Picarro—千煙洲亞熱帶森林生態系統碳同位素廓線觀測系統應用案例

想象一下，你身處一片浩渺的森林中，陽光透過樹葉，灑在地面上，形成一片片斑駁的光影。每一棵大樹都像一座綠色的塔樓，分層堆積著生命的活力。此刻，你可能并不知道，你正在親眼目睹一個驚人的自然現象：碳的旅程。

森林是地球上最重要的碳儲存器之一，在這個充滿生命力的舞臺上，每一片葉子、每一棵樹、每一片土壤都在向我們講述著碳的旅程的故事，積極地參與碳的儲存和釋放。

科學家們對此也在進行著相關研究，在江西省千煙洲亞熱帶森林生態系統觀測研究站，有這樣一個研究...
 

千煙洲亞熱帶森林生態系統碳同位素廓線觀測系統應用案例
 

 

森林生態系統固定目前大氣中約三分之一的人為CO2排放；因此，準確評估森林碳匯對于更好理解全球碳收支至關重要。生態系統CO2的碳穩定同位素（δ13C）是追蹤碳循環及其與大氣交換的有力工具。森林生態系統CO2動態變化取決于冠層光合作用，不同組分（葉、莖、根和土壤微生物）呼吸作用及湍流混合過程的相互作用。然而，由于測量限制，大氣中CO2的δ13C模式尚未確定。
 

千煙洲亞熱帶森林生態系統觀測研究站碳同位素廓線系統設置示意圖
 

千煙洲亞熱帶森林生態系統觀測研究站基于Picarro G2201-i，搭建了碳同位素廓線觀測系統，旨在研究森林生態系統內部及上方大氣CO₂及其δ¹³C的時間（晝夜和季節）和垂直變化，以及闡明環境和生理因素以及大氣條件對其變化的影響。該系統設置了7個觀測高度和3個已知濃度和同位素組分的標氣。7個觀測高度分別設置在距地面1.6、7.6、11.6、15.6、23.6、31.6和39.6 m的高度處，其中11.6和15.6 m兩個觀測高度位于冠層內，測量依次在7個高度間循環進行，切換間隔為3min。每進行14次循環后，再依次通入3瓶標氣，每個標氣的測量時間為5min。

碳同位素廓線觀測系統的測量數據提供了渦度相關系統觀測到的垂直湍流通量項的同位素通量、生態系統尺度上的非葉片呼吸的同位素通量、存儲通量的同位素通量以及冠層大氣CO₂的δ¹³C值等參數。
 

【研究結果】
 

2015-2017年冠層下（1.6和7.6 m）、內（11.6和15.6 m）和上（23.6、31.6和39.6 m）生態系統CO₂及其δ¹³C月度平均日變化
 

典型雨季和干旱期生態系統 CO₂（a,d）、δ¹³C（b,e）和風速（WS）（c,f）的日平均垂直變化
 

不同冠層高度CO₂及其δ¹³C與環境和生理因素的相關矩陣

【研究結論】

生態系統CO₂濃度下午最低，黎明時達到峰值，這反映了冠層內和冠層上方δ¹³C的變化。冠層內和冠層上方的CO₂與其δ¹³C之間存在明顯相反的季節變化，并且δ¹³C在生長高峰期為正值，在其他時間為負值。生態系統CO₂及其δ¹³C的晝夜和季節變化主要受飽和水汽壓差的影響，其次是光合有效輻射、溫度和增強型植被指數；然而，環境和生理因素對森林地面附近產生相反的影響或無影響。由于夜間較穩定的大氣條件下湍流混合較弱，大氣CO₂及其δ¹³C垂直變化的夜間梯度大于日間變化。這些結果表明，光合作用和呼吸作用主導了冠層上方的CO₂動態，而光合作用和湍流混合的CO₂再循環改變了冠層內的CO₂動態。

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