縉云山針闊葉混交林渦相關(guān)適用性及碳通量變化特征

王松年，王云琦,2＊，王 凱，馮印成，王杰帥

（1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，重慶三峽庫區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)教育部野外科學(xué)觀測研究站，北京 100083；2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，重慶縉云山三峽庫區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，北京 100083；3.蘇州高新區(qū)（虎丘區(qū)）林業(yè)站，江蘇 蘇州 215000）

自工業(yè)革命以來，大氣中CO2等溫室氣體濃度的不斷增加引起氣候變化和全球增溫，從而使人們開始關(guān)注陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程[1]。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，其占比陸地生態(tài)系統(tǒng)的31%[2-3]，其作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要碳匯[4]，對實現(xiàn)碳中和起到極為關(guān)鍵的作用。因此，對于明晰森林生態(tài)系統(tǒng)的碳交換量的變化顯得尤為重要。

大氣湍流是生態(tài)系統(tǒng)和大氣進行氣體和能量交換的主要媒介，渦協(xié)方差相關(guān)法的誕生就是為了記錄這一過程的物質(zhì)和能量的量[5]，是目前測定大氣與陸地生態(tài)系統(tǒng)之間氣體和能量交換的最直接的方法[6-7]。在實際應(yīng)用過程中，渦度相關(guān)技術(shù)的監(jiān)測受到多種環(huán)境因素的影響，如生態(tài)系統(tǒng)類型、觀測高度、下墊面地形、大氣因素等都會影響其監(jiān)測結(jié)果的準確性[5,8]。需要通過對數(shù)據(jù)處理后的能量閉合和源區(qū)分析對其的適用性和準確性進行驗證。許多學(xué)者都利用渦度相關(guān)技術(shù)，對復(fù)雜的森林生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的CO2交換進行過探究[9-10]，同時針對不同類型的生態(tài)系統(tǒng)和站點進行比較分析。目前大部分的研究表明，森林生態(tài)系統(tǒng)為碳匯，只有一小部分的研究得出的結(jié)論為碳源且包括幼齡林在內(nèi)[11-12]。盡管森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯作用得到了極大多數(shù)學(xué)者的廣泛認可，但由于環(huán)境因子的影響，使得全球森林生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的CO2交換量在不斷變化，所以，對于森林生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的碳交換監(jiān)測依舊重要[13]。

重慶縉云山地處三峽庫區(qū)的尾端，是重要的生態(tài)屏障，其中針闊葉混交林是該地區(qū)的典型林分之一，也是我國西南山地森林生態(tài)系統(tǒng)的典型代表。王倩、王杰帥等都曾利用二次坐標旋轉(zhuǎn)對其碳通量進行分析[10,14]。本研究以2019.11—2020.10縉云山針闊葉混交林通量監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，坐標旋轉(zhuǎn)處理上采用平面擬合法，通過湍流分析，能量閉合和源區(qū)分析，來對渦度相關(guān)對其的適用性進行探究，同時對該地區(qū)碳通量的時間變化進行分析。以期為預(yù)測未來碳通量變化下的森林動態(tài)和經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)所在地為重慶市北碚區(qū)縉云山國家級自然保護區(qū)國家定位觀測研究站內(nèi)（106°17'～106°24' E、29°41'～29°52' N），該保護區(qū)的整體面積約7 600 hm2，海拔200～952 m，地處三峽庫區(qū)的尾端，是三峽庫區(qū)的重要生態(tài)屏障。縉云山氣候為典型的亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，降雨充沛，年平均降水1 611.8 mm，主要集中在生長季（4—10月）；年平均蒸發(fā)量 777.1 mm；該地區(qū)受局部小氣候影響潮濕多霧，平均全年有霧日達89.8 d。研究區(qū)為針闊葉混交林森林生態(tài)系統(tǒng)，主要的優(yōu)勢樹種為四川山礬（Symplocos setchuensis Brand）、廣東山胡椒（Lindera kwangtungensis Allen）、楊桐（Adinandra bockiana Pritzel ex Diels）、馬尾松（Pinus massoniana Lamb）和杉木（Cunninghamia lanceolata Hook）。

