基于涡度相关法的森林生态系统碳通量观测研究

田东哲，吴苏，徐梦帅，李明放，刘立业

（河南中原光电测控技术有限公司，河南 郑州 450047）

0 引 言

近50年来，全球气候变暖主要是由人类活动排放的二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等温室气体产生的增温效应所致。空气中的二氧化碳含量较多，因此二氧化碳排放在对全球升温的贡献中所占比例最大，约为55%。减少温室气体排放已成为人类减缓和适应全球气候变化的重要途径，也是国际社会保护地球系统的主要手段。近年来森林生态系统与碳循环的研究已成为全球研究的热点之一，尤其是当下，碳达峰和碳中和已被纳入国家生态文明建设整体布局。对森林生态系统进行长期连续的定位观测，可以明确不同气候区的季节变化规律以及植被类型生态系统的碳通量强度基线，为准确评价生态系统固碳能力、水分和能量平衡状况以及生态系统对全球气候变化的影响提供重要的数据支撑。

经过20多年的发展，涡度相关法（Eddy covariance,EC）在生态系统碳水通量研究方面得到广泛的应用。我国于2002年建成了以中国科学院生态系统研究网络为依托、以微气象学的涡度相关技术等为手段的中国通量观测研究网络（ChinaFLUX），开展了针对森林、草地、农田等生态系统的碳水通量研究。本文以森林生态系统碳通量观测为主要研究内容，概括介绍了涡度相关法的观测原理、观测系统组成，选择位于不同气候带，不同地形，不同下垫面类型的两个森林生态系统开展观测试验。采用涡度相关法对两个试验点的观测数据进行碳通量计算，并对试验结果进行分析，获得两个试验点在观测时间内的净生态系统生产力数据。最后，对本文的研究成果进行了总结。

1 涡度相关法基本原理

1895年，雷诺建立了涡度相关技术的理论基础——雷诺分解。由于缺乏快速响应的观测仪器，在一定程度上制约了涡度相关技术的应用和发展。很长一段时间内，研究人员使用一阶闭合假设和对地表上两个高度的平均状态变量的观测值来计算湍流通量，即通量梯度法。随着科技的发展，尤其是高频三维超声风速仪和红外CO/HO分析仪的日趋成熟，涡度相关法被广泛应用于各种生态系统的通量研究中。

涡度相关法最基本的原理是物质和能量守恒，通过测定大气湍流中温度、CO、HO的脉动，计算其与垂直风速脉动的协方差，从而求算出湍流中的感热通量、CO通量以及潜热通量。涡度相关法在观测和求算通量的过程中无需做任何假设，具有坚实的理论基础，适用范围广，在国际上公认为是现今唯一能够直接测量大气湍流运动中能量与物质交换通量的标准方法。

2 基于涡度相关法的碳通量计算

3 通量观测系统组成

通量观测系统因观测地点实际下垫面植被状况的不同而略有差异，但是一般的通量观测需要在保证获取湍流涡度通量观测数据的前提条件下，再去考虑解释通量结果和分析过程所需的各种辅助观测仪器。观测系统组成结构如图1所示。

图1 通量观测系统组成结构图

其中，红外HO/CO分析仪用于测量水汽和CO的脉动值，三维超声风速仪用于测量风速脉动值，空气温湿度传感器用于测量空气温湿度值，气压传感器用于测量大气压值，气压和空气温湿度数据用于对测量的CO和水汽浓度进行校正。数据采集器用于实现对传感器的长期连续测定。电源系统用于提供可靠的电能，保证观测系统能够在野外连续稳定地工作。采集的数据通过数据传输模块，经无线网络传输到数据中心，最终实现数据的采集、质控、存储与应用。

4 观测试验站点及仪器选择

通量观测的理想场地是地形平坦、植被分布均匀的下垫面，而实际上下垫面地形复杂、气象条件多变，多数情况下并不能满足通量观测所需的条件。在实际的通量计算过程中，需要对观测的数据进行必要的修订。本文选取了两个场地进行观测试验，试验1的场地位于西北地区山岭地带，选择较为平缓的山脉，植被覆盖均匀，具有较长的风浪区，在山顶构建观测系统并进行观测试验，此试验选择在夏季进行。试验2的场地位于华北平原，地势平坦，植被覆盖均匀，植被高度较为一致，在林间构建观测系统并进行观测试验，此实验选择在冬季进行。

