摘要：為探索西寧城郊黃土丘陵喬灌混交林生態(tài)系統(tǒng)CO2濃度與環(huán)境因素、不同土壤層（H層、A層、B層、C層）土壤溫度的變化規(guī)律及相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步探明環(huán)境因子對(duì)碳濃度組分的調(diào)控作用，采集了該地區(qū)2023年3～6月碳濃度值的數(shù)據(jù)，并應(yīng)用多種數(shù)值分析方法分析不同時(shí)間尺度的碳濃度，同時(shí)利用IRGASON碳通量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測(cè)的碳濃度值進(jìn)行分析。結(jié)果表明：碳濃度與水汽通量在月數(shù)據(jù)的相關(guān)度上表現(xiàn)高于日數(shù)據(jù)。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(guān)系數(shù)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(guī)律，有助于分析不同土壤層土壤呼吸特性的優(yōu)點(diǎn)，可為土壤剖面碳濃度計(jì)算提供參考。

關(guān)鍵詞：二氧化碳濃度； 人工林； 渦度相關(guān)法； 碳通量

中圖法分類號(hào)：X171文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S2.027

文章編號(hào)：1006-0081（2024）S2-0099-05

0引言

進(jìn)入工業(yè)時(shí)代以來，CO2的排放易導(dǎo)致氣候變化、海平面上升、冰山融化等［1-3］。近年來，中國(guó)對(duì)于生態(tài)環(huán)境保護(hù)、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)愈發(fā)重視，森林資源是一項(xiàng)重要的自然資源與天然財(cái)富，具有凈化空氣、涵養(yǎng)水源、固碳釋氧、保護(hù)物種多樣性、維持生態(tài)平衡的作用［4-6］。

全球變暖背景下，CO2的排放對(duì)環(huán)境的影響突出，森林作為生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的主要交換對(duì)象，有必要對(duì)其碳排放進(jìn)行研究。聯(lián)合國(guó)報(bào)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(yè)化前水平高1.5 ℃［1-3］。同時(shí)有研究表明光合速率和土壤溫度擬合模型相關(guān)度較高，例如太行山南麓栓皮櫟人工林，其擬合度可達(dá)0.81［5］。

CO2移動(dòng)的動(dòng)力主要來自土壤空隙和大氣之間的擴(kuò)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(tǒng)對(duì)碳通量的響應(yīng)取決于多環(huán)境因子，機(jī)制復(fù)雜，需要通過各種觀測(cè)方法和數(shù)據(jù)分析模擬來進(jìn)一步研究。同時(shí)，植物在夜間的呼吸作用強(qiáng)于光合作用，大多表現(xiàn)為碳源，其水熱條件也會(huì)影響碳排放，水、熱、光、溫度等因子都被證實(shí)與碳排放相關(guān)［7］。當(dāng)水汽通量低時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)會(huì)抑制蒸散發(fā)過程進(jìn)一步降低光合作用。

1研究區(qū)自然條件

1.1地理?xiàng)l件

長(zhǎng)嶺溝研究區(qū)域地處西寧市市區(qū)西山湟水河右岸，屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)第四副區(qū)，為湟水河二級(jí)支流，海拔2 294.2～2 600.6 m，相對(duì)高差306.4 m，地理坐標(biāo)為東經(jīng)101°44′29.48″、北緯36°36′52.61。研究區(qū)總面積115 hm2（含綠化造林面積108.6 hm2，道路、管護(hù)房及未造林地等6.4 hm2），研究區(qū)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(qū)，是天然的避暑勝地。其氣候特征表現(xiàn)為降水量少，蒸發(fā)量大，日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽輻射強(qiáng)，晝夜溫差大，無霜期短，冰凍期長(zhǎng)。全年日照時(shí)數(shù)為2 795.4 h。項(xiàng)目區(qū)多年平均降水量368 mm，年均蒸發(fā)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(fēng)速為1.97 m/s，多為東南風(fēng)。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(zhì)條件

研究區(qū)地勢(shì)西高東低，溝道及兩岸分布多為第四系上更新統(tǒng)濕陷性風(fēng)積黃土，結(jié)構(gòu)為松散—稍密。排洪渠地基無地下水分布，標(biāo)準(zhǔn)凍土深埋約1 340 mm。項(xiàng)目區(qū)50 a超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.45 s，對(duì)應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。