2 材料與方法

2.1 通量塔的儀器配置

重慶縉云山通量塔位于觀測站的針闊葉混交林內(nèi)，塔高35 m，配備的觀測系統(tǒng)包括兩個部分，即開路式渦度相關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)和微氣象觀測系統(tǒng)，具體的儀器布設(shè)詳見表1。

表1 通量塔儀器布設(shè)Table 1 Instrument layout of flux tower

渦度相關(guān)法可以直接測定植物群落與大氣之間的氣體交換通量，其原理是通過測定大氣中湍流運動產(chǎn)生的風(fēng)速脈動和物理量脈動的協(xié)方差來測定物質(zhì)或能量的通量。

大氣與植物群落之間的CO2湍流通量的公式為：

Fc（mg·m?2·s?1）為 CO2的湍流通量，ρc′為CO2密度脈動，ω′為垂直風(fēng)速的脈動量。

2.2 數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù)處理主要在EddyPro-7.0.6中進行，具體方法如下：

（1）采用Vicker提出的處理辦法對原始數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢測，并將野點及異常值進行剔除。

（2） 采 用Mauder和Foken[15]提 出的0～2級分級法作為本研究數(shù)據(jù)的質(zhì)量分級標準。

（3）坐標校正，考慮到研究區(qū)位于山區(qū)，下墊面不平穩(wěn)，且生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以采用平面擬合法[16]對其進行校正。

（4）通量校正，主要包括：超聲虛溫修正、WPL校正、頻率響應(yīng)校正、夜間通量校正。

（5）數(shù)據(jù)插補，采用由Max Planck Institute for Biogeochemistry開發(fā)的REddyProcWeb在線數(shù)據(jù)處理工具對不連續(xù)的通量數(shù)據(jù)進行插補。

后期的數(shù)據(jù)處理和制圖分別在Excel、MATLAB、Tovi和Origin中進行。

2.3 能量閉合處理

根據(jù)能量守恒定律，輸入生態(tài)系統(tǒng)的能量將會以某種形式輸出，因此能量的閉合與否是評判通量數(shù)據(jù)是否可用的衡量標準之一。森林生態(tài)系統(tǒng)中的能量閉合（EBR）計算公式為：

Rn為太陽凈輻射，G為土壤熱通量，H為顯熱通量，LE為潛熱通量，F(xiàn)s為冠層儲熱，Q為其他能量輸出項。

由于冠層儲熱和其他能量輸出項所占比例很少，且部分數(shù)據(jù)在測量中存在較大難度，所以大量的學(xué)者在研究能量閉合時都將其忽略不計，本研究中只利用（Rn-G）和（H+LE）來進行能量閉合的計算。

3 結(jié)果與分析

3.1 湍流數(shù)據(jù)質(zhì)量評價

質(zhì)量評價是0和1的為高質(zhì)量通量數(shù)據(jù)，圖中顯示為藍色；質(zhì)量評價是2的數(shù)據(jù)為中低質(zhì)量數(shù)據(jù)，圖中顯示為黃色（圖1）。圖中2019.12.06—2019.12.19數(shù)據(jù)缺失是由于通量塔斷電導(dǎo)致。質(zhì)量評價為0和1的高質(zhì)量數(shù)據(jù)占比為77%，質(zhì)量評價為2的中低質(zhì)量數(shù)據(jù)占比16%，缺失數(shù)據(jù)為7%。結(jié)果表明，77%的數(shù)據(jù)趨于理想的穩(wěn)態(tài)條件，并且很好的符合湍流觀測的發(fā)展特點。

圖1 顯熱通量質(zhì)量等級分級Fig.1 Quality classification of sensible heat flux

由圖2可見，質(zhì)量評價為0和1的高質(zhì)量數(shù)據(jù)占比為61%，質(zhì)量評價為2的中低質(zhì)量數(shù)據(jù)占比20%，缺失數(shù)據(jù)為19%。結(jié)果表明，61%的數(shù)據(jù)趨于理想的穩(wěn)態(tài)條件。并且很好的符合湍流觀測的發(fā)展特點。

