中科院 生态系统水碳氮循环与通量观测原理与技术
亚洲区域陆地生态系统碳通量观测研究进展
展 [1]. 研究地球系统的碳循环过程和控制机理 , 评价 陆地生态系统对温室气体的吸收或排放能力 , 分析 全球碳源 /汇的时 -空分布特征 , 预测未来的气候变化 趋势和评价生态系统碳循环对全球变化的响应与适 应特征, 是现代地球系统科学、生态与环境科学关注
2004-07-14 收稿 , 2004-11-01 收修改稿 * 国家重点基础研究发展规划项目 (编号 : G2002CB412501)和中国科学院知识创新工程重大项目 (编号: KZCX1-SW-01-01A)共同资助 ** E-mail: yugr@
中国科学 D 辑 地球科学 2004, 34 (增刊Ⅱ): 15~29
15
亚洲区域陆地生态系统碳通量观测研究进展*
于贵瑞
①**
张雷明
①②
孙晓敏
①
李正泉
①②
伏玉玲
①②
(① 中国科学院地理科学与资源研究所, CERN 综合研究中心, 北京 100101; ② 中国科学院研究生院, 北京 100039)
摘要
[5] [4] [1]
与生态系统类型上的分布并不均衡 . 按地带性划分 , 26 个站点分布在温带地区 , 约占总数的一半 . 按生 态系统类型划分 , 30 个集中在森林 , 农田观测站点 也大部分集中于稻田 . 由此可见 , 现有的站点还远 远不能覆盖各区域的主要生态系统类型 , 还需要不 断增加观测站点的数量 , 增强观测站点的区域和生 态系统的代表性 , 以准确评价亚洲区域的陆地生态 系统碳源、 汇强度 . 近年来 , 中国的通量观测保持了 很好的发展势头 , 中国林业科学院和国家气象局都 在启 动 一定 规模 的 通量 观测 研 究计 划 ( 个 人 交流 ), 将为发展亚洲地区的通量观测事业起到进一步的推 动作用 . 值得关注的是 , 亚洲区域的一些卫星遥感 和环境监测方面的大型研究计划正在与通量观测研 究网络密切配合 (图 1), 这无疑会极大地提高通量观 测研究网络的综合研究能力 , 拓宽观测成果的应用 领域 . 本文重点评述了亚洲地区在通量观测设备研发、 观测技术改进、 典型生态系统 CO2 通量特征及环境控 制机理和生态系统碳循环模型模拟等研究领域所取 得的重要进展 , 并探讨了亚洲地区通量观测研究所 面临的主要科学问题、解决途径和新的区域合作机 制.
碳氮循环变化特征及驱动机制_概述说明以及解释
碳氮循环变化特征及驱动机制概述说明以及解释1. 引言1.1 概述碳和氮是地球生态系统中两个重要的元素循环。
碳氮循环的变化特征及其驱动机制对于理解全球变化、生物地球化学过程和环境保护具有重要意义。
本文旨在综述碳氮循环的变化特征及其驱动机制,并分析其变化模式和影响因素。
1.2 文章结构本文共分为以下几个部分:第一部分为引言,主要介绍研究背景、目的和文章结构;第二部分将详细讨论碳氮循环的变化特征,包括碳循环与氮循环的不同方面;第三部分将探讨碳氮循环的驱动机制,包括外部驱动因素和内部驱动因素;第四部分将进行变化模式与影响因素分析,探究碳氮循环的具体模式和主要影响因素;最后一部分是结论,总结目前研究成果并展望未来研究方向。
1.3 目的研究人员对于碳氮循环变化特征及其驱动机制进行了广泛研究。
本文的主要目的是通过对相关研究成果的整理和分析,深入了解碳氮循环的变化特征以及推动其发生变化的驱动机制。
同时,本文力求提供对于未来研究方向的展望和建议,以促进更好地理解和保护碳氮循环。
2. 碳氮循环变化特征:2.1 碳循环变化特征:碳是地球上最常见的元素之一,它在生物圈、大气圈、海洋和陆地等多个系统中循环。
碳的变化特征主要包括不同储存库之间的交换以及碳吸收和释放过程的速率。
其中,全球二氧化碳(CO2)浓度呈增长趋势,主要原因是人类活动导致的燃烧排放和森林砍伐等行为释放了大量CO2。
此外,碳还通过植物光合作用、生物降解和土壤有机质分解等方式进入陆地生态系统,并通过呼吸、腐解和溶解等途径返回大气和水体。
2.2 氮循环变化特征:氮是构成细胞核酸、氨基酸和蛋白质等生物分子的重要元素,对维持生态系统功能至关重要。
与碳循环相似,氮也在不同储存库之间进行交换,并通过一系列微生物介导的转化过程在不同形式之间进行转换。
全球氮输入主要来源于农业施肥和化石燃料燃烧释放的氮氧化物。
然而,过量的氮输入会导致水体富营养化和土壤酸化等环境问题。
综上所述,碳和氮在生态系统中的循环变化特征受到了多种因素的影响,包括自然因素和人类活动。
湖泊生态系统氮循环途径及发生条件分析
湖泊生态系统氮循环途径及发生条件分析【摘要】湖泊生态系统中的氮循环是一个复杂的过程,涉及到氮的来源、转化、去除等多个环节。
本文通过对湖泊生态系统氮循环途径及发生条件的分析,揭示了氮在湖泊中的重要性和影响。
氮来自于氮的固氮、氨氮、硝酸盐等形式,通过藻类的光合作用和微生物的分解作用进行转化,最终被沉积或通过植物的吸收进行去除。
氮的循环过程受多种因素的影响,包括氧气、温度、pH值等。
深入研究湖泊生态系统氮循环的重要性,有助于加强湖泊管理和保护,并为未来的研究提供重要的方向和理论支持。
