北京密云油松人工林碳通量组分季节变化及其对环境因子的响应.pdf

doi：10.11707/j.1001-7488.LYKX20220865北京密云油松人工林碳通量组分季节变化及其对环境因子的响应*李鑫豪1,2张德怀3张赵森4李建3曹俊3隗骥超5吴晓朦1,2田赟1,2刘鹏1,2于海群6（1.北京林业大学水土保持学院北京 100083；2.林木资源高效生产全国重点实验室北京 100083；3.北京市密云区园林绿化局北京 101599；4.北京市永定河休闲森林公园管理处北京 100043；5.北京绿林盛源绿化工程有限公司北京 102400；6.北京市园林绿化规划和资源监测中心北京 100193）摘要：【目的】量化人工林生态系统碳通量组分，探明环境因子对碳通量组分的调控作用，以提高人工林生态系统碳汇功能评估的准确性，为进一步认识气候变化背景下环境因子对人工林生态系统碳循环过程的调控作用提供参考。【方法】以北京市密云区油松人工林生态系统为研究对象，采用涡度相关法（EC）测定油松人工林生态系统净碳交换量，同时对空气温度（Ta）、饱和水汽压差（VPD）、光合有效辐射（PAR）和土壤水分（SWC）等环境要素进行原位连续监测，分析人工林生态系统碳通量组分季节变化特征及其与环境因子的响应关系。【结果】北京密云油松人工林 2021 年累积生态系统总生产力（GEP）为 315 gm2，呼吸强度（RE）为 291 gm2，净生产力（NEP）为 24 gm2。GEP 和 RE 在生长季（410 月）较高，非生长季接近 0 gm2。日 GEP、RE 和 NEP 最大值分别为 4.7、3.3 和 3.1 gm2。月最大净光合速率在生长季呈单峰型变化，最大值出现在 7 月。在生长季和生长旺期，NEP 与 GEP 均呈正相关（P0.01），决定系数分别为0.68 和 0.80。不同 Ta、VPD、SWC 条件下 NEP 与 PAR 间的关系无明显差异。NEP 和 GEP 均随 Ta、VPD 和 SWC 增加先增加后降低，峰值分别出现在约 25、10 hPa、0.2 m3m3。低 SWC 对 NEP、GEP 和 Ta、VPD 间的关系无明显影响，但降低 RE 的温度敏感性。【结论】北京密云油松人工林生态系统在生长旺期、生长季和全年均表现为碳汇，且 NEP 变化主要受 GEP 主导。高 Ta、VPD 和 SWC 均通过限制 GEP 降低 NEP。低 SWC 对 NEP、GEP 和 Ta、VPD 的关系无明显影响，但降低 RE 对温度的敏感性。关键词：生态系统净生产力；生态系统总初级生产力；生态系统呼吸；油松人工林中图分类号：S718.43文献标识码：A文章编号：10017488(2023)07003510Seasonal Variations in Carbon Fluxes and Their Responses to Environmental Factors in aPinus tabuliformis Plantation Ecosystem in Miyun,BeijingLi Xinhao1,2Zhang Dehuai3Zhang Zhaosen4Li Jian3Cao Jun3Wei Jichao5Wu Xiaomeng1,2Tian Yun1,2Liu Peng1,2Yu Haiqun6（1.School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry UniversityBeijing 100083；2.State Key Laboratory of Efficient Production of Forest ResourcesBeijing 100083；3.Beijing Miyun District Landscaping BureauBeijing 101599；4.Beijing Yongding River Leisure Forest Park Management OfficeBeijing100043；5.Beijing Llin Shengyuan Greening Engineering Co.,Ltd.Beijing 102400；6.The Beijing Center for Forest ResourcePlanning and MonitoringBeijing 100193）Abstract：【Objective】This study aims to quantify carbon fluxes in plantation ecosystem and examine the role ofenvironmental factors in regulating carbon fluxes,so as to improve the accuracy in assessing carbon sequestration function inplantation ecosystem.【Method】The eddy-covariance(EC)technique was used to continuously monitor ecosystem carbon fluxesin a typical Pinus tabuliformis plantation ecosystem in Miyun,Beijing in 2021.Air temperature(Ta),vapor pressure deficit(VPD),photosynthetically active radiation (PAR),and soil water content (SWC)were continuously monitored in situ.The seasonalvariation characteristics of ecosystem carbon fluxes and their responses to environmental factors were examined.