長白山闊葉紅松林生長季co

長白山闊葉紅松林生長季co

1d氣溶膠研究森林對b2的吸收和釋放將導(dǎo)致氣體中co濃度的變化。同時(shí)，森林中co濃度的時(shí)間和空間變化是影響植物光合生產(chǎn)力的重要因素。了解森林中co濃度的特點(diǎn)對研究該林的氣體交換功能和生產(chǎn)力具有重要意義。自20世紀(jì)50年代以來，許多外國科學(xué)家都致力于森林中co濃度的增加反應(yīng)機(jī)制的研究，而忽視了co濃度本身的變化。楊思河等人在20世紀(jì)90年代初進(jìn)行了這項(xiàng)研究，但觀察時(shí)間短（4天），夜間沒有觀察。此外，姜高大等人使用便攜式紅外氣體分析儀觀察和分析了人工森林中co濃度的變化。陳步峰等人探索了海南熱帶落葉林樹冠附近c(diǎn)o濃度的性質(zhì)。彭長蓮等人通過氣袋采樣分析了亞熱帶森林co濃度的變化。然而，上述研究是缺乏日、季、年時(shí)間的連續(xù)性，忽視了對co2濃度變化的影響。此外，森林類型的多樣性和研究方法和技術(shù)的差異，因此需要對co2濃度的特征進(jìn)行進(jìn)一步研究。長白山闊葉紅松林是中國東北樣帶東部典型的森林生態(tài)系統(tǒng),它對平衡我國北方地區(qū)碳收支有著重要作用.該地區(qū)受人類活動(dòng)影響較小,大氣污染程度輕,研究自然狀態(tài)下CO2濃度特征能夠較好的反映森林釋放與固定CO2的源、匯關(guān)系,增強(qiáng)對森林-大氣CO2交換功能的認(rèn)識,為森林經(jīng)營、保護(hù)提供科學(xué)依據(jù),同時(shí),為森林光合生產(chǎn)力研究提供環(huán)境參數(shù).為此,本文采用紅外氣體分析儀對其CO2濃度特征進(jìn)行了分層、長期監(jiān)測,并結(jié)合同步氣象資料進(jìn)行分析.2研究領(lǐng)域和方法2.1山地近自然森林生長習(xí)性本項(xiàng)研究在中國科學(xué)院長白山森林生態(tài)系統(tǒng)定位站1號標(biāo)準(zhǔn)地闊葉紅松林內(nèi)進(jìn)行(42°24′N,128°6′E,海拔738m).該站區(qū)屬于受季風(fēng)影響的溫帶大陸性氣候,年均降水量600～900mm,主要集中在6～8月.觀測場附近下墊面地勢平坦,林下土壤為山地暗棕色森林土,林型為成熟原始林,主要喬木有紅松(Pinuskoraiensis)、椴樹(Tiliaamurensis)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、色木(Acermono).林分為復(fù)層結(jié)構(gòu),下木覆蓋度40%,平均株高26m,立木株數(shù)約560株·hm-2.2.2氣體密度及觀測系統(tǒng)觀測林地建有高62m的微氣象觀測塔,在觀測塔上分層布設(shè)7個(gè)采樣管,高度分別為:2.5、8、22、26、32、50、60m.CO2濃度采用紅外氣體分析儀(Li-820,Li-CorInc,USA)測定.分析儀精度≤1μmol·mol-1,每60min自動(dòng)標(biāo)定一次,標(biāo)定用標(biāo)準(zhǔn)CO2氣體來自國家標(biāo)準(zhǔn)氣體中心,濃度為489μmol·mol-1.林內(nèi)各層空氣經(jīng)氣泵抽取,濾紙除塵后,通過電磁轉(zhuǎn)換閥控制依次進(jìn)入分析儀,每層氣體采樣時(shí)間為8s,前4s作為各層轉(zhuǎn)換時(shí)分析儀的緩沖過程,對后4s采樣氣體進(jìn)行分析,一個(gè)采樣周期為60s.