中国陆地生态系统碳通量观测技术及时空变化特征研究PDF电子书下载

第一章 绪论 1

第一节 国际通量观测事业的发展 1

一、通量观测的历史过程 1

二、FLUXNET的构建与发展 2

第二节 通量观测的科学贡献 4

一、生态系统通量观测的技术进步 4

二、通量观测的主要科学贡献 5

第三节 中国通量观测事业的起步和发展 6

一、中国通量观测的前期研究工作 6

二、ChinaFLUX的建设 7

三、中国通量观测事业的发展和壮大 8

第四节 国际通量观测研究的热点领域 9

一、通量观测技术研究 10

二、通量-遥感的联合观测技术与数据整合研究 11

三、通量的过程机理与动力学模型研究 11

四、数据-模型融合系统的开发研究 13

五、通量观测在一些新领域的拓展应用研究 14

六、区域碳平衡及其对全球变化的响应和适应性的综合研究 17

第五节 ChinaFLUX的研究工作重点 17

一、复杂条件下通量观测技术与评价方法的研究 17

二、典型生态系统二氧化碳和水通量的环境响应机理研究 18

三、多尺度通量观测数据-模型融合系统的开发研究 18

四、大尺度生态系统二氧化碳源、汇格局及其变化规律研究 19

参考文献 19

第二章 中国通量观测研究网络的设计与运行机制 26

第一节 设计的目的和目标 26

一、背景与意义 26

二、研究目标与内容 28

第二节 研究网络的设计思路与空间布局 29

一、欧亚大陆的气候、植被格局与陆地样带 29

二、中国植被格局与陆地样带 31

三、ChinaFLUX设计思路与原则 33

四、ChinaFLUX观测站点的空间布局 35

第三节 通量观测系统的设计 37

一、主要仪器设备 37

二、各站的观测内容与方法 45

三、各台站的主要仪器配置 46

第四节ChinaFLUX的运行管理机制 47

一、运行管理机制 47

二、观测数据与成果共享机制 48

第五节ChinaFLUX的发展思路与战略布局 50

一、典型生态系统通量的联网观测与陆地样带研究相结合合理布局和增加观测站点的数量 50

二、有效组织多尺度、多过程、多途径、多学科的综合观测计划 51

三、重点开展生态系统的水、碳、氮循环过程机理及其耦合关系的集成性研究 52

四、加强数据管理和共享开展数据分析与模型对比实验 53

五、加强与国际通量观测研究网络的合作 53

参考文献 54

第三章 中国陆地生态系统通量观测研究网络的观测方法与技术规范 56

第一节 涡度相关通量与气象要素的观测与仪器标定 56

一、通量观测系统和微气象观测系统的安装与调试 56

二、涡度相关观测数据的采集与保存 61

三、观测系统的运行与日常保养 61

四、通量观测仪器的标定方法 63

五、微气象观测系统的野外质量控制简易方法 66

第二节 研究区域植被和土壤空间分布特征的调查与制图 67

一、植被空间分布调查 68

二、土壤有机碳储量和理化性质空间分布的调查 71

第三节 生态系统生理生态要素的动态观测 73

一、生态系统生理生态要素的动态观测概述 73

二、植物光合、蒸腾作用和气孔导度的测定 74

三、物候期、病虫害和自然灾害观测 77

四、生物量的测定 78

五、植物营养元素及土壤水分和养分含量的测定 80

六、叶面积指数的动态测定 82

七、凋落物的动态测定 87

第四节 生态系统呼吸组分的测定 87

一、生态系统呼吸组分的测定方法概述 88

二、土壤呼吸测定技术 89

三、土壤呼吸组分的拆分方法 94

四、植物叶片和树干呼吸的测定 97

第五节 生态系统的稳定同位素通量观测 98

一、稳定同位素通量观测技术及其应用 98

二、通量观测中稳定同位素测定的采样系统 99

三、稳定同位素的全自动测定系统 101

第六节 生态系统变化的卫星遥感地面信息观测 103

一、遥感观测在生态系统通量评价中的作用 103

二、卫星遥感的数据资源及其特征 107

三、地面通量与遥感联合观测系统 109

四、像元尺度遥感数据的地面验证 110

第七节 服务于生态系统碳和水循环研究的其他观测 115

一、大气粉尘和营养物质的干湿沉降观测 115

二、土壤生物和植物固氮量的观测 117

三、土壤有机碳形态及其周转速率的测定 119

四、植物根系生长和周转过程测定 122

五、土壤微生物区系和功能群的动态测定 123

