华北平原冬小麦生长期典型农田热、碳通量特征与过程模拟

以位山试验站典型农田为对象,利用位山站2005-10-10～2006-06-10日的实验观测数据,探讨了冬小麦整个生长期农田的热、碳通量特征,并运用SiB2(simple biosphere model Version2)模型对热、碳通量进行了模拟分析,结果表明,农田的热、碳通量在冬小麦生长过程中表现出明显的日变化,这些通量的最大值基本出现在正午前后;热、碳通量的日际变化也较明显,其中净辐射与潜热通量在冬小麦不同生长期表现为:越冬期拔节抽穗期灌浆成熟期;感热通量表现为:拔节抽穗期灌浆成熟期越冬期;而CO2通量为:越冬期灌浆成熟期拔节抽穗期.对以上通量及地表温度的模拟表明,SiB2模型能较好地模拟冬小麦生长期中农田热、碳通量及地表温度,净辐射、潜热通量、感热通量、CO2通量与地表温度的模拟值与观测值的一致性较好,线性相关系数R2分别达0.985、0.637、0.481、0.725、0.499与0.877,其中感热通量与CO2通量模拟偏差较大.另外,按冬小麦生长期分阶段对农田以上分量模拟结果表明,SiB2模型在冬小麦拔节抽穗期模拟效果最好,并发现模型对叶面积指数敏感.     

基于WRF-STILT模型对高塔CO_2浓度的模拟研究

利用下垫面均一的美国最大农业种植区已有高塔CO_2浓度观测资料,结合EDGAR的13种不同类型人为化石源CO_2通量和Carbon Tracker的植被NEE数据,评估了WRF-STILT拉格朗日大气传输模型的模拟能力.结果表明,WRF-STILT模型能够很好地模拟出高塔100m处观测到的CO_2浓度强季节和日变化特征,全年模拟的大气CO_2浓度的均方根误差为10.6×10~(-6),相关系数为0.44(n=7784,P0.001);生长季(6~9月)观测和模拟的浓度增加值线性拟合斜率为1.08(R=0.52,P0.001),说明一致性高;截距为7.26×10~(-6)则反映了使用人为化石燃烧的CO_2通量的高估或者植被NEE的低估.2008年全年高塔观测到的CO_2浓度增加值为4.83×10~(-6),小于模拟得到化石燃烧贡献的增加量6.61×10~(-6)与植被NEE的贡献值3.23×10~(-6)之和.其中原油生产和提炼以及能源工业分别贡献了化石燃料燃烧总量的2.55×10~(-6)(38.6%)和1.43×10~(-6)(21.6%).而对生长季观测到的强CO_2浓度日变化特征模拟结果显示,其模拟的平均日振幅为24.30×10~(-6);生物质燃烧产生的CO_2浓度贡献值为0.06×10~(-6),相对于植被NEE和化石源的贡献,可以被忽略.该方法可为将来应用高塔衡量气体浓度观测来反演中国区域尺度的温室气体通量提供参考.     

珠江三角洲近地层CO2通量模拟分析与评估验证

利用能分别代表珠江三角洲草地、城市绿地及地带性森林植被生态系统的番禺站、东莞站和鼎湖山站CO2净通量资料对CT-2010碳源汇反演模式系统进行了验证,并利用该模式初步分析了区域净碳通量的时空分布及不同生态系统的碳汇特征.结果表明: CT-2010模式模拟的珠江三角洲城市绿地、地带性植被、以及草地生态系统碳通量与站点观测结果具有较好的一致性,其拟合相关系数(r)高于0.60(P<0.01),小时、逐日、日变化的残差均值低于2.0μmol/(m2?s);模式一定程度上能反映3种生态系统碳通量的季节分布特征,但各月的模拟值均高于观测值,其中对城市绿地生态系统的模拟最接近,残差年均值为0.964μmol/(m2?s),对草地和地带性森林植被生态系统的模拟效果相当,残差年均值分别为 2.056,2.100μmol/(m2?s);2004~2005年期间珠江三角洲地区近地层净碳通量为3.43μmol/(m2?s),其中冬季最强,为1.4μmol/(m2?s),春季次之,为1.35μmol/(m2?s),秋季和夏季最低,分别为0.51和0.18μmol/(m2?s);在冬、春两季,珠江三角洲区域为强的碳源区,而在夏、秋季,粤北和粤东大部分地区为较弱碳汇区;2004~2005年期间珠江三角洲地区陆地生态系统的碳汇为-6.5×10-3PgC,其中农作物,草地/灌木,常绿针叶/阔叶混合林是吸收CO2的主要生态系统,其净通量占陆地生态系统的比率分别为42.01%,31.46%和26.53%.     

