森林生态系统强大的碳源/汇功能是实现"碳中和"和"碳达峰"战略目标最经济、有效的自然气候解决方案和固碳增汇手段.准确评估森林生态系统的碳汇能力,对于明确森林碳储量有重要意义.为明确亚热带-暖温带气候过渡带的常绿落叶阔叶混交林的碳通量特征及其驱动因素,2011-2020年利用涡度相关法开展了大别山常绿落叶阔叶混交林碳通量和环境要素的观测试验.结果表明:大别山常绿落叶阔叶混交林净生态系统CO2交换量、生态系统呼吸(Reco)、总初级生态生产力分别为-788.13 gC m-2 a-1、1074.14 gC m-2 a-1、1862.27 gC m-2 a-1,该森林生态系统整体表现为碳汇,其固碳能力与相近纬度的常绿落叶阔叶混交林基本持平,并高于针阔叶混交林、毛竹林等其他类型的森林生态系统.10年间,大别山常绿落叶阔叶混交林的固碳能力有所增强.影响大别山常绿落叶阔叶混交林碳通量的主要环境因子为温度与太阳辐射,气温(Ta)、净辐射(Rn)、光合有效辐射和总辐射与生态系统碳生产力和GPP呈显著正相关(P＜0.001),Reco与Ta和Rn呈显著正相关(P＜0.001).研究结果为气候变化响应敏感的南北气候过渡带森林生态系统的碳储量估算、碳循环过程模拟提供观测数据支持和科学依据.

全球气候变化引发的"热浪"事件对高寒草地碳循环有显著影响.热浪作为一种典型的极端气候事件,直接影响植物生长呼吸的同时也间接影响土壤呼吸,进而导致生态系统呼吸及其"常通量"层的CO2 通量发生变化.热浪对青藏高原草地生态系统CO2通量的影响如何?以青藏高原东北隅高寒草甸草原为研究对象,以涡度相关系统为观测手段,结合连续观测的 CO2 通量及微气象数据,研究 2010-2019 年 10 年间发生的一次"热天"维持时间较长的热浪事件(2015 年 7 月 25 日至 8 月 2 日的热浪事件)对净生态系统碳交换量(NEE)、生态系统呼吸(Re)与总初级生产力(GPP)的影响过程.结果表明热浪的发生会带来短暂的高温和干旱,热浪期(7 月 25 日至 8 月 2 日)相比于热浪前期(7 月 17日至 7 月 24 日),气候因子日最高气温(Tamax)、日平均气温(Ta)、日最低气温(Tamin)、日较差(ADT)、5 cm土壤温度(Ts)、饱和水汽亏(VPD)分别提高了 42%、64%、146%、23%、46%、35%;热浪后期(8 月 3 日至 8 月 10 日)比热浪前期降水量(PPT)降低 77%.热浪结束后,气温及土壤温度不会马上降回热浪前的状态,热浪后期比热浪前期Tamax、Ta、Tamin、Ts分别提高 5%、22%、142%、12%.此次热浪事件中热浪前期和热浪后期较热浪期逐时及逐日CO2 通量均显著降低,热浪前期、热浪后期相比热浪期逐时CO2 净吸收分别降低 20.3%、37.6%;逐时Re分别降低 16.8%,13.8%;逐时GPP分别降低 17.6%、21.7%.热浪前期和热浪后期逐日 CO2 净吸收比热浪期分别下降 20.5%、37.8%,逐日 Re 分别下降16.7%、13.6%,逐日GPP较热浪期分别下降 17.4%、21.7%.

为明确围栏封育对斑块化退化高寒草甸净生态系统碳交换(NEE)不同组分的影响,本研究选取青藏高原黄河源区斑块化退化高寒草甸进行围封试验,设置4个围封年限(1、2、5、11 a)和1个正常放牧对照,研究NEE及组分对不同围封年限的响应.结果表明,围封5 a退化高寒草甸总初级生产力(GPP)和生态系统呼吸(ER)显著大于正常放牧、围封1 a、2 a和11 a,围封2 a和5 a退化高寒草甸NEE显著小于正常放牧、围封l a和11 a样地(P＜0.01),其他NEE组分对不同围封年限的响应情况不一致.植被自养呼吸(Ra)、根系呼吸(Rr)和土壤异养呼吸(Rh)占ER的比例在不同围封年限间差异显著(P＜0.01).此外,土壤温度与NEE呈二次曲线的关系,与ER以及除Rh以外的其他呼吸组分呈指数关系,土壤含水量与NEE、GPP、ER、土壤呼吸(Rs)、Ra、Rr呈线性关系(P＜0.05).全氮、全磷、生物量和NEE及组分存在显著的相关关系.说明围封5 a能显著提高退化草地的土壤养分和固碳功能,并能维持草地生产力,无需进行长期围封.

