2儲存通量變化特征的研究。

在小時尺度上，CO2儲存通量對于低矮作物的NEE的影響比較小[2]。對于高大植被(如森林)來說，冠層空氣中CO2儲存通量對NEE日變化過程則具有明顯的影響[20- 24]。在夜間穩定邊界層和白天對流混合層的過渡期，森林CO2儲存通量變化會達到最大；在大氣不穩定、湍流作用較強的午后，CO2儲存通量接近于零[22,24]。因此，在小時時間尺度上，忽略CO2儲存通量將會降低對NEE的準確估算[24- 25]。在日和年尺度上，CO2通量儲存效應對碳吸收的影響不明顯，原因主要是在長時間尺度上CO2儲存通量的累加值近似為零[26- 28]。

第八次森林資源清查結果顯示，中國現有森林面積2.08×108hm2，其中人工林面積為0.69×108hm2，占森林總面積的33.2%。研究表明，中國人工林對全國總森林碳匯的貢獻率超過80%[29]。人工林在區域碳平衡中具有重要的作用。目前，人工林碳交換研究主要集中于年碳平衡方面[8- 14]，有關不同時間尺度上CO2儲存通量對凈生態系統碳交換的影響研究比較少。本研究分別采用CO2濃度廓線法和渦度相關法對黃河小浪底人工混交林CO2濃度和碳通量進行了周年觀測，分析了不同天氣條件下冠層上方CO2濃度在時間和空間上的變化特征，對比了廓線法和渦度相關法估算的碳儲存通量的大小，研究了CO2儲存通量的日、季變化特征，以期為準確估算人工混交林凈碳交換量提供理論依據。

1 研究區概況和研究方法

1.1 研究區概況

本研究于2008年在國家林業局黃河小浪底森林生態系統定位研究站(35°01′N，112°28′E，410 m elev)進行。該站位于暖溫帶亞濕潤季風氣候區。站區年平均氣溫12.4—14.3℃，年日照時數為2368 h，年平均降水量648 mm，且季節分配不均，6—9月降水量占全年的68.3%。植物生長季(4—9月)盛行風向為東北風。通量觀測塔(塔高30 m)周圍1.8 km2內的平均坡度約14°。研究區的主要樹種為栓皮櫟(Quercusvariabilis)、側柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)，林齡分別為32、30a和28a，平均株高分別為10.5、8.2 和9.3 m。栓皮櫟、側柏和刺槐所占比例分別為80%、8%和12%。林下灌叢主要有黑棗(ZiziphusjujubaMill. var.inermis(Bunge) Rehd.)、扁擔木(Grewiabilobavar.parviflora)、荊條(VitexnegundoL. var)、小葉鼠李(RhamnusbungeanaJ.Vass.)、杠柳(Periplocasepium)、連翹(Forsythiasuspense(Thunb.) Vahl)等，草本主要有隱子草(Crpsisaculeata(L.) Ait.)、狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv.)等。土壤類型主要為棕壤和石灰巖風化母質淋溶性褐土。該土壤結構不良，土層淺薄(平均40 cm)，土壤貧瘠，保水保肥力較差。

1.2 CO2通量、CO2濃度和微氣象觀測

渦度相關系統主要由CSAT3三維超聲風速計(Model CSAT3, Campbell Sci. Inc., USA)和LI- 7500紅外CO2/H2O分析儀(IRGA, Model LI- 7500, Li-Cor Inc., USA)組成。該系統可測定三維風速、溫度、濕度和CO2濃度。原始數據采樣頻率為10 Hz，每30 min輸出一組平均值，由CR5000數據采集器(Model CR5000, Campbell Sci. Inc., USA)記錄和保存。

在通量塔11、15、21、27和33 m處分別安裝CO2濃度廓線觀測系統進氣口，利用紅外CO2/H2O氣體分析儀(Model LI- 840, Li-Cor, USA)測定各層CO2濃度。數據通過數據采集器(Model CR10X2TD, Campbell Scientific Inc, USA)采集，并通過程序控制每10 min自動輸出各層CO2濃度平均值。