【关键词】湖泊生态系统、氮循环、来源、转化、去除、发生条件、重要性、研究方向1. 引言1.1 研究背景湖泊是地球上重要的淡水生态系统,拥有丰富的生物多样性,为生态平衡和人类生活提供了重要的服务。
氮是生物体中不可缺少的元素之一,它在湖泊生态系统中扮演着重要的角色。
随着人类活动的不断增加,湖泊生态系统氮循环受到了严重的破坏,导致了水体富营养化、蓝藻水华等问题的出现。
研究表明,湖泊生态系统中氮的循环过程十分复杂,涉及到多种生物和非生物因素的相互作用。
了解湖泊生态系统中氮的来源、转化和去除过程,对于有效保护湖泊生态系统的稳定性具有重要意义。
本文旨在探讨湖泊生态系统中氮循环的途径及发生条件,为进一步研究和保护湖泊生态系统提供理论基础和参考。
通过深入了解湖泊生态系统中氮的循环规律,可以为湖泊生态环境的保护和修复提供科学依据和技术支持。
1.2 研究目的湖泊生态系统氮循环是一个复杂的过程,对于湖泊的生态平衡和水质有着重要的影响。
本文旨在通过对湖泊生态系统氮循环途径及发生条件的分析,深入探讨湖泊氮循环的机制和规律,为湖泊生态环境保护与管理提供科学依据。
1. 分析湖泊生态系统氮循环的整体情况,揭示氮在湖泊系统中的来源、转化和去除过程,探讨氮在湖泊中的循环路径。
2. 探讨湖泊生态系统中氮的来源,包括氮的输入通道和主要来源物质,分析不同来源对湖泊水质的影响。
第九讲_碳交换_
中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心 袁国富
碳的固定过程与光合作用 光合作用与环境因子的关系
4. 空气
CO2补偿点
净光合速率随CO2浓度的下 降而下降,当净光合速率下降 到0时的CO2浓度称为CO2补 偿点。
净光合速率andnraa??leaf暗呼吸与温度有关可以使用arrhenius方程模拟碳的固定过程与光合作用光合作用生化模型模型考虑的因素??????????i????minminmaxlciettccvvffjjtcijfjaa吸收的par可以来自于对辐射的观测中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络cern水分分中心袁国富mlslcimcvtfj胞间co2浓度决定于气孔对空气co2的传输能力叶片温度取决于气孔对水汽交换潜热的传输能力和叶片表面能量平衡过程lcitcfa?这一模型仍然没有考虑水分胁迫对光合作用过程的影响碳的固定过程与光合作用冠层尺度的光合模型二叶模型将单叶的光合速率扩展到整个冠层方法
中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心 袁国富
碳的固定过程与光合作用 光合作用与环境因子的关系
3. 水
一般通过光合作用每形成1g有机物约需0.6g水。但实际上在 进行光合作用时,植物消耗的水分远大于这个数值,这些水 分是被蒸腾作用消耗掉的。
蒸腾系数:植物蒸腾掉的水分重量与光合固定的有机物重量 的比值称为蒸腾系数。
光强太高时,光合机构还会 受到破坏
中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心 袁国富
碳的固定过程与光合作用 光合作用与环境因子的关系
第九讲_碳交换_
碳的固定过程与光合作用
光合作用与环境因子的关系
4. 空气
CO2补偿点 净光合速率随CO2浓度的下
降而下降,当净光合速率下降 到0时的CO2浓度称为CO2补 偿点。
CO2饱和点 净光合速率不再随CO2浓度
升高而升高时的CO2浓度。在 自然条件下,这种情况很难达 到。
Calvin循环的三个过程
1) 羧化作用
2) 还原作用
3) RuBP的再生
再生
羧化 还原
中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心 袁国富
碳的固定过程与光合作用 光合过程
4. 碳同化过程——Calvin Cycle 羧化作用
由RuBP羧化酶(Rubisco) 催化,将CO2加到RuBP 的C-2上,形成中间产物 2-羧基-3-酮基核糖醇1,5-二磷酸,然后水解为 两个分子的3-PGA(3-磷 酸甘油酸)
光强太高时,光合机构还会 受到破坏
中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心 袁国富
碳的固定过程与光合作用
光合作用与环境因子的关系
1. 光
光饱和点: 植物的叶片的光合速率随着光照强 度的增加而增加,当光合速率不再 随着光强而增加时的光照强度称为 光饱和点
光补偿点: 当植物的光合速率与呼吸速率相等 时的光照强度称为光补偿点
光补偿点
中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心 袁国富
碳的固定过程与光合作用 光合作用与环境因子的关系
1. 光
根据C3植物和C4植物 在碳同化中机理的差 异,可以发现C4植物 有比C3植物有更强的 光合能力,它的光饱 和点很大甚至没有。
中国陆地生态系统碳-氮-水通量的相互关系及其环境影响机制
