陳麗萍，李平衡，莫路鋒，周國(guó)模，李金榮（.浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江臨安3300；.浙江農(nóng)林大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江臨安3300）

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基于通量源區(qū)模型的雷竹林生態(tài)系統(tǒng)碳通量信息提取

陳麗萍1，李平衡1，莫路鋒2，周國(guó)模1，李金榮2
（1.浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江臨安311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江臨安311300）

摘要：基于浙江省臨安市太湖源雷竹Phyllostachys violascens林渦度相關(guān)通量觀測(cè)塔2013年全年數(shù)據(jù)，應(yīng)用通量源區(qū)模型（flux source area model，F(xiàn)SAM），分析不同大氣穩(wěn)定度條件、不同風(fēng)向和不同時(shí)間段該觀測(cè)點(diǎn)通量信息的貢獻(xiàn)區(qū)的分布，并基于貢獻(xiàn)區(qū)分析結(jié)果，從通量觀測(cè)值中分解出來(lái)自雷竹林生態(tài)系統(tǒng)的碳通量信息。結(jié)果表明：90%貢獻(xiàn)水平的通量貢獻(xiàn)區(qū)在觀測(cè)塔為中心的2.0 km×2.0 km范圍內(nèi)，大氣穩(wěn)定度相同時(shí)，4個(gè)不同方向的通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍差別不大。通量貢獻(xiàn)區(qū)長(zhǎng)度在穩(wěn)定的大氣條件下要顯著大于在不穩(wěn)定大氣條件下，前者為96.19～941.63 m，后者為28.62～313.54 m。通過(guò)雷竹林和非雷竹林在通量貢獻(xiàn)區(qū)所占面積和各自的貢獻(xiàn)率，從渦度相關(guān)所測(cè)通量數(shù)據(jù)中分解出雷竹林和非雷竹林的月平均碳通量。通量分解后的雷竹林生態(tài)系統(tǒng)年總凈固碳量為4.25 t·hm(－2)·a(－1)，當(dāng)下墊面全部為非雷竹林時(shí)年總凈固碳量為6.65 t·hm(－2)·a(－1)。如果不進(jìn)行碳通量的分解，把渦度相關(guān)所測(cè)通量值作為雷竹林的通量值，則年總凈固碳量為5.46 t·hm(－2)·a(－1)。該研究對(duì)于正確評(píng)價(jià)雷竹林生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力可提供一定理論依據(jù)。圖4表4參29

