简述陆地生态系统碳循环观测方法

简述陆地生态系统碳循环观测方法

孙晓波;王殿波;栾奎志

【摘要】介绍了7种碳循环通量观测研究方法,并简要评述了其未来发展趋势.【期刊名称】《林业勘查设计》

【年(卷),期】2011(000)003

【总页数】2页(P41-42)

【关键词】碳循环;碳通量;涡度;碳同位素;区域景观尺度

【作者】孙晓波;王殿波;栾奎志

【作者单位】黑龙江省黑河市林业局干岔子林场;黑龙江省林业监测规划院;黑龙江省林业监测规划院

【正文语种】中文

1 生物量和土壤碳贮量清单法

清单法是最传统的方法，主要以森林生物量数据为基础。生物量清单法的优点是直接、明确、技术简单，能够用于长时期、大面积的森林碳储量监测。通过在不同的陆地生态系统地区选取典型的样点或代表点，对不同时间生态系统的生物量和土壤碳储量进行调查，经尺度转换换算为碳储量，以清单的方法来研究不同类型陆地生态系统不同时期的碳过程。但是这种方法并不能将年际间气候变化和大气中CO2浓度增加等各自对净碳储量的影响作用区分开来，且往往需要大量的资金与人力投入。生物量清单方法的另外一个缺点是其不完整性。另外，生物量清单方法忽略了

森林生态系统内土壤微生物对有机碳分解而形成的碳源对森林生态系统碳汇的影响。因此，除进行森林群落乔木层的生物量估测外，对不同植被类型中灌木层、草本层、凋落物层、地下生物量的碳动态应进行分别研究。应用森林资源清查资料进行碳循环研究，必须充分考虑植被生物量地下部分和土壤微生物的影响，这样才能精确计算森林碳储量及其动态变化。

2 应用大型环境控制设施进行CO2浓度升高的试验研究

20世纪90年代以后开始应用大型试验环境控制设施，最著名的有开顶式生长箱(OTC)和自由CO2浓度升高试验 (Free－Air CO2Enrichment，FACE)等，把碳循环试验研究对象扩展到大型生物群落 (如森林)和整个生态系统。这类方法的显著优点是能够在自然状态下模拟CO2浓度和温度升高对个体乃至生态系统的影响及其响应，对未来气候变化下生态系统的变化作出相应的预测，为降低全球变化对生态系统的影响提供依据。但是这种环境控制需要大量研究经费支持，其大面积应用受到限制。

3 箱式法观测技术

静态箱法是在一定的时间内将箱体置于研究对象之上(如土壤和植物)，测定结束之后将箱体移开;而动态箱法在测定之后，箱体上部可以自动打开，使箱内环境与外

界保持一致，不必移走箱体。静态箱移动方便、成本较低，但不能进行连续观测;

动态箱可以实现长期和连续观测，但系统复杂，成本较高。根据箱体的透明与否，箱式法又可以分透明箱法和暗箱法。

箱法原理简单、仪器价格便宜、操作容易、移动便利、灵敏度高，适宜进行小尺度测量，是生态系统机理方面研究的有力工具，是农田和草地等生态系统碳通量观测的主要方法。但是箱法本身也存在很多缺点:在森林内部观测时，容易减弱气体的

空间变化，由于箱法效应而造成了很多不确定因素，扰动土壤环境而改变了CO2

浓度梯度、空气压力梯度、湍流脉动、物质流动等，因而，它可能影响到CO2的

产生和传输过程。尽管先进的箱法系统对此已经作了很大的改进，但是土壤表层的物质流动及箱体内部或周围的气体压力和动力仍然存在一定的问题。

4 生态系统碳通量连续测定—涡度相关技术

涡动相关法是目前通量测定最直接的方法，也是在水汽、热和CO2通量研究中理论与技术设备发展最为迅速的一种微气象学方法。涡度相关法是一种气象学方法，分为开路和闭路涡动协方差系统。系统主要包括三维声速风速仪 (如CSAT3)、开

