黄土高原半干旱区净碳交换量的特征分析

药静宇，王国印，黄建平，闭建荣

(兰州大学大气科学学院，半干旱气候变化教育部重点实验室，甘肃　兰州　730000)



黄土高原半干旱区净碳交换量的特征分析

药静宇，王国印，黄建平，闭建荣

(兰州大学大气科学学院，半干旱气候变化教育部重点实验室，甘肃兰州730000)

摘要：利用涡动相关技术对黄土高原半干旱区SACOL站2007~2012年连续6 a的CO2通量进行观测，并结合气象观测数据，分析兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL站)净生态系统碳交换量(NEE)的变化特征以及环境影响因子。结果表明：(1)黄土高原半干旱区SACOL站NEE年累积平均值为-214.50±43 gC/m2 ，其中生长季节累积平均值为-171.58±41 gC/m2 ，非生长季节累积平均值为-42.92±5 g C/m2 ；(2)SACOL站NEE的日变化呈“U”型，净辐射是影响NEE日变化的主要因子。NEE日平均值为-1.15 gC/m2，表现为明显的CO2吸收，即黄土高原半干旱区是重要的碳汇区；(3)NEE值有明显的年际差异和季节变化特征，生长季节比非生长季节变化幅度大；NEE在生长季节主要受到土壤湿度的影响，而土壤温度会影响非生长季节NEE的变化。

关键词：黄土高原半干旱区；净生态系统碳交换；净辐射；土壤湿度

引言

气候变化是当今全球面临的重大挑战，人类社会生产生活引起的温室气体排放是全球气候变暖的主要原因[1]。政府间气候变化委员会( IPCC) 第五次报告中指出“温室气体继续排放将造成全球气候进一步增暖，并导致气候系统的组成成分发生改变，大幅度地减少温室气体的排放有利于控制气候的变化”。旨在限制发达国家温室气体排放量、抑制全球范围内气候持续变暖的《京都协议书》已于2005年2月16日正式生效。在温室气体中，CO2浓度的增加对气候变化产生的影响尤其引人关注，因此，大气中CO2浓度的变化一直是气候变化研究的重点之一[2]。

近几年来，国内外对于不同生态系统开展了大量关于碳循环方面的研究工作[3]。其中草地生态系统是全球陆地生态系统的主要类型，在全球碳循环研究中占有十分重要的地位。我国草地生态系统覆盖了陆地面积的20%，其净初级生产力约占全球陆地生物区净初级生产力的1/3[4-5]。因此，开展我国草地生态系统的碳收支及其影响因素的研究，对于全球陆地生态系统碳循环至关重要。国内许多学者已经陆续开展了我国草地碳储量的研究[6-8]，其中涡度相关法是测定大气与生态系统CO2交换最直接的方法，已经广泛应用于陆地生态系统中CO2的测量[9]。岳广阳等[10]在总结生态系统碳通量主要研究方法的基础上,对青藏高原不同植被类型碳循环的源、汇效应及其时空变化以及其影响因子等研究领域取得的重要进展进行了综合评述。为定量确定干旱区土地利用变化对土壤CO2通量的影响，杜群等[11]研究发现生长季有效降水开始的时间、降水总量和时间分布决定了半干旱草地生态系统净碳吸收功能和吸收持续时间。沈晓坤等[12]利用SACOL站2012~2013年的数据分析围封与自然放牧对碳交换特征的影响。Xie等[13]研究发现云和气溶胶对黄土高原半干旱区净碳交换产生影响。王国印[14]研究认为土壤湿度和温度会影响黄土高原半干旱地区碳通量变化。黄土高原半干旱区是气候变化和人类活动的敏感地带，过度放牧、开垦农田等造成严重的土地沙漠化，影响到陆地生态系统碳交换过程，而且其下垫面不均匀，使陆面与大气之间能量、水分以及CO2等交换过程非常复杂[15]，导致该区域的农业生态对全球气候变化反应十分敏感[16]。之前对黄土高原半干旱区碳通量的研究所选取的时间尺度比较小，故本文利用涡动相关技术对兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL站)连续6 a的碳通量进行观测，定量分析了黄土高原半干旱区的固碳能力，研究净生态系统碳交换量(NEE)在不同时间尺度上的变化特征和净辐射、土壤温度、土壤湿度等环境变量对碳交换的影响。通过对SACOL站碳通量特征和碳收支平衡的分析，可以了解黄土高原半干旱区陆地生态系统碳源汇的性质和能力。

