青藏高原高寒矮嵩草草甸大氣CO2濃度時間變化特征

李紅琴，劉 晗，張法偉

（1.洛陽師范學院 生命科學學院，河南 洛陽 471934；2.中國科學院三江源國家公園研究院，青海 西寧 810008）

工業革命以來，由于化石燃料的燃燒和不合理的土地利用，導致大氣中CO2濃度持續升高。由于CO2等溫室氣體對稱性的分子結構，能與地表的長波輻射產生共振，使其分子溫度上升，進而提升了大氣溫度，引發了氣候變化[1]。為了準確認知全球氣候的變化特征和演變趨勢，CO2等溫室氣體的長期而精確的監測是不可或缺的。目前有關國家乃至全球尺度碳收支的研究也多采用本底溫室氣體觀測資料“自上而下”的反演計算，以獲取碳源匯的時空動態[2]。青藏高原大氣CO2濃度如何變化不僅影響到區域碳素固持、水源涵養及生物多樣性保護等生態功能，而且對我國乃至東南亞氣候演變也具有不可低估的作用。目前，青藏高原溫室氣體長期觀測僅在青海腹地的瓦里關全球大氣基準站開展，獲取了較為詳細的大氣CO2濃度本底特征和變化規律[3]。由于青藏高原面積巨大，植被類型和氣候模式多樣，單點研究的代表性有限。因此，本文以青藏高原東北隅的渦度相關系統連續觀測的CO2濃度為例，分析2019年—2020年的大氣CO2濃度變化的規律，以期為理解高寒草甸CO2源匯變化提供依據，也可為我國碳達峰和碳中和提供一定的數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究點概況

研究地點位于青海海北高寒草地生態系統國家野外科學觀測研究站附近的高寒矮嵩草草甸。海北站（37°37′N，101°19′E，3200 m）地處祁連山東段冷龍嶺南麓，為高原大陸性氣候。年均溫和降水分別為-1.7℃和580mm。群落優勢種包括矮嵩草、垂穗披堿草、異針茅、麻花艽等，土壤為沙壤土。有關海北站氣候植被土壤的詳細介紹可參閱相關文獻[4]，本文不再贅述。

1.2 數據來源與處理方法

本研究主要利用渦度相關觀測系統中的開路CO2/H2O快速紅外分析儀（LI-7500A,Li-Cor Inc.,USA）測定大氣中CO2的濃度。傳感器觀測高度為2.2m，采樣頻率為10 Hz。在室內利用開源軟件EddyPro 7.0.6（Li-Cor Inc.,USA）對10 Hz高頻數據進行質量控住和數據處理，以獲取相對準確的大氣CO2濃度數據。研究數據的時間范圍為2019年—2020年。經過數據質量控制，有效數據樣本數為21000條，約占研究期數據的59.8%。

2 結果與討論

2.1 大氣CO2濃度的逐時特征

高寒草甸大氣CO2濃度在生長季和非生長季分別表現出U型和不規則型日變化特征（圖1）。在植被生長季，大氣CO2濃度取決于植被的光合速率和系統呼吸作用之間的平衡。在夜間，由于生態系統的自養呼吸和異養呼吸，導致大氣CO2濃度相對較高，基本維持在420×10-6，但存在一定的波動。隨著植被光合作用的增強（減弱），大氣CO2濃度急劇下降（升高），但大氣CO2濃度在11時—18時基本維持在370×10-6～380×10-6，表明系統碳交換處于相對穩定的狀態。這與瓦里關的相關研究結果有所差別，其最小值出現在18:00左右，可能是植被類型的不同所致[3]。瓦里關植被類型以荒漠草原為主，而海北站以高寒草甸為主，植被覆蓋較高導致后者群落的光合作用較強，大氣CO2濃度在白天都相對較低[4]。在非生長季，大氣CO2濃度平均為（409.8±6.2）×10-6，呈現出夜間相對較高，白天隨氣溫變化而變化的特征，白天大氣CO2濃度峰值出現在14時左右，對應著氣溫的最高值。

圖1 高寒草甸生長季和非生長季大氣CO2濃度的平均日變化Fig.1 The mean diurnal variations of atmospheric CO2 concentration during the growing and non-growing season in the alpinemeadow

2.2 大氣CO2濃度的季節特征

高寒草甸大氣CO2濃度呈現出先下降后升高的季節趨勢（圖2），其年均值為（395.4±37.3）×10-6，略高于瓦里關2004年的377.0×10-6[3]，如果按照1.83×10-6/a的增長速率，其2019年濃度值約為404.5×10-6，又略高于本研究的結果。大氣CO2濃度在1月相對最高（418.8±9.1）×10-6，在6月份相對最低（378.0±44.9）×10-6，年均振幅約為40.0×10-6。在4月，由于表層凍土消融，導致其凍結在凍土空隙中的CO2及封存在下層土壤中的由呼吸作用而積累的CO2快速釋放，出現一個小高峰，峰值為（407.6±12.9）×10-6。隨著植物光合作用的出現，大氣CO2濃度又開始逐漸下降至最低值。盡管植物的光合作用在7月較強，但由于溫度較高，加之呼吸底物增多，導致大氣CO2濃度出現小幅度升高。由于植物光合強度和呼吸速率同時降低，導致8月—10月CO2濃度又有所下降。在11月、12月，植物地上部分死亡，光合吸收CO2的作用消失，大氣CO2濃度再開始逐漸升高。因此，大氣CO2濃度的季節變化與植被土壤系統的生物化學過程及凍土的消融密切相關[3]。

圖2 高寒草甸大氣CO2濃度的季節變化Fig.2 The seasonal variations of atmospheric CO2 concentration in the alpine meadow

3 結語

青藏高原高寒草甸大氣CO2濃度在生長季表現出U型日變化特征，在非生長季則無顯著規律。由于植被光合和系統呼吸及凍土消融的共同作用，大氣CO2濃度的年均值為(395.4±37.3)×10-6，在1月相對最高，6月相對最低，4月出現一個次高峰。