路或闭路红外线CO2/H2O分析仪 (如开路 LI－7500和闭路 LI－7000)、数据记

录系统 (如CR10000)、导管系统以及一套分析软件。闭路系统还有一真空泵。数

据采集器控制整个系统的测量、采集、数据运算及存贮通讯。三维声速风速仪测量空气的三维风速及超声虚温，气体分析仪测量空气中的CO2和H2O气体含量，

这两种传感器测得的数据构成了涡动协方差系统的原始数据，经数据采集器在线计算或研究者离线处理，可得到CO2通量、潜热通量、显热通量、动量通量、摩擦风速等，这些特征是用于涡动协方差研究的主要参量。

涡度相关技术的优点就是能通过测量各种属性的湍流脉动值来直接测量它们的通量。其优势在于确定生态系统碳通量的连续变化，认识碳循环生理生态过程机理及其与环境条件的关系。与其它方法相比，它并不是建立在经验关系基础之上，或从其它气象参量推论而来，而是建立在所依据的物理原理之上，因而是一种直接测量乱流通量的方法，不受平流条件限制，是各种方法中较精密而可靠的方法。但要求下垫面均一平坦，复杂的环境条件 (地形和植被、冠层起伏等复杂下垫面)和夜间大气稳定层结给观测带来了很大的困难和不确定性。

5 碳同位素法

在碳循环试验研究中，常规技术无法直接测定和区分植物光合作用，自养呼吸和土壤异养呼吸所产生的CO2通量，因此不能准确揭示这些过程对环境条件变化的反应.近年来发展起来的稳定同位素测定技术使定量测定和区分这些过程成为可能。

为了研究全球气候变化对生态系统碳流通的影响，需要经过标记将稳定碳同位素附加于植物体内或环境中以示踪系统中碳在植物、大气和土壤之间的储存和流通。利用δ13C标记法对碳循环的研究可以在不同时空尺度上进行。既可以应用于植物个体水平碳分配和碳流通的研究，也可以应用于植物群落和更大空间尺度上碳的储藏、分配和流通的研究。

在全球碳循环的研究中，同位素示踪技术解决了常规方法所面临的许多难题。比如，使用碳同位素技术只需采集少量植物样品就能够得到截至采样时植物生活过程的平均水分利用效率，减少了大量繁琐的工作和数据的不确定性。而在植被动态研究中能够进行较大时空尺度的研究。

6 多层CO2/H2O廓线分析系统对生态系统水平通量观测

该系统由分析仪 (LI840、LI6262或LI820)、采样和过滤管件、电磁阀组和多路歧管、真空泵和数据采集器、机箱等组成。可以内置自动零点和量程标定系统。

CO2/H2O廓线法主要测量:CO2储量，感热储量，地表生物热储，以及冠层上的

通量。采用红外气体分析仪和多层逐层分析法及多层连续采样技术 (LI840、

LI6262或LI820)实现CO2/H2O廓线分析。采用廓线法需要许多层才比较可靠，一般不小于6层。该系统采用同一分析仪分析多层气体浓度或用多个分析仪同时

分析多层多种气体。独特的采样系统，小容量多路管道使采样入口的开关平衡时间极小，可以在1min内分析8层，同时不需在管路内加热去祛除凝结水。HAN shi －jie等研究了长白山阔叶红松林CO2廓线和CO2贮存。

7 区域景观尺度—应用定量遥感技术观测碳循环空间格局动态变化

陆地生态系统碳汇的发现和定量估计一直以大气测定的间接方法为基础，卫星遥感观测第一次为此提供了大尺度直接生态观测证据。植被指数 (NDVI)升高和植物生

长期延长意味着植被固碳能力增强。遥感观测显示北纬45度以上NDVI在20世

纪80年代增长9%，植物生长期提前6d，其中欧亚大陆提前10d以上;90年代