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天目山老龄森林生态系统碳水通量及水汽稳定同位素观测

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天目山老龄森林生态系统碳水通量及水汽稳定同位素观测

作者：牛晓栋浙江农林大学

学位级别：硕士

陆地生态系统的CO2与水热通量研究,一直是全球气候变化研究的热点与难点问题,它对认识生态系统变化规律,预测全球区域性的气候变化趋势,评价生态系统的碳、水固定具有重要的科学意义。最新研究表明,亚洲的亚热带森林生态系统在全球碳循... 详细信息

陆地生态系统的CO2与水热通量研究,一直是全球气候变化研究的热点与难点问题,它对认识生态系统变化规律,预测全球区域性的气候变化趋势,评价生态系统的碳、水固定具有重要的科学意义。最新研究表明,亚洲的亚热带森林生态系统在全球碳循环及碳汇功能中发挥着不可忽视的作用。该区域森林类型多样,关于老龄林的研究却比较少。本研究以浙江天目山森林生态系统国家定位观测研究站中的老龄常绿落叶阔叶混交林生态系统为研究对象,利用涡度相关技术及稳定同位素技术,采用开路式通量观测系统和大气水汽稳定同位素观测系统及常规气象观测系统,对浙江天目山地区的常绿落叶阔叶混交林生态系统碳通量、水汽通量、大气水汽稳定同位素组成及常规气象进行了长期连续观测,以2013年7月-2014年6月的观测数据为依据,定量分析了生态系统碳水通量在不同时间尺度上的动态变化特征,确定出生态系统碳源/汇属性及强度,另外还初步分析了大气水汽中的稳定同位素组成的影响因素,本文主要研究结果如下:(1)净生态系统碳交换量(NEE)月总量除12月,2月为正值,表现为碳源,其余月份均为负值,表现为碳汇。NEE月总量平均为-61.52 g C?m-2,各月碳吸收量以6月份(-149.40 g C?m-2)最高,10月次之,呈双峰变化;最大碳源出现在2月份(23.45 g C?m-2)。各月NEE平均日变化差异明显,6月的通量峰值最大,达到-0.98 mg?m-2?s-1;12月的通量峰值最小,为-0.35 mg?m-2?s-1,NEE符号改变的时间也呈明显的季节变化特征;全年NEE、生态系统呼吸量(RE)、生态系统总交换量(GEE)分别为-738.18 g C?m-2、931.05 g C?m-2、-1669.23 g C?m-2。和相近纬度相对年轻的相近林型的其他森林生态系统相比,固碳量较大,这表明我国中亚热带天目山地区的老龄森林生态系统具有较高的固碳能力。(2)生态系统全年水汽通量基本为正值,各月水汽通量日变化趋势基本呈单峰型曲线,7月(0.115g?m-2?s-1)水汽通量峰值最大,1月(0.029 g?m-2?s-1)最小。四季的水汽通量平均日变化中,峰值的大小为夏季>春季>秋季>冬季。生态系统全年蒸散量为721.25mm,在相近纬度的不同类型森林生态系统中处于较低水平,全年蒸散量占降雨量的51.46%,各月蒸散量均小于降雨量。生态系统全年净辐射为3305.65MJ?m-2?a-1,季节尺度上,对生态系统水汽通量与净辐射进行回归分析,显示四季的相关性都极显著。夏季R2最大,为0.5009,其次为春季(0.318),秋季(0.232),冬季最低(0.125)。(3)以2013年8月1日到2013年10月1日观测的数据为依据,对生态系统大气水汽稳定同位素组成的影响因素及其相互关系进行了研究。结果显示:在森林生态系统中,大气降雨、环境温度、土壤5cm温度与大气水汽稳定同位素组成的相关性显著。土壤5cm湿度、环境湿度、平均风速、净辐射与大气水汽稳定同位素组成的相关性不显著。和农田生态系统相比,森林生态系统中对大气水汽稳定同位素组成产生影响的环境因素有一定差别。

关键词：天目山常绿落叶阔叶混交林碳通量水通量涡度相关大气水汽稳定同位素组成

大气水汽稳定同位素组成在生态系统水循环中的应用

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浙江农林大学学报 2016年第1期33卷 156-165页

作者：王帆江洪牛晓栋南京大学国际地球系统科学研究所江苏南京210023 浙江农林大学浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室浙江临安311300

水汽稳定同位素组成(δv)可以为水循环研究提供大量有价值的信息。近年来,稳定同位素红外光谱技术(isotope ratio infrared spectroscopy,IRIS)的发展为获得高时间分辨率的水汽稳定同位素原位测量数据提供了可能。在水汽稳定同位素组成... 详细信息