研究區(qū)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(diǎn)。高海拔至低海拔區(qū)土壤類型依次為灰褐土、黑鈣土、栗鈣土、灰鈣土等；同時(shí)分布有北方紅土、灌淤土、潮土等多種非地帶性土壤類型。規(guī)劃區(qū)土壤主要發(fā)育在黃土性母質(zhì)上，其次是坡殘積母質(zhì)及第三系紅土母質(zhì)，有機(jī)質(zhì)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(yán)重。土層厚度30～50 cm，土壤理化性質(zhì)呈堿性或微堿性反應(yīng)。

1.4森林資源狀況

長(zhǎng)嶺溝研究區(qū)自然植被屬溫帶草原，以針茅、蒿類為群落的優(yōu)勢(shì)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(yán)酷，土壤干旱貧瘠，植物生長(zhǎng)量小、覆蓋率低。沒有天然林分布，現(xiàn)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(xiàn)狀見表1。

1.5水文

研究區(qū)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(zhǎng)42 km，渠道橫穿西寧市三區(qū)（城西、城中、城東）。湟水河為黃河一級(jí)支流，干流在西寧境內(nèi)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(tǒng)及平臺(tái)介紹

2.1系統(tǒng)及平臺(tái)建設(shè)

對(duì)林地下墊面的動(dòng)量、能量和物質(zhì)（水汽、二氧化碳）交換規(guī)律開展觀測(cè)和研究。采用渦動(dòng)相關(guān)通量觀測(cè)系統(tǒng)可長(zhǎng)期定位觀測(cè)大氣邊界層中CO2、H2O、熱量和動(dòng)量交換，實(shí)時(shí)測(cè)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(cè)系統(tǒng)不僅可以為遙感反演的植被蒸散數(shù)據(jù)提供重要的實(shí)測(cè)、地面驗(yàn)證數(shù)據(jù)，也為大尺度、長(zhǎng)期和連續(xù)的水分循環(huán)等科學(xué)研究提供支撐，進(jìn)一步加深氣候變化、林地管理措施與林地水源涵養(yǎng)能力之間的反饋機(jī)制的認(rèn)識(shí)，為林地生產(chǎn)、改造作業(yè)等提供更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。項(xiàng)目系統(tǒng)建設(shè)包括通量觀測(cè)系統(tǒng)、土壤水分觀測(cè)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集平臺(tái)建設(shè)。

2.2開路渦動(dòng)通量觀測(cè)系統(tǒng)

渦動(dòng)協(xié)方差系統(tǒng)，亦稱渦度相關(guān)系統(tǒng)，是一種微氣象學(xué)的測(cè)量方法，采用渦度相關(guān)原理，利用快速響應(yīng)的傳感器來測(cè)量大氣下墊面的物質(zhì)交換和能量交換。它是一種直接測(cè)定通量的標(biāo)準(zhǔn)方法，已成為近年來測(cè)定生態(tài)系統(tǒng)碳、水交換通量的關(guān)鍵方法，得到了越來越廣泛的應(yīng)用，并逐漸成為國(guó)際通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的主要方法［8-10］。渦動(dòng)協(xié)方差系統(tǒng)可以測(cè)量CO2濃度、摩擦風(fēng)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(duì)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(fēng)傳感器和開放式紅外CO2/H2O傳感器的三維風(fēng)速脈動(dòng)值、水汽脈動(dòng)值和CO2脈動(dòng)值，依據(jù)微氣象學(xué)理論中的湍流渦動(dòng)協(xié)方差方法，可自動(dòng)計(jì)算出CO2濃度等地表通量及摩擦風(fēng)速等微氣象特征量，對(duì)研究全球氣候變化中林地碳循環(huán)、水循環(huán)起著重要作用［11-15］。

2.3土壤水分觀測(cè)系統(tǒng)

土壤水分是土壤的重要組成部分，對(duì)作物的生長(zhǎng)、節(jié)水灌溉等有著非常重要的作用。通過設(shè)置多點(diǎn)進(jìn)行土壤水分測(cè)定，可以系統(tǒng)掌握土壤水分的分布狀況。觀測(cè)林地的土壤水分梯度時(shí)需要使用EnviroScan土壤水分廓線系統(tǒng)。

2.4系統(tǒng)配置

為了觀測(cè)林地的蒸散發(fā)量，試驗(yàn)室在林場(chǎng)內(nèi)安裝一套渦動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)。充分利用現(xiàn)有的徑流場(chǎng)，添置部分設(shè)備以完善水文要素的觀測(cè)，并按照監(jiān)測(cè)目標(biāo)要求進(jìn)行儀器配置，儀器配置如表2所示。開路渦動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)核心設(shè)備采用美國(guó)campbell公司生產(chǎn)的IRGASON，此產(chǎn)品是集成三維風(fēng)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(shí)測(cè)定CO2/H2O在空氣中的摩爾密度、三維風(fēng)速和超聲虛溫。