六、生态系统营养分库的生物化学计量学测定 125

七、生态系统水文参数的测定 126

参考文献 129

第四章 中国陆地生态系统通量的观测理论和方法研究 135

第一节 生态系统二氧化碳和水热通量的观测理论 136

一、通量观测有效性需要考虑的主要过程及误差类型 136

二、二氧化碳和水热通量数据的质量控制与评价体系 136

第二节 二氧化碳和水热通量观测系统的性能评价 139

一、开路和闭路涡度相关系统仪器高频响应特征 139

二、开路与闭路涡度相关系统的对比分析 140

三、开路涡度相关系统与常规气象系统的对比分析 141

四、频率响应衰减的校正 142

第三节 平均周期的选择和低频通量贡献的研究 143

一、确定平均周期的简易方法 143

二、确定平均周期参数范围的归一化比值方法 144

三、不同平均周期对通量计算的影响 144

第四节 倾斜校正途径的研究 148

一、倾斜校正的途径 148

二、不同倾斜校正方法的对比分析 149

三、三种旋转方法校正后的通量比较 153

第五节WPL校正和通量储存效应的研究 154

一、WPL校正对通量计算的影响 154

二、植被冠层的通量储存效应 154

第六节 夜间通量数据处理方法研究 156

一、夜间湍流通量测定的低估现象 156

二、夜间数据处理的一般流程 157

三、u临界值的确定方法 158

四、夜间通量低估的可能原因 160

五、强风条件下净二氧化碳交换通量的上界摩擦风速修正及其影响 161

第七节 能量平衡闭合的评价 162

一、能量平衡闭合的评价途径 162

二、OLS, RMA线性回归分析与能量平衡比率EBR 163

三、能量平衡相对残差8的频率分布 164

四、能量平衡闭合程度的日变化 165

五、能量平衡闭合程度的季节变化 166

六、能量不闭合的可能原因 167

第八节 生态系统二氧化碳和水热通量数据质量的控制体系 168

一、稳态与非稳态的大气湍流特征 168

二、大气湍流方差相似性关系 170

第九节 缺失数据的插补方法 172

一、通量观测站缺失数据插补策略 172

二、几种数据插补方法的比较 174

第十节 通量观测数据的空间代表性 176

一、影响通量贡献区的因素 177

二、通量贡献最大的点 180

三、源权重函数最小的点 182

四、通量贡献区的大小 182

五、观测数据的空间代表性 182

参考文献 183

第五章 中国通量观测研究网络的数据-模型融合技术体系 190

第一节 碳循环研究中模型-数据融合研究的国内外进展 190

一、模型-数据融合方法的进展 190

二、碳循环中的模型-数据融合系统的组成 192

三、模型-数据融合方法分类 194

四、陆地生态系统碳循环研究中的模型与数据 196

第二节 中国通量网的模型-数据融合系统构建与框架 199

一、生态系统尺度的模型-数据融合系统 199

二、区域尺度的模型-数据融合系统 202

第三节ChinaFLUX数据管理信息系统与数据规范 202

一、ChinaFLUX-DIS数据管理信息系统的设计 202

二、ChinaFLUX-DIS数据发布系统功能 206

三、ChinaFLUX数据规范 207

第四节ChinaFLUX通量数据处理系统的开发 213

一、实时数据处理 214

二、非实时数据处理 214

参考文献 214

第六章 中国典型陆地生态系统碳通量的时空变异与环境控制机制 218

第一节 生态系统通量观测站气象环境变化特征 219

一、森林生态系统观测站 219

二、草地生态系统通量观测站 222

第二节 中国主要陆地生态系统碳通量的季节和年际变化 224

一、不同生态系统NEE的季节变化模式 224

二、不同生态系统NEE的差异 227

第三节 净生态系统碳交换的环境控制机理 228

一、光强对净生态系统碳交换的控制作用 229

二、温度对净生态系统碳交换的控制作用 234

三、水分对净生态系统碳交换的影响 237

第四节 温度和水分对生态系统呼吸的影响 241

一、生态系统呼吸对温度的响应 241

二、水分对生态系统呼吸的影响 245

三、脉冲式降雨对草地生态系统呼吸的影响 248

第五节 中国区域通量的时空格局的初步分析 251

一、中国主要陆地生态系统碳收支的初步评价 251