1资料与方法

1.1站点概况

兰州大学半干旱气候与环境观测站(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University，SACOL)[17]位于黄土高原的半干旱区兰州大学榆中校区萃英山顶(35°57′N，104°08′E)，海拔1 965.8 m，观测场占地约8 hm2。气候类型属于温带半干旱气候，年平均气温为 6.7 ℃，1月平均气温为8 ℃，7月平均气温为19 ℃。平均年降雨量为 381.8 mm，8月降雨量最大，年平均蒸发量1 528.5 mm，相对湿度63%。山顶全年盛行东南风和西北风，年平均风速约为1.6 m·s-1，全年日照时数2 607.2 h左右。土壤类型为第四纪风蚀黄土、灰钙土，下垫面属于典型的黄土高原地貌，下垫面植被为天然荒漠草原，优生植被为多年生草本长芒草，伴生植被为赖草和冷蒿等[18]。

1.2观测资料和数据处理

采用SACOL站2007~2012年连续6 a的观测资料，利用的物理量主要是2 m处空气温度、10 cm土壤湿度、土壤温度、降水量、水汽压差、净辐射量、太阳短波辐射和CO2通量。其中湍流通量数据资料频率为10 Hz，其他数据资料频率均采用30 min制。

采用涡动相关法计算碳通量值，将数据按如下步骤进行处理：(1)在计算通量之前剔除由于仪器故障、天气影响等造成的远远超过合理值、明显存在错误的野点；(2)在计算过程中做相关修正，首先进行二维坐标轴旋转，计算平均量、脉动量、方差、协方差等一系列的统计量，然后计算湍流通量；(3)对碳通量进行必要的修正, 如高频损失订正、密度脉动订正(WPL)、超声虚温修正等；(4)最后对碳通量资料进行质量控制，包括湍流平稳性检验、总体湍流特征检验和总体质量评价和分级等。基于上述处理得到数据质量较高的湍流通量资料[19]。

表1　SACOL站观测仪器简介

1.3数据计算方法

净生态系统碳交换量(Net Ecosystem Exchange，NEE)主要指生态系统中植物光合作用、 冠层空气中的碳储存和生物及非生物呼吸消耗的碳排放综合引起的陆地生态系统与大气系统间碳交换的变化[20]。生态系统与大气间的净生态系统CO2交换量NEE包括2部分：草地之上穿过观测平台传输的湍流涡动通量(Fe)以及草地之上空气柱中储存的CO2通量的变化(F△s)。在仪器观测平台高度上的CO2通量是用垂直风速(w)和CO2浓度(c)扰动的平均协方差进行计算[21]：

(1)

式中ρ是空气密度。

CO2存储的变化通量(F△s)可表示为:

(2)

2NEE的时间变化特征

从图1中看出，在观测的6a里，NEE的变化有明显的差异。2007、2008、2009、2012年变化幅度较大，2010、2011年变化幅度较小。各年NEE月平均变化曲线呈“双峰”型，各年达到峰值的月份不同，其中2008、2009、2011年均在9月达到峰值，分别为-45.81gC/m2，-49.09gC/m2，-29.51gC/m2，与解静等[23]对北方半干旱区CO2通量在9月达到CO2吸收峰值的结果一致。2007年和2012年7月NEE达到峰值，分别为-59.44gC/m2，-41.64gC/m2，2010年6月达到峰值为-34.62gC/m2。

图1　SACOL站2007~2012年NEE月平均变化

表2为SACOL站 2007~2012年生长季和非生长季NEE累积值，生长季(5~9月)NEE累积值对全年净碳累积量的贡献要比非生长季(10~12月及次年1~4月)大60%，说明生长季要比非生长季生态系统吸收更多的CO2；且NEE累积量2007年>2012年>2008年>2009年>2010年>2011年。

图2给出SACOL站连续6 a春、夏、秋、冬季NEE的平均日变化。可以看出，NEE的日变化有明显的季节差异，总体表现为秋季最大，其次是夏季和春季，冬季最小。各年份NEE达到日峰值的季节不同，变化幅度也不同。夏季NEE平均日变化幅度为4.4 gC/m2，秋季为4.1 gC/m2，说明夏季植被的光合作用能力比秋季强。研究期间， SACOL站NEE的日变化均呈“U”型曲线，在08：00(北京时，下同)左右，NEE由正值转为负值，CO2通量由释放转为吸收，光合作用吸收的CO2超过土壤微生物和植物根系呼吸作用释放的CO2量；10:30左右出现碳吸收的峰值；随着净辐射的下降，光合作用强度开始下降，20:00左右NEE由负值转为正值，从碳吸收转为碳排放。生长季各年份NEE在夜间差别不大，而日间差异显著。