關(guān)鍵詞：森林生態(tài)學(xué)；通量源區(qū)模型（FSAM）；雷竹林；渦度相關(guān)；碳通量

渦度相關(guān)（eddy covariance）法是一種以站點(diǎn)觀測(cè)代表區(qū)域的平均的森林碳通量計(jì)算方法，作為一種直接觀測(cè)植被與大氣間二氧化碳和水汽通量的微氣象學(xué)技術(shù)，渦度相關(guān)法應(yīng)用最為廣泛［1］。受渦度相關(guān)法原理的限制，其通量觀測(cè)值通常只能代表觀測(cè)區(qū)域下墊面一定區(qū)域的通量變化過(guò)程。在復(fù)雜地形、不同大氣穩(wěn)定度、不同風(fēng)向及不同的觀測(cè)儀器高度風(fēng)條件下，通量測(cè)量值的空間代表性差異很大［2－4］。因此，關(guān)于渦度相關(guān)通量測(cè)定值的空間代表性理論研究逐漸成為相關(guān)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題之一［5］，研究者提出了通量貢獻(xiàn)區(qū)（footprint）的概念。通量貢獻(xiàn)區(qū)是指觀測(cè)區(qū)域下墊面對(duì)傳感器接收到的通量信息值有貢獻(xiàn)的區(qū)域［2,6］，表達(dá)的是通量觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)值所能代表的空間區(qū)域，即其空間代表性，是一個(gè)具有數(shù)值與方向的矢量數(shù)據(jù)。目前，通量貢獻(xiàn)區(qū)分析模型主要有4類：拉格朗日隨機(jī)模型［7－8］、大渦模擬［9－10］、閉合模型［11－12］和解析模型［13－15］。其中，SCHIMD［13］提出的基于K理論和假設(shè)的擴(kuò)散指數(shù)廓線法來(lái)求解二維平流擴(kuò)散方程的通量源區(qū)模型（FSAM，flux source area model）解析模型因其運(yùn)行輸入?yún)?shù)少、物理機(jī)制明確、數(shù)學(xué)形式簡(jiǎn)單等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。如顧永劍等［4］應(yīng)用FSAM模型對(duì)崇明東灘濕地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測(cè)站點(diǎn)通量觀測(cè)數(shù)據(jù)做了碳通量貢獻(xiàn)區(qū)分析，結(jié)果是該觀測(cè)點(diǎn)所測(cè)的碳通量數(shù)據(jù)可以較好地反映對(duì)應(yīng)下墊面的通量信息；周琪等［16］利用FSAM模型分析了古爾班通古特沙漠試驗(yàn)場(chǎng)通量觀測(cè)資料的空間代表性，結(jié)果顯示，由模型計(jì)算的貢獻(xiàn)區(qū)可以反映該下墊面的通量信息；徐小軍等［17］在使用FSAM模型估算其貢獻(xiàn)區(qū)的條件下模擬出一種估算不均一下墊面森林碳通量的監(jiān)測(cè)方法。雷竹Phyllostachys violascens原產(chǎn)于浙江臨安、安吉、余杭等地，具有全年光合能力強(qiáng)、采伐期短等特點(diǎn)，是一種高經(jīng)濟(jì)效益的筍用竹［18］。目前有較多學(xué)者對(duì)雷竹林生態(tài)系統(tǒng)的土壤養(yǎng)分、礦質(zhì)元素以及土壤酶等方面作了研究［19－22］，也有學(xué)者對(duì)其水汽通量［18］、土壤呼吸［23］等作了分析，但還沒(méi)有關(guān)于其通量貢獻(xiàn)區(qū)的研究。太湖源雷竹林通量觀測(cè)塔周圍的下墊面存在一定的空間異質(zhì)性，因此，明確通量數(shù)據(jù)的空間代表性對(duì)分析觀測(cè)結(jié)果的生態(tài)學(xué)意義至關(guān)重要。本研究利用FSAM模型，對(duì)該通量塔2013年全年觀測(cè)數(shù)據(jù)做分析，試圖確定該雷竹林區(qū)域不同大氣條件下各風(fēng)向通量源區(qū)的變化特征，不同時(shí)間各風(fēng)向在不同大氣條件下的源區(qū)變化情況，以及通量測(cè)量的主要源區(qū)的空間代表性，并通過(guò)雷竹林和非雷竹林在通量貢獻(xiàn)區(qū)所占面積和各自的貢獻(xiàn)率，從渦度相關(guān)所測(cè)通量數(shù)據(jù)中計(jì)算出每月雷竹林及當(dāng)下墊面均為非雷竹林時(shí)的平均碳通量，從而正確評(píng)價(jià)該雷竹林生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力。

1　研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于浙江省臨安市現(xiàn)代雷竹林示范園區(qū)，區(qū)內(nèi)建有碳通量觀測(cè)塔，30°18′169″N，119°34′104″E。研究區(qū)處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季氣候分明，每年6月中旬至7月中旬為梅雨期［18］。研究區(qū)雷竹林為人工覆蓋經(jīng)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)林，鉤梢理枝2次·a－1：第1次鉤梢在6－7月，主要是為新發(fā)的竹筍留出成竹的空間；第2次為9－10月，主要是為了防治枝病危害及防止冬天風(fēng)雪壓枝。鉤梢前雷竹林群落平均高度為5.00~6.00 m，鉤梢后為4.50 m。

該雷竹林主要由原先的針葉林、闊葉林或針闊混交林改造而來(lái)，一般分布于村落附近，研究區(qū)內(nèi)并非均一的雷竹純林。本研究以1∶10 000的等高線地形圖與分辨率為0.25 m的遙感影像為底圖，經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)查，勾繪出以觀測(cè)塔為中心的2.0 km×2.0 km范圍內(nèi)（通量貢獻(xiàn)區(qū)的范圍）土地分類情況并進(jìn)行矢量化后得到通量塔下墊面區(qū)域土地利用分類圖。根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合研究需求，本研究將下墊面分為雷竹，非雷竹林（針葉林、闊葉林、針闊混交林），其他用地（村落和農(nóng)田），水體和道路（圖1）。由圖1可見(jiàn)：通量塔下墊面的非雷竹林主要分布在通量塔以東區(qū)域，而通量塔以西主要以雷竹林為主，其中雷竹面積占研究區(qū)總面積的67.28%，非雷竹林占研究區(qū)總面積的17.33%，其他用地占11.97%，水體占2.40%，道路占1.00%，因此，在分析和應(yīng)用通量塔上的渦度相關(guān)觀測(cè)的通量數(shù)據(jù)之前，需要對(duì)通量的貢獻(xiàn)區(qū)進(jìn)行分析，并基于貢獻(xiàn)區(qū)的分析結(jié)果計(jì)算出雷竹林的通量相對(duì)貢獻(xiàn)值，從而有效提取雷竹的通量數(shù)據(jù)，正確評(píng)價(jià)該人工林的固碳能力。