水汽稳定同位素组成(δv)可以为水循环研究提供大量有价值的信息。近年来,稳定同位素红外光谱技术(isotope ratio infrared spectroscopy,IRIS)的发展为获得高时间分辨率的水汽稳定同位素原位测量数据提供了可能。在水汽稳定同位素组成研究取得了巨大进展的同时,适时对δv及其在生态系统水循环应用的研究进展进行综述,可以为后续研究提供借鉴和参考。从5个方面对水汽稳定同位素组成的研究进行了详述,分别是:1水汽稳定同位素分析仪的在线校正;2δv的变化规律;3氘过量的变化特征;4蒸散发组分的区分;5叶片水18O富集的估算。目前水汽稳定同位素的观测站点十分稀少,尽快建立全球的水汽稳定同位素观测网络并进行长时间的连续观测,将大大促进生态系统水循环和生态过程解析及其模拟方面的研究。同时,将稳定同位素在线观测数据和通量观测以及遥感模型结合起来,可以更好地揭示区域乃至全球水循环模式和机理机制。

关键词：生态学校正氘过量蒸散发组分区分叶片水18O富集水汽稳定同位素组成综述

天目山森林生态系统大气水汽稳定同位素组成的影响因素

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浙江农林大学学报 2015年第3期32卷 327-334页

作者：牛晓栋江洪王帆浙江农林大学浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室浙江临安311300 南京大学国际地球系统科学研究所江苏南京210093

稳定同位素技术是进一步揭示生态系统碳/水交换对环境条件变化响应的重要手段。学者将此技术用于农田生态系统的较多,关于对森林生态系统的研究几乎没有。利用大气水汽稳定同位素观测系统和常规气象观测系统对浙江省天目山常绿落叶阔叶... 详细信息

稳定同位素技术是进一步揭示生态系统碳/水交换对环境条件变化响应的重要手段。学者将此技术用于农田生态系统的较多,关于对森林生态系统的研究几乎没有。利用大气水汽稳定同位素观测系统和常规气象观测系统对浙江省天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统进行观测。以2013年8月1日到2013年10月1日观测的数据为依据,对天目山森林生态系统大气水汽稳定同位素组成(δv)的影响因素及其相互关系进行了研究。结果显示:在森林生态系统中,大气降水、环境温度、土壤5 cm温度与大气水汽稳定同位素组成的相关性显著(P<0.05)。土壤5 cm湿度、环境湿度、平均风速、净辐射与大气水汽稳定同位素组成的相关性不显著。和农田生态系统相比,森林生态系统中对大气水汽稳定同位素组成产生影响的环境因素有一定差别。

关键词：森林生态学大气水汽稳定同位素组成森林生态系统影响因素相关性天目山

亚热带-暖温带过渡区天然栎林的能量平衡特征

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生态学报 2018年第18期38卷 6701-6711页

作者：牛晓栋刘晓静刘世荣孙鹏森中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所/国家林业局森林生态环境重点实验室北京100091 河南宝天曼国家级自然保护区管理局南阳474350

利用开路涡度相关系统和常规气象观测仪器观测了我国北亚热带-暖温带气候过渡带(河南南阳)的一片锐齿栎天然林的能量通量及常规气象。以一个完整年(2016年10月—2017年9月)的观测数据为依据,定量分析了此锐齿栎林的能量通量的日变化、... 详细信息

利用开路涡度相关系统和常规气象观测仪器观测了我国北亚热带-暖温带气候过渡带(河南南阳)的一片锐齿栎天然林的能量通量及常规气象。以一个完整年(2016年10月—2017年9月)的观测数据为依据,定量分析了此锐齿栎林的能量通量的日变化、季节变化以及各能量分量的分配特征,并计算了能量闭合度以及波文比。结果表明:锐齿栎林观测期间一整年净辐射为2626.17 MJ/m^2,感热通量为867.1 MJ/m^2,潜热通量为1417.25 MJ/m^2,土壤热通量为-2.60 MJ/m^2,土壤为热源;各能量分量日变化基本呈单峰型曲线,季节变化特征明显。非生长季,锐齿栎林的能量主要分配给感热通量,占净辐射的54.18%;生长季,能量主要分配给潜热通量,占净辐射的67.48%。观测期间研究区年降雨量较平均值稍大(1231.8 mm),森林蒸散量为579 mm,仅为降雨量的47%。波文比受森林物候变化影响较大,在非生长季平均值约为2.1,生长季约为0.2。土壤热通量在生长季2017年4—9月份为正值,土壤表现为热汇,其余月份皆为热源。土壤热通量的变化过程主要受净辐射调控,森林物候也起了一定的作用。河南宝天曼锐齿栎森林通量观测站全年能量闭合度为67%,在国际同类观测站的范围之内(55%—99%)。不能完全闭合的原因可能与通量源区面积不匹配、计算能量平衡时忽略冠层热存储等有关。