數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器(CR10X-TD,CampbellScientificInc,USA)采集,并通過程序控制每30min自動(dòng)輸出各層CO2濃度平均值.另外,觀測塔同時(shí)配備小氣候梯度自動(dòng)觀測系統(tǒng),同步進(jìn)行風(fēng)速、溫度、濕度、降水、光合有效輻射等常規(guī)氣象要素觀測.林內(nèi)的CO2平均濃度通過對7個(gè)觀測高度的CO2濃度求幾何平均獲得.觀測高度以下大氣CO2儲存項(xiàng)變化ΔS通過公式ΔS=∫z0?cˉ?tdzΔS=∫0z?cˉ?tdz計(jì)算.式中,Z為觀測高度,cˉcˉ為觀測平臺間CO2平均濃度.冠層上部摩擦速度U*根據(jù)公式U?=kz(?u?z)U*=kz(?u?z)計(jì)算.式中,k為VonKarman常數(shù),通常取0.4;?u/?z為風(fēng)速梯度.3結(jié)果與討論3.12c濃度的日變化特性3.1.1森林-大氣co平衡釋放特征在生長季與非生長季各選擇一晴好、微風(fēng)天氣的觀測日數(shù)據(jù)做CO2濃度廓線圖(圖1),為了圖示清晰,等間隔繪出6個(gè)時(shí)間點(diǎn).生長季從主要樹種開始萌芽的5月上旬開始至闊葉樹種大部分落葉的9月下旬結(jié)束.從圖1a可以看出,林內(nèi)各層CO2濃度在凌晨時(shí)分最高.平均CO2濃度最大值出現(xiàn)在凌晨5:00左右,正是林內(nèi)逆溫層開始打破的日出前后.但4:00～8:00,林內(nèi)各層CO2濃度迅速降低,平均降幅達(dá)30μmol·mol-1.這一過程驗(yàn)證了Grace等在巴西熱帶雨林中的研究發(fā)現(xiàn):凌晨,隨風(fēng)速增大,空氣擾動(dòng)增強(qiáng),林內(nèi)積聚的CO2有一快速、明顯的釋放過程.日出后,林內(nèi)各層CO2濃度均持續(xù)降低,如圖1a8:00～12:00～16:00所示,表明隨著光合有效輻射增強(qiáng),植被光合吸收CO2的能力亦顯著增強(qiáng).通常在下午15:00左右觀測到林內(nèi)CO2平均濃度的最低值,而不是在光合有效輻射最強(qiáng)的午間.日落后,林內(nèi)各層CO2濃度逐漸升高,近地層與冠層部位CO2濃度變化尤為顯著,如圖1a20:00-0:00-4:00所示,表明森林-大氣CO2交換主要表現(xiàn)為土壤-大氣與冠層-大氣的呼吸釋放過程.從該日觀測頂層至地表間大氣CO2儲存項(xiàng)變化(圖2)也可以直觀地看出CO2濃度的時(shí)間變化過程.夜間,由于土壤及冠層呼吸,林內(nèi)CO2慢慢積累,至凌晨5:00左右,儲存項(xiàng)達(dá)到最大,但隨后有一顯著的降低過程.日出后林內(nèi)CO2儲存持續(xù)減少,至下午15:00左右達(dá)到最低點(diǎn),隨后又表現(xiàn)為CO2的積累過程.日間吸收與夜間釋放近乎相等,全天林內(nèi)大氣CO2儲存項(xiàng)變化接近于零.這一動(dòng)態(tài)平衡過程也說明采用微氣象學(xué)法對時(shí)間尺度小于一日的森林-大氣CO2凈交換量進(jìn)行研究時(shí),必須考慮大氣儲存變化,但在計(jì)算中、長期CO2凈交換量時(shí),該項(xiàng)可忽略不計(jì).7月14日林內(nèi)CO2濃度最低值為323μmol·mol-1,出現(xiàn)在下午15:00的26m處,即冠層位置;最高值為439μmol·mol-1,出現(xiàn)在凌晨5:00的2.5m處.CO2濃度最大日振幅為90μmol·mol-1,出現(xiàn)在冠層位置而非地表.