艾比湖地区非生长季碳通量监测及响应机制初探

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碳通量观测研究作为全球碳循环研究的重要领域,在近年来成为全球变化研究中热门课题,其对全球碳循环以及全球气候系统有着十分重要作用。艾比湖湿地地处我国西北干旱区,生态环境脆弱,极端天气条件突出,其中包含有面积广大而珍稀的荒漠-湿地生态系统,是进行碳通量观测及相关研究的天然实验室。本文采用涡度相关技术手段,于2012年1月15日开始对艾比湖地区的荒漠-湿地生态系统15m高度大气进行频率为10Hz的24小时不间断通量观测,同时采用小型气象站对通量观测塔近地面气象数据进行同步观测,在周边的胡杨(Populus euphratica)群落中利用LI-8100土壤碳通量全自动观测系统监测土壤呼吸速率,在对通量数据进行标准处理和对相关数据进行处理分析的基础上,构建了通量贡献区足迹模型,初步确定了通量观测塔的通量贡献区,分析了生态系统净CO2交换量(NEE)在不同时间尺度上的变化规律和土壤呼吸对其的贡献,探讨了生态系统净CO2交换量对多种环境因子的响应机制,以期为揭示研究区典型荒漠-湿地生态系统“碳汇”作用大小和生态系统碳交换机制提供科学依据。具体研究结果如下:1、研究区大气CO2浓度受到多种因素的影响,在观测过程中存在很多“野点”,在线WPL校正的通量数据分析表明,一天内水热因素对CO2通量影响显著,而对于全时段数据则影响较小。倾斜校正对于研究区通量数据的影响相对较小,其中PF法为最佳倾斜校正方法,而在倾斜校正的基础上对通量数据进行WPL校正与仪器在线校正结果相近。稳态测试和方差相似性测试结果表明,观测期内的通量数据具有较好的质量,同时频率响应修正亦对通量数据影响较小。研究区夜间通量数据的u*初始分析阈值约为0.04m/s~0.50m/s,对于阈值以外的夜间摩擦风速数值进行剔除。研究区冬季全时段通量观测数据具有大量异常值,进行异常值处理后保留数据仅剩约61.94%,因此采用线性内插法和平均每日变异法对缺失通量数据进行插补处理,从而确保通量数据的完整性。2、观测站盛行风向为西南风和西北风,其中西南风对该地区气象状况影响强烈,并且西南风在观测期内具有较高的平均风速,约为3.00m/s。西北风虽为冬季盛行风,但平均风速相对较小。通量贡献区足迹点分布在以塔为中心半径约800m的区域内,其中半径400m内的足迹点占到总比例的大部分,在东北与西南方向上半径400m区域内,呈现出“双扇形”。3、观测期内荒漠-湿地生态系统NEE日变化的阈值为-0.115mgCO2/m2·s-1~0.040mgCO2/m2·s-1,从一天内看表现为生态系统从大气中吸收CO2;以1月~3月为代表的非生长季内生态系统NEE阈值范围为-0.060mgCO2/m2·s-1~0.044mgCO2/m2·s-1。4、不同天气条件下胡杨群落土壤呼吸速率日变化存在不规则的波动,多呈单峰曲线或双峰曲线。雪天土壤呼吸日变化呈明显的双峰曲线,大风天和晴天则成微弱的单峰曲线。晴天、大风天土壤呼吸不存在显著差异,而晴天与雪天、大风天与雪天之间土壤呼吸速率的差异均达到显著水平(P<0.05),且雪天平均土壤呼吸速率高于晴天和大风天。2010和2012年间胡杨群落土壤呼吸速率存在显著差异,且前者土壤呼吸速率高于后者。观测期内土壤呼吸量值较高,在荒漠-湿地生态系统NEE中占有重要的贡献作用,一天内二者差值约为0.030mgCO2/m2·s-1。5、荒漠-湿地生态系统NEE取决于该地区气候环境因子、植被群落组成、下垫面特征等诸多因素,这些因素共同制约着荒漠-湿地生态系统NEE的量值与变化。研究区空气温湿度日平均变化各有其特点,温度日变化呈现典型的“S”曲线,空气相对湿度的日变化呈典型的“双谷”曲线,生态系统NEE的总体趋势与气温及空气相对湿度均呈相反变化趋势。土壤温度与水分含量分布及生态系统NEE表现为明显的日变化规律,其中5cm与10cm土壤温湿度日变化十分相似,均表现为典型的“单谷”曲线,20cm土壤温湿度变化表现为不同程度的“S”曲线,5cm与10cm土壤温湿度分别跟生态系统NEE进行拟合,拟合结果为指数曲线。研究区半小时平均风速变化较快,短时间内生态系统NEE与风速变化不相同,当风速在白天持续较高,且发生一定频率波动变化时,生态系统NEE变化较为明显。降雪发生过程以及降雪转晴后,生态系统NEE较大谷值明显增多,夜间晴天生态系统NEE与雪天生态系统NEE变化趋势相似,而白天则表现为雪天生态系统NEE与雪后转晴生态系统NEE相似,雪厚与同时期生态系统NEE变化关系不明显,而雪密度则与该地区生态系统NEE具有一定的相关关系。
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