三江平原稻田CO2通量及其环境响应特征

基于涡度相关技术,于2004年生长季对三江平原稻田CO2通量进行了观测.结果表明,CO2通量日变化特征明显;月平均的CO2通量日变化幅度很大,6～9月,夜间最大净排放通量分别为0.23,0.23,0.18,0.12mg/(m2·s);白天最大净吸收通量分别为-0.14, -0.68, -0.66, -0.22mg/(m2·s).白天CO2通量的变化与光合有效辐射明显相关,并且逐月变化.利用摩擦速度(U*)的阈值进行筛选,夜间通量与温度之间无明显相关,同期观测的静态箱法结果表明,夜间通量与空气和土壤温度相关,整个生长季,生态系统从大气中吸收的C为5.30t/hm2.     

京津冀污染物跨界输送通量模拟

发展了关键影响因子加权人为源分配方法(WKIF),增添了依赖于气象条件和下垫面类型的生物源,动态更新了气象场和浓度场的边界条件.然后利用WRF-CAMx模式定量给出了四季北京、天津和河北大气边界层中PM2.5、O3、CO、SO2、NO2和NO跨界输送通量和北京净输入或输出通量.结果表明WKIF方法合理反映了中小城市人为源的空间分布特征,模式重要输入参量、初值与边界条件的改进显著改善了WRF-CAMx模式对京津冀地区6个观测站点近地面NOx、O3和PM2.5浓度的模拟.北京向天津冬、春季主要通过西北方向,夏、秋季主要经过偏西方向输入NO、NO2、SO2、CO、O3、PM2.5,输送通量夏季均最小,冬季均最大,且四季北京向天津输入的CO、O3、PM2.5通量显著高于NO、NO2、SO2通量.河北的污染物冬、春季主要通过西北方向,夏季主要经由偏南方向,秋季主要途径偏西方向进入北京;四季北京向河北输入NO和NO2,但跨界输送通量小于20t·d-1;四季河北向北京输入的CO、O3、PM2.5通量远高于北京向河北输送的NO、NO2通量,明显大于北京向河北输送的SO2通量,且河北向北京输入CO、O3、PM2.5通量夏季均最小,冬季均最大;四季北京大气边界层中NO、NO2、SO2最大净输出通量小于50t.d-1,CO、O3、PM2.5净输入或输出通量分别为111～2309、567～6244、715～1778t·d-1.这些定量结果为京津冀区域污染源调控对策的制定提供了科学依据.     

北京上甸子大气本底站CO2浓度的源汇区域代表性研究

为研究单个站点观测浓度的源汇区域代表性及所在区域的CO2通量特征,利用大气反转模式FLEXPART模拟确定影响上甸子站观测浓度的气团主要来源,利用Carbon Tracker模式反演CO2浓度和通量的时空分布,并通过数值迭代方法和相关性分析方法获取最优印痕函数阈值,得到影响测站CO2浓度的源汇区域范围.其次,将在线观测CO2浓度筛分为本底和非本底浓度,利用FLEXPART模式追踪测站本底和非本底源区,研究发现,本底和非本底源汇区域明显不同并随季节变化.在印痕函数大于一定阈值的潜在源区内,本底和非本底区域净通量变化趋势差异明显,而且在各通量分支中本底区域化石燃料通量较小、生物圈通量较大,非本底区域化石燃料通量较大、生物圈通量较小.通过反演模式能够定量得到影响测站观测浓度的源汇区域及区域通量特征.     