二、中国区域陆地生态系统碳通量的空间格局 253

三、中国区域陆地生态系统碳通量的环境控制机制 254

参考文献 255

第七章 中国典型生态系统的碳、水通量模拟模型及其尺度转换方法 261

第一节 生态系统碳、水通量模型概述 261

一、生态系统通量模型研究概述 261

二、ChinaFLUX的通量模型研究的主要进展 262

第二节 冠层尺度的SMPT-SB模型的开发及其应用 263

一、SMPT-SB模型的理论框架及其参数化方案 263

二、冠层尺度的SMPT-SB模型的开发 267

第三节 农田生态系统水热与二氧化碳通量的日变化模拟模型 272

一、光合-蒸散耦合模型的描述 272

二、模型模拟的验证与敏感性分析 281

第四节 生态系统过程机理模型的引进与改良 286

一、BEPS模型的改良及其应用 286

二、CEVSA模型的改进及模型评价 292

三、EALCO模型的参数化及其验证 297

第五节 遥感模型的开发与模型的评价 306

一、EPPML模型的建立及其应用评价 306

二、VPM模型在高寒草地生态系统中的应用 308

第六节 陆地生态系统碳通量尺度扩展方法研究 315

一、两种生态系统GPP尺度扩展方法的对比分析 315

二、图层空间分辨率对生态系统GPP尺度扩展的影响 318

参考文献 322

第八章 长白山温带红松针阔叶混交林生态系统通量观测研究 328

第一节 观测站的土壤、植被与气候特征 328

一、长白山地区自然概况 328

二、长白山阔叶红松林 329

第二节 生态系统通量与碳循环综合观测系统 332

一、涡度相关仪器系统 332

二、二氧化碳浓度廓线系统 333

三、微气象观测系统 334

四、其他辅助观测系统（项目） 334

第三节 长白山通量站环境与生物变化特征 335

一、水分环境特征 335

二、太阳辐射 336

三、辐射环境特征 339

四、叶面积指数变化特征 339

第四节 生态系统二氧化碳通量的变化特征 341

一、林内二氧化碳浓度变化特征 341

二、二氧化碳通量变化特征 345

第五节 生态系统二氧化碳通量变化的气象环境控制机制 349

一、影响森林二氧化碳通量的主要气象要素 349

二、光合有效辐射对白天二氧化碳通量的影响 350

三、土壤温度对生态系统呼吸的影响 351

四、空气饱和差对生态系统白天二氧化碳通量的影响 352

五、日平均气温对二氧化碳净交换量的影响 353

第六节 土壤与生物过程对二氧化碳通量的影响 354

一、土壤呼吸 354

二、倒木呼吸 356

三、叶面积动态与二氧化碳通量 360

第七节 长白山阔叶红松林生态系统碳汇功能 361

一、二氧化碳收支的季节与年际变化 361

二、讨论 363

参考文献 364

第九章 千烟洲中亚热带红壤丘陵人工林生态系统通量观测研究 368

第一节 千烟洲观测站的土壤、植被与气候特征 368

一、千烟洲试验站土壤特征 368

二、千烟洲试验站植被特征 371

三、千烟洲试验站气候特征 373

第二节 生态系统通量与碳循环综合观测系统 377

一、通量塔与周边环境 377

二、通量观测系统 378

三、二氧化碳廓线观测系统 380

四、常规气象观测系统 380

五、静态箱-气相色谱法观测系统 381

六、其他辅助观测系统 382

第三节 生态系统二氧化碳通量的变化特征 384

一、生态系统二氧化碳交换量的定义 384

二、数据处理 385

三、人工林生态系统碳通量的日变化特征 387

四、生态系统碳通量的季节变化特征 389

第四节 生态系统二氧化碳通量变化的气象环境控制机制 391

一、日尺度生态系统二氧化碳通量变化的气象环境控制机制 391

二、月尺度生态系统二氧化碳通量变化的气象环境控制机制 394

三、与同纬度地区生态系统碳收支的对比 397

第五节 土壤对碳通量的影响 398

一、土壤呼吸对人工林生态系统呼吸的贡献 398

二、土壤环境因子对生态系统净碳交换量的影响 399

三、凋落物、土壤温度与土壤水分对土壤呼吸的影响 402

第六节 生物过程对二氧化碳通量的影响及碳储量估算 405

一、生物量和碳储量的测定方法 405

二、主要建群种各组分含碳率分析 406

三、人工林生态系统植被碳储量及其变异特点 407