项目名称:中国陆地生态系统碳-氮-水通量的相互关系及其环境影响机制首席科学家:于贵瑞中国科学院地理科学与资源研究所起止年限:2010年1月-2014年8月依托部门:中国科学院一、研究内容(一) 拟解决的科学问题本研究的核心科学目标是:分析生态系统碳、氮、水通量的年际变异及其相互平衡关系;揭示典型森林和草地生态系统碳氮水耦合循环对环境变化的区域响应机制;研发新一代基于多尺度-多源数据融合的陆地生态系统碳氮水循环耦合模型;综合评价我国及东亚地区陆地生态系统碳收支的时空格局及其对未来气候变化和人类活动的响应。
本研究工作的核心任务是:评估我国陆地生态系统碳源/汇强度、空间格局及变化趋势,阐明我国主要生态系统碳氮水循环关键过程对温度升高、降水变化和氮沉降增加的区域响应机制,为国家的温室气体管理提供科学依据。
为实现上述的目标和核心任务,必需解决以下两个关键科学问题,发展一套关键方法论体系,它们的逻辑关系如图1所示。
集成研究:中国区域生态系统碳源汇的时空格局与温室气体管理图1. 本研究所关注的核心科学问题与方法论体系的逻辑关系1. 生态系统碳-氮-水通量组分的相互平衡关系及其影响机制陆地生态系统碳、氮、水循环包含诸多复杂过程,它们不仅在土壤、植被、大气界面之间存在着错综复杂的相互作用关系,而且碳、氮、水循环之间具有相互制约的耦合关系,由此可以推断生态系统碳氮水通量组分之间存在着可计量的相互平衡关系。
因此,研究生态系统碳氮水通量组分生态化学计量平衡关系及其环境影响机制是揭示碳氮水通量的季节和年际变异规律、阐明陆地生态系统增汇潜力、降低全球碳平衡预测的不确定性必须解决的科学问题,是本研究项目的难点与挑战。
2. 生态系统碳-氮-水耦合循环过程对全球变化的响应和适应人类活动导致的大气氮沉降增加、温度/降水的空间格局和时间分配的改变,正在严重影响生态系统碳、氮、水循环过程以及各种通量组分间平衡关系和陆地生态系统碳源/汇强度。
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2.7尺度Scale
• 在不同现象,分析和取样上,尺度被用作以上提及的 六个概念的同义词,还有一些其他相关定义被使用。
• 虽然尺度这一词汇的使用纷繁复杂而混乱不堪,但是 我们强调与以下三者具有联系。
1)被研究现象的结构和过程。(即存在空间尺度,也 存在时间尺度。)
2)取样方案和统计分析应该被分开考虑。(就是说 sampling和analysis的尺度是相互分离而不相互混淆的)
4.1.1美国矮桦Betula glandulosa
样线法 记录分布位置 和覆盖度
Yukon,Canada
1001个0.1×0.1m2的连续样方
4.1.2白刺果豚草Ambrosia dumosa
Joshua Tree National Park,America
样地为100×100 m2 取样样方为5×5 m2 记录分布位置
ECNU
1.2尺度概念--种类
现象(phenomenon) 尺度 观测(observational) 尺度
分析(analysis) 尺度
1.2.1现象尺度
27*27 cm
格局的空间特征:
斑块大小(tile size) 种间间距(phase lag) 现
象
尺 度
过程的空间特征: 行动的范围
(range of action)
• 在支撑(Support)任何一个特征上的某个改 变,都将新定义一个变量。
• 取样单元一旦改变,两组即便是同一属性的测 得变量也必然是截然分开的不同变量。
2.6比例尺Cartographic ratio
• 当数据被提出或存储为地图时,存在一个 地图上的距离所代表现实世界真实距离的 比值。
• large scale ≠ large extents
全球碳循环(中科院延晓东PPT)
Temperate East Asia
全球碳循环:《全球变化》第四章 Global Carbon Cycle: 《Global Change》Chapter 4 延晓冬 Yan Xiaodong
中国科学院大气物理研究所 东亚-气候环境重点实验室 2003年4月
内容提要
1 2 3 4 5 6 7 8 9 温室效应与全球碳循环 missing carbon sink 陆地生态系统与全球碳循环 陆地生态系统与全球碳循环 海洋与全球碳循环 环境因素与碳循环 全球碳循环模型 《京都议定书》 中国的碳收支 未来全球碳循环展望
中国科学院大气物理研究所 东亚-气候环境重点实验室 2003年4月
1 温室效应与全球碳循环:大气中CO2浓度上
升是地球变暖的主要原因
没有二氧化碳浓度上升
Regional Center
Temperate East Asia
全球碳循环:《全球变化》第四章 Global Carbon Cycle: 《Global Change》Chapter 4 延晓冬 Yan Xiaodong
主要参考文献: Houghton,J.T. et al. 2001. Climate Change 2001, The Scientific Basis, Cambridge.