【Result】Thecumulative annual gross ecosystem production(GEP),annual ecosystem respiration(RE),and net ecosystem production(NEP)in 收稿日期：20221206；修回日期：20230520。基金项目：国家重点研发计划（2020YFA0608100）；北京园林绿化生态系统监测网络（GJH-2023-027）。*于海群为通讯作者。感谢北京林业大学查天山、贾昕、潘梦婷在论文撰写中给予的帮助。第 59 卷 第 7 期林业科学 Vol.59，No.72 0 2 3 年 7 月SCIENTIA SILVAE SINICAEJul.，2 0 2 32021 were 315,291,and 24 gm2,respectively.GEP and RE were higher in the growing season(from April to October)andhowever,they were close to 0 gm2 in the non-growing season.The maximum daily GEP,RE,and NEP were 4.7,3.3,and3.1 gm2,respectively.The monthly maximum carbon assimilation rate was unimodal during the growing season,with itsmaximum in July.NEP had positive relationships with GEP(P20 Wm2）的NEP 和 PAR 分别进行回归分析发现，非生长季 NEP与 PAR 间关系较差（图 1a），无法拟合光响应方程，说明非生长季植被的光合作用不是由光照驱动，这违背常理。而生长季 NEP 与 PAR 间关系较好（图 1b）。故本研究认为，该站点非生长季植物进入休眠状态，并将白天 NEP 测量的负值删除。2.2.2数据的插补与拆分2021 年，因仪器故障及异常值剔除的数据占全年数据的 22.84%。本研究考虑到气候的影响，摩擦风速每 3 个月计算 1 次，取 4 次阈值的最大值作为全年摩擦风速阈值（Li et al.,2021），摩擦风速阈值为 0.11 ms1。之后对各种原因（如仪器故障、停电、异常数据剔除等）造成的数据缺失按以下方法进行插补：1）对于短时间（2 h）的数据缺失，采用线性内插法填补；2）对于长时间的数据缺失，采用边际抽样分布法插补（Reichstein et al.,2005）。插补完成后的 NEP 数据采用基于夜间数据的方法进行对碳通量组分拆分（Li et al.,2022）。2.2.3数据分析本研究定义生长季为 410 月，且为避免植被物候变化带来的影响，分析碳通量组分对环境因子的响应时只选择生长旺期数据，即 68 月。在分析不同环境梯度下碳通量组分对环境因子的响第 7 期李鑫豪等：北京密云油松人工林碳通量组分季节变化及其对环境因子的响应37 应时，将 Ta分为 Ta20、20Ta25 3 个梯 度，VPD 分 为 VPD10 hPa、10VPD20 hPa 3 个梯度，SWC 分为 SWC0.15 m3m32 个梯度。不同梯度阈值选取原则为：1）每个梯度下有足够数量的数据；2）在不同梯度间响应关系差异最大。采用下式拟合生态系统呼吸与土壤温度的关系：RE=ab(Ts10)/10。（2）式中：RE 代表生态系统呼吸（molm2s1）；Ts代表10 cm 深 度 土 壤 温 度；a 代 表 10 时 的 RE（RE10，molm2s1）；b 代表 RE 的温度敏感性（Q10，即温度每变化 10 oCRE 变化的倍数）。3结果与分析 3.1环境因子季节变化研究区 2021 年日均 Ta、土壤温度（Ts）和 PAR 的变化特征相似，春、冬季较低，夏、秋季较高。年均 Ta为 12.6，日均Ta在10.5 28.6 范围内波动（图2a）。2021 年降水总量为 760.4 mm，69 月降水占全年总量的 71.3%（图 2b）。10 cm 深度日均 SWC 在 0.070.30 m3m3范 围 内 波 动（图 2c）。年 均 PAR 为274.9 molm2s1，日均 PAR 在 2.5 630.0 molm2s1范围内波动（图 2d）。年均 VPD 为 7.4 hPa，日均 VPD在 0.4 hPa（积日第 343 天）32.3 hPa（积日第 170 天）范围内波动（图 2e）。3.2生态系统碳通量组分季节变化研 究区 2021 年 日 累 积 NEP 在 非 生 长 季 接 近0 gm2，波动较小，在生长季波动较大（图 3a）。日累积 GEP 在非生长季数值较小，接近 0 gm2，随气温上升逐渐增加，6 月达到最大值，为 4.7 gm2（积日第 185 天），年累积值为 315.2 gm2（图 3b）。日累积RE 季节变化特征与 GEP 相似，日累积最大值为 3.3 6ab303非生长季日间生态系统净生产力NEP for the non-growing season60300600光合有效辐射 PAR/(molm2 s1)9001 2002010010生长季日间生态系统净生产力NEP for the growing season2005001 000光合有效辐射 PAR/(molm2 s1)1 5002 000图 1非生长季（a）和生长季（b）日间生态系统净生产力（NEP）与光合有效辐射（PAR）间的关系Fig.1Daytime net ecosystem CO2 production(NEP)as a function of incident photosynthetically active radia