圖1　通量貢獻(xiàn)區(qū)內(nèi)土地利用分類圖Figure 1 Land use classification image in flux source area

2　研究方法

2.1觀測(cè)方法與數(shù)據(jù)獲取

研究區(qū)通量觀測(cè)塔高20.00 m，在17.00 m高度處安裝有渦度相關(guān)觀測(cè)系統(tǒng)和微氣象梯度觀測(cè)系統(tǒng)。渦度相關(guān)系統(tǒng)由三維超聲風(fēng)速儀（CAST3，CampbellInc），開(kāi)路快速響應(yīng)的紅外CO2/H2O分析儀（Li-7500，LiCorInc）及數(shù)據(jù)采集器組成，系統(tǒng)的采樣頻率為10.0 Hz。微氣象梯度觀測(cè)系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)主要包括3層風(fēng)速、大氣溫度與濕度。風(fēng)速儀分別安裝在通量塔1.00 m，5.00 m和17.00 m處；SI-111紅外溫度計(jì)分別安裝在1.50 m和5.00 m處，用于采集地表和冠層的溫度。凈輻射儀（CNR4，Kipp &Zonen）傳感器安裝在17.00 m處，用于采集輻射數(shù)據(jù)。常規(guī)氣象觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣頻率為0.5 Hz，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器（CR1000，CampbellInc）30 min自動(dòng)記錄平均風(fēng)速、溫度、氣壓、凈輻射等常規(guī)氣象信息。

2.2 FSAM模型簡(jiǎn)述

FSAM模型具有簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)形式，使用較少的輸入?yún)?shù)可高精度地估算研究區(qū)通量貢獻(xiàn)區(qū)。模型的運(yùn)行需要3個(gè)復(fù)合參數(shù)：zm/z0，zm/L，σv/u*。其中zm為觀測(cè)儀器高度與0平面位移之差，z0為空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度，zm/L為穩(wěn)定度參數(shù)（L為莫寧奧布霍夫長(zhǎng)度），σv為橫向風(fēng)速脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差，u*為摩擦風(fēng)速，σv/u*反映了橫向風(fēng)脈動(dòng)強(qiáng)度［5］。關(guān)于模型輸入?yún)?shù)的計(jì)算，模型的5個(gè)輸出參數(shù)的含義及FSAM模型的原理等詳參文獻(xiàn)［5］。

根據(jù)SCHMID［13］對(duì)FSAM模型敏感性測(cè)驗(yàn)的描述，模型輸入?yún)?shù)的約束條件為：大氣穩(wěn)定時(shí)（zm/ L＞0）：

大氣不穩(wěn)定時(shí)（zm/L＜0）：

本研究zm取zm——z－p，z為觀測(cè)高度17.00 m，p為零平面位移，p取經(jīng)驗(yàn)值0.670 h，h為平均樹(shù)高［1］；z0取經(jīng)驗(yàn)值0.075 h［24］；Obukhov長(zhǎng)度L計(jì)算方法參考趙曉松等［5］；σv和u*由渦度相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得到。

本研究根據(jù)約束條件將不滿足要求的數(shù)據(jù)剔除，分不同大氣條件不同風(fēng)向分別計(jì)算輸入?yún)?shù)值。最后將參數(shù)輸入模型，運(yùn)行得到P貢獻(xiàn)水平為10.00%～90.00%下對(duì)應(yīng)的輸出參數(shù)。本研究主要討論該地區(qū)通量貢獻(xiàn)水平P為90.00%的不同大氣條件各風(fēng)向通量源區(qū)變化的特征。

2.3基于貢獻(xiàn)區(qū)分析的通量信息分解方法

積極開(kāi)展法律援助，讓打不起官司的老百姓也能拿起法律武器捍衛(wèi)自身權(quán)利。積極推進(jìn)司法救助，充分體現(xiàn)司法機(jī)關(guān)的為民情懷。

本研究使用ArcGIS 10.1中的橢圓工具，根據(jù)FSAM模型計(jì)算出的不同貢獻(xiàn)率的通量貢獻(xiàn)區(qū)輸出參數(shù)畫(huà)出不同時(shí)間不同方向的通量貢獻(xiàn)區(qū)橢圓，橢圓的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為e－a（a為等值線上最近點(diǎn)到傳感器的距離，e為等值線上最遠(yuǎn)點(diǎn)距傳感器的距離），短軸長(zhǎng)為2 d（d為等值線上橫向最大寬度值的一半）?；趫D1使用裁剪工具裁剪出相應(yīng)貢獻(xiàn)區(qū)域內(nèi)的土地后統(tǒng)計(jì)出不同地類的面積。根據(jù)面積計(jì)算出相應(yīng)通量貢獻(xiàn)率，結(jié)合通量信息提取方法提取出不同地類通量值。