方精云等 2000。全球生态学,高等教育出版社。
Regional Center
Temperate East Asia
全球碳循环:《全球变化》第四章 Global Carbon Cycle: 《Global Change》Chapter 4 延晓冬 Yan Xiaodong
中国科学院大气物理研究所 东亚-气候环境重点实验室 2003年4月
温室效应与全球碳循环:CO2浓度上升的主要原 因-未来化石燃料燃烧和人类活动排放
中国陆地和近海生态系统碳收支研究中国陆地生态系统碳循环及其驱
简 报简 报 第27期简 报 第6期 联合项目办公室编 2003年12月15日 “亚洲通量观测研究国际研讨会”在北京召开 在中国科学院知识创新工程重大项目和国家重点基础研究发展规划项目的支持下,中国通量观测网(ChinaFLUX)已建成并投入运行1年多,目前8个通量站运行状况良好,并已获得了大量连续性的水、热和碳通量观测数据,实现了阶段性的研究目标。
为促进亚洲地区通量观测网与国际通量观测网之间的相互交流与合作,2003年12月1-3日中国科学院和中国生态系统研究网络(CERN)、中国科学院地理科学与资源研究所、中国通量观测网(ChinaFLUX)和亚洲通量观测网(AsiaFlux)在北京联合主办了“亚洲通量观测研究国际研讨会”。
来自中国、日本、韩国、美国、加拿大、澳大利亚和芬兰7个国家的气象、环境、生态和地理等领域180多位专家参加了会议,其中国外来宾55人。
大会由中国科学院资源环境科学与技术局副局长、中国IGBP委员会副秘书长陈泮勤研究员和中国科学院生态系统研究网络综合研究中心主任、ChinaFLUX负责人于贵瑞研究员主持,中国科学院资源与环境科学技术局傅伯杰局长、中国科学院地理科学与资源研究所刘纪远所长、国家中国陆地和近海生态中科院知识创新工程重大项目系统碳收支研究 国家重点基础研究发展规划项目 中国陆地生态系统碳循环及其驱动机制研究简报自然科学基金委员会生命科学部于振良处长、中国科学院地理科学与资源研究所李秀彬副所长等出席。
会议主要来宾包括:日本国立产业技术研究所副部长及亚洲通量观测网主席Yamamoto Susumu教授;日本国立环境研究所地球环境部长及亚洲通量观测秘书长Gen Inoue教授,日本大阪大学农业和生物学系通量观测专家Monji Nobutaka教授;国际通量观测网络秘书、美国橡树岭国家实验室Lianhong Gu教授;韩国通量观测网主席、韩国Yonsei大学Joon Kim教授;田纳西大学地球和行星科学系教授John F. McCarthy(USA);日本国立环境研究所环境部长Masataka Watanabe;美国Campbell公司副总裁、微气象通量观测设备专家Bertrand D. Tanner;北京大学地球物理系陈家宜教授;中国科学院知识创新工程重大项目“中国陆地和近海生态系统碳收支研究”首席科学家黄耀研究员。
陆地生态系统氮状态对碳循环的限制作用研究进展_1
4期
任书杰 等: 陆地生态系统氮状态对碳循环的限制作用研究进展
61
共同确定。但在大气 CO2 浓度升高的条件下, 叶片中较低的氮就能维持一定的光合能力 [38]。 大田的观测已经证实, 通过升高大气中 CO2 浓度提高根冠比[39]。
3.4 碳氮耦合影响生态系统对气候变化的响应 一些研究指出, 碳- 氮耦合过程会影响生态系统对大气和气候变化的响应。在大气 CO2
