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植被与大气间CO2通量的长期定位监测是人们精确评估陆地生态系统在全球碳循环中的作用与地位的基本手段和重要前提。荒漠生态系统由于其植被覆盖相对较低、生物多样性和生产力低下,有关碳通量的动态及其驱动机制的研究非常少见,其在全球陆地生态系统碳循环中的作用和地位被长期忽视。本项研究以贺兰山以西的草原化荒漠区红砂(Reaumuriasoongorica)-珍珠(Salsolapasserina)荒漠群落为研究对象,利用涡动相关技术(EC)连续两年在生长期(4-10月)的监测数据,结合同步气象观测数据,探讨了典型荒漠净生态系统CO2交换(NetEcosystemExchange,NEE)在不同时间尺度上的变化特征及其驱动因子,并与箱式法的观测结果进行了对比分析。主要研究结果及进展包括以下几个方面:
(1)采用EC技术针对荒漠植被系统NEE的长期监测研究非常少见;本项研究通过严格的仪器标定、合理的数据处理及质量控制流程,对通量数据的质量评估表明,观测结果能够满足基础研究需要(最高等级),证实了即使在降水小于200mm的典型荒漠地区,EC技术仍然具有连续捕获NEE变化特征的优势;与此同时,EC技术手段在超旱生植被系统观测时也会面临一些与相对湿润地区不同的新挑战。我们的观测结果表明,荒漠植被在应对环境胁迫时,其光合碳同化途径可能会发生改变,导致无法利用夜间通量与温度(或水分)的关系模型外推生态系统总释放量。因此,在基于EC技术进行荒漠生态系统源/汇分析,构建荒漠生态系统固碳模型时,必须考虑荒漠植被的光合生理适应特性对环境因素的响应。
(2)红砂-珍珠荒漠群落NEE日变化特征总体上表现为三种类型:白天CO2吸收型、白天CO2释放型、白天CO2波动型,前两者均有一个明显的单峰变化趋势。在生长季初期(4-5月)白天吸收CO2型出现的天数最多;在生长季旺盛期多为白天CO2吸收型与CO2波动型;而白天CO2释放型在土壤水分状况较差的晴朗天气。在长时间的持续干旱后,较大的降雨事件往往导致NEE的日变化类型由白天CO2释放型转变为白天CO2吸收型,这一变化可能与荒漠植物光合途径的转变有关,是荒漠植物迅速利用有限的水分资源而产生的适应策略。
荒漠植被系统EE最大日变化幅度分别为-0.024~0.036mgCO2·m-2·s-1(2010年9月)和-0.045~0.015mgCO2·m-2·s-1(2011年7月),远小于已有研究报道,主要原因可能与较少的降水(<200mm)及景天酸科(CAM)代谢类型植物的存在有关。
(3)红砂-珍珠荒漠群落NEE的季节波动与降水量密切相关。在降水稀少的2010年的生长期,表现为净吸收的日数仅有61d。仅有5月和10月表现为微弱的碳汇,碳固定量分别为2.23gC·m-2、0.126gC·m-2;其他月份均表现为碳源,生长期累计向大气中释放18gC·m-2;而在降水较多的2011年,表现为净吸收的日数达到104d,大部分月份表现为碳汇,生长期累计碳固定量为17gC·m-2。
(4)降水是荒漠生态系统碳固定量的主要影响因素,其强度是决定荒漠生态系统是碳源还是碳汇的关键因素。在土壤较为干旱时,小降雨事件不利于荒漠生态系统的碳固定;大的降雨事件或一系列的小降水事件有利于荒漠生态系统的碳固定。水分条件显著影响了NEE与温度之间的相关性。在不同的水分条件下,降水较少的2010年NEE与温度表现出了较好的相关性,可能与干旱背景下土壤呼吸对NEE贡献的份额增大有关;而在降水较多的2011年,NEE与温度的相关性较弱。土壤含水量还影响到NEE的光响应曲线。
(5)涡动相关法与同期箱式法观测结果基本一致。对箱式法观测结果进行以盖度为加权因子的平均结果表明,红砂种群的光合速率为珍珠种群的2.8倍;红砂种群呼吸、珍珠种群呼吸及土壤呼吸释放量分别占整个生态系统呼吸的比例分别为:9%、21%、70%。生态系统的呼吸主要来源于土壤呼吸。
(6)本项研究仅仅利用了两个生长季的涡动相关观测数据,由于荒漠生态系统碳通量的影响因素较多,而且年内、年际变异极大。因此,需要更为长期的连续监测,为荒漠生态系统碳通量动态及其环境因子的响应提供更多的数据。