圖2 潛熱通量質(zhì)量等級分級Fig.2 Quality classification of latent heat flux

碳通量的數(shù)據(jù)質(zhì)量容易受到降水的影響，樣地所在地全年多雨（4—10月為雨季），且非雨季時，由于受山地小氣候影響，該山地長時期水霧籠罩。從圖3可以看出，CO2湍流的高質(zhì)量數(shù)據(jù)占比為62%，中低質(zhì)量數(shù)據(jù)為23%，缺失數(shù)據(jù)為15%。符合湍流觀測的發(fā)展特點。

圖3 碳通量質(zhì)量等級分級Fig.3 Quality classification of carbon flux

3.2 能量閉合與通量足跡分析

3.2.1 能量閉合分析 分別對25 m和35 m處的通量觀測系統(tǒng)所觀測到的生長季通量數(shù)據(jù)進行了能量閉合分析（圖4）。該觀測系統(tǒng)下層能量閉合率為0.73，上層能量閉合率為0.82，均在國際認可的能量閉合范圍之內(nèi)（0.7～0.9），表明能量閉合情況良好。

圖4 能量閉合分析Fig.4 Diagram of energy closure analysis

3.2.2 通量足跡分析 本研究中的通量足跡如圖5所示。左圖為全年白天通量足跡模擬，右圖為全年夜間通量足跡模擬。有色區(qū)域即為通量貢獻區(qū)，顏色越亮代表通量觀測的數(shù)據(jù)來源越密集，閉合圈線代表不同累積通量貢獻率的范圍。因為通量塔觀測的通量數(shù)據(jù)一般來源于上風(fēng)向，因此貢獻區(qū)形狀為橢圓，長軸在東北和西南方向，同時可以看出高亮區(qū)域大部分集中在東北側(cè)，即全年大部分月份主要通量觀測區(qū)域來源于東北方。全年風(fēng)速風(fēng)向變化如風(fēng)玫瑰圖（圖6）所示，主風(fēng)向來自東北方向，這與通量的高貢獻區(qū)相吻合，說明通量數(shù)據(jù)來源可信且質(zhì)量良好。

圖5 全年通量足跡（左為白天，右為夜間）Fig.5 Annual flux footprint （day on the left and night on the right）

圖6 風(fēng)速玫瑰圖Fig.6 Wind speed rose

通量的峰值年貢獻區(qū)的年平均距離為82.25 m，10%、30%、50%、70%和90%累計通量貢獻區(qū)年平均距離分別為28.23、70.31、107.22、150.38 m和225.29 m（表2）。由表2可以看出9月份為貢獻區(qū)距離最大月，峰值距離為91.12 m，90%累計貢獻距離為249.59 m，最小月份為4月，峰值距離為83.43 m，90%累計貢獻距離為228.55 m。貢獻區(qū)距離在正常范圍內(nèi)，且不同月份間相差不大。

表2 通量貢獻區(qū)距離Table 2 Distance of flux contribution area

3.3 碳通量的變化分析

3.3.1 各月份碳通量的日變化特征 利用MATLAB對全年半小時通量數(shù)據(jù)進行平均，得到各月份同一時刻下半小時的平均值，得到全年各月同一時刻的Fc的日變化，由圖7可以看出，各月份的Fc日變化大體相同，均成U字形，F(xiàn)c為負值時，說明生態(tài)系統(tǒng)在吸收CO2，當(dāng)Fc為正值時，說明生態(tài)系統(tǒng)在釋放CO2，也就是說在全年各個月份當(dāng)中，縉云山針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)在白天都為碳匯，在夜間則為碳源。主要原因是受到輻射的影響，從而使生態(tài)系統(tǒng)在光合與呼吸作用之間相互切換。其中碳匯的波動范圍為：?0.97～?0.01 mg·m?2·s?1，最小值出現(xiàn)在8月的12:00，最大值出現(xiàn)在5月的19:00。碳源多集中在夜間，其波動區(qū)間是：0.04～0.32 mg·m?2·s?1，最大值出現(xiàn)在 12月的0:00點，最小值出現(xiàn)在1月份的6:30。