沈阳城市CO_2通量的足迹分析

基于涡动法测量的沈阳市CO2通量资料,利用KM模型(Kormann-Meixner method)分析了沈阳市2008年供暖期前后CO2通量足迹及不同区域的贡献.同时,探讨了影响CO2通量的因子,并重点分析了交通和供暖对CO2通量的影响.结果表明,供暖对城市CO2体积分数有显著影响,较非供暖时期平均增加了102.54×10-6,CO2通量平均增加了10.74μmol.m-.2s-1.风向与源区也会显著影响CO2体积分数.CO2通量贡献率受风向、供暖、下垫面类型、交通和人口密集度等因素的影响.供暖期间住宅区的CO2通量贡献率夜晚大于白天,交通区的CO2通量贡献率白天大于夜晚.供暖期间交通区在白天和夜晚的单位面积CO2通量贡献率分别为住宅区的6.0和4.2倍.     

陆面模式Noah-MP模拟地表热通量的物理过程不确定性分析

陆面过程中的热量交换对于确定生态系统中的水文循环、边界层发展、天气和气候至关重要,然而目前陆面模式Noah-MP对地表热通量模拟的偏差在-180~180 W·m^-2之间,为明确模拟不确定性来源,本研究基于FLUXNET全球热通量观测数据,在5种气候类型、9类下垫面系统定量评估了Noah-MP感热和潜热通量模拟的不确定性.结果表明：Noah-MP在不同类型下对感热和潜热通量模拟的平均误差主要分布在-80~10 W·m^-2和-30~10 W·m^-2之间,模型在气候类型为热带和干旱气候以及下垫面类型为草地、针叶林、落叶阔叶林的模拟误差最大.研究发现植被过程是热通量模拟不确定性的主要来源,其次是水文过程和土壤过程;其中动态植被模型（DVEG）是植被过程模拟的主导因子,其次是湍流输送过程（SFC）、冠层气孔阻抗（CRS）和冠层辐射传输（RAD）.     

香溪河秋季水-气界面温室气体通量日变化观测及影响因素分析

采用通量箱-气相色谱法对三峡水库香溪河库湾秋季水-气界面温室气体(CO2、CH4、N2O)交换通量进行了连续24 h昼夜观测.结果表明,水-气界面CO2、CH4、N2O的释放通量具有明显的日变化特征:水体除去下午17:00及凌晨05:00吸收CH4外,其余时刻均向外界大气排放CH4,且在凌晨01:00达到排放高峰.CO2和N2O通量的变化规律一致,两者全天均表现为向大气释放;且CO2和N2O通量的昼夜差异较大.CO2白天释放通量范围在20.1～97.5 mg.(m2.h)-1之间,夜间释放通量范围在32.7～42.5 mg.(m2.h)-1之间.N2O白天释放通量范围在18.4～133.7μg.(m2.h)-1之间,夜间释放通量范围在42.1～102.6μg.(m2.h)-1之间.通过相关性分析,秋季香溪河水-气界面CO2交换通量与风速呈显著正相关,与pH值显著负相关,与Chl-a有一定相关性;CH4交换通量与气压有一定的相关性;N2O交换通量与pH值显著正相关.     

城市复杂环境下涡度相关通量观测的适用性分析

利用涡度相关技术,于2008—2009年对北京325 m铁塔47 m、140 m和280 m高度处CO2和能量通量进行了观测.研究了涡度相关技术应用于城市环境通量长期观测中的理论问题和方法适用性.结果表明,平面拟合方法受地面建筑物的影响明显,不同的坐标旋转方法所计算CO2通量差异在15%以内,这种差异随着观测高度的增加而减小.稳态检验表明,城市环境下低质量的数据分布没有明显的日变化趋势.CO2通量在各自通量贡献区内明显受到平流输送的影响,47~140 m之间的平流约占140 m日累计CO2通量的33%.白天对流混合,污染物浓度梯度很小,垂直平流不大,水平平流占据了平流输送的绝大多数,夜间水平平流和垂直平流则具有相同量级.     