裁剪后的圖像分類圖結(jié)果表明：水域和其他用地及道路對(duì)通量貢獻(xiàn)區(qū)內(nèi)通量的貢獻(xiàn)很小。通量塔東邊通量貢獻(xiàn)區(qū)內(nèi)雷竹林地的比例為48.85%，非雷竹林地的比例為44.45%，其他用地的平均比例為3.73%，水域的平均比例為2.62%，道路的平均比例為0.35%；而在通量塔西邊，通量貢獻(xiàn)區(qū)內(nèi)雷竹林地的比例為76.77%，非雷竹林地的比例為3.88%，其他用地的平均比例為6.07%，水域的平均比例為9.99%，道路的平均比例為3.29%。本研究只對(duì)雷竹林與非雷竹林的通量做分析。

從圖1可以看出：通量塔下墊面基本為雷竹林，但在其東北和東南方向占有部分非雷竹林（主要是闊葉林、針葉林和針闊混交林）。本研究根據(jù)風(fēng)向?qū)?shù)據(jù)分類，其中東北和東南方向?yàn)榈?組，風(fēng)向?yàn)?°～180°；西南和西北方向數(shù)據(jù)為第2組，風(fēng)向?yàn)?80°～360°。利用這2組數(shù)據(jù)可得到如下2個(gè)方程：

其中：Fc（1）和Fc（2）分別為渦度相關(guān)所測(cè)碳通量在0°～180°和180°～360°的2個(gè)方向的碳通量值；f雷（0°-180°），f非（0°-180°）為0°～180°方向雷竹林與非雷竹林的通量貢獻(xiàn)率值，f雷（180°-360°），f非（180°-360°）為180°～360°方向雷竹林與非雷竹林的通量貢獻(xiàn)率值，貢獻(xiàn)率值由相應(yīng)方向下對(duì)應(yīng)通量貢獻(xiàn)區(qū)內(nèi)目標(biāo)地類所占的面積計(jì)算得到；f雷為純雷竹林碳通量值，f非為當(dāng)下墊面全部為非雷竹林時(shí)碳通量值。聯(lián)合式（3）和式（4）可計(jì)算出f雷和f非，實(shí)現(xiàn)對(duì)渦度相關(guān)法所測(cè)通量信息的分離。

3　結(jié)果與分析

3.1風(fēng)向與輸入?yún)?shù)

表1為基于研究區(qū)通量塔2013年觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的不同大氣條件下風(fēng)向與風(fēng)速統(tǒng)計(jì)表，表2為不同大氣條件下各風(fēng)向的輸入?yún)?shù)。大氣穩(wěn)定條件下，各方向風(fēng)頻數(shù)大小為90°～180°＞0°～90°＞180°～270° ＞270°～360°。大氣不穩(wěn)定條件下，各方向風(fēng)頻數(shù)大小為180°～270°＞90°～180°＞0°～90°＞270°～360°。其他2個(gè)方向差別不大；最大風(fēng)速在180°～270°風(fēng)向上。2種大氣條件下平均風(fēng)速最大值均來(lái)源于0°～90°方向。

表1　不同大氣層結(jié)條件下風(fēng)速風(fēng)向分布Table 1 Wind speed and direction distribution under different atmospheric conditions

區(qū)別大氣層結(jié)穩(wěn)定度的參數(shù)為zm/L，zm/L＞0時(shí)大氣層結(jié)穩(wěn)定，反之大氣層結(jié)不穩(wěn)定。根據(jù)定義，zm恒大于0，因此，zm/L的符號(hào)，即大氣穩(wěn)定度取決于莫寧奧布霍夫長(zhǎng)度值L。將表2輸入?yún)?shù)輸入FSAM模型即可計(jì)算出各風(fēng)向在不同大氣條件下的通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍的參數(shù)。

表2　不同大氣層結(jié)條件下各風(fēng)向的FSAM模型的輸入?yún)?shù)Table 2　Input parameters of FSAM in each direction under different atmospheric conditions