圖7 各月份碳通量日變化Fig.7 Daily variation of carbon flux in different months

研究期間各月份碳匯峰值分布范圍為11:30～15:00，6月最早達到碳匯峰值，1月最晚達到峰值；碳源峰值主要分布范圍為 20:00—次日 3:00。除了11月，其他各月均出現(xiàn)兩個碳匯峰值，即在中午段Fc出現(xiàn)增大的現(xiàn)象。碳匯能力最大的是8月份，日均 Fc 為?0.24 mg·m?2·s?1，最小的是12月份，F(xiàn)C 為 0.03 mg·m?2·s?1。每個月份碳匯碳源的轉(zhuǎn)化時刻也不盡相同，最早由碳源轉(zhuǎn)為碳匯的是7月和8月均為6:00，最晚為12月時間是7:30；最早由碳匯轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚吹氖?月（18:00），最晚為5、6、7、8和9月（19:30）。其中，日固碳時間最長的月份為7月，日固碳時間為13.5 h，最短為12月，日固碳9.5 h。

3.3.2 各季節(jié)碳通量的日變化特征 按照月份的不同，劃分為四季，分別是春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12—次年2月），分別求同一時刻下的Fc的平均值。得到碳通量各季節(jié)的日變化（圖8）。各季節(jié)的Fc大致呈現(xiàn)U字形的日變化，在季節(jié)上也會出現(xiàn)午間的雙峰變化。夏季峰值最早出現(xiàn)，發(fā)生時間為11:00，春季最不明顯。不同季節(jié)的碳匯峰值排列如下：夏季（?0.83 mg·m?2·s?1）>春季（?0.65 mg·m2·s?1）>秋季（?0.62 mg·m?2·s?1）>冬季（?0.38 mg·m?2·s?1）；日碳匯時長夏季（13.5 h）>春季（12 h）=秋季（12 h） > 冬季（10.5 h），可見縉云山針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)冬季的碳匯能力要小于其他季節(jié)。

圖8 各季節(jié)碳通量的日變化Fig.8 Seasonal variation of carbon flux

3.3.3 碳通量全年月累積變化特征 圖9為凈生態(tài)系統(tǒng)交換量（NEE）的全年月累積變化。全年的月平均NEE為?73.95 g·m?2，年累積NEE 值為-887.40 g·m?2，可知縉云山針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)為碳匯。不同月份NEE的累積值也不盡相同。最高值出現(xiàn)在 12月份，為 22.21 g·m?2·mon?1；最低值出現(xiàn)在8月份，為?172.27 g·m?2·mon?1。全年所有月份中，只有12月和1月為正值，其他季節(jié)均為負值，說明該生態(tài)系統(tǒng)冬季處于碳源過程，而其它季節(jié)處于碳匯過程。碳匯月份之間也存在差異，最大固碳月份為8月（?172.27 g·m?2·mon?1）；最小固碳月份為11月（?3.71 g·m?2·mon?1）。碳匯月份從 2月開始，碳匯能力逐漸增強，到8月份到達峰值；從9月開始逐漸減弱，一直到11月降為最低。從植物的生長季角度來看，生長季（4月—10月）與非生長季之間的固碳能力也存在著較大差異。生長季的Fc累積變化量為：?826.2 g·m?2，非生長季則只有：?61.2 g·m?2。這是因為在生長季節(jié)，植物需要消耗大量的養(yǎng)分，所以，需要進行強烈的光合作用來提供，從而需要吸收大量的CO2。

