陆地生态系统通量观测的原理与方法 第2版PDF电子书下载

第1章 全球变化与陆地生态系统碳、氮和水循环 1

1.1 引言 2

1.2 全球气候变化与生态系统 2

1.2.1 全球变化及其成因 2

1.2.2 全球气候变暖的基本事实 3

1.2.3 全球变暖的成因 4

1.2.4 全球变化对生物圈结构和功能的影响 4

1.2.5 应对全球变化的适应性管理对策 4

1.3 全球变化与陆地生态系统碳、氮和水循环研究 6

1.3.1 陆地生态系统碳循环及其对全球变化的响应与反馈 6

1.3.2 陆地生态系统水循环及其对全球变化的响应与反馈 7

1.3.3 陆地生态系统氮循环及其对全球变化的响应与反馈 10

1.4 全球变化与陆地生态系统碳-氮-水耦合循环研究 12

1.4.1 陆地生态系统碳-氮-水耦合循环研究的理论和实践意义 12

1.4.2 陆地生态系统碳-氮-水耦合循环研究的基本科学问题 14

1.4.3 陆地生态系统碳-氮-水耦合循环机制的逻辑框架 17

参考文献 20

第2章 陆地生态系统能量和物质的交换通量 25

2.1 生态系统的能量传输与物质循环 26

2.1.1 陆地生态系统的概念与分布格局 26

2.1.2 陆地生态系统的能量传输和转化 28

2.1.3 陆地生态系统的物质循环 30

2.2 生态系统物质与能量通量的基本概念 38

2.2.1 动量通量 38

2.2.2 辐射通量 38

2.2.3 显热和潜热通量 38

2.2.4 物质通量 39

2.2.5 H2O通量 39

2.2.6 CO2通量 40

2.3 生态系统生产力与碳通量 40

2.3.1 总初级生产力（GPP） 41

2.3.2 净初级生产力（NPP） 41

2.3.3 净生态系统生产力（NEP） 42

2.3.4 净生物群系生产力（NBP） 42

2.3.5 净生态系统碳交换量（NEE） 42

2.4 生态系统碳通量的生态学测定方法 45

2.4.1 基于生物量变化的估算法 45

2.4.2 基于碳平衡方程的估算法 47

2.4.3 基于碳循环模型的估算法 48

2.4.4 同化箱测定法 49

2.5 生态系统水、碳与能量通量的微气象学测定法 50

2.5.1 H2O和C02通量微气象学方法概论 50

2.5.2 涡度相关法的特点及其应用 50

2.5.3 拓宽湍涡累积法 51

参考文献 51

第3章 地球大气圈的垂直构造与大气成分 55

3.1 地球的气候系统 56

3.1.1 大气圈 56

3.1.2 生物圈 58

3.1.3 岩石圈与土壤圈 59

3.1.4 水圈与冰雪圈 60

3.2 大气圈的垂直构造 60

3.2.1 地球大气圈的垂直分层现象 60

3.2.2 对流层 61

3.2.3 平流层 63

3.2.4 中间层 64

3.2.5 热层 64

3.2.6 散逸层 64

3.3 地球大气成分及其进化 65

3.3.1 地球大气圈的成分 65

3.3.2 行星和第一次原始大气 65

3.3.3 第二次原始大气的生成与进化 66

3.3.4 地球大气中氧的生成与进化 68

3.4 大气层臭氧的生成与分解 68

3.4.1 大气的臭氧与臭氧层 68

3.4.2 大气中臭氧生成与分解的化学过程 70

3.4.3 环境污染对大气臭氧层的影响 70

3.5 大气中的CO2、CH4和N2O的浓度变化 71

3.5.1 二氧化碳 71

3.5.2 甲烷 74

3.5.3 氧化亚氮 74

3.6 大气圈的气象要素 75

3.6.1 空气温度 75

3.6.2 空气压力 75

3.6.3 空气湿度 75

3.6.4 风速与风向 76

3.6.5 能见度、云与降水 76

参考文献 77

第4章 大气圈的辐射传输与地表辐射平衡 79

4.1 辐射的基本概念与定义 80

4.1.1 辐射的物理特性 80

4.1.2 辐射与辐射能 82

4.1.3 物体对辐射能的吸收、反射和透射 83

4.1.4 物体的辐射源函数 83

4.1.5 物体辐射的基本定律 84

4.2 太阳辐射和地球辐射 86

4.2.1 太阳辐射和地球辐射的特征 86