小氣候梯度觀測系統包括7層AR- 100風速計(Vector Instruments, UK)和7層HMP- 45C型溫濕度傳感器(Vaisala, Helsinki, Finland)(安裝高度分別為8、9、11、14、18、26 m和30 m)。在通量塔27 m處，安裝了CNR- 1型凈輻射表和CM11型總輻射表(Kipp and Zonen)、Li- 190SB型光量子表(Li-Cor Inc., USA)等。上述儀器均與CR23x型數據采集器(Campbell Sci., USA)相連，每半小時輸出一組平均值。

1.3 數據處理

凈生態系統碳交換量(NEE)由下式計算：

NEE=Fc+Fs

(1)

式中，Fc為CO2湍流通量(mg CO2m-2s-1)，可由渦度相關系統得出；Fs為渦度相關儀器觀測高度以下大氣CO2儲存通量(mg CO2m-2s-1)。NEE為負值時表示人工混交林凈吸收大氣CO2，反之則為凈排放CO2。

渦度相關法所得CO2儲存通量(Fs-EC)可由下式進行估算[21,26]：

(2)

式中，ΔC為高度z處前后兩次相鄰時間測定的CO2濃度差(mg/m3),Δt為前后兩次測定的時間間隔(s)(本研究時間間隔為30 min)，z為渦度相關觀測高度(m)。

CO2濃度廓線法所得CO2儲存通量(Fs-P)由下式給出[20,30]：

(3)

式中，P為氣壓(Pa)，R氣體摩爾常數(Pa m3K-1mol-1)，Ta為氣溫(K)，h為廓線法觀測高度(m)，c為觀測平臺間CO2平均濃度(μmol/mol)，t為測定時間間隔(s)時間，本研究中，時間間隔為30 min。

1.4 數據質量控制和插補

對渦度相關系統所得的半小時CO2通量數據經兩次坐標軸旋轉[31]和WPL校正[32]。夜間大氣層結穩定，湍流混合作用弱，植物和土壤呼吸產生的CO2難以到達渦度相關系統觀測高度，于是會低估生態系統的呼吸作用。夜間通量數據的剔除：根據夜間摩擦風速(U*)與對應CO2通量的關系，確定出臨界U*，摩擦風速小于臨界U*的通量數據將被剔除掉[33]。本研究U*取0.35 m s-1[8]。當儀器出現故障、雨天或清晨有露水時，儀器觀測到的異常通量數據應當刪除。本文CO2通量的閾值為|Fc|<3.0 mg CO2m-2s-1[34]，對于大于閾值的通量數據予以剔除。此外，對初步篩選的數據計算出月平均值和方差，與平均值相差超過3倍方差的數值也要剔除掉。小于2 h的缺失的數據用線性內插法插補；大于2 h的缺失數據采用平均日變化法(Mean Diurnal Variation, MDV)進行插補[33]。

2 結果與分析

2.1 冠層上方CO2濃度的變化

2.1.1 日變化

大尺度的大氣邊界層活動日變化是形成冠層上方CO2濃度日變化的主要原因[35]。在植物生長季，選擇典型晴天和陰天來研究人工混交林植被冠層上方CO2濃度的日變化特征。不同天氣條件下人工混交林植被冠層上方CO2濃度具有明顯的日變化過程(圖1)。晴天，日出后隨太陽輻射的增強、氣溫的升高，植被光合作用所消耗的CO2量不斷增強。此外，白天太陽輻射比較強時，人工林混交林下墊面上對流旺盛且強度大，造成大氣CO2的擴散速率增大[36]，于是使得植被冠層上方CO2濃度持續下降。到12:00左右太陽輻射最強時CO2濃度降到最低(5、6月份分別為354和335 μmol/mol)。12:30以后，冠層上方CO2濃度緩慢上升。一方面，太陽輻射下降造成光合作用吸收CO2的能力減弱；另一方面，氣溫在12:30—16:00仍在升高(圖1)，這使得人工混交林土壤呼吸和植物呼吸不斷升高。日落以后，植被冠層光合作用停止；受逆溫的影響，土壤呼吸和植物呼吸產生的CO2由于夜間大氣層比較穩定、空氣湍流運動弱而堆積，于是導致夜間CO2濃度有所上升。與晴天不同的是，陰天天氣條件下植被冠層上方CO2濃度在日出后兩小時左右有所升高(最大可達400 μmol/mol)。從9:00開始，CO2濃度逐漸下降，到14:30左右下降到最低水平(約360 μmol/mol)(圖1)。陰天天氣下CO2濃度最低值出現的時間滯后于晴天。一方面，晴天下午較高的溫度(圖1)促進了土壤和植物呼吸作用；另一方面，晴天中午太陽輻射強、飽和差(VPD)大，在強光作用下植被冠層部分葉片光合作用會受到抑制。