3試驗(yàn)觀測(cè)

3.1日序列及月序列數(shù)據(jù)

本次試驗(yàn)在時(shí)序上分別選取了日序列及月序列。日數(shù)據(jù)分析選取了2023年3月23～25日的夜間18∶30～00∶00的碳濃度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并在對(duì)比后對(duì)24 d的空值運(yùn)用平均窗口法進(jìn)行了插補(bǔ)［15］；對(duì)于月數(shù)據(jù)分析，本次觀測(cè)選取2023年7月7日至2023年8月4日每日碳濃度均值數(shù)據(jù)以及10，30，50，90，110，130，150 cm深度的土壤溫度數(shù)據(jù)平均值及最大值進(jìn)行分析。其中通量塔在極端天氣，如大量降水下會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)斷點(diǎn)現(xiàn)象，對(duì)于無效數(shù)據(jù)不予以使用。

3.2數(shù)據(jù)處理過程

本次試驗(yàn)所使用設(shè)備在首次設(shè)計(jì)后因場(chǎng)地儀器干擾原因發(fā)生了位置更換，同時(shí)儀器在使用過程中如遇到極端天氣會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)的空值及斷點(diǎn)較多，造成了客觀原因的分析困難。因此使用logger，excel，R語言對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，處理步驟包括空值剔除和插補(bǔ)［15-16］、格式轉(zhuǎn)換，并采用了多組樣數(shù)據(jù)，建立了線性模型，采用了對(duì)比分析的方法，可以為日時(shí)序及月時(shí)序數(shù)據(jù)的人工林碳濃度與水通量等多種因素的關(guān)系提供一定的參考。

3.3日數(shù)據(jù)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(shì)，最小值與最大值分別為567.84，630.54 mg·（m2·s-1），對(duì)應(yīng)時(shí)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(shí)，對(duì)3月23～24日碳濃度與3個(gè)方向的風(fēng)速關(guān)系及水汽通量進(jìn)行了對(duì)比分析。Ux、Uy、Uz分別為x，y，z軸方向上的超聲風(fēng)速對(duì)Ux，Uy，Uz的超聲風(fēng)速做線性回歸模型，結(jié)果見表3。

3.4月數(shù)據(jù)分析

本次觀測(cè)選取2023年3月24日至4月22日的碳濃度數(shù)據(jù)作為月數(shù)據(jù)的分析基礎(chǔ)。均值折線圖如圖5所示，總體呈下降趨勢(shì)，即喬灌混交人工林表現(xiàn)為碳匯，單日最高為2023年4月3日數(shù)據(jù)，碳濃度和水汽通量數(shù)據(jù)呈弱相關(guān)關(guān)系，pearson相關(guān)系數(shù)為0.796 085。當(dāng)日水汽通量表現(xiàn)均為負(fù)值，與日變化規(guī)律相同，即林分中水汽通量越高，對(duì)CO2的吸收越高。

記錄每小時(shí)內(nèi)土壤溫度的月度變化，隨著土壤深度增加，溫度波動(dòng)減小而數(shù)值變大，變化趨勢(shì)基本相同，呈向下的趨勢(shì)，其變化規(guī)律折線如圖6所示。

試驗(yàn)所選地點(diǎn)為城市中心小氣候林，人工林面積占比較大。在觀測(cè)日時(shí)序碳源、碳匯的結(jié)果時(shí)發(fā)現(xiàn)人工林夜間大多表現(xiàn)為碳源。這可能與儀器記錄時(shí)間相關(guān)，需要拉長(zhǎng)時(shí)間序列進(jìn)一步觀測(cè)。碳數(shù)據(jù)采錄和分析時(shí)，大多為夜間，植物呼吸作用占主導(dǎo)地位，碳源表現(xiàn)明顯。而對(duì)于月數(shù)據(jù)的分析碳源表現(xiàn)不明顯，碳濃度有碳源有碳匯，白天多表現(xiàn)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(xiàn)明顯。同時(shí)，水汽、風(fēng)向、風(fēng)速、土壤溫度等會(huì)影響碳濃度。