4.2.2 太阳辐射在大气上界的分布 87

4.2.3 太阳辐射在大气中的衰减 90

4.3 大气圈的辐射平衡 92

4.3.1 大气圈的辐射平衡概述 92

4.3.2 辐射平衡与时间常数 93

4.4 大气中辐射传输的基本法则 93

4.4.1 比尔-布格-兰伯特法则 95

4.4.2 施瓦西方程和灰色大气的辐射传输方程 95

4.4.3 辐射平衡解 95

4.5 辐射传输对大气温度的影响 96

4.5.1 大气层的辐射平衡温度与气温分布 96

4.5.2 辐射吸收的温室效应 98

4.5.3 辐射冷却效应 99

4.6 陆地表面的辐射平衡 101

4.6.1 地表的太阳辐射平衡 101

4.6.2 地表接受的光合有效辐射 106

4.6.3 地表的长波辐射平衡 107

4.6.4 地表的辐射能量平衡 109

4.7 植物群落对地表辐射平衡的影响 111

4.7.1 植物叶片的光反射率、透射率与吸收率 111

4.7.2 植物群落的光反射率、透射率与吸收率 112

4.7.3 植被指数、叶面积指数与植被光合作用的关系 113

4.8 全球的能量平衡 116

4.8.1 地面的热量平衡 116

4.8.2 全球的热量平衡模式 116

参考文献 118

第5章 近地边界层特征与空气运动基本方程 119

5.1 大气边界层的概念及其特征 120

5.1.1 大气边界层的概念 120

5.1.2 大气边界层的构造特征 121

5.1.3 近地边界层的动力学特征 122

5.2 边界层空气的状态方程 123

5.2.1 理想气体的状态方程 123

5.2.2 干空气的状态方程 124

5.2.3 湿空气的状态方程 124

5.3 边界层空气的运动方程 125

5.3.1 连续方程（质量守恒方程） 126

5.3.2 动量守恒方程 128

5.3.3 能量守恒方程 130

5.4 标量、热量与水汽的守恒方程 132

5.4.1 标量守恒方程 132

5.4.2 热量守恒方程 132

5.4.3 水汽守恒方程 133

5.5 空气动力学方程的简化、近似和尺度理论 133

5.5.1 状态方程 133

5.5.2 连续方程（质量守恒方程） 134

5.5.3 平均运动方程——雷诺方程（动量守恒，牛顿第二定律） 134

参考文献 135

附录 矢量分析、张量简介 136

第6章 近地边界层湍流运动特征与扩散通量 139

6.1 边界层的湍流现象及其作用 140

6.1.1 湍流现象 140

6.1.2 湍流的作用 141

6.1.3 湍流的发生、发展和维持 141

6.2 湍流物理量的定量描述 143

6.2.1 湍流描述的基本思想 143

6.2.2 湍流谱 144

6.2.3 湍流输送与涡度相关 146

6.3 边界层湍流研究的理论基础 147

6.3.1 π定理与莫宁-奥布霍夫相似理论 148

6.3.2 湍流的半经验理论 150

6.3.3 基于K理论的扩散通量 152

6.4 湍流动能和稳定度 153

6.4.1 湍流动能收支方程 153

6.4.2 稳定度的概念 156

6.4.3 理查孙数 157

6.4.4 综合稳定度表 158

6.5 植被冠层对近地边界层湍流的影响 158

6.5.1 风速垂直分布的对数法则 158

6.5.2 空气动力学粗糙度 159

6.5.3 植被冠层对风速分布的影响 160

6.5.4 植被冠层内的风速分布 162

6.5.5 植被冠层对温度、湿度和CO2浓度垂直分布的影响 163

参考文献 164

第7章 基于空气动力学和热平衡的通量观测 165

7.1 湍流运动的物质和热量输送 167

7.1.1 物质和热量输送过程 167

7.1.2 物质和热量输送通量 168

7.2 梯度法的原理及其应用 169

7.2.1 梯度法的基本原理 169

7.2.2 莫宁-奥布霍夫相似理论在梯度法中的应用 172

7.2.3 梯度法的通量计算 174

7.2.4 梯度法的局限性及其改良 175

7.2.5 梯度法通量观测仪器的设置、检验及结果修正 177

7.3 整体法的原理及其应用 177

7.3.1 整体法测定原理 177