圖9 碳通量月累積變化Fig.9 monthly cumulative variation of carbon flux

3.3.4 碳通量變化的影響因子 通過F檢驗以及碳通量與主要環(huán)境因子的擬合關(guān)系表明，光合有效輻射和風(fēng)速是影響碳通量變化的主要因子，R2分別為0.75和0.43（圖10）。光輻射作為光合作用的必要條件，其對植物光合至關(guān)重要。隨著光輻射強度的增加，碳通量的值逐漸減小，植物吸收CO2的能力逐漸增強。風(fēng)速作為影響渦度相關(guān)測量的主要氣象因子，在本研究中，對碳通量的影響也很大，風(fēng)速越小碳通量越平穩(wěn)。空氣相對濕度主要是通過影響植物的氣孔導(dǎo)度從而間接影響碳通量的變化，空氣濕度過高時植物的氣孔會有不同程度的閉合。空氣溫度對碳通量變化的影響不顯著。

圖10 碳通量與主要環(huán)境因子的關(guān)系Fig.10 The relationship between carbon flux and major environmental factors

4 討論

4.1 渦度相關(guān)在縉云山針闊葉混交林的適用性

評判渦度相關(guān)在一個地區(qū)的適應(yīng)性，主要包括：湍流質(zhì)量的評價、能量閉合分子以及通量足跡模擬。

本研究中H、LE、Fc的高質(zhì)量湍流數(shù)據(jù)占比分別為77%、61%、62%。均超過60%。僅有少量的數(shù)據(jù)需要進行剔除插補。湍流的平穩(wěn)狀態(tài)，表明了針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)近地面湍流發(fā)展平穩(wěn)。王杰帥[14]在之前的研究中利用二次坐標旋轉(zhuǎn)所得到的湍流質(zhì)量評價分別為：77.5%、65.7%、68.5%，另外比較國內(nèi)已有研究，吳志祥[17]研究了海南橡膠林生態(tài)系統(tǒng)的湍流數(shù)據(jù)質(zhì)量評價分別為：63.4%、52.6%和59.1%與本研究結(jié)果相似。說明本研究中湍流趨于理想的穩(wěn)態(tài)條件并且很好的符合湍流觀測的發(fā)展特點。

關(guān)于能量閉合，張璇[18]、王杰帥[14]等均在縉云山針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)進行過研究，能量閉合率分別為：0.84、0.78。在國內(nèi)外相關(guān)的森林生態(tài)系統(tǒng)研究中，吳亞楠[19]關(guān)于小浪底山地人工生態(tài)系統(tǒng)的通量研究中，能量閉合率為0.77；李桐[20]在對九寨溝針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)的通量研究中得出能量閉合率為0.71；Y.Kosugi等[21]在研究中，能量閉合率為0.74。均與本研究得到類似結(jié)果，說明縉云山針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)能量閉合良好，渦度相關(guān)法在該研究區(qū)具有良好的適用性。

最后是通量足跡模擬，渦度相關(guān)法在測量時，需要生態(tài)系統(tǒng)下墊面具有足夠的代表性[22]，由于觀測方法受到大氣層和下墊面等環(huán)境因素的限制，通量足跡的函數(shù)模擬的貢獻峰值區(qū)主要來自上風(fēng)向[8,23]。本研究所得到通量足跡模擬的峰值貢獻區(qū)方向與研究期內(nèi)的主風(fēng)向一致，都是東北方向，說明通量數(shù)據(jù)信號來源正確。本研究中通量足跡的90%累計貢獻區(qū)年平均距離為225.29 m，相比于其他平緩的林地[24]和農(nóng)田[25-26]生態(tài)系統(tǒng)來說偏小，這是因為山地丘陵地當(dāng)中的森林生態(tài)系統(tǒng)的下墊面通常是非均一的，且生態(tài)系統(tǒng)類型較為復(fù)雜[18]，從而導(dǎo)致下墊面附近的大氣在摩擦作用下產(chǎn)生環(huán)流，另外不同的觀測高度也會使得通量貢獻區(qū)距離不同，通常情況下觀測高度越高，通量貢獻區(qū)的距離就越大[27]，這也是本研究中通量貢獻區(qū)偏小的原因。