表 1 陆地生态系统中氮素的主要来源 Tab.1 Ter r estr ial nitr ogen main cr eation
由于闪电而固定的氮为 3 ̄5.4Tg N/年[9,10]。尽管这个数量与陆地生态系统中的生物固氮 作用相比很小, 但是对于没有其它氮素来源的生态系统却是相当重要。
因为氮素往往是植物生长的限制因子, 所以在生态系统中, 尤其是人工生态系统如农 田、果园中常常施入大量的氮肥。在 1995 年, 为食品生产和其它工业活动所合成的氨态氮为 100Tg[11], 其中大约 86%被用来生产肥料。
我国海洋生态系统中氮循环的相关研究
我国海洋生态系统中氮循环的相关研究XXX单位XXX姓名摘要:对某一海区营养盐的去向、不同形态间的相互转化及其与生物相关的过程的研究是研究整个海洋生态系统的基础和关键。
氮是海洋环境中主要的营养元素之一, 并被认为是大部分海区的限制营养元素。
人们对于氮在海洋环境中的循环过程的研究随着分析方法及对化学和生物知识的掌握和理解而不断加深。
生物地球化学循环主要由微生物驱动,除固氮作用、硝化作用、反硝化作用和氨化作用外,近年还发现厌氧氨氧化是微生物参与氮循环的一个重要过程。
同时,随着宏基因组学等分子生物技术的快速发展和应用,参与氮循环的新的微生物类群——氨氧化古菌也逐渐被发现。
,下面就对氮元素的循环研究进展作简要综述。
关键词:海洋生物化学; 海洋沉积物; 氮营养盐; 循环过程中图分类号:P734.4+4海洋是全球生态系统的重要组成部分,在地球系统中,其与大气、陆地紧密联系在一起,在调节全球气候等方面发挥着举足轻重的作用。
全球变化引起的海洋变化十分明显, 现在已经能够观测到海洋的大尺度物理、化学和生物特征的变化,其中海洋食物链结构、海岸带富营养化和珊瑚礁退化最为明显[1 ] ,海洋生物地球化学过程的研究可为进一步了解认识海洋变化的机制奠定基础。
海洋生物地球化学主要研究海洋环境中与生物有关物质特别是营养盐在生物过程作用下的行为。
海洋中的营养元素主要包括C、N、P、Si、O、Fe等, 它们与生物的生长、繁殖密切相关, 调节着整个生态系的平衡。
其中氮是生物生命活动的基本营养元素,作为蛋白质和核酸的主要成份,氮也是维持生物体结构组成和执行所有生物化学过程的基础。
氮循环是整个生物圈物质和能量循环的重要组成部分,因此它与碳、氢、氧一样在生物学上具有重要的意义。
氮的生物地化循环过程非常复杂,循环性能极为完善。
近几十年来, 环境和资源问题的日益突出促进了人们对海洋生态系统的研究及对海洋资源的开发和利用, 海洋中的循环亦受到了广泛关注。
CNS循环
流通率 周转率 库中营养物质总量
周转时间:周转率的倒数
库中营养物质总量 1 周转时间 流通率 周转率
Xi’an Jiaotong University
大气圈中CO2的周转时间大约是一年左右(光合 作用从大气团中移走CO2);
大气圈中分子氮的周转时间则需100万年(主要 是生物的固氮作用将氮分子转化为氨氮为生物所 利用);
无机氮
化合物
Xi’an Jiaotong University
同化:绿色植物和微生物吸收硝态氮和氨态氮,组成机 体中蛋白质、 核酸等含氮有机物质的过程. 转 化 的 类 型 氨化:所有生物残体中的有机氮化合物,经生物分解成 氨态氮的过程.
硝化:氨在有氧条件下通过微生物作用,氧化成硝酸盐 的过程.
反硝化:硝酸盐在通气不良条件下,通过微生物作用而 还原的过程. 固氮:通过微生物作用,把分子氮转化为氨的过程.