7.3.2 整体法测定通量的方法及注意事项 178

7.4 热量平衡法的原理及其应用 179

7.4.1 热量平衡方程 179

7.4.2 波文比法（BREB） 180

7.4.3 彭曼法 181

7.5 拓宽湍涡累积法的原理及其应用 182

7.5.1 拓宽湍涡累积法的原理 182

7.5.2 拓宽湍涡累积法测定通量的传感器和采样器 183

7.5.3 实验常数的确定 184

参考文献 186

第8章 涡度相关技术的原理及通量观测 187

8.1 涡度相关通量观测的基本原理 188

8.1.1 涡度相关技术的发展过程 188

8.1.2 生态系统CO2通量的概念 190

8.1.3 通量观测的基本假设 192

8.1.4 物质守恒方程及影响CO2通量的各种效应 192

8.2 通量观测系统及其仪器配置 197

8.2.1 观测系统及其基本要求 197

8.2.2 大气要素观测系统 197

8.2.3 土壤要素观测系统 201

8.2.4 植物要素观测系统 201

8.2.5 观测场的选择与器材设置 202

8.3 湍流变化与涡度通量的测定及其关键设备 204

8.3.1 风速脉动测定 204

8.3.2 CO2和水汽浓度与脉动测定 205

8.3.3 CH4浓度与脉动测定 208

8.3.4 其他痕量气体浓度与脉动测定 209

8.3.5 温度脉动测定 210

8.3.6 湿度脉动测定 211

8.3.7 通量测定的开路与闭路系统 211

8.4 通量数据的采集、计算与校正 214

8.4.1 数据采集装置与方法 214

8.4.2 数据处理、结果计算和校正的一般流程 215

8.4.3 通量计算要求的采样频率与平均长度 217

8.4.4 数据趋势去除运算 217

8.4.5 坐标轴旋转 219

8.4.6 WPL校正 224

8.4.7 频率响应校正 224

8.5 通量数据质量的分析与评价 225

8.5.1 原始数据分析 225

8.5.2 大气湍流谱分析 226

8.5.3 湍流的稳态测试 227

8.5.4 大气湍流统计特性分析 229

8.5.5 湍流通量数据的总体评价 230

8.5.6 能量平衡闭合评价 230

8.6 闭路系统通量观测与数据处理 231

8.6.1 开路和闭路系统观测和数据处理过程的差异 231

8.6.2 闭路系统的WPL校正 232

8.6.3 频率衰减校正 234

8.6.4 延迟时间校正 235

参考文献 236

第9章 涡度相关通量观测中的若干理论和技术问题 241

9.1 复杂条件下净生态系统碳交换量的评价 242

9.1.1 涡度相关技术测定的优点及存在的问题 242

9.1.2 复杂条件下净生态系统交换量评价的不确定性 243

9.2 观测系统的误差与不确定性来源 245

9.2.1 误差类型、成因与特征 245

9.2.2 通量测定中不确定性的主要来源 247

9.3 平均周期、坐标系统与低频湍流传输对通量的影响 249

9.3.1 通量观测的平均周期与坐标系统 249

9.3.2 低频湍流传输对通量的影响 250

9.3.3 通量计算的平均周期对低频传输通量贡献的影响 251

9.4 非理想观测条件下的通量评价与夜间通量数据校正 254

9.4.1 非理想条件下的通量评价 254

9.4.2 夜间通量观测存在的主要问题 255

9.4.3 夜间通量观测值的校正方法 257

9.5 缺失数据的插补 263

9.5.1 缺失数据插补的必要性 263

9.5.2 平均昼夜变化法 263

9.5.3 半经验法 264

9.5.4 人工神经网络法 267

9.5.5 数据插补策略对年累积通量的影响 269

9.6 CO2通量数据的拆分 270

9.6.1 CO2通量数据拆分的原因 270

9.6.2 基于夜间观测数据的CO2通量拆分途径 270

9.6.3 基于白大观测数据的CO2通量拆分途径 270

9.6.4 CO2通量拆分的有关问题 271

9.7 观测系统的能量平衡闭合程度评价 271

9.7.1 能量平衡闭合程度在数据质量评价中的作用 271