3.2不同大氣條件下各風(fēng)向的通量貢獻(xiàn)區(qū)分析

將表2參數(shù)逐條輸入FSAM模型，運(yùn)行模型后得到P水平為10.00%～90.00%時(shí)的輸出參數(shù)。本研究選取P水平為90.00%的數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，表3為通量貢獻(xiàn)區(qū)結(jié)果參數(shù)表。結(jié)合表3與輸出參數(shù)定義做出不同大氣條件各風(fēng)向的源區(qū)分布圖（圖2）。當(dāng)大氣層結(jié)穩(wěn)定（L＞0）時(shí)，其等值線上距傳感器最近點(diǎn)與最遠(yuǎn)點(diǎn)距離、貢獻(xiàn)函數(shù)最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的位置，即a，e，xmax（為footprint值函數(shù)最大的位置）的最大值均在180°～270°風(fēng)向，其次是270°～360°方向，在0°～90°與90°～180°方向無(wú)明顯差異；不同風(fēng)向下貢獻(xiàn)區(qū)迎風(fēng)方向范圍為96.19~941.63 m。貢獻(xiàn)區(qū)側(cè)風(fēng)向最大寬度為2d，按風(fēng)向從大到小依次為0°～90° ＞270°～360°＞180°～270°＞90°～180°，相應(yīng)值分別為445.50，384.76，380.02與334.12 m。在大氣層結(jié)不穩(wěn)定（L＜0）時(shí)，a，e，xmax最大值在90°～180°風(fēng)向，其次是270°～360°方向，在0°～90°與180°～270°方向無(wú)明顯差異；不同風(fēng)向下貢獻(xiàn)區(qū)迎風(fēng)方向范圍28.62~313.54 m。貢獻(xiàn)區(qū)側(cè)風(fēng)向最大寬度值2d按風(fēng)向從大到小依次為0°～90°＞270°～360°＞90°～180°＞180°～270°，相應(yīng)數(shù)值依次為176.18，157.28，149.18 與128.26 m?？傮w來(lái)說(shuō)，渦度相關(guān)所測(cè)通量來(lái)自于研究區(qū)下墊面的2.0 km×2.0 km范圍內(nèi)（圖2）。

表3　不同大氣層結(jié)條件下各風(fēng)向FSAM模型的輸出參數(shù)Table 3 Output parameters of FSAM in each direction under different atmospheric conditions

結(jié)合表3與圖2，在同一風(fēng)向，相應(yīng)的通量貢獻(xiàn)區(qū)參數(shù)值a，e，d，xmax均為穩(wěn)定大氣條件大于不穩(wěn)定大氣條件。通量貢獻(xiàn)區(qū)迎風(fēng)方向與側(cè)風(fēng)方向范圍具有明顯的拉伸，迎風(fēng)方向拉伸程度大于側(cè)風(fēng)方向。

圖2　不同大氣條件下通量貢獻(xiàn)區(qū)分布圖Figure 2 Footprint source area distribution under different atmospheric conditions

3.3雷竹林和非雷竹林的通量貢獻(xiàn)率

結(jié)合FSAM模型計(jì)算出的不同通量貢獻(xiàn)率下的通量貢獻(xiàn)區(qū)參數(shù)和通量貢獻(xiàn)區(qū)內(nèi)的土地利用類型分類結(jié)果，計(jì)算出不同地類（主要考慮雷竹林和非雷竹林）的每月平均通量貢獻(xiàn)率，并分為2個(gè)方向分別計(jì)算，以便應(yīng)用式（3）和式（4）來(lái)對(duì)通量信息作分解。結(jié)果如表4所示，在90.00%貢獻(xiàn)率條件下，通量塔東面（0°～180°）非雷竹林的貢獻(xiàn)率略小于雷竹林的貢獻(xiàn)率；雷竹林平均貢獻(xiàn)率為47.00%，非雷竹林平均貢獻(xiàn)率為43.00%。通量塔西面（180°～360°）雷竹林貢獻(xiàn)率大于非雷竹林，在該方向上雷竹林平均貢獻(xiàn)率為86.13%，非雷竹林平均貢獻(xiàn)率只有3.87%。根據(jù)表4中數(shù)據(jù)可以看出2個(gè)方向上雷竹林與非雷竹林的貢獻(xiàn)率每個(gè)月差異并不明顯。

從月份間的動(dòng)態(tài)變化來(lái)看，2個(gè)方向上的2個(gè)地類的通量貢獻(xiàn)率都只有較小的波動(dòng)。在東面，雷竹林最大和最小貢獻(xiàn)率分別為47.45%和46.28%，分別出現(xiàn)在12月和3月；非雷竹林的最大和最小貢獻(xiàn)率分別為43.72%和42.55%，分別出現(xiàn)在3月和12月。在西面，雷竹林最大和最小貢獻(xiàn)率分別為86.59%和85.51%，分別出現(xiàn)在6月和12月；非雷竹林的最大和最小貢獻(xiàn)率分別只有4.49%和3.41%，分別出現(xiàn)在12月和6月。

