西寧城郊黃土丘陵喬灌混交林生態系統碳濃度觀測

摘要：為探索西寧城郊黃土丘陵喬灌混交林生態系統CO2濃度與環境因素、不同土壤層（H層、A層、B層、C層）土壤溫度的變化規律及相關關系，進一步探明環境因子對碳濃度組分的調控作用，采集了該地區2023年3～6月碳濃度值的數據，并應用多種數值分析方法分析不同時間尺度的碳濃度，同時利用IRGASON碳通量自動監測系統持續監測的碳濃度值進行分析。結果表明：碳濃度與水汽通量在月數據的相關度上表現高于日數據。隨著土壤深度的增加，土壤溫度升高，碳濃度與土壤剖面相關系數有一定的提高。該方法可清晰揭示土壤CO2在不同土壤層之間的傳輸規律，有助于分析不同土壤層土壤呼吸特性的優點，可為土壤剖面碳濃度計算提供參考。

關鍵詞：二氧化碳濃度； 人工林； 渦度相關法； 碳通量

中圖法分類號：X171文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S2.027

文章編號：1006-0081（2024）S2-0099-05

0引言

進入工業時代以來，CO2的排放易導致氣候變化、海平面上升、冰山融化等［1-3］。近年來，中國對于生態環境保護、推進生態文明建設愈發重視，森林資源是一項重要的自然資源與天然財富，具有凈化空氣、涵養水源、固碳釋氧、保護物種多樣性、維持生態平衡的作用［4-6］。

全球變暖背景下，CO2的排放對環境的影響突出，森林作為生態系統溫室氣體的主要交換對象，有必要對其碳排放進行研究。聯合國報告指出，2001～2020年全球氣溫比1850～1900年高出0.99 ℃，全球升溫比工業化前水平高1.5 ℃［1-3］。同時有研究表明光合速率和土壤溫度擬合模型相關度較高，例如太行山南麓栓皮櫟人工林，其擬合度可達0.81［5］。

CO2移動的動力主要來自土壤空隙和大氣之間的擴散，但也可能由氣壓、降雨引起的體積改變及土壤溫度等變化引起。人工林系統對碳通量的響應取決于多環境因子，機制復雜，需要通過各種觀測方法和數據分析模擬來進一步研究。同時，植物在夜間的呼吸作用強于光合作用，大多表現為碳源，其水熱條件也會影響碳排放，水、熱、光、溫度等因子都被證實與碳排放相關［7］。當水汽通量低時，生態系統會抑制蒸散發過程進一步降低光合作用。

1研究區自然條件

1.1地理條件

長嶺溝研究區域地處西寧市市區西山湟水河右岸，屬黃土高原丘陵溝壑區第四副區，為湟水河二級支流，海拔2 294.2～2 600.6 m，相對高差306.4 m，地理坐標為東經101°44′29.48″、北緯36°36′52.61。研究區總面積115 hm2（含綠化造林面積108.6 hm2，道路、管護房及未造林地等6.4 hm2），研究區位置如圖1所示。

1.2氣象條件

西寧市屬高原半干旱大陸性氣候，四季變化明顯，夏季涼爽，冬季寒冷，為黃河湟水谷地暖區，是天然的避暑勝地。其氣候特征表現為降水量少，蒸發量大，日照時間長，太陽輻射強，晝夜溫差大，無霜期短，冰凍期長。全年日照時數為2 795.4 h。項目區多年平均降水量368 mm，年均蒸發量約1 762.8 mm。多年平均氣溫6 ℃，極端最高氣溫33.5 ℃，最低氣溫-26.6 ℃。全年平均風速為1.97 m/s，多為東南風。多年平均無霜期129 d，最大凍土深度1 340 mm，最小凍土深度1 000 mm，最大積雪厚度180 mm。

1.3地質條件

研究區地勢西高東低，溝道及兩岸分布多為第四系上更新統濕陷性風積黃土，結構為松散—稍密。排洪渠地基無地下水分布，標準凍土深埋約1 340 mm。項目區50 a超越概率10%的地震動峰值加速度為0.10g，地震動反應譜特征周期0.45 s，對應地震基本烈度為Ⅶ度。

研究區土壤類型多樣，以栗鈣土和灰鈣土為主，其分布具有明顯的地形特點。高海拔至低海拔區土壤類型依次為灰褐土、黑鈣土、栗鈣土、灰鈣土等；同時分布有北方紅土、灌淤土、潮土等多種非地帶性土壤類型。規劃區土壤主要發育在黃土性母質上，其次是坡殘積母質及第三系紅土母質，有機質分解快，流失多，積累少，一般含量在1%～2%，土壤貧瘠干旱，保水、保肥能力差，植被稀疏，水土流失較嚴重。土層厚度30～50 cm，土壤理化性質呈堿性或微堿性反應。