9.7.2 能量平衡不闭合状况的变化特征 273

9.7.3 能量平衡不闭合的主要原因 274

9.8 通量贡献区与净生态系统CO2交换量评价 276

9.8.1 通量贡献区与净生态系统CO2交换量 276

9.8.2 通量贡献区概念及其评价模型 276

9.8.3 观测高度、空气动力学粗糙度与大气稳定度对通量贡献区的影响 277

9.8.4 冠层上部与下部通量贡献区的评价 278

9.8.5 通量贡献区评价的研究重点 279

9.9 通量观测在估算区域碳平衡中的应用 281

9.9.1 站点通量观测数据在估算区域碳平衡中的作用 281

9.9.2 站点通量观测与过程模型模拟的结合 281

9.9.3 站点通量观测与遥感观测的结合 283

参考文献 284

第10章 稳定同位素技术在通量观测中的应用 293

10.1 同位素技术的基本概况 294

10.1.1 同位素的基本概念 294

10.1.2 同位素技术的应用 296

10.2 生态系统碳和水交换过程中的稳定同位素分馏效应 298

10.2.1 光合和呼吸作用过程碳同位素的分馏效应 298

10.2.2 生态系统光合和呼吸过程对氧同位素的分馏效应 302

10.2.3 生态系统蒸散过程对氢、氧同位素的分馏效应 303

10.3 生态系统碳水通量中不同组分的区分 305

10.3.1 稳定同位素通量的组成和来源 305

10.3.2 生态系统光合和呼吸通量组分的区分 306

10.3.3 生态系统植物蒸腾和土壤蒸发组分的区分 308

10.4 生态系统同位素通量的观测技术与方法 309

10.4.1 同位素质谱（IRMS）技术 309

10.4.2 同位素红外光谱（IRIS）技术 310

10.4.3 通量测定过程中应注意的问题 313

参考文献 313

第11章 陆地生态系统不同界面碳氮水交换通量观测方法 319

11.1 大气-陆地界面大气氮沉降观测技术 320

11.1.1 大气含氮气体与主要反应途径 320

11.1.2 大气氮沉降观测与网络构建 320

11.1.3 大气湿沉降观测技术 321

11.1.4 大气干沉降观测技术 323

11.2 土壤-大气界面CO2/CH4/N2O交换通量箱式法观测方法 324

11.2.1 土壤CO2、CH4和N2O产生与消耗过程及耦合关系 324

11.2.2 土壤-大气界面CO2、CH4和N2O交换通量观测方法进展 325

11.2.3 静态箱-气相色谱法原理与方法 327

11.2.4 静（动）态箱-红外仪连续测定原理与方法 329

11.2.5 动态箱-激光法连续测定原理与方法 330

11.3 根系-土壤界面养分和水分通量观测技术 333

11.3.1 根际碳、氮、水循环原理 333

11.3.2 根系-土壤溶液的养分循环过程 334

11.3.3 土壤溶液采集方法与观测技术 335

11.3.4 树干液流观测技术 338

11.4 生态系统水-陆界面通量观测技术 340

11.4.1 水-陆界面C、N、H2O输移过程及原理 340

11.4.2 土壤壤中流监测技术 340

11.4.3 小流域观测原理与技术 342

11.4.4 大流域观测原理与技术 342

参考文献 343

第12章 陆地生态系统碳循环与碳通量评价模型 349

12.1 陆地生态系统碳循环与碳通量 351

12.1.1 碳循环过程概述 351

12.1.2 植被-大气间的碳交换过程 351

12.1.3 土壤-大气间的碳交换通量 353

12.2 植被光合作用的环境响应与过程机理模型 354

12.2.1 光合作用的生物化学机理模型 354

12.2.2 光合作用的光响应 355

12.2.3 光合作用的温度响应 356

12.2.4 光合作用的水分响应 357

12.3 土壤呼吸的环境响应与过程机理模型 358

12.3.1 全球变化对土壤呼吸的影响 358

12.3.2 土壤呼吸对温度变化的响应及其模拟 360

12.3.3 土壤呼吸对土壤水分变化的响应及其模拟 363

12.4 陆地生态系统碳循环和碳交换量的评价模型概要 365

12.4.1 生态系统碳循环模型概要 365