杭州地区大气CO2体积分数变化特征及影响因素

选取2015年8月至2016年9月杭州城区、远郊地区在线观测CO_2体积分数,分析杭州地区CO_2体积分数的城郊差异,并结合风向、CO_2体积分数周末效应、二十国集团(G20)峰会期间CO_2体积分数变化过程分析,探讨杭州城市对CO_2体积分数的影响程度.结果表明,杭州城区、远郊地区CO_2体积分数的日变化分布以单峰型形态为主,植物光合作用/呼吸作用和大气输送条件的日变化是主要的影响因素;城郊CO_2体积分数差值表现为双峰形态,人为排放对城郊CO_2体积分数差值的日变化分布存在重要影响.CO_2体积分数日变化幅度在春夏季节远郊地区大于城区,秋季则反之.杭州城区、远郊地区CO_2体积分数的季节变化趋势基本一致,均表现为冬、春季高,夏季低;城郊CO_2体积分数差值冬季最高,夏季最低.杭州地区CO_2体积分数高值的输送方向与周边城市区域的分布方向一致.杭州城区、远郊地区CO_2体积分数均呈现周末效应,尤其在城区,机动车排放对工作日-周末CO_2体积分数的日变化分布存在影响.杭州城区CO_2平均体积分数比远郊地区高9.3×10-6,G20峰会期间人为源排放的减少有效地降低了大气CO_2体积分数,尤其对市区的削减效果更为明显.     

透明箱法监测稻田生态系统CO2通量的研究

采用透明箱法对稻田生态系统CO₂通量进行了田间定位观测,并对透明箱内CO₂浓度的变化规律及拟合方法进行了探讨.结果表明,在水稻生长旺盛期的晴天(白天),箱内CO₂浓度随测定时间呈非线性变化,因此用常规的线性拟合法(LR)计算的CO₂净吸收通量明显低于指数一级动力学拟合法(ER).在水稻生长旺盛期的阴天、成熟期以及夜间,箱内CO₂浓度随测定时间表现为线性变化,LR法与ER法的CO₂净吸收通量计算结果无显著差异.在水稻生长期间,基于LR法的稻田生态系统碳累积吸收量结果明显低于ER法,而后者与常用方法(植物净固定碳量减去土壤异氧呼吸排放碳量)的计算结果比较接近.证实了当植被同化速率较强时,采用ER法对透明箱内CO₂浓度随时间的变化进行拟合并计算CO₂净吸收通量较为适宜.同时表明采用透明箱法观测农田生态系统CO₂通量是可行的.     

Modeling the impacts of temperature and precipitation changes on soil CO2 fluxes from a Switchgrass stand recently converted from cropland

Switchgrass(Panicum virgatum L.) is a perennial C_4 grass native to North America and successfully adapted to diverse environmental conditions. It offers the potential to reduce soil surface carbon dioxide(CO_2) fluxes and mitigate climate change. However, information on how these CO_2 fluxes respond to changing climate is still lacking. In this study, CO_2 fluxes were monitored continuously from 2011 through 2014 using high frequency measurements from Switchgrass land seeded in 2008 on an experimental site that has been previously used for soybean(Glycine max L.) in South Dakota, USA. DAYCENT, a process-based model, was used to simulate CO_2 fluxes. An improved methodology CPTE[Combining Parameter estimation(PEST) with "Trial and Error" method] was used to calibrate DAYCENT. The calibrated DAYCENT model was used for simulating future CO_2 emissions based on different climate change scenarios. This study showed that:(i) the measured soil CO_2 fluxes from Switchgrass land were higher for 2012 which was a drought year, and these fluxes when simulated using DAYCENT for long-term(2015–2070) provided a pattern of polynomial curve;(ii) the simulated CO_2 fluxes provided different patterns with temperature and precipitation changes in a long-term,(iii) the future CO_2 fluxes from Switchgrass land under different changing climate scenarios were not significantly different, therefore, it can be concluded that Switchgrass grown for longer durations could reduce changes in CO_2 fluxes from soil as a result of temperature and precipitation changes to some extent.     