类型 化石燃料燃烧 陆地植被破环 大气中CO2上升 海洋吸收 未知去向 数量/l015gC/a 6.0 0.9 3.2 2.0 1.7
人类活动向大气净释放碳大约为6.9×l015gC/a,其中 大约25%的全球碳流的汇是科学尚未研究清楚的
Xi’an Jiaotong University
(蓄库) 大气N2 固氮菌 蓝藻 闪电
Xi’an Jiaotong University
水循环
Xi’an Jiaotong University
气体性循环:物质的主要储存库是大气和海洋,循环与大气 和海洋密切相连,具有明显的全球性,循环性能最为完善。 属于气体性循环的物质,其分子或某些化合物常以气体的 形式参与循环过程,如O2、CO2、N、Cl、Br、F等。气体 循环速度比较快,物质来源充沛,不会枯竭。 沉积型循环:参与沉积型循环的物质的主要储库在土壤、沉 积物和岩石中,没有气体形态,这类物质循环的全球性不 如气体型循环,循环性能也很不完善,如P、Ca、K、Na、 Mg、Mn、Fe、Cu、Si等。沉积型循环速度比较慢,参与 循环的物质主要通过岩石风化和沉积物的溶解转变为生态 系统可利用的营养物质,而海底沉积物转化为岩石圈成分 则是一个相当长的、缓慢的、单向的物质转移过程,时间 要以千年来计。
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2/3
生物总量与沉积物单位面积垂向营养流,池底面积 总的垂向光 沉积物单位面积垂向营养流 池底面积 池底面积,总的垂向光 沉积物单位面积垂向营养 辐照度有关,而这就依赖于水箱的表面积 深度 表层光合有效 表面积,深度 辐照度 表面积 深度,表层光合有效 辐照通量和光的衰减系数 辐照通量 光的衰减系数
3
中型生态实验室中的生物量累积
实验室中型可控生态系统通过控制外在条件来研究影响机制。 Eppley1978年的实验中水箱池壁的生物累积量 生物累积量是他们研究中一个重要的限 生物累积量 制因子。 不考虑水箱的形状的影响,水箱的生物总量与水箱的面积存在尺度关系
3
中型生态实验室中的生物量累积
单位面积的生物量(即生物密度)将会上升到最大值Bmax,但 这与池壁面积无关。
2
湖泊的渔获量
第一个式子V和A关系的β值说明 Ryder的试验湖和Fee的试验湖 是不同的
Ryder 21.343=2.53
完全相似湖泊 21.5=2.8 2
Fee
1.678=3.2
尺度方程印证了V2/3理论尺度,因此该尺度推译可以基于水域体 积的变化来预测任何一个中纬地区捕获鱼量的变化。 讨论: 讨论:是否意味着:低纬地区、高纬地区不遵循这种尺度推 译?或有待实验证明?
或者说,单位体积的生物量将会上升到最大值,这与池壁和 水体的交换率有关。因此单位体积的生物量与水箱面积/体积 的比呈正相关,相当于与水箱半径的倒数成比例。 正
1997年Chen通过测量不同大小和形状的水箱检测了这个结果
3
中型生态实验室中的生物量累积
完全相似的水箱几何尺度
3
中型生态实验室中的生物量累积
作者 21.176=2.3
Ryder 21.343=2.53
碳通量及碳同位素通量连续观测方法与技术
碳通量及碳同位素通量连续观测方法与技术引言:碳是地球生物圈中最重要的元素之一,参与了地球生态系统的物质循环过程。
而碳通量和碳同位素通量则是研究碳循环的重要指标,可以反映出生态系统的碳代谢过程。
本文将介绍碳通量及碳同位素通量的连续观测方法与技术,以及其在生态学研究中的应用。
一、碳通量连续观测方法与技术1. 通量测量系统通量测量系统是连续观测碳通量的关键设备,主要包括通量测量仪器、气象观测设备和数据采集系统。
通量测量仪器常用的有涡度相关仪、静态通量仪等,气象观测设备则包括气象站、降水采集器等。
数据采集系统能够实时采集仪器和气象观测设备的数据,并进行处理和存储。
2. 通量计算方法通量计算方法是根据测量的数据计算出碳通量的数值,常用的方法包括涡度相关方法、直接通量法和间接通量法。
涡度相关方法是基于Kormann和Meixner于2001年提出的公式,通过测量气体浓度和风速来计算通量。
直接通量法是通过测量碳在某个面积上的变化来计算通量,适用于小面积的场景。
间接通量法是通过测量碳的输入和输出通量来计算总通量,适用于大面积的场景。
3. 通量观测技术通量观测技术是指在实际观测中应用的技术手段,包括通量探头的设置、数据采集频率的选择、观测时间的确定等。
通量探头的设置需要考虑到气象条件、生态系统特点和测量目的等因素,以确保观测数据的准确性和可靠性。
数据采集频率的选择应根据具体情况,一般来说,高频率的数据能够更准确地反映碳通量的变化。
观测时间的确定应考虑生态系统的季节特点和通量变化的时间尺度,以获得全面和代表性的通量数据。
二、碳同位素通量连续观测方法与技术1. 同位素测量方法同位素测量方法是连续观测碳同位素通量的关键技术,常用的方法包括质谱仪法、激光光谱法和同位素比值法。
质谱仪法是通过质谱仪对样品进行分析,可以获得各种同位素的丰度和比值。
激光光谱法是通过激光光谱仪对样品进行分析,可以实现快速、准确地测量同位素丰度。
同位素比值法是通过测量样品中同位素的比值来计算同位素通量。
中国陆地生态系统通量观测研究网络简介
中国陆地生态系统通量观测研究网络简介中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)是以中国科学院生态系统研究网络为依托,以微气象学的涡度相关技术和箱式/气相色谱法为主要技术手段,对中国典型陆地生态系统与大气间CO2、水汽、能量通量的日、季节、年际变化进行长期观测研究的网。
ChinaFLUX在中国科学院知识创新项目"中国陆地及近海生态系统碳收支研究"(KZCX1-SW-01)以及国家重点基础研究发展规划项目(973项目)"中国陆地生态系统碳循环及其驱动机制研究"(2002CB412500)的支持下于2002年建成,拥有8个微气象和16个箱式/气相色谱法观测站。
在中国科学院知识创新工程重要方向项目"中国陆地生态系统碳通量特征及其环境控制作用研究"的支持下,有超过22个森林、草地、农田站结合野外植被、土壤生理生态学实验对碳、水及能量通量进行观测。