湿地生态系统是吸收全球大气二氧化碳(CO2)的汇,同时土壤厌氧环境造成其是大气甲烷(CH4)的源.尽管有证据表明,湿地生态系统CH4排放部分抵消其对大气CO2的净吸收,但目前未见全球尺度湿地CH4排放对其净生态系统CO2交换(NEE)抵消效应的研究.本研究分析了全球内陆湿地(泥炭湿地和非泥炭湿地)以及滨海湿地(海草床、盐沼和红树林)中同时测定湿地NEE和CH4排放通量的数据.结果表明:各类型湿地生态系统均为大气CO2的汇,NEE值排序为红树林(-2011.0 g CO2·m-2·a-1)＜盐沼(-1636.6 gCO2·m-2·a-1)＜非泥炭地(-870.8 gCO2·m-2·a-1)＜泥炭地(-510.7 g CO2·m-2·a-1)＜海草床(-61.6 gCO2·m-2·a-1).基于100年尺度CH4全球变暖潜势将CH4排放通量转换成CO2当量通量(CO2-eq flux)发现,CH4排放分别抵消海草床、盐沼、红树林、非泥炭地和泥炭地生态系统净CO2吸收的19.4％、14.0％、36.1％、64.9％和60.1％,而在未来20年尺度上,它们分别抵消CO2吸收的57.3％、41.4％、107.0％、192.0％和177.3％,部分红树林、泥炭地和非泥炭地是净CO2当量源.100年尺度各类湿地生态系统净温室气体平衡仍为负值,说明即使考虑CH4排放,在100年尺度各类湿地生态系统仍为碳汇.明晰湿地生态系统CH4排放主要调控机制并提出合理的减排对策,对于维系湿地生态系统碳汇功能,减缓气候变暖至关重要.

净生态系统生产力(NEP)是定量描述陆地生态系统与大气之间碳交换的重要指标.明确区域尺度NEP的时空格局及主导因子,有助于增强对区域碳循环变化机制的认知.基于BEPS(Boreal Ecosystem Productivity Simulator)模型模拟结果,评估了安徽省1982-2020年NEP时空格局,分析了安徽省NEP对主要环境植被因子的敏感性,并借助通径分析和贡献率分析探究了影响安徽省NEP时空变化的驱动因子.结果表明:(1)1982-2020年,安徽省多年年均NEP为651.14 gC/m2,线性趋势变化率为1.10gCm-2a-1,总体呈显著增加趋势(P＜0.01).在空间上,NEP表现为"南北部较高、中部较低"的分布,显著增加(P＜0.05)的区域占52.77％,主要分布在北部和南部,显著减小(P＜0.05)的区域占7.11％,主要分布在西部和东南部.NEP重心有显著的北移趋势(P＜0.01).(2)NEP对大气CO2浓度变化最为敏感,对降水变化最不敏感.时间上,NEP对叶面积指数(LAI)(P＜0.01)、CO2(P＜0.01)和饱和水汽压差(VPD)(P＜0.05)的敏感性变化显著增强,对总辐射的敏感性变化显著减弱(P＜0.01),对气温和降水的敏感性变化不显著(P＞0.05).空间上,NEP对各因子的敏感性有地区差异性.(3)所选环境植被因子综合解释了 NEP79％的时空变化.LAI与CO2是安徽省NEP时空变化的主导因子,为正贡献,气候因子为次主导因子,为负贡献.空间上,LAI为主导因子的地区主要分布在安徽省北部、中西部的大部分地区,占49.65％,CO2为主导因子的地区主要分布在安徽省西北部与东南部的大部分地区,占44.54％.

采用开路式涡度相关系统,针对三江并流核心区西藏红拉山滇金丝猴国家自然保护区,通过测量和分析非生长季亚高山常绿针叶林净生态系统碳交换量(NEE),探讨了亚高山森林非生长季CO2通量特征及其主要影响因子.保护区常绿针叶林NEE值在非生长季具有明显"U"型变化曲线,白天表现为碳吸收,夜间表现为碳释放,日间CO2吸收高峰介于12:00到15:00之间,平均每天碳汇时间在10h左右.非生长季各月NEE大小依次为:4月>3月>2月>11月>1月>12月.研究期内气温(T)、相对湿度(RH)、饱和水汽压差(VPD)和光合有效辐射(PAR)等气象因子对净生态系统CO2交换量影响显著.此外,森林碳吸收对温度响应敏感,光合作用在整个非生长季较为明显.各影响因子中光合有效辐射对碳交换影响最大;夜间NEE与5cm土壤温度呈极显著相关性(P<0.01)且NEE随着土壤温度升高而增大;整个非生长季NEE、生态系统呼吸量(Re)和总生态系统CO2交换量(GEE)分别为-596.759g CO2/m2、582.849g CO2/m2和-1179.608g CO2/m2.该亚高山常绿针叶林生态系统与青藏高原其他生态系统类型相比具有明显的碳汇功能.