圖1 晴天和陰天天氣條件下冠層上方CO2濃度和氣溫的日變化Fig.1 Diurnal courses of CO2 concentration and air temperature in the sunny and cloudy sky days above the canopy of the mixed plantation

2.1.2 垂直變化

植被冠層上方CO2濃度隨高度的變化，主要取決于植被冠層CO2被固定和釋放情況。不同天氣條件下人工混交林植被冠層上方CO2濃度垂直分布見圖2。晴天天氣條件下，8:00近冠層(11m)處CO2濃度最低(圖2)。這主要與冠層光合作用吸收CO2有關。14:00，植被冠層上方CO2濃度隨高度變化不大，原因主要是下午較高的VPD抑制了植物冠層的光合作用。夜間20:00，植被冠層上方11—27 m的CO2濃度分別表現為隨高度升高而降低，11—27m之間表現為夜間呼吸型，27—33 m 則為CO2濃度分別表現為隨高度升高而增加。到夜間2:00，植被冠層上方11—33 m的CO2濃度則表現為完全夜間呼吸型(圖2)。與晴天相比，不論是白天還是夜間，陰天CO2濃度隨高度的變化不明顯(圖2)。這主要是陰天白天植物光合固定的CO2以及夜間土壤和植物呼吸產生的CO2量都比較少造成的。

圖2 晴天(5月24日)和陰天(5月25日)天氣條件下冠層上方CO2濃度的鉛直分布Fig.2 Vertical distribution of CO2 concentration in the sunny (May 24)) and cloudy (May 25) days above the canopy

2.1.3 季節變化

圖3 人工混交林冠層上方CO2濃度的季節變化Fig.3 Seasonal variation of CO2 concentration above the canopy in the mixed plantation

林冠上CO2濃度的季節變化主要受生態系統光合作用和呼吸作用的共同控制[37]。圖3表明，人工混交林冠層上方月平均CO2濃度具有明顯的季節變化規律。1—2月份，太陽輻射弱，人工混交林植被冠層光合作用和呼吸作用都比較小；此時溫度低，空氣對流弱，于是造成土壤呼吸排放的CO2有所堆積，進而使得冠層大氣CO2濃度有所增加，到3月份，可達370 μmol/mol。從4月份開始，隨輻射的增強和溫度的升高，人工混交林冠層光合和呼吸速率隨之增加，植被光合作用超過了呼吸作用，于是造成冠層上方大氣CO2濃度下降。到8月份時，人工混交林植被冠層大氣CO2濃度降到最低(347 μmol/mol)。由圖3可知，植被冠層大氣CO2濃度在6月份有所升高。這主要是6月份大氣干旱以及輻射過強造成植物冠層光合速率下降[8]。9—11月，人工混交林植被冠層大氣CO2濃度變化不大，基本維持在350 μmol/mol左右。11月份后，人工混交林進入非生長階段，此時主要樹種(栓皮櫟、刺槐)葉片都已凋落，生態系統以排放CO2為主，由此造成植被冠層上方大氣CO2濃度升高。

2.2 廓線法和渦度相關法所得CO2儲存通量的比較

圖4為CO2濃度廓線法和渦度相關法所得半小時CO2儲存通量的比較。本研究發現，渦度相關法所得的CO2儲存通量低于CO2濃度廓線法所得結果(偏低約9%)(圖4)。在計算CO2儲存通量時，廓線法是根據一定時間間隔內觀測高度以下不同高度處CO2濃度的變化得出的，而渦度相關法是平均了觀測系統高度以下不同層次的CO2濃度變化[24]。受大氣層結影響，森林近地層CO2未能通過湍流作用輸送到冠層上方，于是造成渦度相關法估算的CO2儲存通量不能真實反映植被冠層CO2濃度的時空變化[38]。因此，在計算該地區人工混交林半小時CO2儲存通量時應采用濃度廓線法。