关键词：锐齿栎林涡度相关能量平衡气候过渡带

天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统水汽通量特征

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浙江农林大学学报 2016年第2期33卷 216-224页

作者：牛晓栋江洪方成圆陈晓峰孙恒浙江农林大学浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室浙江临安311300 南京大学国际地球系统科学研究所江苏南京210093

利用涡度相关技术研究了2013年7月至2014年6月浙江天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统水汽通量变化特征,结合气象要素的观测,进一步分析了净辐射对水汽通量的影响。结果表明:浙江天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统全年水汽通量基本为正值... 详细信息

利用涡度相关技术研究了2013年7月至2014年6月浙江天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统水汽通量变化特征,结合气象要素的观测,进一步分析了净辐射对水汽通量的影响。结果表明:浙江天目山常绿落叶阔叶混交林生态系统全年水汽通量基本为正值,各月水汽通量日变化趋势基本呈单峰型曲线,7月水汽通量峰值最大(0.115 g·m-2·s-1),1月最小(0.029 g·m-2·s-1)。四季的水汽通量平均日变化中,峰值的大小为夏季>春季>秋季>冬季。生态系统全年蒸散量为721.25 mm,在相近纬度的不同类型森林生态系统中处于较低水平,全年蒸散量占降雨量的51.46%,各月蒸散量均小于降雨量。生态系统全年净辐射为3 305.65 MJ·m-2·a-1。季节尺度上,对生态系统水汽通量与净辐射进行回归分析,显示四季的相关性都极显著。夏季相关系数(R2)最大,为0.500,其次为春季(0.318),秋季(0.232),冬季最低(0.125)。

关键词：森林生态学水汽通量涡度相关典型常绿落叶阔叶混交林净辐射天目山

中国亚热带⁃暖温带过渡区锐齿栎林净生态系统碳交换特征

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生态学报 2020年第17期40卷 5980-5991页

作者：牛晓栋孙鹏森刘晓静栾军伟刘世荣中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所/国家林业和草原局森林生态环境重点实验室北京100091 河南宝天曼国家级自然保护区管理局南阳474350 国际竹藤中心竹藤资源与环境研究所北京100102

在2017年1月1日-2017年12月31日期间,采用涡度相关法对位于亚热带⁃暖温带气候过渡区的河南宝天曼国家级自然保护区的65年生锐齿栎(Quercus aliena)天然次生林的碳通量进行了连续观测。结果表明:在观测期间,该森林生态系统在生长季5-10... 详细信息

在2017年1月1日-2017年12月31日期间,采用涡度相关法对位于亚热带⁃暖温带气候过渡区的河南宝天曼国家级自然保护区的65年生锐齿栎(Quercus aliena)天然次生林的碳通量进行了连续观测。结果表明:在观测期间,该森林生态系统在生长季5-10月份为碳汇,非生长季各月为碳源,净碳吸收量与释放量分别在7月和4月达到最大。净生态系统生产力为569.4 g C m-2a-1,生态系统呼吸为529.9 g C m-2a-1,总生态系统生产力为1099.3 g C m-2a-1。30min尺度上夜间净生态系统碳交换量与5cm深度土壤温度的关系可用指数方程表示(R2=0.21,P<0.001),其温度敏感性系数(Temperature sensitivity coefficient,Q10)为2.2。如果排除夜间通量观测的误差,处在海拔较高地区的夜间低温和非生长季的低温抑制了生态系统呼吸排放,可能导致全年生态系统呼吸量较低。在生长季5-10月份,各月的白天净生态系统碳交换量对光合有效辐射的响应符合直角双曲线模型,初始光能利用效率、平均最大光合速率和白天平均生态系统呼吸强度呈明显的季节变化,范围分别是0.06-0.12μmol CO2μmol-1 photon、0.44-1.47mg CO2m-2s-1和0.07-0.19 mg CO2m-2s-1。夏季7、8月份,较高的饱和水汽压差对白天锐齿栎林的碳吸收有明显的抑制作用;生长季末期9月份较高的土壤含水量对白天锐齿栎林的碳吸收也产生了抑制作用,表明生长末期降水过多影响森林的碳吸收。

关键词：气候过渡带锐齿栎 CO2通量饱和水汽压差

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亚热带毛竹林生态系统能量通量及平衡分析

生态学报 2015年第12期35卷 4128-4136页

作者：孙成江洪陈健刘玉莉牛晓栋陈晓峰方成圆浙江农林大学浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室杭州311300 南京大学国际地球系统科学研究所南京210093

利用开路涡度相关系统和常规气象观测仪器,对亚热带(浙江省)毛竹林生态系统2011年的净辐射、显热通量、潜热通量、土壤热通量以及气温、地温、降雨量等气象要素进行了连续观测,定量分析了毛竹林生态系统能量通量的变化和各能量分量的分... 详细信息

