中国东北芦苇湿地热和二氧化碳通量的季节变化外文翻译资料

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中国东北芦苇湿地热和二氧化碳通量的季节变化

李小兰^a 贾庆宇^a 刘晶淼^a,b

^a中国气象局大气环境研究院，中国沈阳市和平区长白南路388号110166

^b中国气象科学研究院，中国气象局，北京100081

重点

• 中国东北芦苇湿地的热通量和CO₂通量
• 热通量和CO₂通量在生长季和非生长季的昼夜变化
• CO₂通量/蒸散量与环境因素之间的关系

文章信息

文章历史：

2015.08.26初稿

2015.11.24修改稿

2015.11.26收稿

2015.11.30在线可读

关键词：

CO₂通量

感热通量

潜热通量

芦苇湿地

中国东北

摘要

基于微气象与涡动相关技术，研究了2006年间中国东北芦苇湿地生态系统的感热(H_S)，潜热（LE）和CO₂通量（F_C）的季节变化及其与环境因素之间的关系。结果表明由于夏季丰富的降水与强蒸散作用，夏季（6、7、8月）潜热（gt;400 W m^-2）明显大于其他季节，但是感热在春季（gt;300 W m^-2）与秋季（200 W m^-2）偏大，夏季 (lt;100 W m^-2)偏小。受全年的地表辐射及非生长期供水限制，2006年的累积蒸散量为577.1mm。生长季（5~9月）F_C值白天约为-1.0 mg m^-2s^-1（有时接近-2.0 mg m^-2s^-1），夜间约为0.3 mg m^-2s^-1，非生长季F_C在0附近且CO₂质量浓度在600-800 mg m^-3。生长季节的月累积CO₂通量在7月达负最大（-520 mg m^-2 month^-1），5月达负最小（-65 mg m^-2 month^-1），使得此芦苇湿地在2006年成为净二氧化碳汇。生长季白天CO₂通量与不稳定条件下的大气稳定性|z/L|、光合有效辐射（PRA）及风速呈正相关，它在短的时间尺度内较少依赖于气温，相对湿度和土壤含水量，但是比较2005年与2006年3~4月的情况表明，在更长的时间尺度上，较冷的环境可以导致CO₂排放在生长季前减少。

1.介绍

陆地生态系统在大气边界层内通过与大气进行能量、水汽、动量和痕量气体的交换来影响大气。湿地生态系统的碳储量占世界碳储量（~1510¹⁴kg）的很大部分，因此尽管它们只占全球陆地面积的一小部分，但在全球碳循环中却发挥了主导作用。关注全球气候变化的研究，定量研究普遍集中于研究大气与湿地表面间能量和碳交换的过程及控制机制、确定湿地碳排放和同化通量的大小并确定当前及潜在的碳汇或碳源。不同种类湿地的研究，主要包括北方北部及亚北极地区的泥炭地、灌木湿地、森林湿地、沼泽湿地和芦苇湿地。

在各种湿地当中，芦苇湿地是世界上分布最广和最具有生产性的。然而芦苇湿地CO₂排放的场地观测相当少见。Brix等人通过气相色谱法分析气体样本，观察到在炎热干旱的夏季CO₂通量的最大值为5.11 m^-2 day^-1，结合芦苇湿地中高频率对流通流，他们认为芦苇湿地很可能是痕量气体的主要排放源之一。周等人使用涡动相关技术在中国东北辽河三角洲在盘锦芦苇湿地观测了2005年湿地生长季（5~9月）平均CO₂通量（-7.842.74 g m^-2 day^-1）和全年CO₂通量（-6514 g C m^-2 year^-1），均表明该芦苇湿地为一个CO₂汇。

芦苇湿地的CO₂通量值很大的依赖于环境因子例如土壤温度、水位状况等，因此 CO₂通量大小又与土壤和大气的能量交换的时间变化联系密切，Joiner等人观测到加拿大北方的芦苇湿地CO₂总通量在1994年4~9月为30.8 g C m^-2，但在1996年的同期，由于温暖的天气和提前的融雪CO₂总通量为-91.6 g C m^-2。周等人研究了盘锦芦苇湿地生长季（5~10月）和非生长季感热通量和潜热通量的不同特征，发现感热通量和潜热通量间的余热能量分配强烈的依赖于地表植被状况。因此，量化热通量的大小和季节变化对确定芦苇湿地在当地气候中发挥的作用非常重要。

位于中国东北环渤海湾河口中部的辽河三角洲盘锦芦苇湿地是亚洲最大的湿地，占地54785公顷。只有非常少的研究检验了该芦苇湿地的热通量和CO₂通量的季节变化特征。运用在盘锦湿地生态站获得的2006年观测数据，本文致力于研究盘锦芦苇湿地的热通量和CO₂通量的季节变化、在生长季与非生长季的不同特征及它们与部分环境因子的关系。

2．实验地点和数据

2.1．实验地点

2004年盘锦市在盘锦芦苇湿地建立芦苇湿地生态研究站进行长期的地-气交换观测实验。观测站位于平坦湿地的中部（41°08lsquo;N，121°54rsquo;E；海平面以上7m），由同质植被主导即 P. australis和Trin. Ex Steud，它们可以生长到地表3米以上。这种芦苇湿地属于淡水潮汐湿地，不规则和半日潮汐运动高4.0-5.5米。辽河三角洲为温带季风气候，年平均气温为8.6℃，无霜期为170天，风速为4.3 m s^-1，累积日照时间2700小时，蒸发量为1390-1705 mm，降水量611.6 mm。试验地点冬季盛行冬季风，夏季则为夏季风。