截止目前,ChinaFLUX的观测研究站点(网)已达79个(观测塔83座),其中包括18个农田站、19个草地站、23个森林站、15个湿地站、2个荒漠站、1个城市站和1个水域站(网)。
设计理念与科学布局:率先提出通量观测网络与全球变化陆地样带整合的设计理念,优化ChinaFLUX观测站的空间布局,带动中国生态系统研究走向国际前沿。
依据欧亚大陆森林和草地的地理分布特征、结合中国区域气候带区划成果,在中国区域原有的东北样带(NECT)和东部南北样带(NSTEC)基础上,提出了中国草地样带(CGT)、欧亚大陆东缘森林样带(EACEFT)和欧亚大陆草地样带(EACGT)的新概念,构造了亚洲区域全球变化科学研究的样带体系 (Yu et al., 2006; 于贵瑞和孙晓敏,2006)。
提出了将欧亚大陆陆地样带研究与观测站空间布局进行整合的中国通量网络(ChinaFLUX)设计理念,形成了亚洲区域陆地生态系统碳计划(CarbonEastAsia)国际合作的基础平台,填补了亚洲季风区观测研究的空白,增强了ChinaFLUX区域代表性,提高了ChinaFLUX在FLUXNET中的地位和作用。
第六讲_通量观测方法与原理_
D为发射光束的直径,L为光程长度
大尺度通量观测: 大孔径闪烁仪
大型蒸渗仪方法 示意图
外观
大型蒸渗仪方法 示意图
内部构造
大型蒸渗仪方法 优缺点
优点 直接观测,精度高 可以进行水分处理,进行不同科学目的的观测
缺点 自然代表性不够 应用范围相对较窄
波文比-能量平衡方法
波文比的定义
波文比(Bowen ratio)指地表感热通量与潜热通量之比
H E
波文比可以描述空气的稳定状况:波文比越大,表明感热交换越强烈,空 气越不稳定,波文比越小,空气稳定性越好
u为瞬时值,u为一段时间的平 均值,u’为脉动值
涡度相关方法 原理
2. Reynolds平均法则
u u
u' 0 uw uw
u'w u'w 0 uw uw u'w'
涡度相关方法
原理
3. 涡度相关的两个假定
✓水平方向上通量的输入与输出 相等
u1v1 u2 v2
w1ρv
w1’ρv’
u1ρv1
空气的折射指数与感热通量之间在理 论上存在一个关系 空气折射指数用折射指数的结构参数 Cn2来描述其湍流强度 Cn2是一个与温度结构参数CT2相关的 一个参数。对于近红外波段,这个关 系式可以表达为:
温度结构参数 空气折射指数
AT为温度对折射指数的相对贡献 T为空气温度 β为波文比 p为大气压
大尺度通量观测: 大孔径闪烁仪 大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer)原理
i0
w'v'
陆地生态系统CO_2与水热通量的研究进展
中 图 分 类 号 : 7 . XI 1 1
文献标识码 : A
文 章 编 号 :0 8— 3 1 2 1 )2— 0 1 8 1o 2 0 (0 2 0 0 0 —0
Th s a c o r s n CO2 e Re e r h Pr g e so ,W a e n a u e ft e Te r sr a o y t m . t r a d He tFl x so r e ti l h Ec s se MA Ho g ,CHE a— n。 N Y
( ) 0 ~ 0 2 : 1 8
Ab t a t: e p o lm fCO2,wa e n e tfu e n tre tile o y t m s a k y a d d f c l r s a c on n s r c Th r b e o tr a d h a x s i e r sra c s se i e n i u t e e r h p iti l i f
nn L i o g ( . o eeo rs n ut n n i n e t c n e ,X ni gA r u ua U i r t, ig , I We —h n 。 1 C l g fG asId s ya d E vr m na S i cs i a gi l rl nv sy l r o l e jn ct ei U u q 3 0 2; . ij n eerhIs t eo clg n ega h/ tt K yL b rt f eet n ai rm i 0 5 2 Xni gR sac ntu f o ya dG orp y Sae e a oa r o sr a dO s 8 a it E o o y D s E oo ,C ieeA a e y o c ne ,U u q 3 0 , hn ) E vrn e t rt t n o i a g2 1 , 4 cl y g hn s cd m fSi cs rm i8 0 1 C ia . n i m na Poe i fX ̄i 0 2 3 e 1 o l co n
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Chap. 5
22
Light response curve of photosynthesis
Chap. 5
23
Light use efficiency
• Efficiency of using light to fix carbon
– Same thing as light response curve
Chapter 5 Carbon Input to Terrestrial Ecosystems
Part II Mechanisms Chapin, Matson, Mooney Principles of Terrestrial Ecosystem Ecology
Chap. 5
1
1. Introduction
Chap. 5
32
Shade intolerant species saturate at relatively high levels of photon flux density, while shade tolerant species saturate at relatively low levels of photon flux density.