利用开路涡度相关系统和常规气象观测仪器,对亚热带(浙江省)毛竹林生态系统2011年的净辐射、显热通量、潜热通量、土壤热通量以及气温、地温、降雨量等气象要素进行了连续观测,定量分析了毛竹林生态系统能量通量的变化和各能量分量的分配特征,并计算了能量闭合度以及波文比。结果表明:毛竹林全年净辐射为2628.00 MJ/m2,显热通量为576.80 MJ/m2,潜热通量为1666.77 MJ/m2,土壤热通量为-7.52 MJ/m2,土壤为热源,各能量分量季节变化明显,日变化基本呈单峰型曲线变化。显热通量占净辐射的22.0%,潜热通量占63.4%,毛竹林生态系统潜热通量为能量散失的主要形式。波文比逐月变化规律不明显,波动较大,在0.07—1.77之间变化,能量平衡比率法得出毛竹林年能量闭合度为0.85,月平均闭合度为0.84,能量闭合度高于线性回归法计算结果,但仍有15%的能量不闭合。

关键词：毛竹林能量通量能量闭合度湍流能量有效能量波文比

浙江天目山老龄森林生态系统CO_2通量特征

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应用生态学报 2016年第1期27卷 1-8页

作者：牛晓栋江洪张金梦方成圆陈晓峰孙恒浙江农林大学浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室杭州311300 南京大学国际地球系统科学研究所南京210093

物种丰富的异龄老龄森林对陆地生态系统动态模型及全球碳收支具有十分重要的意义.目前,我国关于老龄森林碳通量的研究很少,亚热带地区的老龄林更鲜有报道.本研究利用涡度相关技术观测了我国中亚热带地区的浙江天目山一个老龄常绿落叶阔... 详细信息

物种丰富的异龄老龄森林对陆地生态系统动态模型及全球碳收支具有十分重要的意义.目前,我国关于老龄森林碳通量的研究很少,亚热带地区的老龄林更鲜有报道.本研究利用涡度相关技术观测了我国中亚热带地区的浙江天目山一个老龄常绿落叶阔叶混交林生态系统的CO_2通量.以2013年7月到2014年6月的观测数据为依据,分析了此老龄林净生态系统碳交换量(NEE)、生态系统呼吸量(R_e)、生态系统总交换量(GEE)的变化.结果表明:研究期间老龄林常绿落叶阔叶混交林生态系统NEE月总量除12、2月为正值外(表现为碳源),其余月份均为负值(表现为碳汇).NEE月总量平均为-61.52 g C·m^(-2),各月碳吸收量以6月(-149.40 g C·m^(-2))最高,10月次之,呈双峰变化;最大碳源出现在2月(23.45g C·m^(-2)).各月NEE平均日变化差异明显,6月的平均通量峰值最大,达到-0.98 mg·m^(-2)·s^(-1),12月最小,为-0.35mg·m^(-2)·s^(-1);NEE符号改变的时间也呈明显的季节变化特征;全年NEE、R_e、GEE分别为-738.18、931.05、-1669.23g C·m^(-2).与相近纬度相近林型的其他森林生态系统相比,由于其复层结构和多种幼龄更新树木的存在,其测定的固碳量较大.表明我国中亚热带天目山地区的老龄森林生态系统不是处于碳收支稳定状态,而是具有相对较高的固碳能力.

关键词：天目山亚热带老龄森林涡度相关 CO2通量碳汇

天目山常绿、落叶阔叶混交林生长季能量通量及平衡分析

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福建农林大学学报（自然科学版） 2016年第4期45卷 391-397页

作者：方成圆江洪牛晓栋陈晓峰孙恒浙江农林大学浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室浙江临安311300 南京大学国际地球系统科学研究所江苏南京210093

为探讨森林生态系统的能量平衡关系,利用开路涡度相关系统和常规气象仪器的观测结果,分析了2014年天目山常绿、落叶阔叶混交林生长季的能量通量变化特征,并计算了波文比及其能量闭合度.结果表明:生长季净辐射总量为1 810.2MJ·m^(-2),... 详细信息

为探讨森林生态系统的能量平衡关系,利用开路涡度相关系统和常规气象仪器的观测结果,分析了2014年天目山常绿、落叶阔叶混交林生长季的能量通量变化特征,并计算了波文比及其能量闭合度.结果表明:生长季净辐射总量为1 810.2MJ·m^(-2),潜热通量、显热通量和土壤热通量分别为1 033.0、727.7和53.8 MJ·m^(-2),潜热通量占净辐射的57%,显热通量占净辐射的40%,土壤热通量占净辐射的3%;生长季能量闭合度为1.002,月平均能量闭合度为0.99.

关键词：能量通量能量闭合度常绿、落叶阔叶混交林