圖4 渦度相關法和廓線法所得CO2儲存通量的比較Fig.4 Comparison of CO2 storage flux obtained by the eddy covariance (EC) method with the profile method in the mixed plantation

圖5 人工混交林生長季(6月)CO2儲存通量 (Fs)和凈生態系統碳交換(NEE)的月平均日變化Fig.5 Monthly mean diurnal variations of carbon storage flux (Fs) and net ecosystem carbon exchange (NEE) in the mixed plantation in June, 2008

2.3 CO2儲存通量和凈生態系統碳交換量的日變化

人工混交林冠層CO2儲存通量具有一定的日變化規律(圖5)。CO2儲存通量的日變化具體表現為：夜間，CO2儲存通量為正。原因主要是輻射冷卻導致地表邊界層變得穩定，于是土壤和植物呼吸產生的CO2大部分被儲存于冠層內部。6:30左右時冠層CO2儲存量由正變為負。這主要是冠層光合作用吸收了夜間冠層內部積累的CO2造成的。9:30時，CO2儲存通量達到最大(-0.10 mg CO2m-2s-1)。中午，由于溫度比較高，冠層內部大氣湍流混合比較強，CO2儲存通量開始緩慢下降，15:30時CO2儲存量為零。16:00以后，CO2儲存通量由負變為正，表明林冠內CO2開始累積。

人工混交林凈生態系統碳交換量(NEE)日變化過程見圖5。夜間，NEE為正，表明該生態系統是大氣CO2源。日出后，NEE由正變為負，該生態系統由碳源轉為碳匯。上午，人工林混交凈吸收的大氣CO2不斷增加。到11:30左右時，人工混交林凈吸收的CO2達到最大值，可達-0.63 mg CO2m-2s-1。隨后，人工混交林凈吸收的CO2量開始不斷下降。日落時，人工林生態系統NEE由負變為正，該生態系統由碳匯變為碳源。在生長季，人工林NEE上午增加比較快，下午下降的則比較緩慢。原因主要是：(1)下午較高的VPD抑制了植物冠層的光合作用；(2)較高的溫度促進了生態系統呼吸作用。

在生長季(6月)，人工混交林冠層CO2儲存通量和NEE日變幅分別為-0.10—0.06、-0.63—0.19 mgCO2m-2s-1。冠層CO2儲存通量和NEE日平均值分別為-0.0004和-0.091 mg CO2m-2s-1，冠層CO2儲存通量在NEE中所占比例僅為0.4%。

2.4 CO2儲存通量的季節變化

圖6 CO2儲存通量的季節變化Fig.6 Seasonal pattern of CO2 storage flux in the mixed plantation

在不存在平流/泄流作用情況下，夜間湍流作用較弱時，渦度相關觀測高度以下儲存的CO2會被日出后植物光合作用平衡掉。因此，在日尺度甚至更長的時間尺度上CO2儲存通量應該為零[39]。圖6為CO2儲存通量的季節變化。冬季，由于溫度低，大氣湍流比較弱。因此，CO2儲存通量比較大，最大可達-19.8 g CO2m-2month-1。春季和夏季，在較強的輻射和溫度的作用下，大氣湍流混合增強，CO2儲存通量變小。非生長季、生長季CO2儲存通量分別為-27.6和-18.5 g CO2/m2。2008年，CO2儲存通量和凈生態系統碳交換量分別為-46.1、-1133 g CO2m-2a-1；CO2儲存通量在NEE中所占比例為4.1%。因此，在年尺度上計算黃河小浪底人工混交林NEE時，CO2儲存通量可以忽略。