3气象要素对NEE的影响

3.1NEE日变化的影响因素

从相关性分析(表3、图3)可知，净辐射是NEE日变化的主要控制因子。从图4可以看出，净辐射日变化曲线呈单峰型，每天在07:00左右净辐射开始由负值转为正值，12:00左右达最大为353.283 W/m2。之后逐渐减小，20:00左右降为0，夜晚净辐射为负值，波动比较小。

大气中主要能量来源是太阳短波辐射，温度变化主要受太阳短波辐射影响。净辐射由观测的长波辐射和短波辐射计算得到，从变化趋势看，NEE与净辐射有明显的相反变化，在净辐射由负值转为正值时，植被吸收能量开始光合作用，此时光合作用大于呼吸作用，CO2由释放转为吸收。随着净辐射的增加，CO2吸收量逐渐增加，13:00达到净辐射峰值，而NEE在12:00达到峰值，之后两者开始逐渐下降，19:00净辐射变为负值，NEE变为正值。两者有比较明显的线性关系，相关系数为-0.727(p<0.01)，但是当Rn增加到450 W·m-2时，NEE不再降低反而增加，说明当净辐射增加到一定程度，光合作用达到饱和。从图3看出，当净辐射继续增大时，NEE变化不明显反而变小。有研究表明[24-25]，在较低光合有效辐射条件下，碳吸收量随着光合有效辐射迅速增大，而在较高的光合有效辐射条件下，碳吸收量几乎不随光合有效辐射的增大而增大。

表2　SACOL站2007~2012年NEE的累积量(单位：gC/m2 )

图2　SACOL站2007~2012年NEE四季平均的日变化特征

空气湿度空气温度短波辐射净辐射土壤温度水汽压差2007-0.013*-0.007**-0.692**-0.745**-0.027*0.214**2008-0.092**-0.150**-0.818**-0.842**-0.209**0.338**2009-0.099**-0.136**-0.691**-0.721**-0.155**0.280**2010-0.262**-0.117**-0.756**-0.782**-0.090*0.152**2011-0.248**-0.068*-0..551**-0.596**-0.035*0.103**2012-0.082**0.028-0.547**-0.615**-0.0290.164**

注：**表示相关系数通过0.01显著性检验，*表示通过0.05显著性检验

图3　2007~2012年 SACOL站NEE与环境因子的线性拟合关系(n=3 456，p<0.01)

图4　SACOL站净辐射和NEE日变化趋势

冬季由于气温较低，草地枯萎，生态系统以呼吸为主；在正午时刻NEE出现负值，说明有CO2从大气进入生态系统，但相对比较小。春季随着气温升

高，生态系统呼吸作用加强，此时植被开始生长，生态系统初级生产力开始增强，但由于温度升高对呼吸作用的影响大于光合作用，所以NEE的变化幅度在冬季和春季差别不大。夏季，随着温度的进一步升高和降雨量的增加，植被进入生长高峰期，NEE的变化幅度加大，其日变化呈单峰型，正午时刻达到吸收高峰；白天NEE为负值，碳吸收，夜间NEE为正值，碳排放。秋季，植物进入成熟期，光合作用和呼吸作用能力有所下降，但仍然有明显的碳吸收能力，NEE达到峰值的时刻相对夏季延迟了1 h左右。

3.2NEE季节变化影响因素

NEE的变化易受生态系统所处环境的影响，图5给出SACOL站2007~2012年影响植被生长的物理量的月平均变化，环境影响因子包括净辐射、土壤湿度、水汽压差、土壤温度和空气温度。结合图1可以看出，各物理量的变化有明显的季节差异，与NEE的变化趋势相反。

在生长季节，植被处于生长发育期，有较强的光合作用和呼吸作用。从相关性分析(表4和图6)可以看出，土壤湿度对NEE的变化起主要作用。随着土壤湿度变大，NEE呈线性减小趋势，SACOL站降水多发生在生长季节，由于受径流等影响，降水多也不一定会对土壤水分有很好的改善作用。如2010年虽然降水量比较多，但土壤水分仍然相对较低。有研究表明[26]，由于黄土高原半干旱区降水量少且时空分布不均匀，降水对植被生长的促进作用不大。

图5　SACOL站2007~2012年各环境物理量月平均变化

土壤湿度空气温度降水量净辐射土壤温度水汽压差生长季节-0.643**-0.174-0.192*0.200-0.2500.239非生长季节-0.356**-0.430*-0.177-0.159**-0.570**0.201