盘锦站建有一座6.5 m高配备有观测仪的气象塔。风速，气温，二氧化碳和水的摩尔浓度的脉动通过一台架设在4.5 m，频率为10 Hz的开路涡度相关分析仪测量并通过CR5000记录数据。微气象和土壤参数的测量包括风速，4 m和6.5 m的气温和相对湿度，地表降水，5 m高度的辐射，5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、40 cm和80 cm的土壤温度，5 cm深处的土壤含水量和8 cm深处的土壤热通量，以及6.5 m处的光合有效辐射（PAR）。所有的非湍流数据每2 s一次由CR23X记录数据。盘锦站涉及的观测数据和仪器信息见表格1。

2.2.数据处理和方法

使用来自爱丁堡大学的软件Edire，以30分钟为间隔进行湍流数据处理，根据等式（1）-（3）计算测定摩擦速度（u *），感热通量（Hs）和潜热通量（LE）。

式中u，v，w分别为流向，径向，垂直方向速度，为位温，q为水汽浓度（单位：mol mol^-1）,为空气密度（单位：kg m^-3）,Cp=1004.7 J kg^-1 s ℃^-1为定压比热容，为水的蒸发潜热（单位：J kg^-1）。撇号表示高于30分钟平均值的脉动，而横条表示在30分钟内的平均值。尺度分析表明，如若假定水的

密度为10³ kg m^-3，单位面积单位时间内LE除以所得的水的质量可以转换为每一时刻的水深。随时间积分即得到以mm为单位的日蒸散量（ET）。

同样的，CO₂通量（F_C，单位：mg m^-2 s^-1）也以CO₂浓度脉动量（crsquo;，单位：mg m^-3）计算:

（4）

应该注意计算F_C值要先进行严格

的数据质量控制，包括：(i)剔除异常值

|F_C|gt;2.0mg m^-2 s^-1或|(j)- |gt;5,是的季节平均值，是的季节标准差；(ii)根据平均值测算法排除弱湍流通量条件下的测量值ms^-1；(iii)用Fc与夜间气温之间的拟合方程估计的值替代夜间gt;0的值。

3.结果与讨论

3.1.气象参数的季节变化

图.2展示了2006年在盘锦芦苇湿地观测的4 m处月平均气温（T_a）、风速（U）、比湿（q）及5 cm处土壤含水量(swc)。T_a的值有明显的季节变化，最大值在8月为23.6℃，最小值在1月为-9.1℃（图.2a），接近于1971-2000

年间相应月数的平均值。风速的值在春季（3、4、5月）高于其他季节（图.2b），推测主要是大规模大气环流所致。强风（gt;6.0 m s^-1）全年出现频率约占21%，主要集中于5~10月。在1~4月、11~12月，q值保持小值（lt;4.0 g kg^-1），但夏季（6、7、8月）迅速增加，最大值在7月为14.9 g kg^-1(图.2c)。swc值范围介于1月的0.07 m³ m^-3至8月0.32 m³ m^-3之间（图.2d）。q值与swc值的变化与2006年6~9月的集中降水有很大的联系。

3.2．热通量与CO₂通量的季节变化

图.3为2006年芦苇湿地生态系统的感热通量（H_s）和潜热通量（LE）的季节变化。H_s的30分钟平均在春季与秋季更大（gt;300 W m^-2），LE在夏季最大（gt;400 W m^-2）（图.3a,b）H_s的月平均值在5月有一个最大值47.3 W m^-2，在10月有一个次最大值20.0 W m^-2，LE值只有一个峰值在6月为99.0 W m^-2。

于等人在盘锦站观测到LE的月累积量在6月和7月远大于其他月份，与本试验研究一致。他们还发现LE与叶面积指数及植物高度呈正相关。

图.4中2006年盘锦芦苇湿地CO₂的质量浓度范围是600~800 mg m^-3。9~12月的CO₂背景浓度稍大于其他月份。CO₂通量（F_C）在5~10月为大的负值，尤其在夏季，但在冬季，早春和晚秋大多近于0（图.4b），主要受地表植被影响。

3.3．生长季与非生长季的热通量及CO₂通量

一年可以根据地表植被对CO₂通量的响应分为生长季与非生长季。2006年的5~9月可被视为生长季，因为F_C在白天以负值为主，其余月份可作为非生长季。图.5是芦苇湿地在2006年的生长季早期（5月24~28日），生长季成熟期（8月7~11日）及非生长季（2月3~7日）各选取连续5个晴天的热通量和CO₂通量的时间变化。

H_s和LE在三个不同的时段均有强日变化，峰值均在一天的中间出现。白天H_s降低，LE升高是由于植被的生长作用；另外，在生长季成熟期H_s(LE)的峰值出现在一天的中间，比非生长季小（大）约200 W m^-2（图.5a,b）。在生长季的早期和成熟期，CO₂浓度和

CO₂通量表现出相似的时间变化，最小值出现在正午12点（当地时间）；但这样的时间变化在非生长季变得微弱（图.5c）。F_C在生长季5月24~28日有负值峰-0.5 mg m^-2 s^-1，在8月7~8日有负峰值-1.0 mg m^-2 s^-1，但在非生长季（2月3~7日）变得非常小（0.1mg m^-2 s^-1）(图.5d)。白天的CO₂通量大小取决于植物光合作用和呼吸作用间的平衡，但夜间CO₂通量（峰值~0.2 mg m^-2 s^-1）仅受植物呼吸作用影响。

图.6是2006年生长季和非生长季蒸散量(ET)和CO₂通量（F_C）日变化均值。ET的峰值

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