3 結論與討論

在植物生長季，不同天氣條件下人工混交林植被冠層上方CO2濃度具有明顯的日變化特征。晴天，日出后植被冠層上方CO2濃度持續下降。到12:00太陽輻射最強時CO2濃度降到最低。12:30以后，冠層上方CO2濃度緩慢上升。陰天天氣條件下植被冠層上方CO2濃度在日出后兩小時左右有所升高。這與吳家兵等[28]在溫帶闊葉紅松林、譚正洪等[35]在熱帶季雨林所得結果類似。Grace等[40]、Goulden等[41]在亞馬遜熱帶雨林也發現了植被冠層CO2在夜間累積、清晨釋放CO2的現象。人工混交林冠層上方月平均CO2濃度具有明顯的季節變化規律。一年中，月平均CO2濃度最大值(370 μmol/mol)出現在3月份，最低值(347 μmol/mol)出現在8月份。李英年等[36]對青海海北濕地近地層大氣CO2濃度研究得出，月平均CO2濃度最高值出現在10月(335.0 μmol/mol)，最低值出現在7月(270.1 μmol/mol)。與濕地相比，人工林CO2濃度最大和最小值均比較高。這主要是濕地地表積水以及植物的吸收作用造成的[36]。對于熱帶季雨林，林冠上方平均CO2濃度的最大值出現在3月，最小值出現在6月[35]。焦振等[37]對帽兒山溫帶落葉闊葉林CO2濃度的時空變化研究發現，受植被生態系統光合作用和呼吸作用的共同影響，林冠上CO2濃度在5月初和10月各出現1次峰值，8月初出現最低值。

本研究發現，渦度相關法估算的人工混交林CO2儲存通量比廓線法所得結果偏低9%。與本研究不同的是，姚玉剛等[38]對熱帶森林植被冠層研究得出渦度相關法估算的碳儲存通量大于廓線法所得結果。Hollinger等[21]、Carrara等[42]指出這兩種方法所得的儲存碳通量具有較好的一致性。張彌等[24]對長白山闊葉紅松林研究也發現，渦度相關法估算的CO2儲存通量與廓線法所得結果差別不顯著。

生長季，人工混交林CO2儲存通量達到最大出現在9:30。這與Schindler等[43]在蘇格蘭松林、de Araújo等[20]在亞馬孫熱帶雨林所得結果類似。對于長白山闊葉紅松林，CO2儲存通量在5:00左右達到最大[28]。Loescher等[44]在研究熱帶森林碳交換時發現，CO2儲存通量在8:00空氣對流運動形成時達到最大。人工混交林CO2儲存通量日變幅為-0.10—0.06 mgCO2m-2s-1，與孫成等[16]在亞熱帶毛竹林所得結果(-0.12—0.07 mg CO2m-2s-1)接近，高于王春林等[45]在鼎湖山南亞熱帶針闊葉混交林所得結果(-0.06—0.04 mg CO2m-2s-1)，但低于姚玉剛等[38]在西雙版納熱帶季節雨林所得日變幅值(-0.23—0.18 mg CO2m-2s-1)。這與土壤有機質的數量與質量、溫度以及冠層高度存在差別有關。此外，平流與湍流體系的不同也造成以上研究存在差異的原因之一[46]。人工林日最大碳吸收可達-0.63 mg CO2m-2s-1，高于Baldocchi等[22]在溫帶松林所得結果，低于Hollinger等[21]、Baldocchi和Harley[47]、Wang等[48]在溫帶落葉松林所得結果。這主要是不同研究區樹種、土壤與氣候條件存在差異造成的。

在半小時尺度上，人工混交林CO2儲存通量對NEE對影響比較大，這與Haszpra等[23]在農田和森林生態系統、張彌等[24]在溫帶森林、孫成等[16]在亞熱帶毛竹林所得結果類似。生長季，人工混交林冠層CO2儲存通量在日尺度上近似為0，這與Greco和Baldocchi[26]在溫帶落葉林、Baldocchi等[27]在溫帶混交闊葉林、吳家兵等[28]在長白山闊葉紅松林的研究一致。張彌等[24]對長白山闊葉紅松林儲存通量研究則發現，在日尺度上，忽略CO2儲存通量會造成對NEE低估10%。2008年，人工混交林CO2儲存通量和NEE分別為-46.1、-1133 g CO2m-2a-1；CO2儲存通量僅占NEE的4.1%。因此，在長時間(日、年)尺度上估算黃河小浪底人工混交林NEE時，CO2儲存通量可以忽略不計。在年尺度上，本研究所得CO2儲存通量占NEE的比例與Yu等[49]在溫帶森林的研究結果類似，低于張彌等[24]在長白山闊葉紅松林所得結果。