四、人工林生态系统土壤碳密度及其变化 410

五、人工针叶林总碳储量分布及其动态变化 412

参考文献 412

第十章 鼎湖山南亚热带典型常绿阔叶林生态系统通量观测研究 417

第一节 鼎湖山土壤、森林植被与气候特征 417

一、鼎湖山附近环境的形成背景 417

二、气候状况 418

三、土壤特征 419

四、植被特征 420

第二节 森林生态系统碳通量与碳循环综合观测系统 423

一、涡度相关通量和微气相要素、观测系统 423

二、地表碳通量静态箱-气相色谱观测系统 424

三、生产力估算法 426

第三节 鼎湖山森林生态系统能量平衡的分析 427

一、鼎湖山地区的光合有效辐射 427

二、森林生态系统的能量平衡状况 428

三、湍流能量和有效能量的日变化特征 430

四、影响能量平衡的因素 432

五、鼎湖山森林生态系统能量平衡特征 436

第四节 鼎湖山针阔叶混交林生态系统二氧化碳通量变化特征 437

一、生态系统呼吸量估算模型 437

二、生态系统呼吸量估算 440

三、针阔叶混交林生态系统二氧化碳通量的变化特征 442

第五节 鼎湖山针阔叶混交林生态系统二氧化碳通量变化的气象环境控制机制 446

一、鼎湖山地区常规气相要素季节变化 446

二、NEE对光合有效辐射（PAR）的响应特征 447

三、温度对生态系统二氧化碳通量的影响 449

四、摩擦风速阈值的界定对系统二氧化碳通量的影响 449

第六节 土壤与生物过程对森林生态系统二氧化碳通量的影响 451

一、土壤过程与生态系统二氧化碳通量的关系 451

二、生物过程对森林生态系统二氧化碳通量的影响 454

第七节 鼎湖山森林生态系统的碳汇功能 460

参考文献 462

第十一章 西双版纳热带季节雨林通量观测研究 467

第一节 热带季节雨林通量观测站背景特征 468

一、植物群落特征 468

二、气候特征 469

三、土壤特征 470

四、植被碳储量特征 471

第二节 生态系统通量与碳循环综合观测系统 471

一、微气象观测系统 471

二、静态一箱式法观测系统 475

三、其他观测项目 476

第三节 热带季节雨林生态系统二氧化碳通量变化特征 477

一、热带季节雨林林冠二氧化碳通量日变化特征 477

二、热带季节雨林二氧化碳通量年变化特征 478

三、地表二氧化碳通量（土壤呼吸）特征 480

第四节 影响生态系统二氧化碳通量变化的环境因子 484

一、太阳辐射和风速 484

二、热量状况 486

三、水湿分布特征 492

四、林冠上方层结稳定度 495

五、林冠上二氧化碳浓度及水汽浓度的时间变化 500

六、热带季节雨林树木光合速率日变化 502

第五节 土壤与生物过程对生态系统二氧化碳通量的影响 503

一、热带季节雨林土壤呼吸的日、季节变化 503

二、林冠二氧化碳通量日变化与林内土壤二氧化碳通量日变化关系 504

三、热带季节雨林二氧化碳通量与树木光合速率的关系 506

四、夜间树木暗呼吸对热带季节雨林二氧化碳通量的影响 508

五、叶面积指数年变化 509

六、光合有效辐射对热带季节雨林二氧化碳通量的影响 511

七、热带季节雨林凋落物量的年变化和分解动态 512

八、热带季节雨林二氧化碳通量与环境要素的关系 513

九、各通量季节平均比较 516

第六节 热带雨林的碳汇、碳源功能及其环境效应 516

一、小气候要素的时间动态特征 519

二、林冠上二氧化碳浓度特征 520

三、林冠上风速及稳定状况 520

四、热带季节雨林林冠二氧化碳通量特征及其影响因子 522

参考文献 524

第十二章 禹城华北平原暖温带半湿润旱作农田生态系统碳通量观测研究 529

第一节 华北平原概况 529

第二节 实验观测与数据处理 530

一、实验地点概况 530

二、密闭箱法观测 531

三、涡度相关与微气象梯度观测 532

四、涡度相关数据处理 532

五、生物和土壤因子观测 533

第三节 二氧化碳通量测定方法比较 533

一、明箱法测定二氧化碳通量的校正 534

二、农田二氧化碳通量测定的涡度相关法与明箱法比较 535

第四节 华北平原农田生态系统碳交换及其环境调控机制 539

一、气候、土壤和植被 539

二、土壤和植被碳储存 541

三、净碳交换量的日变化 542

