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植被与大气间水汽、二氧化碳通量的长期观测能够使人们更为深入的理解全球气候变化对陆地生态系统碳、水循环的影响。在生态系统水平上,涡度相关技术是评价植被/大气间水汽通量和净生态系统二氧化碳交换量的主要技术手段。本研究以中科院新疆阜康荒漠生态站为试验平台,以涡度相关技术为主要技术手段,以该区域的典型生态系统一盐生荒漠生态系统进行长期的水汽、二氧化碳通量的观测数据为基础,深入探讨盐生荒漠生态系统水汽、二氧化碳通量不同时间尺度上的变化特征及引起年际间二氧化碳通量变异的原因。
在建立通量观测数据处理的基本方法论前提下,得到了较为可靠的通量数据,以此为基础,集中探讨了不同时间尺度盐生荒漠生态系统水汽、净二氧化碳交换量及其组分的日、季节和年际变化特征;两个极端降水年份通量的比较研究,加上对水汽通量组分的拆分(包括植物蒸腾和土壤蒸发),初步分析了年际间生态系统不同植被层的用水策略及水分利用效率的变化特征,从而找到了引起年际间净二氧化碳交换量波动的原因。主要结果包括以下几方面:
(1)水汽、二氧化碳通量的日、季节和年际变化特征:水汽、净二氧化碳交换量均为典型的单峰型日变化特征,在地方时14:00时左右水汽、净二氧化碳交换量达到最大值,在夜间20:00时左右,水汽通量基本在0值附近,净二氧化碳交换量也由吸收转变为释放;生态系统蒸散量(ET)、土壤蒸发(E)和植被蒸腾(T)具有非常明显的季节变化特征。在冬季,由于植被处于休眠期,生态系统的植被蒸腾为0,此时的蒸散量为土壤蒸发量,由于此时间段温度在零度以下,其蒸散量非常小,基本在0值附近。在生长季(6-8月),植物进入快速生长阶段,此时植被的蒸腾达到一年中的最大值(约占蒸散量的31％),土壤蒸发也随着夏季降水量的增加而增加;月均净生态系统CO2交换量(NEE),总生态系统呼吸(Reco)和总生态系统生产力(GEP)也具有明显的季节变化特征。在非生长季,生态系统呼吸释放的CO2量大于光合作用固定的CO2量,生态系统表现为二氧化碳的释放,在生长季,生态系统光合作用固定的CO2量大于生态系统呼吸释放的CO2量,表现为CO2的吸收,总体而言,在一年内的5-10月为二氧化碳的吸收,而11月到次年的4月为二氧化碳的释放,年均吸收碳的量为-32g Cm-2yr-1;生态系统净二氧化碳交换量及组分的年际变化非常明显,从较强的碳吸收到较弱的碳释放,其变化范围为-91到14g C m-2yr-1,最大的碳吸收年份为2002年,其吸收量为-91 g C m-2yr-1,最大的碳释放为14 g C m-2yr-1,发生在2005年,2006年的碳吸收与释放基本处于平衡状态,其释放量为0.8gCm-2yr-1,7年盐生荒漠生态系统共吸收碳的量为-221 g C m-2yr-1;
(2)两个极端降水年份二氧化碳通量的比较:选取两个极端降水年份2006年(PPT:129mm)和2007年(PPT:231mm)比较水汽、二氧化碳通量的年内变化特征。两个年份所不同的是碳吸收与释放的强度。2006年的碳吸收强度明显低于2007年,其最大碳吸收值分别为-0.4和-1.3g C m-2day-1,前者约是后者的1/3。2006年表现为弱的碳吸收,其吸收值为-0.76 g C m-2yr-1,总生态系统生产力与总生态系统呼吸分别为110.9和110.1 gC m-2yr-1,2007年表现为较强的碳吸收,吸收值为-51 g C mayr-1,总生态系统生产力与总生态系统呼吸分别为258和207 g C m-2yr-1。在干旱年份,GEP与ET的线性关系明显弱于湿润年份(2007年),二者的决定系数分别为0.40和0.71,这是由于在干旱年份,降水到达地表,主要以土壤蒸发的形式回到大气,并没有对生态系统生产力产生大影响,而在湿润年份,浅根系植物的比例增加,可以充分利用降水,提高生态系统生产力;
(3)降水格局对生态系统的用水策略、生态系统生产力及水分利用效率的影响:利用盐生荒漠生态系统涡度相关法观测的7年通量数据(2002-2009年,除2003年)为基础,辅助以微型蒸散仪观测的土壤蒸发数据,对不同水分来源(降水和深层土壤水)对植物蒸腾和土壤蒸发的贡献进行拆分,分析生态系统尺度上的水分利用效率,确定引起年际间二氧化碳通量变异的原因。对于植物蒸腾和土壤蒸发的不同水源供应中(降水和地下水供应),可以发现,其变化最大的为降水对植物蒸腾的供应,最大值为66mm,发生在2004年,而最小值仅仅为11mm,发生在2009年,其年际间的变异系数为76%,而地下水对植物蒸腾与土壤蒸发的供应相对平稳,是一稳定的水源,其年际间变异系数仅为19%。水分利用效率与生长季前期降水量的正线性关系说明生长季前期的降水量解释了年际间水分利用效率变化的近80%以上。以深根系为建群种的盐生荒漠生态系统,理应对降水的响应不敏感,但是水汽通量的拆分结果表明,由于降水格局的变化,尤其是生长季前期的充足降水量,可以淋洗或稀释土壤表层的盐分,使得依靠降水为主要水分来源的一年生草本层片和短命植物在群落结构中的比例增加,这种结构的改变,一方面可以增加植物对降水的利用,另一方面,由于草本层片和短命植物的出现,增加了群落植被的覆盖度,所以降低了降水通过土壤蒸发直接回到大气中的比例,因此提高了植被或生态系统的水分利用效率。