研究表明，忽略CO2儲存通量會低估森林生態系統Michaelis-Menten光響應方程中的表觀初始量子效率和Lloyd-Taylor呼吸方程中的參考呼吸，進而導致對總初級生產力(GPP)和生態系統呼吸(Rec)低估約20%[24]。王靜等[25]對不同濃度變量計算的溫帶落葉闊葉林CO2儲存通量的誤差進行分析得出，基于密度、摩爾分數和混合比計算的CO2儲存通量分別平均高估CO2有效儲存通量8.5%、0.6%和0.1%。因此，為準確評價人工混交林碳交換各分量的大小，今后研究應側重選擇大氣水、熱過程守恒的混合比計算CO2儲存通量，加強CO2儲存通量對光響應參數以及呼吸參數影響的研究。

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Variation characteristics of carbon storage flux over a mixed plantation of the Xiaolangdi area

TONG Xiaojuan1,*, ZHANG Jinsong2, MENG Ping2, LI Jun3

1CollegeofForestry,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2ResearchInstituteofForestry,CAF;KeyLaboratoryofTreeBreedingandCultivation,StateForestryAdministration,Beijing100091,China3KeyLaboratoryofWaterCycleandRelatedLandSurfaceProcesses,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China

Forest plays an important role in carbon cycle and global climate change. To estimate accurately net ecosystem carbon exchange (NEE) between forest ecosystem and the atmosphere and understand the ecophysical factors influencing NEE, it is necessary to study the variation characteristics of CO2storage flux. In this study, the eddy covariance method and the profile method were used to measure CO2flux and CO2concentration over a warm-temperate mixed plantation in the Xiaolangdi area in 2008, respectively. The temporal and spatial variations of CO2concentration under sunny and cloudy sky conditions above the forest canopy were analyzed. CO2storage flux obtained by the eddy covariance was compared with those derived from the profile method and the diurnal and seasonal variations of CO2storage flux were investigated. The results showed that the diurnal and seasonal variations in CO2concentration were obvious. In the sunny days of the growing season, CO2concentrations above the plantation canopy decreased continuously and the minimal CO2concentration appeared at 12:00. After 12:30, CO2concentration increased slowly. However, in the cloudy days, the maximal and minimal CO2concentrations occurred in the early morning and at about 14:30, respectively. At the annual scale, CO2concentration peaked in March, with a value of 370 μmol/mol. The minimal CO2concentration occurred in August, with a value of 347 μmol/mol. CO2storage flux estimated by the eddy covariance method was 9% lower than that obtained by the profile method. During the growing season of 2008, monthly mean CO2storage flux was -0.0004 mg CO2m-2s-1and NEE was -0.091 mg CO2m-2s-1. At the daily scale, the proportion of CO2storage flux to NEE was only 0.4%. In 2008, CO2storage flux and NEE were -46.1 and -1133 g CO2m-2a-1, respectively. On an annual scale, CO2storage flux only accounted for 4.1% of NEE. Therefore, at the longer time (daily or annual) scale, CO2storage flux could be neglected when NEE is estimated in the mixed plantation of the Xiaolangdi area.

Mixed plantation; the eddy covariance method; the profile method; CO2storage flux; net ecosystem carbon exchange

國家自然科學基金 (31100322); 國家林業局公益性行業項目(GYHY20110400904)

2013- 04- 26;

日期:2014- 11- 17

10.5846/stxb201404260833

*通訊作者Corresponding author.E-mail: tongxjsxbs@sina.com

同小娟， 張勁松， 孟平， 李俊.黃河小浪底人工混交林冠層CO2儲存通量變化特征.生態學報,2015,35(7):2076- 2084.

Tong X J, Zhang J S, Meng P, Li J.Variation characteristics of carbon storage flux over a mixed plantation of the Xiaolangdi area.Acta Ecologica Sinica,2015,35(7):2076- 2084.