四、净碳交换量的季节变化 543

五、生态系统年尺度的碳平衡 546

六、NEE与环境因子的关系 547

七、饱和差（VPD）和温度对NEE-PAR关系的影响 550

第五节 人工神经网络在农田生态系统通量研究中的应用 551

一、概述 551

二、基本原理 553

三、神经网络模型及其建立 556

四、敏感性分析 560

五、小结 560

第六节 结论与展望 563

参考文献 564

第十三章 内蒙古典型羊草草原生态系统通量观测研究 570

第一节 观测站的土壤、植被与气候特征 570

一、位置、地形和地貌 570

二、气温与降水 571

三、土壤和植被 572

第二节 生态系统碳通量与碳循环综合观测系统 573

一、涡度相关通量观测和常规气象观测系统 573

二、植被生理指标的测定 574

三、数据处理与分析 575

第三节 生态系统二氧化碳通量的变化特征 575

一、生态系统碳通量的日变化特征 575

二、生态系统碳通量的季节变化特征 577

第四节 生态系统二氧化碳通量变化的气象环境控制机制 578

一、温度 579

二、降雨和土壤含水量 580

三、光照 583

四、饱和水汽压差和土壤含水量 585

第五节 生物过程与土壤温度对二氧化碳通量的影响 588

一、生物过程对二氧化碳通量的影响 588

二、土壤温度对夜间二氧化碳通量的影响 590

第六节 生态系统的碳汇功能及其环境效应 591

一、生态系统呼吸和总生态系统交换的日变化特征 591

二、生态系统呼吸和总生态系统交换的季节变化 592

三、生态系统碳源、碳汇功能评价 594

参考文献 594

第十四章 海北青藏高原高寒草甸生态系统通量观测研究 597

第一节 观测站气候、土壤与植被的基本特征 597

一、气候 597

二、土壤 600

三、植被 601

第二节 生态系统碳通量与碳循环综合观测系统 607

一、仪器布局及测定参数 607

二、高寒草甸地区的能量平衡 609

三、高寒草甸植被净初级生产力及对土壤碳素的输入状况 612

第三节 生态系统二氧化碳通量（NEE）的变化特征 617

一、NEE的日变化 617

二、NEE的季节变化 620

三、NEE最大交换量 622

第四节NEE变化的气象环境控制机制 623

一、土壤温度和水分对NEE的影响 623

二、光合有效辐射（PAR）与二氧化碳的交换量关系 625

三、昼夜温差与NEE的关系 625

四、植被反射率与NEE的关系 626

五、积雪对NEE的影响 627

六、降水对NEE的影响 629

第五节 土壤与生物过程对二氧化碳通量的影响 629

一、土壤呼吸二氧化碳释放速率日变化特征 630

二、土壤呼吸季节变化特征 631

第六节 结论与展望 632

参考文献 633

第十五章 当雄青藏高原草原化高寒草甸生态系统通量观测研究 635

第一节 当雄草原碳通量观测站环境背景特征 636

一、位置、地形和地貌 636

二、气候特征 636

三、植被特征 637

四、土壤特征 637

第二节 通量和生物环境因子观测及数据处理 637

一、数据采集和生物环境因子观测 637

二、数据处理方法 640

第三节 碳通量观测场的生物及环境变化特征 641

一、小气候的季节动态及年际变化特征 641

二、生物因子动态变化特征 648

三、土壤有机碳含量垂直分布和碳密度 652

第四节 生态系统二氧化碳通量的变化特征 652

一、生态系统二氧化碳交换通量的日变化特征 652

二、高寒草甸生态系统碳通量的季节变化特征 654

三、生态系统碳通量（NEE）的年际变化特征 656

第五节 生态系统NEE变化的主要影响因子 657

一、PAR日变化节律对NEE的影响 657

二、不同物候期LAI对NEE响应和PAR变化的影响 658

三、昼夜温差对生态系统NEE的影响 660

四、非生长季NEE与主要环境因子的关系 660

第六节 生态系统呼吸及土壤呼吸变化的影响因子 661

一、生态系统呼吸的主要影响因子 661

二、生长季土壤呼吸及其影响因子 664

三、生长季土壤微生物异养呼吸 668

四、根系呼吸及其占土壤呼吸的比例 670

第七节 生态系统碳平衡及碳源、碳汇关系 671

第八节 讨论 672

第九节 结论 673

参考文献 674