表4　雷竹林與非雷竹林每月平均通量貢獻(xiàn)率Table 4 Monthly average flux contribution rate of Lei bamboo forest and non-Lei bamboo forest

3.4渦度相關(guān)所測(cè)通量信息的分解

根據(jù)通量觀測(cè)塔數(shù)據(jù)計(jì)算得到研究區(qū)年總凈固碳量為5.46 t·hm－2·a－1，與陳云飛等［25］2010年9月－2011年8月的研究結(jié)果相比較高，變化趨勢(shì)相同。結(jié)合式（3）和式（4）計(jì)算出每月的f雷和f非，從而得到觀測(cè)區(qū)域內(nèi)純雷竹林和當(dāng)下墊面全部為非雷竹林時(shí)的每月累積凈二氧化碳交換量（NEE），結(jié)果如圖3所示。由圖3可見(jiàn)：觀測(cè)通量、雷竹通量均在1－2月為正，生態(tài)系統(tǒng)為碳源；其他月份通量均為負(fù)值，生態(tài)系統(tǒng)為碳匯。通過(guò)分解得出純雷竹林生態(tài)系統(tǒng)年總凈固碳量為4.25 t·hm－2·a－1，當(dāng)下墊面全部為非雷竹林時(shí)（針葉林、闊葉林和針闊混交林）年總凈固碳量為6.65 t·hm－2·a－1。

圖3　雷竹林、非雷竹林月通量與觀測(cè)通量變化圖Figure 3　Monthly flux change of Lei bamboo forest,non-Lei bamboo forest and total flux

觀測(cè)通量NEE整體呈雙峰曲線，變化趨勢(shì)與陳云飛等［25］的研究較為一致。1－2月通量均為正，分別為29.53和11.97 g·m－2·月－1。該值相比于陳云飛的結(jié)果更大，根據(jù)其歷史氣象（圖4）因素，2013年1－2月氣溫與降水均較大，雷竹林生物活性增加，因此NEE值較高。3月出現(xiàn)了第1個(gè)高峰，值為－24.40 g·m－2·月－1。3月竹筍采挖完畢，新竹開(kāi)始成長(zhǎng)。根據(jù)鄭炳松等［26］的研究，幼葉光合速率及相關(guān)影響因子都比二齡竹要高；圖4D顯示3月降水量（119.10 mm）出現(xiàn)1個(gè)小高峰，且其平均氣溫為11.0℃，雨熱條件適宜，因此NEE通量較大。6月NEE值最小，僅為－6.40 g·m－2·月－1。6月南方進(jìn)入梅雨季節(jié)，降水量較大。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，6月降水量為453.33 mm，占2013年全年降水量（1 366.3 mm）的33.17%；2011年與2013年6月的氣溫T（圖4B），土壤濕度CVWC（圖4C），光合有效輻射RPAR（圖4F）及空氣相對(duì)濕度HRH（圖4E）等氣象因子均較為接近；夜間呼吸值2011年比2013年大較多。高翔等［27］研究表明：在土壤濕潤(rùn)情況下，降水對(duì)土壤呼吸具有抑制作用。馮道?。?8］研究表明：當(dāng)水分過(guò)量時(shí)對(duì)植物存在水澇脅迫，植物光合速率會(huì)降低。說(shuō)明由于降水原因，2013年6月雷竹林的光合作用與呼吸作用均受較大影響，并且對(duì)光合作用影響大于呼吸作用，從而導(dǎo)致其NEE降低。8月NEE值為21.33 g·m－2·月－1，大于2011年。根據(jù)圖4，2011年與2013年8月降水、光合有效輻射、空氣相對(duì)濕度等差別不大，2011年8月氣溫低于2013年8月，但土壤濕度2013年8月大于2011年8月；2011年8月夜間呼吸大于2013年8月。根據(jù)實(shí)際情況，2013年8月為極端干旱天氣，為了保護(hù)雷竹林，在高溫天氣下竹農(nóng)每天對(duì)雷竹林進(jìn)行大量灌溉以保證其生長(zhǎng)，充足的灌溉產(chǎn)生了適宜的生長(zhǎng)條件，因此，2013年8月NEE增加。9－11月水熱及輻射條件較為適宜，雷竹進(jìn)入秋季碳吸收持續(xù)增加階段，為出筍積累有機(jī)物。11月達(dá)到高峰，值為－36.40 g·m－2·月－1，結(jié)果與陳云飛等（－35.89 g·m－2·月－1）的差別不大，12月為－10.46 g·m－2·月－1。根據(jù)圖4，12月2 a的土壤濕度、光合有效輻射、空氣相對(duì)濕度均為2011年大于2013年，氣溫差別不大，降水量2011年略大于2013年，夜間呼吸值2011年大于2013年。根據(jù)調(diào)查，2013年12月沒(méi)有對(duì)雷竹林進(jìn)行覆蓋經(jīng)營(yíng)，沒(méi)有覆蓋增溫效應(yīng)，雷竹林呼吸較小，因此成為一個(gè)碳匯。