1.4森林資源狀況

長嶺溝研究區自然植被屬溫帶草原，以針茅、蒿類為群落的優勢種。主要伴生植物有賴草、針茅、駱駝蓬和各種蒿類，并且分布有零星的灌木群落，如甘蒙錦雞兒灌叢、鬼箭錦雞兒灌叢，伴生有白刺、北方枸杞等灌木。由于自然生境嚴酷，土壤干旱貧瘠，植物生長量小、覆蓋率低。沒有天然林分布，現有的林地為人工林，主要樹種有喬木林如青楊、河北楊、旱柳、青海云杉、油松、祁連圓柏等；灌木有沙棘、甘檉柳、檸條、黑刺、山杏、榆葉梅、丁香、山桃、連翹、珍珠梅、紫葉李、紫葉矮櫻、北美海棠、白刺等。植被現狀見表1。

1.5水文

研究區灌溉水源為解放渠，位于西寧市湟水河南岸，西起西郊陰山堂，東至東郊楊溝灣，全長42 km，渠道橫穿西寧市三區（城西、城中、城東）。湟水河為黃河一級支流，干流在西寧境內流域面積260.6 km2，湟水西寧水文站以上流域面積9 022 km2，多年平均流量為41.3 m3/s，多年平均徑流量13.03億m3。解放渠引水口位于湟水河石灰溝口處，解放渠上游流域面積4 825 km2，河道平均比降4‰。

2系統及平臺介紹

2.1系統及平臺建設

對林地下墊面的動量、能量和物質（水汽、二氧化碳）交換規律開展觀測和研究。采用渦動相關通量觀測系統可長期定位觀測大氣邊界層中CO2、H2O、熱量和動量交換，實時測量地氣通量交換，迅速捕捉到微量的CO2碳源與碳匯的變化，是獲取地氣之間的CO2、H2O和能量交換信息的有效手段［6］。觀測系統不僅可以為遙感反演的植被蒸散數據提供重要的實測、地面驗證數據，也為大尺度、長期和連續的水分循環等科學研究提供支撐，進一步加深氣候變化、林地管理措施與林地水源涵養能力之間的反饋機制的認識，為林地生產、改造作業等提供更為精準的數據支撐。項目系統建設包括通量觀測系統、土壤水分觀測系統以及數據采集平臺建設。

2.2開路渦動通量觀測系統

渦動協方差系統，亦稱渦度相關系統，是一種微氣象學的測量方法，采用渦度相關原理，利用快速響應的傳感器來測量大氣下墊面的物質交換和能量交換。它是一種直接測定通量的標準方法，已成為近年來測定生態系統碳、水交換通量的關鍵方法，得到了越來越廣泛的應用，并逐漸成為國際通量觀測網絡的主要方法［8-10］。渦動協方差系統可以測量CO2濃度、摩擦風速，能較好地反映地表碳、水分蒸散和地表與空氣間的熱量交換情況，分析下墊面對碳、水分平衡和熱量平衡的影響，合理確定地表的碳、水分損耗。通過快速采集三維超聲風傳感器和開放式紅外CO2/H2O傳感器的三維風速脈動值、水汽脈動值和CO2脈動值，依據微氣象學理論中的湍流渦動協方差方法，可自動計算出CO2濃度等地表通量及摩擦風速等微氣象特征量，對研究全球氣候變化中林地碳循環、水循環起著重要作用［11-15］。

2.3土壤水分觀測系統

土壤水分是土壤的重要組成部分，對作物的生長、節水灌溉等有著非常重要的作用。通過設置多點進行土壤水分測定，可以系統掌握土壤水分的分布狀況。觀測林地的土壤水分梯度時需要使用EnviroScan土壤水分廓線系統。

2.4系統配置

為了觀測林地的蒸散發量，試驗室在林場內安裝一套渦動觀測系統。充分利用現有的徑流場，添置部分設備以完善水文要素的觀測，并按照監測目標要求進行儀器配置，儀器配置如表2所示。開路渦動觀測系統核心設備采用美國campbell公司生產的IRGASON，此產品是集成三維風速與氣體密度高頻分析儀（CO2/H2O）于一體的高精度傳感器，可同時測定CO2/H2O在空氣中的摩爾密度、三維風速和超聲虛溫。