模拟潮汐和植被对湿地温室气体通量的影响研究

以福建省九龙江入海口的滩涂潮间带作为研究对象,通过原位采样和室内人工微宇宙实验,利用静态箱-气相色谱法,研究了潮汐植被对湿地CH₄、CO₂和N₂O 3种重要温室气体通量的影响.结果表明,3种温室气体通量在模拟潮汐和植被作用下表现出明显的差异.模拟潮汐对CH₄和N₂O通量的影响没有明显的规律,总量上都表现为排放;对CO₂通量具有显著影响,退潮时抑制,表现为吸收,涨潮时促进,表现为排放.植被促进CH₄的排放,对CO₂通量影响无明显规律,对N₂O通量表现为抑制作用.植被除了自身对温室气体直接作用外,还通过改变沉积物的理化性质影响微生物活动,进而影响温室气体通量.综合分析,植被对温室气体通量的影响要比模拟潮汐作用明显.     

香溪河库湾夏季温室气体通量及影响因素分析

采用LGR-密闭式动态通量箱法对三峡水库香溪河库湾夏季水-气界面温室气体(CO2和CH4)通量进行了24 h连续观测.结果表明,观测点处水-气界面CO2和CH4的释放通量具有明显的日变化特征,且二者的日变化过程呈较强的负相关性.监测期间,CO2的吸收和释放过程明显,CH4全天均为释放状态,其全天平均通量分别为0.336 mg.(m2.h)-1和0.088mg.(m2.h)-1.分析发现,水-气界面碳通量与温度、pH、叶绿素a、气压、辐照强度的相关性明显,而Eh对碳通量的影响并不显著,其中,CO2与各环境因子的相关性较CH4更为密切.     

江西赣州站大气CO2和CH4浓度变化特征研究

通过分析2018年12月—2019年11月江西赣州站大气CO₂和CH₄浓度高精度在线观测资料,对其CO₂和CH₄浓度变化特征进行了研究,分析了区域大气输送的影响以及潜在排放源区分布特征.结果表明：研究期内赣州站CO₂和CH₄的平均浓度分别为433.1×10^-6和2142.5×10^-9.赣州站CO₂和CH₄浓度日变化均表现为日间低、早晚高,CO₂浓度日振幅在夏季最大,为29.7×10^-6,冬季最小,为6.9×10^-6.CH₄浓度日振幅在秋季最大,为145.1×10^-9,冬季最小,为41.4×10^-9.CO₂本底浓度季节变化表现为4—8月迅速下降,8—11月逐渐上升,最大值出现在1月,最小值出现在8月,季节振幅为26.2×10^-6.CH₄本底浓度季节变化表现为1—7月逐渐下降,7—9月逐渐上升,最大值出现在1月,最小值出现在7月,季节振幅为79.5×10^-9,基本可代表江西赣州地区混合均匀大气的CO₂和CH₄季节变化状况.与南昌站对比分析表明,赣州站各季节CO₂和CH₄本底浓度均低于南昌站.赣州地区CO₂和CH₄潜在源区主要分布在江西北部、湖北东部、安徽南部和珠江三角洲地区.     

杭州西溪湿地CH4、CO2通量及其主要影响因子

本研究采用便携式温室气体分析仪连接通量箱在线监测杭州西溪湿地CH_4、CO_2通量日变化及季节变化,同时也对包括有机碳含量、湿度、孔隙度、比重、p H、Eh在内的潜在影响因子进行了研究。结果表明,通常情况下,CH_4、CO_2通量的变化分别为-0.001 9~0.035 3mg/(m~2·h)和-109.76~442.55mg/(m~2·h);CH_4、CO_2通量的变化存在明显正相关关系。CH_4通量的季节变化表现为夏季秋季春季冬季;CO_2通量的季节变化表现为夏季春季冬季秋季。土壤湿度是影响CH_4通量变化的重要因子,通常湿度越大,CH_4通量越大;在生长季维管植物有助于CH_4的氧化;西溪湿地土质差异也使CH_4、CO_2通量排放有所差异,具体表现在土壤有机碳含量相差较大,而土壤中有机碳的含量与CH_4产生潜力呈显著正相关。     