圖4　2011年與2013年各月氣象因子變化圖Figure 4 Monthly change of meteorological factors in 2011 and 2013

根據(jù)通量分解結(jié)果，雷竹林NEE變化與觀測(cè)通量類似，總體呈雙峰曲線，平均月通量值為－9.67 g· m－2·月－1。7月通量值為－5.17 g·m－2·月－1，這與雷竹林鉤梢時(shí)間相吻合，鉤梢之后雷竹林葉面積指數(shù)略有下降導(dǎo)致其光合能力下降，9月的清理病枝等對(duì)雷竹林整體碳通量影響不大。非雷竹林碳通量月碳通量值均為負(fù)，是碳匯，這與劉允芬等［29］對(duì)千煙洲人工針葉林的碳通量研究一致，月平均值為－15.11 g·m－2·月－1。從NEE月平均值來(lái)說(shuō)，雷竹林＜觀測(cè)通量＜下墊面全部為非雷竹林，但由于非雷竹林在研究區(qū)內(nèi)所占比重較小，因此，對(duì)整體的通量貢獻(xiàn)不大。

4　結(jié)論與討論

利用FSAM分析通量觀測(cè)的空間代表性，已廣泛地應(yīng)用于森林、農(nóng)田、濕地等生態(tài)系統(tǒng)，但對(duì)人工集約經(jīng)營(yíng)的雷竹林生態(tài)系統(tǒng)通量貢獻(xiàn)分析則相對(duì)較少。本研究中雷竹林為人工經(jīng)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)林，由原先的針葉或闊葉林改造而來(lái)，分布于村落附近，并非大范圍的均一的雷竹純林，通量觀測(cè)塔周圍的下墊面存在一定的空間異質(zhì)性，因此明確通量數(shù)據(jù)的空間代表性，從渦度相關(guān)所測(cè)通量數(shù)據(jù)中成功分離出真正來(lái)自于雷竹林生態(tài)系統(tǒng)的通量信息，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)雷竹林的固碳能力至關(guān)重要。本研究通過(guò)處理太湖源雷竹林生態(tài)系統(tǒng)2013年全年的通量觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用FSAM模型對(duì)通量貢獻(xiàn)區(qū)進(jìn)行分析，并發(fā)展一種從渦度相關(guān)系統(tǒng)所測(cè)通量數(shù)據(jù)中分離不同地類通量信息的方法，成功提取出來(lái)自于純雷竹林的通量信息，從而正確評(píng)價(jià)該雷竹林生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力及其季節(jié)變化特征。

在90.00%貢獻(xiàn)率水平下，通量塔東面雷竹林的貢獻(xiàn)率略大于非雷竹林的貢獻(xiàn)率，而在西面雷竹林貢獻(xiàn)率大于非雷竹林，主要是由其對(duì)應(yīng)下墊面的土地利用類型決定的。土地利用分類圖表明，研究區(qū)域內(nèi)通量塔西面主要以雷竹林為主，而東面雷竹林所占面積略大于非雷竹林。2個(gè)方向上2種地類貢獻(xiàn)率的月間動(dòng)態(tài)變化較小。

