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渦動相關法在森林碳儲存通量測量中偏差的主因

日期:2022-11-08 09:58
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摘要:渦動協方差(eddy covariance,EC)方法可以監測大氣—森林的凈CO2交換(net ecosystem exchange,NEE)[1],是監測碳收支的主要手段。EC技術可以近乎沒有干擾地直接測量較大空間范圍的NEE,而且時間分辨率高、持續時間長,在諸多通量觀測技術中具有不可替代的優勢[2]。

渦動協方差(eddy covariance,EC)方法可以監測大氣森林的凈CO2交換(net ecosystem exchange,NEE[1],是監測碳收支的主要手段。EC技術可以近乎沒有干擾地直接測量較大空間范圍的NEE,而且時間分辨率高、持續時間長,在諸多通量觀測技術中具有不可替代的優勢[2]??梢哉f,EC通量數據對于宏生態學研究和全球可持續發展研究的獨特優勢和潛在價值正逐步受到科技界的重視[3]。在這一背景下,提高站點尺度的通量觀測精度將有助于推動宏生態學的發展和提高全球碳循環的監測與預測能力。

 

1渦動協方差系統

圖片來源于http://www.bjesdhm.com/

NEECO2湍流通量(CO2 eddy flux,Fc)和儲存通量(CO2 storage flux,Fs)組成[4],通過通量拆分即可得到總初級生產力(gross primary productivity,GPP)和生態系統呼吸(ecosystem respiration,Re[2]。儲存通量的準估算對碳匯監測尤為重要。

 

在測定生態系統碳收支的問題中,植被冠層或是湍流發展不充分阻礙了葉片和土壤產生的部分CO2到達渦動觀測高度,這部分因大氣CO2儲存量變化導致的CO2通量,稱為CO2儲存通量。儲存效應對二氧化碳通量的影響較大[5],尤其是森林生態系統。在長白山闊葉紅松林儲存通量研究發現:在日尺度上忽略CO2儲存通量會造成對NEE 低估10%。 

 

2儲存通量、湍流通量和NEE的日變化比較

圖片來源于(張彌等,2010

對于高大植被(如森林)來說,在清晨與傍晚穩定邊界層和白天對流混合層的過渡期,森林Fs變化會達到極大[6-8],并且隨著垂直梯度變化而變化,隨著高度的降低,CO2儲存效應越來越明顯。

 

3不同高度的CO2儲存通量日變化

圖片來源于(wang et al., 2016)

在森林生態系統中,通量塔通常配置一套濃度廓線來估算儲存通量[9],CO2廓線系統通過從地面到EC系統觀測高度的一系列垂直配置點監測CO2H2O濃度[10],可真實地反映冠層內外CO2濃度時空變化特征[11,12],可以更準確地估算Fs[6,13,14]。目前常用的廓線系統是AP100AP200Campbell Scientific Inc., USA),具有測量周期短(2 min)和自動校準的特點;而缺少廓線系統時,通常采用EC單點法估算Fs[15],由于塔頂監測點無法監測安裝高度下方CO2濃度高且變化劇烈的層次,因此可能存在一定的局限性[6,13]。在黃河小浪底的人工混交的研究發現: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%[16] 。

 

4 AP200廓線系統(Campbell Scientific Inc., USA

圖片來源于http://www.bjesdhm.com/

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