3試驗觀測

3.1日序列及月序列數據

本次試驗在時序上分別選取了日序列及月序列。日數據分析選取了2023年3月23～25日的夜間18∶30～00∶00的碳濃度實時數據進行分析，并在對比后對24 d的空值運用平均窗口法進行了插補［15］；對于月數據分析，本次觀測選取2023年7月7日至2023年8月4日每日碳濃度均值數據以及10，30，50，90，110，130，150 cm深度的土壤溫度數據平均值及最大值進行分析。其中通量塔在極端天氣，如大量降水下會出現數據斷點現象，對于無效數據不予以使用。

3.2數據處理過程

本次試驗所使用設備在首次設計后因場地儀器干擾原因發生了位置更換，同時儀器在使用過程中如遇到極端天氣會導致數據丟失，數據的空值及斷點較多，造成了客觀原因的分析困難。因此使用logger，excel，R語言對原始數據進行預處理，處理步驟包括空值剔除和插補［15-16］、格式轉換，并采用了多組樣數據，建立了線性模型，采用了對比分析的方法，可以為日時序及月時序數據的人工林碳濃度與水通量等多種因素的關系提供一定的參考。

3.3日數據分析

圖2～4為2023年3月23～25日18∶30至凌晨碳濃度變化趨勢，最小值與最大值分別為567.84，630.54 mg·（m2·s-1），對應時間為3月25日18∶30和3月24日23∶00。

圖2夜間碳濃度折線（2023年3月23日）圖3夜間碳濃度折線（2023年3月24日）同時，對3月23～24日碳濃度與3個方向的風速關系及水汽通量進行了對比分析。Ux、Uy、Uz分別為x，y，z軸方向上的超聲風速對Ux，Uy，Uz的超聲風速做線性回歸模型，結果見表3。

3.4月數據分析

本次觀測選取2023年3月24日至4月22日的碳濃度數據作為月數據的分析基礎。均值折線圖如圖5所示，總體呈下降趨勢，即喬灌混交人工林表現為碳匯，單日最高為2023年4月3日數據，碳濃度和水汽通量數據呈弱相關關系，pearson相關系數為0.796 085。當日水汽通量表現均為負值，與日變化規律相同，即林分中水汽通量越高，對CO2的吸收越高。

記錄每小時內土壤溫度的月度變化，隨著土壤深度增加，溫度波動減小而數值變大，變化趨勢基本相同，呈向下的趨勢，其變化規律折線如圖6所示。

試驗所選地點為城市中心小氣候林，人工林面積占比較大。在觀測日時序碳源、碳匯的結果時發現人工林夜間大多表現為碳源。這可能與儀器記錄時間相關，需要拉長時間序列進一步觀測。碳數據采錄和分析時，大多為夜間，植物呼吸作用占主導地位，碳源表現明顯。而對于月數據的分析碳源表現不明顯，碳濃度有碳源有碳匯，白天多表現為碳匯。只有在水汽條件不良、溫度較高的條件下，碳源才表現明顯。同時，水汽、風向、風速、土壤溫度等會影響碳濃度。

4結語

該研究的重點在于分析西寧市城郊黃土丘陵喬灌混交林生態系統的碳濃度與環境因子的相關關系。通過數據分析及建立數理模型對比了相關結果，從不同的時間尺度來分析數據，并對土壤不同深度的溫度數據進行了分析。通過相關度及模型分析得出了研究結果。但是儀器在極端天氣下會發生數據丟失的現象，影響試驗結果，同時軟件網絡斷聯，且儲存空間有限，對于在線分析造成一定的困難。

該研究主要成果：① 分析了碳濃度與Ux、Uy、Uz方向上風速的相關關系。根據數據結果，風速與碳濃度相關性較小，同時呈負相關關系。② 分析了碳濃度源匯與水汽通量的關系。根據夜間數據顯示水汽通量和碳濃度呈弱相關關系。③ 分析了碳濃度與不同土壤深度的溫度之間的相關關系。根據結果顯示，碳濃度與不同土壤深度的溫度無相關關系。

在生長季，生態系統夜間碳交換包括樹干呼吸、樹枝呼吸、土壤呼吸和樹葉呼吸；而在非生長季，生態系統夜間碳交換沒有樹葉呼吸，同時樹枝呼吸和樹干呼吸也較生長季小。在討論夜間碳濃度與所對應的溫度、水分和風向等環境因子的相關性時，也應該考慮日間和夜間的區別。該研究對日序列夜間數據的分析表明研究區風向、風速、水汽通量與碳濃度的相關度較低，在月序列的分析中，研究區水汽通量與碳濃度相關度相對較高，土壤溫度與碳濃度的相關度明顯低于水汽通量。

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（編輯：張爽）