目前，大部分文獻(xiàn)對(duì)通量貢獻(xiàn)區(qū)的分析都沒(méi)有后續(xù)的應(yīng)用，僅僅說(shuō)明了通量觀測(cè)結(jié)果所能代表儀器所在地的下墊面特征［5－6,16-17］。并沒(méi)有進(jìn)一步分析目標(biāo)生態(tài)系統(tǒng)在通量貢獻(xiàn)區(qū)所占比例，以及如何把目標(biāo)生態(tài)系統(tǒng)的通量信息從渦度相關(guān)所測(cè)數(shù)據(jù)中提取出來(lái)。例如，袁莊鵬等［6］利用FSAM模型分析了位于上海師范大學(xué)的城市生態(tài)站通量貢獻(xiàn)區(qū)，結(jié)果顯示源區(qū)最大可達(dá)1 047.00 m，而該城市生態(tài)站的下墊面非常復(fù)雜，在1.0 km2范圍內(nèi)有多種不同地類類型，因此，該通量數(shù)據(jù)如果不進(jìn)行不同地類的信息分解，將會(huì)降低該通量數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本研究結(jié)合FSAM模型的通量貢獻(xiàn)區(qū)分析和源區(qū)內(nèi)的土地利用類型分類結(jié)果，設(shè)計(jì)了式（3）和式（4），發(fā)展了一種分解不同地類通量信息的方法，最終可計(jì)算出不同地類的通量。結(jié)果表明：分解結(jié)果中純雷竹林通量值變化總體呈雙峰曲線。7月由于雷竹林鉤梢，通量值下降，說(shuō)明人工干預(yù)對(duì)雷竹林碳通量產(chǎn)生直接明顯的效果。本研究的目標(biāo)地類——純雷竹林生態(tài)系統(tǒng)的年總凈固碳量為4.25 t·hm－2·a－1，如果不對(duì)渦度相關(guān)所測(cè)通量數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，將儀器所測(cè)通量值直接作為雷竹林的通量值，則雷竹林生態(tài)系統(tǒng)的年總凈固碳量為5.46 t·hm－2·a－1。對(duì)比于當(dāng)下墊面全部為非雷竹林時(shí)年總凈固碳量6.65 t·hm－2·a－1，純雷竹林生態(tài)系統(tǒng)的年固碳量要低于當(dāng)下墊面全部為非雷竹林時(shí)，但這也說(shuō)明了雷竹林不僅具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，其碳匯功能也不容忽視。本研究對(duì)于正確評(píng)價(jià)雷竹林生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力可提供理論依據(jù)，并對(duì)其他下墊面不均一的通量觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析也有一定參考價(jià)值。

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Carbon flux extraction for a Phyllostachys violascens ecosystem based on the flux footprint analysis

CHEN Liping1,LI Pingheng1,MO Lufeng2,ZHOU Guomo1,LI Jinrong2
（1.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Carbon Cycling in Forest Ecosystems and Carbon Sequestration,School of Environmental and Resource Sciences,Zhejiang A &F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China;2.School of Information Engineering,Zhejiang A &F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China）

Abstract:This study was conducted to explain distribution of the flux source area and the spatial representation of flux measurements for mixed Phyllostachys violascens（Lei bamboo）and non-Lei bamboo stands in Taihuyuan.Based on the Flux Source Area Model（FSAM）,footprint and source area functions were calculated using the continuous flux measurement with the open-path eddy covariance system for the full-year of 2013.Carbon fluxes,according to the area occupied and the contribution of Lei and non-Lei bamboo stands,were separated from the measured eddy covariance flux measurement values to determine the monthly average carbon fluxes using the flux footprint analysis.Results showed that the area responsible for 90% of the surface influence was about 2.0km×2.0km and was centered at the flux observation tower.Few differences were noted in flux source area at the four cardinal directions;however,the flux source area was much greater in atmospheric conditions that were stable（having a range of 96.19－941.63 m）compared to unstable（with a range of 28.62－313.54 m）.After separation of Lei and non-Lei bamboo stands,the total net carbon sequestration of the Leibook=2,ebook=5bamboo ecosystem was 4.25 t·hm(－2)·a(-1),and when the underlying surface consisted of non-Ph.violascens stands,it was 6.65 t·hm(－2)·a(-1).Without separation,using the eddy covariance measurements as the Lei bamboo ecosystem flux value,total net sequestration was 5.46 t·hm(－2)·a(－1).This research could help with more accurate evaluations of carbon sequestration capacity in a Lei bamboo ecosystem.［Ch,4 fig.4 tab.29 ref.］

Key words:forest ecology;flux source area model（FSAM）;Lei bamboo（Phyllostachys violascens）forest;eddy covariance;carbon flux

作者簡(jiǎn)介：陳麗萍，從事森林遙感與信息技術(shù)。E-mail：chenlp_1990@foxmail.com。通信作者：周國(guó)模，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事森林經(jīng)理、全球氣候變化與森林碳匯等研究。E-mail：zhougm@zafu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家林業(yè)局引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)計(jì)劃（“948”計(jì)劃）項(xiàng)目（2013-4-71）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61190114,61303236）；浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目重大科技專項(xiàng)（2012C13011-1）

收稿日期：2015-05-08；修回日期：2015-07-03

doi:10.11833/j.issn.2095-0756.2016.01.001

中圖分類號(hào)：S718.55

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-0756（2016）01-0001-10