采用涡度相关法进行通量观测时，要求将观测系统安装在通量不随高度变化而变化的内边界层（即常通量层）内，观测系统传感器选用Campbell scientific生产的三维超声风传感器和开路HO/CO分析仪，数据采样频率为10 Hz，采用30 min的平均值作为通量计算数据，试验时间为1个月。本文的试验站点信息如表1所示。

表1 试验站点信息

5 数据处理与分析

分别提取两个试验点的观测数据，因天气和仪器等原因，本文选择较为完整的两组数据进行分析。试验1数据的始末时间为2021年6月1日00时00分至2021年6月30日23时30分，试验2数据的始末时间为2021年12月1日15时00分至2022年1月1日23时30分。

以30 min为采样频率对三维超声风速仪测量的三维风速和HO/CO分析仪测量的CO质量浓度进行计算。计算时，首先剔除由于环境因素（降雨、降雪等）遮挡HO/CO分析仪光路而产生的超量程值；其次采用4检验法剔除由于仪器电子线路、供电等原因产生的野点值；最后计算得到CO质量浓度和垂直方向风速U的平均值，数据曲线如图2、图3所示。在计算垂直风速U时，由于超声风速仪测量的三维风速是在超声风坐标系下完成的，因此，需要将其转换到自然坐标系下，通常采用二次坐标旋转与平面拟合旋转方法实现坐标系的转换。

图2 试验1 半小时CO2质量密度和Uz风速均值曲线图

图3 试验2 半小时CO2质量密度和Uz风速均值曲线图

根据式（2）计算CO通量，考虑热量或水汽通量对微量气体观测的影响，以及仪器响应特性对测量数据的影响，对所求得的CO通量进行WPL校正和频率响应校正，获得修正后的CO通量数据如图4所示。

图4 修正后的CO2通量数据曲线

由CO通量的求算过程可知，文中计算结果为半小时尺度CO的通量密度，分别对两个试验求算其时间尺度上的积分，得到月尺度CO累积量，即净生态系统生产力（NEP），计算结果如图5所示。

图5 净生态系统生产力曲线

由图中曲线可知，试验1的NEP＜0，表明生态系统是大气CO的汇，说明在夏季植被光合作用吸收的二氧化碳大于生态系统呼吸产生的二氧化碳。试验2的NEP＞0，表明生态系统是大气CO的源，说明在冬季植被光合作用吸收的二氧化碳小于生态系统呼吸产生的二氧化碳。结合试验点下垫面的植被类型可知，试验1的植被夏季枝繁叶茂，植物的光合作用很强，因此其碳汇能力较强。试验2的下垫面为人工林白蜡，冬季枝枯叶落，植物的光合作用微弱，因此吸收二氧化碳的能力较低，从月尺度数据来看，其碳源能力较弱。

6 结 论

本文通过对两个试验地点森林生态系统进行定点观测，获得其月尺度连续观测数据，通过采用涡度相关、坐标转换、WPL修正、频率响应校正等方法，分别得到了两个试验点的CO通量值，绘制了净生态系统生产力曲线，获得了两个试验点生态系统固态能力变化趋势，分析了不同季节植物光合作用和呼吸作用对生态系统的碳源碳汇能力的作用效果。基于本文的研究结果，有两部分内容可以做进一步研究。第一，在通量计算中，本文考虑了仪器观测数据的野点去除，但实际上，由于试验1处于夏季，在连续降雨或在间歇性降雨过程中，开路HO/CO分析仪因其结构特征，有部分数据异常，因此在计算中，采用了缺失数据插补方法对缺失数据进行了插补，在后续研究中，可以结合观测地点气象环境因子，开展基于梯度法的数据插补方法研究，验证不同数据插补方法对观测结果的影响。第二，因观测时间限制，数据量有限，本文仅对月尺度观测数据进行了分析，后续将基于本文研究基础，增加时间尺度，分析其年尺度通量，根据本文研究结果，结合通量贡献区理论，采用footprint函数定量分析源区范围，进而定量评价森林生态系统碳源碳汇能力，为深入研究森林生态系统与碳循环之间的关系和2030碳达峰2060碳中和目标的实现提供数据支撑。