Potential ammonia emission from flag leaves of paddy rice (Oryza sativa L. cv. Koshihikari)

The present study aimed to investigate the potential ammonia (NH₃) emission from flag leaves of paddy rice (Oryza sativa L. cv. Koshihikari). The study was conducted at a paddy field in central Japan that was designed as a free-air CO₂ enrichment (FACE) facility for paddy rice. A dynamic chamber method was used to measure the potential NH₃ emissions. The air concentrations of NH₃ at two heights (2 and 6 m from the ground surface) were measured using a filter-pack method, and the exchange fluxes of NH₃ of the whole paddy field were calculated using a gradient method. The flag leaves showed potential NH₃ emissions of 25-38 ng N cm⁻² h⁻¹ in the daytime from the heading to the maturity stages, and they showed potentials of approximately 22 ng N cm⁻² h⁻¹, even in the nighttime, at the heading and mid-ripening stages. The exchange fluxes of NH₃ of the whole paddy field in the daytime were net emissions of 0.9-3.9 g N ha⁻¹ h⁻¹ whereas the exchange fluxes of NH₃ in the nighttime were approximately zero.     

不同源汇信息提取方法对区域CO2源汇估算及其季节变化的影响评估

从大气二氧化碳(CO2)浓度观测资料中准确提取源汇或本底信息对区域及全球碳源汇及大气CO2浓度长期变化趋势的定量估计至关重要.本研究以瓦里关大气CO2浓度观测资料为例,探讨了同期地面风和同期一氧化碳(CO)浓度观测资料作为源汇信息提取或本底值筛选因子的有效性.结果表明,地面风和同期CO浓度在冬季可作为筛选因子,但是夏季将其作为筛选因子不是十分有效.采用局部近似回归法(robust estimation of background signal,REBS)、傅里叶变换法(Fourier transform algorithm,FTA)和新发展的平均移动过滤法(moving average filtering,MAF)进行大气CO2浓度源汇及本底信息提取.结果表明,MAF法因其以每2周为一个拟合窗口,采用不断变化和调整的过滤标准,避免了在局部将抬升浓度或吸收浓度百分比过高或者过低估计,优于另外两种方法.3种方法对因区域排放源导致的大气CO2的抬升量的结果无显著差异,但对因区域吸收汇导致的大气CO2降低量差异明显.结果表明,3种方法均可以对受到人类活动排放源影响的CO2抬升浓度合理地筛分,但只有MAF法可对夏季吸收浓度较好地判别.MAF法获得的1995~2008年瓦里关大气CO2多年平均季振幅为约10.3×10-6(摩尔分数,下同),与前期观测结果一致;而REBS法得到的大气CO2逐年季振幅约为9.1×10-6,将会导致低估区域或全球CO2通量值.     

碳同位素比技术定量估算城市大气CO2的来源

要有效地减少城市碳排放和正确地判断城市现有减排措施的有效性就必须准确地确定城市大气CO2的来源.由于碳同位素比从污染源到受体的传输过程中同位素分馏现象不明显,本研究建立了一套基于碳同位素比技术定量估算城市大气CO2来源的方法,并用该方法初步定量分析了上海市嘉定区大气CO2中来自燃煤、机动车尾气和生物质贡献的时空分布.上海市嘉定区大气CO2的上述3种来源中,生物质的贡献最大.燃煤的贡献在夜间(00:00、04:00和20:00)多于白天(08:00、12:00和16:00),且随高度的升高而增大;机动车尾气的贡献则随高度的升高而降低.大气CO2浓度时空分布特征体现了上海市郊嘉定区大气CO2的排放特征和各来源的传输特性.