12.4.2 生态系统与气候系统相互作用模型的发展 366

12.4.3 我国生态系统碳循环和碳通量模型研究进展 368

12.4.4 陆地生态系统碳循环模型的不确定性 369

12.5 生态系统尺度的通量模型 370

12.5.1 基于气孔行为的光合-蒸腾耦合模型 370

12.5.2 土壤-植物-大气系统的通量模型 373

12.5.3 景观尺度的过程模型 374

12.6 区域尺度生态系统碳交换过程模型 375

12.6.1 区域尺度生态系统碳交换过程模型概述 375

12.6.2 CEVSA模型 376

12.6.3 lnTEC模型 379

12.7 区域尺度碳通量评价的过程-遥感模型 381

12.7.1 区域尺度碳通量评价过程-遥感模型概述 381

12.7.2 光能利用率模型 381

12.7.3 BEPS模型 386

参考文献 388

第13章 陆地生态系统的水循环及水通量的评价模拟 399

13.1 水的概念及性质 401

13.1.1 水的生态学意义 401

13.1.2 水的化学结构 402

13.1.3 水的物理和化学特性 403

13.1.4 自然界水溶液的化学组成 405

13.1.5 水的能量状态 405

13.2 水的相变与水循环 406

13.2.1 水的状态与相变 406

13.2.2 水的凝结 407

13.2.3 地球的水资源与水循环 409

13.3 陆地生态系统的蒸散通量评价模型 410

13.3.1 陆地生态系统植被冠层类型 410

13.3.2 单涌源模型 413

13.3.3 双涌源模型 415

13.3.4 多涌源模型 416

13.3.5 数值模拟模型 417

13.4 植被的表面阻力 418

13.4.1 植被表面阻力的各种表现 418

13.4.2 植被总气孔阻力和单叶气孔阻力的关系 419

13.4.3 植被总气孔导度的测定方法 419

13.4.4 植被总气孔导度的推测方法 420

13.5 蒸散模型中其他各种阻力的估算方法 420

13.5.1 封闭冠层的空气动力学阻力 420

13.5.2 疏松冠层的空气动力学阻力 421

13.5.3 土壤表面阻力 422

13.5.4 植被总叶面边界层阻力 423

13.6 区域尺度蒸散的遥感评估模拟 423

13.6.1 基于经验关系的回归方程法 424

13.6.2 基于能量平衡的余项法 424

13.6.3 基于PM类方程的过程模型法 424

参考文献 425

第14章 陆地生态系统碳-氮-水耦合循环及模拟模型 429

14.1 陆地生态系统碳-氮-水耦合循环过程 431

14.1.1 光合作用过程中的碳-氮-水耦合 431

14.1.2 自养呼吸过程中的碳-氮耦合 431

14.1.3 异养呼吸过程中的碳-氮-水耦合 431

14.2 生态系统尺度的陆地碳-氮-水耦合模型 432

14.2.1 CEVSA2模型 432

14.2.2 DLEM模型 433

14.3 地球系统模式框架下的陆地碳-氮-水耦合模型 434

14.3.1 光合作用 434

14.3.2 植被碳库和氮库 436

14.3.3 碳、氮分配过程 437

14.3.4 自养呼吸 438

14.3.5 土壤碳库和氮库以及土壤有机质分解 438

14.3.6 氮限制对凋落物及土壤有机质分解的影响 439

14.3.7 外部氮循环过程 439

14.4 流域尺度碳-氮-水耦合模型分类及评价 440

14.4.1 模型分类及比较 441

14.4.2 生物地球化学模型与非点源模型耦合 441

参考文献 443

第15章 全球陆地生态系统的通量观测及其实例 447

15.1 全球陆地生态系统通量观测概况 448

15.1.1 全球通量观测的发展 448

15.1.2 通量观测站分布不均衡的原因及未来发展方向 449

15.2 全球农田生态系统通量观测 451

15.2.1 农田生态系统在全球碳蓄积中的作用 451

15.2.2 农田生态系统通量观测的特点 452

15.3 全球草地和湿地生态系统通量观测 452

15.3.1 全球草地和湿地生态系统概况 452