冠層由于日間光合吸收,CO2濃度較低,夜間呼吸釋放,濃度較高,因此全天CO2濃度振幅最大;近地面層2.5m處受下木層植被生理活動(dòng)的影響,也存在著明顯的晝低夜高的日變化,但由于土壤呼吸的決定作用,全天的CO2濃度都相對較高,振幅次之.近地面層始終較高的CO2濃度為林下植被的生長提供了良好的CO2環(huán)境.日間,由于冠層光合吸收引起CO2濃度降低,林內(nèi)CO2濃度垂直剖面呈現(xiàn)上層和下層逐漸向中間冠層濃度遞減的趨勢,但梯度較小,特別是冠層上部50～60m,濃度梯度接近于零.夜間,冠層處CO2濃度有一小高峰,冠層及其上層大氣CO2濃度梯度與日間相反,冠層往下CO2濃度梯度與日間相同,均表現(xiàn)為接近地表處最高,這表明林地土壤的呼吸釋放在森林-大氣CO2交換中具有重要地位.全天觀測頂層至地表CO2平均濃度梯度以凌晨4:00最大,其次依次為0:00、8:00、20:00、12:00,午后16:00最小.上述CO2濃度日變化特征與Skelly在美國賓夕法尼亞州針葉林中的研究很相似,表明植被生理活動(dòng)及土壤呼吸的共同作用是林內(nèi)CO2濃度時(shí)、空變化的重要原因.但研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)林內(nèi)CO2濃度,特別是夜間的CO2濃度變化還受大氣條件的影響.當(dāng)大氣穩(wěn)定,湍流較弱時(shí),由植被吸收或土壤釋放的CO2往往不能及時(shí)補(bǔ)充或擴(kuò)散,產(chǎn)生CO2損耗或積累,相應(yīng)地出現(xiàn)大的濃度變化;當(dāng)大氣不穩(wěn)定,湍流較強(qiáng)時(shí),林內(nèi)空氣能夠迅速與林上大氣產(chǎn)生垂直混合,垂直梯度小,CO2濃度趨于接近森林大氣背景濃度.圖3為生長季夜間20:00至次日5:00冠層以下CO2平均濃度變化與反映湍流交換強(qiáng)度的冠層上部摩擦速度(U*)的關(guān)系:由于林內(nèi)夜間逆溫的存在,U*通常較小,CO2在林下產(chǎn)生積累,濃度顯著高于林內(nèi)CO2平均濃度380μmol·mol-1,隨著U*的增大,林內(nèi)上下層空氣混合增強(qiáng),林下積累被打破,CO2濃度變小,并趨于一穩(wěn)定值.可以認(rèn)定,大氣湍流交換強(qiáng)度也是林內(nèi)CO2濃度變化的一重要影響因子.3.1.2過程中co濃度的變化非生長季長白山闊葉紅松林闊葉凋落,僅有部分針葉保留,期間森林CO2濃度變化特征主要表現(xiàn)為土壤呼吸的CO2釋放過程.以圖1b所示的2003年10月23日觀測資料為例,林內(nèi)CO2平均濃度變化趨勢為:4:00>8:00>0:00>20:00>16:00>12:00,日間林內(nèi)CO2濃度不斷降低,夜間不斷積累,夜間的積累使早晨CO2濃度處于較高水平.全天CO2濃度最低值為363μmol·mol-1,出現(xiàn)在午后13:00的冠層位置,最高值為397μmol·mol-1,出現(xiàn)在6:00的近地面層.CO2濃度最大日振幅為30μmol·mol-1,出現(xiàn)在近地面層2.5m處.夜間,CO2濃度始終以近地面層為最高,并隨高度的增加濃度遞減,在冠層部位CO2濃度并沒有顯著增加跡象,表明在非生長季闊葉落葉及低溫條件下冠層的呼吸通量非常小.日間,各層CO2濃度均顯著低于夜間.同時(shí),在午間冠層26m處,存在明顯的相對于冠下22m與冠上32m的CO2濃度低值,在非生長季的其他觀測日甚至冬季午間也觀測到了1～4h不等的相對低值,表明長白山闊葉紅松林在非生長季午間仍有數(shù)小時(shí)表現(xiàn)為CO2的吸收過程.