縉云山針闊葉混交林渦相關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.北京林業大學水土保持學院，重慶三峽庫區森林生態系統教育部野外科學觀測研究站，北京 100083；2.北京林業大學水土保持學院，重慶縉云山三峽庫區森林生態系統國家定位觀測研究站，北京 100083；3.蘇州高新區（虎丘區）林業站，江蘇 蘇州 215000）

自工業革命以來，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，從而使人們開始關注陸地生態系統的碳循環過程[1]。森林生態系統是陸地生態系統的主體，其占比陸地生態系統的31%[2-3]，其作為陸地生態系統的重要碳匯[4]，對實現碳中和起到極為關鍵的作用。因此，對于明晰森林生態系統的碳交換量的變化顯得尤為重要。

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

重慶縉云山地處三峽庫區的尾端，是重要的生態屏障，其中針闊葉混交林是該地區的典型林分之一，也是我國西南山地森林生態系統的典型代表。王倩、王杰帥等都曾利用二次坐標旋轉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測數據為基礎，坐標旋轉處理上采用平面擬合法，通過湍流分析，能量閉合和源區分析，來對渦度相關對其的適用性進行探究，同時對該地區碳通量的時間變化進行分析。以期為預測未來碳通量變化下的森林動態和經營提供科學依據。

1 研究區概況

研究區所在地為重慶市北碚區縉云山國家級自然保護區國家定位觀測研究站內（106°17'～106°24' E、29°41'～29°52' N），該保護區的整體面積約7 600 hm2，海拔200～952 m，地處三峽庫區的尾端，是三峽庫區的重要生態屏障。縉云山氣候為典型的亞熱帶季風性濕潤氣候，降雨充沛，年平均降水1 611.8 mm，主要集中在生長季（4—10月）；年平均蒸發量 777.1 mm；該地區受局部小氣候影響潮濕多霧，平均全年有霧日達89.8 d。研究區為針闊葉混交林森林生態系統，主要的優勢樹種為四川山礬（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，塔高35 m，配備的觀測系統包括兩個部分，即開路式渦度相關監測系統和微氣象觀測系統，具體的儀器布設詳見表1。

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

渦度相關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生的風速脈動和物理量脈動的協方差來測定物質或能量的通量。

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′為垂直風速的脈動量。

2.2 數據處理

原始數據處理主要在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據進行質量檢測，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據的質量分級標準。

（3）坐標校正，考慮到研究區位于山區，下墊面不平穩，且生態系統結構較為復雜，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、頻率響應校正、夜間通量校正。

（5）數據插補，采用由Max Planck Institute for Biogeochemistry開發的REddyProcWeb在線數據處理工具對不連續的通量數據進行插補。

后期的數據處理和制圖分別在Excel、MATLAB、Tovi和Origin中進行。

2.3 能量閉合處理

根據能量守恒定律，輸入生態系統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據是否可用的衡量標準之一。森林生態系統中的能量閉合（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，Fs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，且部分數據在測量中存在較大難度，所以大量的學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 結果與分析

3.1 湍流數據質量評價

質量評價是0和1的為高質量通量數據，圖中顯示為藍色；質量評價是2的數據為中低質量數據，圖中顯示為黃色（圖1）。圖中2019.12.06—2019.12.19數據缺失是由于通量塔斷電導致。質量評價為0和1的高質量數據占比為77%，質量評價為2的中低質量數據占比16%，缺失數據為7%。結果表明，77%的數據趨于理想的穩態條件，并且很好的符合湍流觀測的發展特點。

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

由圖2可見，質量評價為0和1的高質量數據占比為61%，質量評價為2的中低質量數據占比20%，缺失數據為19%。結果表明，61%的數據趨于理想的穩態條件。并且很好的符合湍流觀測的發展特點。

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

碳通量的數據質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湍流的高質量數據占比為62%，中低質量數據為23%，缺失數據為15%。符合湍流觀測的發展特點。

圖3 碳通量質量等級分級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處的通量觀測系統所觀測到的生長季通量數據進行了能量閉合分析（圖4）。該觀測系統下層能量閉合率為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（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。有色區域即為通量貢獻區，顏色越亮代表通量觀測的數據來源越密集，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據一般來源于上風向，因此貢獻區形狀為橢圓，長軸在東北和西南方向，同時可以看出高亮區域大部分集中在東北側，即全年大部分月份主要通量觀測區域來源于東北方。全年風速風向變化如風玫瑰圖（圖6）所示，主風向來自東北方向，這與通量的高貢獻區相吻合，說明通量數據來源可信且質量良好。

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 風速玫瑰圖Fig.6 Wind speed rose

通量的峰值年貢獻區的年平均距離為82.25 m，10%、30%、50%、70%和90%累計通量貢獻區年平均距離分別為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。貢獻區距離在正常范圍內，且不同月份間相差不大。