4.2 縉云山針闊葉混交林碳通量的變化

本研究期內(nèi)碳通量的日變化中碳通量的波動范圍是?0.97～0.38 mg·m?2·s?1，最小值出現(xiàn)在 8月的12:00，最大值出現(xiàn)在5月的23:00，且波動范圍在植物的生長季更為廣泛，這是由于植物在生長季需要吸收大量的CO2來進行光合作用，從而合成有機物供應(yīng)自身的生長，同時夜間呼吸也更為旺盛。2016年在對浙江天目山常綠闊葉落葉混交林生態(tài)系統(tǒng)的檢測中，所得結(jié)果為：?1.00～0.30 mg·m?2·s?1[28]；2019 年對廣東鼎湖山的針闊葉混交林的監(jiān)測結(jié)果中碳通量的變化范圍是?1.18～0.37 mg·m?2·s?1[29]，與本研究結(jié)果相似。說明氣候條件和生態(tài)系統(tǒng)類型相似的情況下，碳通量的變化也相近。而陳曉峰[30]在對安吉毛竹林的監(jiān)測中，所得結(jié)果為?0.52～0.20 mg·m?2·s?1，碳匯能力弱于本研究結(jié)果。說明不同類型的森林生態(tài)系統(tǒng)，碳匯能力之間存在著較大差異。

本研究中碳通量成雙峰變化，這主要是由于植物的“光合午休”造成的。因為中午光照強烈，致使氣溫升高、空氣干燥，植物葉片為減少蒸騰，防止水分蒸發(fā)，被迫關(guān)閉氣孔來減少水分散失，同時降低與光合作用有關(guān)的酶活性，這種現(xiàn)象被稱為“光合午休”[31]。引起植物光合午休的主要原因是光輻射過高，過高的光輻射會引起葉綠體的回避反應(yīng)，從而使植物的光合作用受到抑制[32]，此外在高溫的脅迫下會使植物的氣孔關(guān)閉[33]，從而導(dǎo)致其光合能力下降。徐勇峰[34]和牛曉棟[35]在對洪澤湖濕地生態(tài)系統(tǒng)和天目山常綠闊葉混交林的研究中也得到了相近的結(jié)果，說明植物在相應(yīng)的環(huán)境脅迫下會出現(xiàn)光合午休的現(xiàn)象。光合午休的現(xiàn)象在夏季最為明顯，這是因為夏季太陽高度角大，太陽輻射強度大，能夠更快地使植物葉片因高溫干旱而關(guān)閉氣孔。春季之所以不明顯，一方面是由于春季太陽輻射強度較小，另一方面是因為冬季的林地蒸散發(fā)作用不強烈，從而使土壤含水量充足以便于植物在春季吸收，用于蒸騰和生長。另外，由于本研究中所觀測的生態(tài)系統(tǒng)為針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)，植物種類并非單一，由于不同植物的光飽和點不同，其吸收CO2所達到峰值的時間也不近相同[36-37]。

5 結(jié)論

（1）研究期內(nèi)，湍流因子中的H、LE和Fc的湍流數(shù)據(jù)質(zhì)量評價較好，高質(zhì)量數(shù)據(jù)占比分別77%、61%和62%，趨于理想的穩(wěn)態(tài)條件；在生長季內(nèi)，上、下層能量閉合率良好分別為：0.82和0.73，均在國際山地森林生態(tài)系統(tǒng)能量閉合認可范圍內(nèi)（0.7～0.9）。

（2）研究期內(nèi)，通量足跡模擬高貢獻區(qū)域與研究期內(nèi)主風(fēng)向（東北）一致，表明通量監(jiān)測的數(shù)據(jù)來源可信且質(zhì)量良好。

（3）研究期內(nèi)，該生態(tài)系統(tǒng)處于碳匯過程，年固碳量為887.40 g·m?2，月均日變化和各季節(jié)日變化大多為雙峰變化。光合有效輻射和風(fēng)速是影響碳通量變化的主要因子，R2分別為0.75和0.43。空氣溫度對碳通量變化的影響不顯著。