注：**表示相关系数通过0.01显著性检验，*表示通过0.05显著性检验

图6　生长季节(左)和非生长季节(右)NEE与环境因子之间的相关性

而土壤环境条件对生态系统碳交换起重要作用，在土壤水分条件相对较好的年份，碳吸收量相对比较大。在观测的6 a期间里，土壤湿度年平均值2007>2008>2009>2010>2012>2011年，NEE的绝对值变化2007>2012>2008>2009>2010>2011年。2012年由于降水相对比较多，同时空气温度和土壤温度在6 a中最低，抑制了土壤和植被的呼吸作用，故2012年NEE值相对比较大。其余年份NEE和土壤湿度的变化趋势均一致。从表5中各年降水、土壤湿度和NEE月累积量最大值出现的月份看出，土壤湿度出现峰值之后，NEE的累积值达到最大，所以NEE受土壤湿度变化的影响很大。

表5　SACOL站2007~2012年降水、

在非生长季节，植被生长基本停止，光合作用和呼吸作用基本为0。NEE的变化主要受存储在空气中的CO2变化的影响。从相关性分析来看，NEE与土壤温度和空气温度的相关性最大，NEE随着空气温度和土壤温度的增加而减小。有研究表明，冬季由于空气温度和土壤温度很低，土壤微生物和根系呼吸和光合作用基本停止，但是CO2在水中的溶解度随温度下降而升高，此时土壤孔隙中的CO2易被土壤水分吸收而积聚在冻土层中，大气中的CO2浓度因高于土壤孔隙中的CO2浓度而向土壤扩散，导致冬季出现NEE负值现象[27]。可见土壤温度和空气温度是影响非生长季节NEE变化的主要因子。

4结论

(1)黄土高原半干旱区NEE的日变化呈“U”型曲线，白天以碳吸收为主，夜间以碳释放为主，正午前为碳吸收峰值，总体表现为生态系统的碳汇。NEE的日变化有很大的季节差异，四季NEE累积值依次是秋季>夏季>春季>冬季。各年份达到CO2吸收峰值的月份不同，NEE的累积量也不同，有明显的年际差异。

(2)黄土高原半干旱区NEE的日变化主要受净辐射的影响，随着净辐射的增加，CO2的吸收量逐渐增加，净辐射影响植被的光合作用，两者有比较明显的负相关关系。当净辐射增加到450 W/m2时, 光合作用达到饱和，NEE不再降低反而增加。

(3)黄土高原半干旱区NEE在生长季节变化幅度大，非生长季节变化幅度小。土壤条件限制生长季节NEE的变化，黄土高原半干旱区降水少，植被生长所需水分受限制，土壤水分影响NEE在生长季节的变化。在非生长季节，植被生长基本停止，空气温度和土壤温度会影响空气中CO2浓度的变化。

致谢：感谢兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)提供数据资料以及相关人员对仪器的维护和管理。

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Characteristics of Net Carbon Exchange over the Semi-arid Loess Plateau in Northwest China

YAO Jingyu, WANG Guoying, HUANG Jianping, BI Jianrong

(CollegeofAtmosphericSciences,KeyLaboratoryforSemi-AridClimateChangeoftheMinistryofEducation,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

Abstract:Based on the continuous observation data of carbon dioxide flux using eddy covariance technique (ECT) at the Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University (SACOL) during 2007-2012, and combined meteorological observations, the variation characteristics of net ecosystem carbon exchange (NEE) and environment factors influencing NEE there were analyzed. Results are as follows:(1)The annual cumulative average NEE value at SACOL was -214.50±43 gC/m2, thereinto, -171.58±41 gC/m2 during growing season, and -42.92±5 gC/m2 during non-growing season. (2)The diurnal variation curve of NEE at SACOL presented an asymmetrical U shape, and net radiation was the main influencing factor. The SACOL was an obvious sink of carbon with daily average NEE value of -1.15 gC/m2 . (3)The variation of carbon dioxide flux showed significant seasonal and interannual differences. The amplitude of variation was bigger in growing season, which was affected by soil conditions.

Key words:semi-arid Loess Plateau; net ecosystem carbon exchange; net radiation; soil moisture

中图分类号：X171

文献标识码：A

文章编号：1006-7639(2016)-01-0088-08

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0088

作者简介：药静宇(1991-)，女，山西太谷人，硕士研究生，主要从事陆气相互作用研究. E-mail：yaojy10@lzu.edu.cn通讯作者：黄建平，E-mail：hip@lzu.edu.cn

基金项目：国家重大科学研究计划项目(2012CB955302)、国家自然科学基金项目(4140050023)及兰州大学中央高校基本科研业务费专项资金(lzujbky-2014-102)共同资助

收稿日期：2015-04-29；改回日期：2015-06-18

药静宇，王国印，黄建平，等.黄土高原半干旱区净碳交换量的特征分析[J].干旱气象，2016，34(1)：88-95, [YAO Jingyu, WANG Guoying, HUANG Jianping, et al. Characteristics of Net Carbon Exchange over the Semi-arid Loess Plateau in Northwest China[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(1):88-95], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0088