15.3.2 草地和湿地生态系统通量观测的特点 454

15.4 全球森林生态系统的通量观测 455

15.4.1 全球森林生态系统通量观测概况 455

15.4.2 森林生态系统通量观测的特点 457

15.5 几种具代表性的通量观测实例 458

15.5.1 开路系统通量观测 458

15.5.2 闭路系统通量观测 460

15.5.3 开路和闭路系统的对比观测 461

15.5.4 应用REA法的长期通量观测 462

15.5.5 应用改良梯度法的通量观测 464

15.5.6 复杂地形下的通量观测 466

15.6 不同尺度的通量观测实例 472

15.6.1 农业景观尺度的通量观测 472

15.6.2 流域尺度的通量与水文过程的联合观测 475

15.6.3 大区域的航空通量观测 479

参考文献 484

第16章 全球陆地大气边界层观测试验/生态系统通量观测网络与相关研究计划 487

16.1 大气边界层气象的综合观测试验 488

16.1.1 国际水文和大气先行性试验 488

16.1.2 国际卫星地表气候研究计划 489

16.1.3 全球能量和水循环试验 490

16.1.4 平流层过程及其在气候中的作用试验 491

16.1.5 国际全球大气化学计划 492

16.1.6 全球海洋通量联合研究计划 492

16.1.7 亚马孙河流域大尺度生物圈-大气圈试验 493

16.1.8 北美北方生态系统-大气研究 495

16.1.9 加拿大麦哥泽河流域水热研究 495

16.1.10 中国黑河流域遥感地面观测联合试验 496

16.1.11 大气边界层气象综合观测试验的发展趋势 497

16.2 FLUXNET的发展与合作机制 498

16.2.1 FLUXNET的创建与发展 498

16.2.2 FLUXNET的合作机制 500

16.3 世界主要区域的通量观测研究网络 501

16.3.1 美洲区域的通量观测研究网络 501

16.3.2 欧洲区域的通量观测研究网络 502

16.3.3 亚洲区域的通量观测研究网络 502

16.3.4 非洲区域的通量观测研究网络 504

16.3.5 澳洲区域的通量观测研究网络 505

16.4 全球通量观测研究关注的主要科学问题 505

16.4.1 通量与边界层 506

16.4.2 通量测定的新技术 506

16.4.3 通量与全球碳模拟 508

16.4.4 通量与遥感观测 509

16.4.5 通量水文学 510

16.4.6 通量生物地理学 511

16.4.7 区域碳平衡及其对全球变化的响应与适应 511

16.5 全球碳观测研究计划 512

16.5.1 集成性全球观测战略 512

16.5.2 集成性全球碳观测研究计划 513

16.5.3 国际上其他与通量观测相关的研究计划 516

参考文献 518

第17章 中国通量观测研究网络建设、研究进展及发展方向 521

17.1 ChinaFLUX的建设背景 522

17.2 ChinaFLUX的研究内容、目的和设计思路 522

17.2.1 科学目标 522

17.2.2 设计思路 523

17.2.3 研究主题与重点 523

17.3 ChinaFLUX的观测台站、主要仪器设备及观测项目 524

17.3.1 观测站点的发展与空间布局 524

17.3.2 主要仪器设备 524

17.3.3 观测内容与方法 526

17.4 ChinaFLUX观测研究的主要进展 527

17.4.1 陆地生态系统碳-水-通量协同观测技术系统的设计及其关键技术研究 527

17.4.2 陆地生态系统碳、氮、水通量时空格局及环境影响机制研究 530

17.5 全球通量观测研究网络的新使命及ChinaFLUX的发展展望 535

17.5.1 全球尺度通量观测研究网络的历史使命 535

17.5.2 ChinaFLUX的发展展望 535

参考文献 536

附录Ⅰ 国际单位制（SI）：常用单位及其换算表 543

附录Ⅱ 饱和水汽压与温度的微分方程 547

附录Ⅲ 大气科学中常用的参数 549

附录Ⅳ 重要术语的中英文名称对照表 551

名词索引 555