Picarro—千烟洲亚热带森林生态系统碳同位素廓线观测系统应用案例

想象一下，你身处一片浩渺的森林中，阳光透过树叶，洒在地面上，形成一片片斑驳的光影。每一棵大树都像一座绿色的塔楼，分层堆积着生命的活力。此刻，你可能并不知道，你正在亲眼目睹一个惊人的自然现象：碳的旅程。

森林是地球上最重要的碳储存器之一，在这个充满生命力的舞台上，每一片叶子、每一棵树、每一片土壤都在向我们讲述着碳的旅程的故事，积极地参与碳的储存和释放。

科学家们对此也在进行着相关研究，在江西省千烟洲亚热带森林生态系统观测研究站，有这样一个研究...
 

千烟洲亚热带森林生态系统碳同位素廓线观测系统应用案例
 

 

森林生态系统固定目前大气中约三分之一的人为CO2排放；因此，准确评估森林碳汇对于更好理解全球碳收支至关重要。生态系统CO2的碳稳定同位素（δ13C）是追踪碳循环及其与大气交换的有力工具。森林生态系统CO2动态变化取决于冠层光合作用，不同组分（叶、茎、根和土壤微生物）呼吸作用及湍流混合过程的相互作用。然而，由于测量限制，大气中CO2的δ13C模式尚未确定。
 

千烟洲亚热带森林生态系统观测研究站碳同位素廓线系统设置示意图
 

千烟洲亚热带森林生态系统观测研究站基于Picarro G2201-i，搭建了碳同位素廓线观测系统，旨在研究森林生态系统内部及上方大气CO₂及其δ¹³C的时间（昼夜和季节）和垂直变化，以及阐明环境和生理因素以及大气条件对其变化的影响。该系统设置了7个观测高度和3个已知浓度和同位素组分的标气。7个观测高度分别设置在距地面1.6、7.6、11.6、15.6、23.6、31.6和39.6 m的高度处，其中11.6和15.6 m两个观测高度位于冠层内，测量依次在7个高度间循环进行，切换间隔为3min。每进行14次循环后，再依次通入3瓶标气，每个标气的测量时间为5min。

碳同位素廓线观测系统的测量数据提供了涡度相关系统观测到的垂直湍流通量项的同位素通量、生态系统尺度上的非叶片呼吸的同位素通量、存储通量的同位素通量以及冠层大气CO₂的δ¹³C值等参数。
 

【研究结果】
 

2015-2017年冠层下（1.6和7.6 m）、内（11.6和15.6 m）和上（23.6、31.6和39.6 m）生态系统CO₂及其δ¹³C月度平均日变化
 

典型雨季和干旱期生态系统 CO₂（a,d）、δ¹³C（b,e）和风速（WS）（c,f）的日平均垂直变化
 

不同冠层高度CO₂及其δ¹³C与环境和生理因素的相关矩阵

【研究结论】

生态系统CO₂浓度下午最低，黎明时达到峰值，这反映了冠层内和冠层上方δ¹³C的变化。冠层内和冠层上方的CO₂与其δ¹³C之间存在明显相反的季节变化，并且δ¹³C在生长高峰期为正值，在其他时间为负值。生态系统CO₂及其δ¹³C的昼夜和季节变化主要受饱和水汽压差的影响，其次是光合有效辐射、温度和增强型植被指数；然而，环境和生理因素对森林地面附近产生相反的影响或无影响。由于夜间较稳定的大气条件下湍流混合较弱，大气CO₂及其δ¹³C垂直变化的夜间梯度大于日间变化。这些结果表明，光合作用和呼吸作用主导了冠层上方的CO₂动态，而光合作用和湍流混合的CO₂再循环改变了冠层内的CO₂动态。

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