Picarro—千煙洲亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)碳同位素廓線觀測系統(tǒng)應(yīng)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(gè)驚人的自然現(xiàn)象：碳的旅程。

森林是地球上最重要的碳儲(chǔ)存器之一，在這個(gè)充滿生命力的舞臺(tái)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(chǔ)存和釋放。

科學(xué)家們對此也在進(jìn)行著相關(guān)研究，在江西省千煙洲亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站，有這樣一個(gè)研究...
 

千煙洲亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)碳同位素廓線觀測系統(tǒng)應(yīng)用案例
 

 

森林生態(tài)系統(tǒng)固定目前大氣中約三分之一的人為CO2排放；因此，準(zhǔn)確評估森林碳匯對于更好理解全球碳收支至關(guān)重要。生態(tài)系統(tǒng)CO2的碳穩(wěn)定同位素（δ13C）是追蹤碳循環(huán)及其與大氣交換的有力工具。森林生態(tài)系統(tǒng)CO2動(dòng)態(tài)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(tài)系統(tǒng)觀測研究站碳同位素廓線系統(tǒng)設(shè)置示意圖
 

千煙洲亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站基于Picarro G2201-i，搭建了碳同位素廓線觀測系統(tǒng)，旨在研究森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部及上方大氣CO₂及其δ¹³C的時(shí)間（晝夜和季節(jié)）和垂直變化，以及闡明環(huán)境和生理因素以及大氣條件對其變化的影響。該系統(tǒng)設(shè)置了7個(gè)觀測高度和3個(gè)已知濃度和同位素組分的標(biāo)氣。7個(gè)觀測高度分別設(shè)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(gè)觀測高度位于冠層內(nèi)，測量依次在7個(gè)高度間循環(huán)進(jìn)行，切換間隔為3min。每進(jìn)行14次循環(huán)后，再依次通入3瓶標(biāo)氣，每個(gè)標(biāo)氣的測量時(shí)間為5min。

碳同位素廓線觀測系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)提供了渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測到的垂直湍流通量項(xiàng)的同位素通量、生態(tài)系統(tǒng)尺度上的非葉片呼吸的同位素通量、存儲(chǔ)通量的同位素通量以及冠層大氣CO₂的δ¹³C值等參數(shù)。
 

【研究結(jié)果】
 

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

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

不同冠層高度CO₂及其δ¹³C與環(huán)境和生理因素的相關(guān)矩陣

【研究結(jié)論】

生態(tài)系統(tǒng)CO₂濃度下午最低，黎明時(shí)達(dá)到峰值，這反映了冠層內(nèi)和冠層上方δ¹³C的變化。冠層內(nèi)和冠層上方的CO₂與其δ¹³C之間存在明顯相反的季節(jié)變化，并且δ¹³C在生長高峰期為正值，在其他時(shí)間為負(fù)值。生態(tài)系統(tǒng)CO₂及其δ¹³C的晝夜和季節(jié)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(qiáng)型植被指數(shù)；然而，環(huán)境和生理因素對森林地面附近產(chǎn)生相反的影響或無影響。由于夜間較穩(wěn)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(jié)果表明，光合作用和呼吸作用主導(dǎo)了冠層上方的CO₂動(dòng)態(tài)，而光合作用和湍流混合的CO₂再循環(huán)改變了冠層內(nèi)的CO₂動(dòng)態(tài)。

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