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(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，河南 洛陽 471934；2.中國科學(xué)院三江源國家公園研究院，青海 西寧 810008）

工業(yè)革命以來，由于化石燃料的燃燒和不合理的土地利用，導(dǎo)致大氣中CO2濃度持續(xù)升高。由于CO2等溫室氣體對稱性的分子結(jié)構(gòu)，能與地表的長波輻射產(chǎn)生共振，使其分子溫度上升，進(jìn)而提升了大氣溫度，引發(fā)了氣候變化[1]。為了準(zhǔn)確認(rèn)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(jiān)測是不可或缺的。目前有關(guān)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(jì)算，以獲取碳源匯的時空動態(tài)[2]。青藏高原大氣CO2濃度如何變化不僅影響到區(qū)域碳素固持、水源涵養(yǎng)及生物多樣性保護(hù)等生態(tài)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(guān)全球大氣基準(zhǔn)站開展，獲取了較為詳細(xì)的大氣CO2濃度本底特征和變化規(guī)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(diǎn)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(guān)系統(tǒng)連續(xù)觀測的CO2濃度為例，分析2019年—2020年的大氣CO2濃度變化的規(guī)律，以期為理解高寒草甸CO2源匯變化提供依據(jù)，也可為我國碳達(dá)峰和碳中和提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究點(diǎn)概況

研究地點(diǎn)位于青海海北高寒草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)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(yōu)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(guān)海北站氣候植被土壤的詳細(xì)介紹可參閱相關(guān)文獻(xiàn)[4]，本文不再贅述。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理方法

本研究主要利用渦度相關(guān)觀測系統(tǒng)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(nèi)利用開源軟件EddyPro 7.0.6（Li-Cor Inc.,USA）對10 Hz高頻數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控住和數(shù)據(jù)處理，以獲取相對準(zhǔn)確的大氣CO2濃度數(shù)據(jù)。研究數(shù)據(jù)的時間范圍為2019年—2020年。經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，有效數(shù)據(jù)樣本數(shù)為21000條，約占研究期數(shù)據(jù)的59.8%。

2 結(jié)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(xiàn)出U型和不規(guī)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(tǒng)呼吸作用之間的平衡。在夜間，由于生態(tài)系統(tǒng)的自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸，導(dǎo)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(qiáng)（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(tǒng)碳交換處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。這與瓦里關(guān)的相關(guān)研究結(jié)果有所差別，其最小值出現(xiàn)在18:00左右，可能是植被類型的不同所致[3]。瓦里關(guān)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(dǎo)致后者群落的光合作用較強(qiáng)，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(xiàn)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(xiàn)在14時左右，對應(yīng)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(jié)特征

高寒草甸大氣CO2濃度呈現(xiàn)出先下降后升高的季節(jié)趨勢（圖2），其年均值為（395.4±37.3）×10-6，略高于瓦里關(guān)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(jié)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(dǎo)致其凍結(jié)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(xiàn)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(xiàn)，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(qiáng)，但由于溫度較高，加之呼吸底物增多，導(dǎo)致大氣CO2濃度出現(xiàn)小幅度升高。由于植物光合強(qiáng)度和呼吸速率同時降低，導(dǎo)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(jié)變化與植被土壤系統(tǒng)的生物化學(xué)過程及凍土的消融密切相關(guān)[3]。

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

3 結(jié)語

青藏高原高寒草甸大氣CO2濃度在生長季表現(xiàn)出U型日變化特征，在非生長季則無顯著規(guī)律。由于植被光合和系統(tǒng)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(xiàn)一個次高峰。