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