两种不同下垫面边界层特征对CO2通量的影响研究

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本文利用锡林浩特国家气候观象台2009-2011年和寿县国家气候观象台2009-2010年的涡动相关及梯度数据,计算了两个生态系统的C02通量,总结其变化特征,并分析了其与各气象要素(温度、水分、光合有效辐射)和边界层特征的关系,结果总结如下:(1)在观测期内,锡林浩特草原及寿县农田都是碳汇,锡林浩特草原的碳汇作用小于寿县农田,将近-120g/m2,寿县可达至-700g/m2;锡林浩特碳吸收日总量最大为-8g m-2d-1,而寿县为-12g m-2d-1。(2)锡林浩特草原CO2通量的年际变化更强烈,不仅碳汇强度不同,碳吸收高峰的时间分布更是每年都不相同。三年间,CO2的吸收和释放的最大值都在2011年取得,其次为2010年,2009年CO2通量明显偏小;在时间分布上,2009年CO2通量只有一个吸收峰值,出现在5月份,2010年有两个吸收峰值分别是在6月中旬和七月底八月初,2011年也有两个吸收峰值,分别在5月中旬和8月中旬。寿县农田则较稳定,两年都是分别在4月和8月达到两个碳汇高峰,但2010年NEE高于2009年。(3)两地的CO2通量的月平均日变化都是单峰型,但二者形状明显不同,锡林浩特碳通量日变化峰值在上午10点,早于寿县农田;寿县农田碳通量日变化的峰值在正午取得,基本为左右对称型。此外,寿县农田碳通量日变化更剧烈,日变化幅度可达1.4mg m-2s-1,而锡林浩特仅为0.25mg m-2s-1。(4)C02通量受到垂直湍流强度的强烈影响,垂直湍流强,则CO2垂直输送强,C02通量大;反之C02垂直输送弱。不稳定条件下(z/L<0),CO2负通量占绝大多数。碳通量集中在z/L<0.5之间最大,随着稳定度绝对值的增大,通量的绝对值有减小的趋势。近中性条件,是最有利于CO2垂直传输的大气状态。大的湍流交换系数有利于作物从大气中吸收CO2,湍流交换系数很小时则作物呼出CO2,但这种关系也不是线性的,湍流交换系数过大时碳通量没有明显变大。(5)降水、光合有效辐射、温度和土壤含水量都是影响锡林浩特C02通量的重要因子,造成锡林浩特草原三年间C02通量明显差异的关键因子是降水和土壤含水量。而对寿县农田来说,降水和土壤含水量的差异是造成寿县2009和2010年第一个峰值差异的原因,气温和光合有效辐射是造成这两年第二个峰值差异的因子。(6)锡林浩特草原三年间感热通量约在·-70-450W/m2之间,寿县农田只在每年6月达到最大值300W/m2,其他时间在-50-200W/m2范围内。锡林浩特潜热通量基本在0-300W/m2范围内,寿县农田潜热通量为0-450W/m2。总的来说,寿县农田潜热通量大于感热通量,而锡林浩特草原刚好相反。(7)在夏季,寿县农田的C02通量与潜热通量、感热通量都是明显的负相关,碳吸收强度随着二者的增大而增大。锡林浩特草原C02夏季通量与潜热通量、感热通量都是二次相关,随着二者的增大先增大后减小,且相关系数也小于寿县农田,说明在锡林浩特草原,夏季地表温度过高和植物蒸腾作用过于旺盛抑制了植物的碳吸收。寿县能量平衡程度由大到小依次为春季、秋季、夏季、冬季,夏秋季能量平衡比率比春冬季高出5%-20%。锡林浩特草原四季四季均存在湍流通量的高估,且春冬季大于夏秋季。草原能量闭合程度最高,其次为小麦,水稻最低。这是由于计算时忽略了冠层能量储存项Q,因此造成能量比率减小。能量不平衡是通量观测中较为普遍的现象,一般认为不平衡程度在10~30%为合理范围。寿县和锡林浩特国家气候观象台的能量平衡程度属于这个范围,说明涡度相关法在寿县农田生态系统和锡林浩特草原生态系统通量观测中具有可靠性。
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