潮汐作用作为盐沼湿地独特的水文特征能在短时间内强烈影响盐沼湿地的碳平衡.利用涡度相关和微气象监测技术,对黄河三角洲盐沼湿地净生态系统CO2交换(NEE)和环境因子进行监测,并同步监测潮汐变化,探究潮汐过程及潮汐作用下干湿交替对NEE的影响.结果表明:潮汐过程促进了白天生态系统CO2的吸收但未对夜晚CO2的释放产生显著影响,潮汐淹水成为影响白天NEE的主要因子.干旱阶段和湿润阶段NEE的日平均动态均呈“U”型曲线,但干旱阶段NEE的变幅较小.干湿交替增强了白天生态系统CO2的吸收,干旱阶段最大光合速率(Amax)、表观量子产量(α)和生态系统呼吸(Reco)的均值均高于湿润阶段.此外,干湿交替减少了盐沼湿地夜晚NEE释放的同时增强了其温度敏感性.

洪泽湖调蓄灌溉与南水北调常态化调水影响下,湖区水位显著波动对湿地土壤水分及植被生长产生深刻影响.以洪泽湖湿地典型杨树林为对象,借助涡度相关系统,研究杨树生长季(4-9月)CO2通量的动态变化特征,解析气象因子的影响.结果表明:杨树生长季净生态系统CO2交换量(NEE)与环境因子均具有明显的日、月变化特征.NEE的月平均日变化总体表现为“U”型曲线,累计达-1758.10 g CO2·m-2,在生长季表现为明显的碳“汇”.光合有效辐射(PAR)与日间净生态系统CO2交换量(NEEd)的变化符合双曲线关系,PAR能解释34.3％～75.5％生长季的NEEd的变化.5 cm土壤温度(Ts)与夜间净生态系统CO2交换量(NEEn)之间符合极显著的指数函数关系,Ts能解释38.9％ ～55.2％生长季的NEEn的变化.不同时间尺度碳通量与环境因子的分析发现,NEE的日变化主要受土壤含水量(SWC)、净辐射(Rn)和水汽压亏缺(VPD)的影响,而月变化主要受降雨量(P)和土壤含水量(SWC)的影响.因此,洪泽湖水位变化对湿地土壤水分的影响可能显著改变湿地碳汇功能.

极端高温是影响森林生态系统碳循环重要的极端天气事件之一.本研究利用千烟洲亚热带人工针叶林2003-2012年的CO2通量及常规气象数据,结合小波分析方法,明确极端高温及极端高温事件对该森林生态系统净碳吸收的影响,以及极端高温及事件发生时,不同时间尺度上环境因子对净碳吸收的控制作用.结果表明:极端高温发生时,日最高气温在35～40℃时,会导致该生态系统平均日总净CO2交换量(NEE)较30～34℃下降51％;极端高温及极端高温事件对月及年总NEE的影响与极端高温事件发生的强度及持续时间有关,2003年强极端高温事件发生时,7、8两个月总NEE仅为-11.64 g C·m-2·(2 month)-1,较多年平均值下降了90％,使年总NEE的相对变化率达-6.7％.在极端高温及事件发生的7-8月间,气温(Ta)、饱和水汽压差(VPD)是控制NEE日变化的主要环境因子,其相干性分别可达0.97、0.95;在8、16、32 d周期上,Ta、VPD、土壤5 cm处含水量(SWC)及降水量(P)均对NEE有较强的控制作用,在32 d周期上,NEE与SWC、P的相干性超过了0.8.极端高温及事件发生时,短时间尺度上大气干旱影响该森林生态系统的净碳吸收,而长时间尺度上,大气干旱与土壤干旱共同影响该森林生态系统的净碳吸收.

基于涡度相关和波文比气象土壤监测系统,研究了2016年科尔沁草甸湿地生态系统生长季5-9月CO2通量的动态变化特征,分析了温度、水分等环境因子与其的响应关系.结果表明:生长季累计净生态系统碳交换量(NEE)为-766.18 g CO2·m-2,总初级生产力(GPP)和生态系统呼吸量(Re)分别为3379.89和2613.71 g CO2·m-2,Re/GPP为77.3％,表现为明显的碳汇.NEE各月平均日变化呈单峰“U”型曲线,其中5-7月和8月中旬表现为吸收CO2,8月后半月和9月表现为释放CO2.日间NEE与光合有效辐射(PAR)呈显著的直角双曲线关系,同时受饱和水汽压差(VPD)、土壤含水量(SWC)和气温(Ta)等环境要素调控.回归关系表明,日间NEE达到最大时,VPD和SWC值分别为1.75 kPa和35.5％,而NEE随Ta增加逐渐增大,当Ta达到最大时,并未对NEE产生抑制作用;夜间NEE随土壤温度(Ta)呈指数趋势上升.在整个生长季,生态系统呼吸的温度敏感性指数(Q10)为2.4,且SWC越高,Q10越小,夜间NEE受Ts和SWC共同调控.