Chap. 5
2
Carbon inputs to ecosystems
• Process: photosynthesis • Importance
– Energy that drives all biotic processes – Accounts for half of organic matter on Earth
• Nearly constant in C3 plants at low light (about 6%)
– i.e., linear portion of light response curve is same in all plants – Known as quantum yield of photosynthesis
• Carboxylase
– Reacts with CO2 to produce sugars – Leads to carbon gain
• Oxygenase
– Reacts with oxygenase to convert sugars to CO2 – Respires 20-40% of fixed carbon – Photo-protection mechanism
Chap. 5
30
Leaf area determines light environment
• Light declines exponentially within canopy
Chap. 5
31
Species that are adapted to growing at reduced light intensities, which are referred to as shade tolerant species (e.g. sugar maple, hemlock, beech), generally have lower compensation points and levels of light saturation than shade intolerant species like the aspens and many pines.
– Mechanisms same as for acclimation
Chap. 5 26
Chap. 5
27
Left-hand side: sun and shade leaves of maple top-right: leguminous tree of arid regions bottom-right: extreme shade-adaptation in the lower part of the rain forest (focusing cells, very large substomatal cavity)
Chap. 5 38
Leaf nitrogen determines photosynthetic capacity
Chap. 5
39
Chap. 5
40
Stomatal conductance adjusts to match photosynthetic capacity (or vice versa)
– Converts light into chemical energy
• Carbon fixation reactions
– Uses chemical energy to convert CO2 into sugars
Chap. 5
9
Chap. 5
10
Rubisco can gain or lose carbon
• Adjustment of photosynthetic capacity to soil resources • Adjustment of stomatal conductance • Adjustment of leaf area • Change in species composition
– Maintain highest Ps capacity at top of canopy – Shed leaves that don’t maintain positive carbon balance
Chap. 5
34
3.3 Direct Controls
Chap. 5
35
Chap. 5
Chap. 5
3
Gross Primary Production (GPP)
• Net photosynthesis at the ecosystem scale
Chap. 5
4
GPP is C input toPhotosynthesis
• Levels of control
• Light limitation • Enzyme limitation
Chap. 5
20
CO2 response curve of photosynthesis
Chap. 5
21
3.2 Light Limitation
• Leaves adjust stomatal conductance and photosynthetic capacity to maximize carbon gain in different light environments.
6
Over long time scales (a year) indirect controls predominate
Chap. 5
7
2. photosynthetic pathways
Chap. 5
8
Two major sets of reactions
• Light-harvesting reactions
Chap. 5 11
Chap. 5
12
Chap. 5
13
3 photosynthetic pathways
• C3 photosynthesis • 2 other pathways (see textbook)
Chap. 5
14
Chap. 5
15
Chap. 5
16
Creates high conc of CO2
Chap. 5
28
Mechanisms of adjusting to variation in light
• Other neat tricks
– Maximize leaf area
• More leaves • Thin leaves (shade) or cylindrical leaves (sun)
Chap. 5
17
How homoihydric plants can live in very dry places: CAM photosynthesis
Chap. 5
18
3. Net Photosynthesis by Individual Leaves
Chap. 5
19
3.1 Basic principle of environmental control
Chap. 5
41
Leaf longevity is a major factor determining photosynthetic capacity Inevitable tradeoff between photosynthesis and leaf longevity Long-lived leaves contain lots of non-photosynthetic compounds Herbivore protection Desiccation resistant
– Controls in individual leaves – Control by canopy processes
• Controlling factors
– Direct controls: light, CO2 – Indirect controls: water, nutrients
Chap. 5
36
Some plants alter photosynthetic capacity in response to changes in CO2
Chap. 5
37
Vegetation adjusts photosynthetic capacity and leaf area to balance availability of soil resources