表2 通量貢獻區距離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據進行平均，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，Fc為負值時，說明生態系統在吸收CO2，當Fc為正值時，說明生態系統在釋放CO2，也就是說在全年各個月份當中，縉云山針闊葉混交林生態系統在白天都為碳匯，在夜間則為碳源。主要原因是受到輻射的影響，從而使生態系統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，最小值出現在8月的12:00，最大值出現在5月的19:00。碳源多集中在夜間，其波動區間是：0.04～0.32 mg·m?2·s?1，最大值出現在 12月的0:00點，最小值出現在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，其他各月均出現兩個碳匯峰值，即在中午段Fc出現增大的現象。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，FC 為 0.03 mg·m?2·s?1。每個月份碳匯碳源的轉化時刻也不盡相同，最早由碳源轉為碳匯的是7月和8月均為6:00，最晚為12月時間是7:30；最早由碳匯轉變為碳源的是2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。得到碳通量各季節的日變化（圖8）。各季節的Fc大致呈現U字形的日變化，在季節上也會出現午間的雙峰變化。夏季峰值最早出現，發生時間為11:00，春季最不明顯。不同季節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系統冬季的碳匯能力要小于其他季節。

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

3.3.3 碳通量全年月累積變化特征 圖9為凈生態系統交換量（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系統為碳匯。不同月份NEE的累積值也不盡相同。最高值出現在 12月份，為 22.21 g·m?2·mon?1；最低值出現在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，其他季節均為負值，說明該生態系統冬季處于碳源過程，而其它季節處于碳匯過程。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，植物需要消耗大量的養分，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境因子的擬合關系表明，光合有效輻射和風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。風速作為影響渦度相關測量的主要氣象因子，在本研究中，對碳通量的影響也很大，風速越小碳通量越平穩。空氣相對濕度主要是通過影響植物的氣孔導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 碳通量與主要環境因子的關系Fig.10 The relationship between carbon flux and major environmental factors

4 討論

4.1 渦度相關在縉云山針闊葉混交林的適用性

評判渦度相關在一個地區的適應性，主要包括：湍流質量的評價、能量閉合分子以及通量足跡模擬。

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

關于能量閉合，張璇[18]、王杰帥[14]等均在縉云山針闊葉混交林生態系統進行過研究，能量閉合率分別為：0.84、0.78。在國內外相關的森林生態系統研究中，吳亞楠[19]關于小浪底山地人工生態系統的通量研究中，能量閉合率為0.77；李桐[20]在對九寨溝針闊葉混交林生態系統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果，說明縉云山針闊葉混交林生態系統能量閉合良好，渦度相關法在該研究區具有良好的適用性。

最后是通量足跡模擬，渦度相關法在測量時，需要生態系統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境因素的限制，通量足跡的函數模擬的貢獻峰值區主要來自上風向[8,23]。本研究所得到通量足跡模擬的峰值貢獻區方向與研究期內的主風向一致，都是東北方向，說明通量數據信號來源正確。本研究中通量足跡的90%累計貢獻區年平均距離為225.29 m，相比于其他平緩的林地[24]和農田[25-26]生態系統來說偏小，這是因為山地丘陵地當中的森林生態系統的下墊面通常是非均一的，且生態系統類型較為復雜[18]，從而導致下墊面附近的大氣在摩擦作用下產生環流，另外不同的觀測高度也會使得通量貢獻區距離不同，通常情況下觀測高度越高，通量貢獻區的距離就越大[27]，這也是本研究中通量貢獻區偏小的原因。

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，最小值出現在 8月的12:00，最大值出現在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系統的檢測中，所得結果為：?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測結果中碳通量的變化范圍是?1.18～0.37 mg·m?2·s?1[29]，與本研究結果相似。說明氣候條件和生態系統類型相似的情況下，碳通量的變化也相近。而陳曉峰[30]在對安吉毛竹林的監測中，所得結果為?0.52～0.20 mg·m?2·s?1，碳匯能力弱于本研究結果。說明不同類型的森林生態系統，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，被迫關閉氣孔來減少水分散失，同時降低與光合作用有關的酶活性，這種現象被稱為“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，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閉[33]，從而導致其光合能力下降。徐勇峰[34]和牛曉棟[35]在對洪澤湖濕地生態系統和天目山常綠闊葉混交林的研究中也得到了相近的結果，說明植物在相應的環境脅迫下會出現光合午休的現象。光合午休的現象在夏季最為明顯，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系統為針闊葉混交林生態系統，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 結論

（1）研究期內，湍流因子中的H、LE和Fc的湍流數據質量評價較好，高質量數據占比分別77%、61%和62%，趨于理想的穩態條件；在生長季內，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系統能量閉合認可范圍內（0.7～0.9）。

（2）研究期內，通量足跡模擬高貢獻區域與研究期內主風向（東北）一致，表明通量監測的數據來源可信且質量良好。

（3）研究期內，該生態系統處于碳匯過程，年固碳量為887.40 g·m?2，月均日變化和各季節日變化大多為雙峰變化。光合有效輻射和風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。