對此,Dolman等在中緯度針葉林中也有相同發(fā)現(xiàn),但冬季森林碳吸收的生理機(jī)制仍有待于深入研究.3.2空氣相對于大氣交換的濃度cod2003年林內(nèi)CO2平均濃度約為377μmol·mol-1.圖4為觀測期間CO2平均濃度變化過程.從圖4可以看出,林內(nèi)CO2平均濃度呈先降低后增加趨勢,變動(dòng)范圍為342～418μmol·mol-1.總體來說,冬季(12月～2月)CO2濃度最高,春季(3～5月)與秋季(9～11月)次之,夏季濃度最低(6～8月).CO2濃度月平均最高值出現(xiàn)在1月,為388μmol·mol-1,最低值出現(xiàn)在8月,為352μmol·mol-1.生長季由于森林日間植被光合吸收及夜間依賴于溫度的土壤呼吸作用較強(qiáng),同時(shí)由于冠層枝葉的遮擋,林內(nèi)空氣與大氣交換很弱,CO2濃度日變化幅度較大,平均約為45μmol·mol-1;非生長季森林日間與夜間均表現(xiàn)為以土壤呼吸為主的CO2釋放過程,同時(shí)由于闊葉的凋落,冠層上下湍流交換增強(qiáng),使得CO2很難在林下產(chǎn)生富集,濃度日變化幅度較小,平均約為15μmol·mol-1.在垂直分布上,以近地面層觀測到的CO2平均濃度最高,約為388μmol·mol-1,其次依次為8、22、32、26、50,60m處CO2平均濃度最低,為372μmol·mol-1.圖5顯示了長白山闊葉紅松林在生長季階段,即5～9月冠層26m處CO2濃度月平均的日變化.5月份,長白山闊葉紅松林主要樹種椴樹、蒙古櫟、水曲柳等經(jīng)歷了從萌芽、展葉到全葉的全過程,由于生長初期較低的光合能力及冬季較高的CO2本底濃度,CO2平均濃度最高,為381μmol·mol-1.6月份日間CO2濃度降低,夜間升高,CO2平均濃度為373μmol·mol-1.7月份CO2平均濃度為366μmol·mol-1,仍呈下降趨勢,但夜間CO2平均濃度卻顯著高于鄰近的6月與8月.為此,考察了6～8月夜間林內(nèi)環(huán)境因子:6～8月土壤平均溫度分別為13.7℃、16.4℃、16.8℃,7月高于6月,略低于8月.土壤平均濕度分別為0.27、0.38、0.29m3·m-3,7月顯著高于6月與8月,因此這一現(xiàn)象是由于7月份夜間較高的土壤濕度對土壤呼吸的促進(jìn)所致.8月份CO2平均濃度最低,僅為352μmol·mol-1,應(yīng)歸于日間較強(qiáng)的光合吸收.9月植被落葉,森林CO2平均濃度日間與夜間均呈升高趨勢,平均CO2濃度為371μmol·mol-1.4年生全草地造林4.1長白山闊葉紅松林CO2濃度在日及年的時(shí)間尺度上接近動(dòng)態(tài)平衡,但存在著明顯的日變化、季變化與垂直變化,這些變化與植被生理活動(dòng)、土壤呼吸及林內(nèi)湍流交換強(qiáng)度有關(guān).4.2生長季夜間,林內(nèi)各層CO2濃度均逐漸上升,至凌晨5:00左右,由于土壤呼吸,近地面層全天CO2濃度最高,冠層部位由于植被呼吸,形成相對于鄰近觀測層的濃度高峰.日出前后,隨著下墊面逆溫層的打破,湍流混合加強(qiáng),林內(nèi)CO2有一明顯的釋放過程.之后,隨植被光合能力的增強(qiáng),林內(nèi)各層CO2濃度均迅速降低,至午后15:00左右在冠層部位形成全天CO2濃度最低值.4.32003年長白山闊葉紅松林年平均CO2濃度約為377μmol·mol-1;CO2濃度月平均最高值出現(xiàn)在1月,為388μmol·mol-1,最低值出現(xiàn)在8月,為352μmol·mol-1.7層觀測平臺中,以近地面層