4結(jié)語

該研究的重點(diǎn)在于分析西寧市城郊黃土丘陵喬灌混交林生態(tài)系統(tǒng)的碳濃度與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系。通過數(shù)據(jù)分析及建立數(shù)理模型對(duì)比了相關(guān)結(jié)果，從不同的時(shí)間尺度來分析數(shù)據(jù)，并對(duì)土壤不同深度的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。通過相關(guān)度及模型分析得出了研究結(jié)果。但是儀器在極端天氣下會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，影響試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)軟件網(wǎng)絡(luò)斷聯(lián)，且儲(chǔ)存空間有限，對(duì)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(fēng)速的相關(guān)關(guān)系。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果，風(fēng)速與碳濃度相關(guān)性較小，同時(shí)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。② 分析了碳濃度源匯與水汽通量的關(guān)系。根據(jù)夜間數(shù)據(jù)顯示水汽通量和碳濃度呈弱相關(guān)關(guān)系。③ 分析了碳濃度與不同土壤深度的溫度之間的相關(guān)關(guān)系。根據(jù)結(jié)果顯示，碳濃度與不同土壤深度的溫度無相關(guān)關(guān)系。

在生長(zhǎng)季，生態(tài)系統(tǒng)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(zhǎng)季，生態(tài)系統(tǒng)夜間碳交換沒有樹葉呼吸，同時(shí)樹枝呼吸和樹干呼吸也較生長(zhǎng)季小。在討論夜間碳濃度與所對(duì)應(yīng)的溫度、水分和風(fēng)向等環(huán)境因子的相關(guān)性時(shí)，也應(yīng)該考慮日間和夜間的區(qū)別。該研究對(duì)日序列夜間數(shù)據(jù)的分析表明研究區(qū)風(fēng)向、風(fēng)速、水汽通量與碳濃度的相關(guān)度較低，在月序列的分析中，研究區(qū)水汽通量與碳濃度相關(guān)度相對(duì)較高，土壤溫度與碳濃度的相關(guān)度明顯低于水汽通量。

參考文獻(xiàn)：

［1］IPCC.A Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.Contribution of Working Groups I，II and III to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change［R］.Geneva：IPCC，2023.

［2］IPCC.Climate Change 2023：Synthesis Report.A Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.Contribution of Working Groups I，II and III to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change［R］.Geneva：IPCC，2023.

［3］IPCC.Global Warming of 1.5 ℃.An IPCC Special Report on the impacts of global warming of 1.5 ℃ above pre-industrial levels and related global greenhouse gas emission pathways，in the context of strengthening the global response to the threat of climate change，sustainable development，and efforts to eradicate poverty［R］.New York：IPCC，2018.

［4］AZOVSKY A，MAZEI Y.Do microbes have macroecology？ Large-scale patterns in the diversity and distribution of marine benthic ciliates［J］.Global Ecology and Biogeography，2013，22（2）：163-172.

［5］王鑫，同小娟，張勁松，等.太行山南麓栓皮櫟人工林光合作用對(duì)土壤呼吸的影響［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，43（1）：66-76.

［6］梁飛.CO2碳化水泥土抗壓強(qiáng)度與微觀機(jī)制研究［J］.人民長(zhǎng)江，2023，54（9）：199-205.

［7］梁捷寧，張鐳，張武，等.黃土高原半干旱區(qū)地表能量不閉合及其對(duì)二氧化碳通量的影響［J］.物理學(xué)報(bào)，2013，62（9）：536-547.

［8］張曉娟，李東杰，劉思含，等.遙感技術(shù)在“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)中的應(yīng)用進(jìn)展［J］.航天返回與遙感，2022，43（6）：106-118.

［9］徐小軍，周國(guó)模，莫路鋒，等.一種面向下墊面不均一的森林碳通量監(jiān)測(cè)方法［J］.中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2013，43（10）：1342-1352.

［10］吳江梅，田澤眾，張海洋，等.農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳通量遙感估算方法研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2022，53（增1）：224-231.

［11］周玉榮，于振良，趙士洞.我國(guó)主要森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和碳平衡［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2000（5）：518-522.

［12］王春林，于貴瑞，周國(guó)逸，等.鼎湖山常綠針闊葉混交林CO2通量估算［J］.中國(guó)科學(xué).D輯：地球科學(xué)，2006（增1）：119-129.

［13］張軍輝，于貴瑞，韓士杰，等.長(zhǎng)白山闊葉紅松林CO2通量季節(jié)和年際變化特征及控制機(jī)制［J］.中國(guó)科學(xué).D輯：地球科學(xué)，2006（增1）：60-69.

［14］趙敏，周廣勝.中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)的植物碳貯量及其影響因子分析［J］.地理科學(xué)，2004，24（1）：50-54.

［15］周宇，黃輝，張勁松，等.森林生態(tài)系統(tǒng)渦度相關(guān)法碳通量長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)性缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)方法的比較［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2021，42（4）：330-343.

（編輯：張爽）