陈世苹^,,1,2,*, 游翠海^1,2, 胡中民³, 陈智⁴, 张雷明⁴, 王秋凤⁴¹中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室, 北京 100093
²中国科学院大学, 北京 100049
³华南师范大学地理科学学院, 广州 510631
⁴中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室, 北京 100101

Eddy covariance technique and its applications in flux observations of terrestrial ecosystems

Shi-Ping CHEN^,,1,2,*, Cui-Hai YOU^1,2, Zhong-Min HU³, Zhi CHEN⁴, Lei-Ming ZHANG⁴, Qiu-Feng WANG^{4 1}State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China
²University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
³School of Geography, South China Normal University, Guangzhou 510631, China
⁴Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China

通讯作者: * 陈世苹: ORCID: 0000-0002-1934-2372, E-mail:spchen@ibcas.ac.cn

编委: 温学发
责任编辑: 李敏
收稿日期:2019-12-17接受日期:2020-04-2网络出版日期:2020-04-20

基金资助:

国家重点研发计划(2017YFA0604801) 国家自然科学基金(41773084)

Corresponding authors: * ORCID: 0000-0002-1934-2372, E-mail:spchen@ibcas.ac.cn
Received:2019-12-17Accepted:2020-04-2Online:2020-04-20

Fund supported:

National Key R&D Program of China(2017YFA0604801) National Natural Science Foundation of China(41773084)

摘要
通量观测是定量描述土壤-植被-大气间物质循环和能量交换过程的基础。涡度相关技术作为直接测量植被冠层与大气间能量与物质交换通量的技术手段, 已经逐步发展成为国际通用的通量观测标准方法。随着涡度相关技术在全球碳水循环研究中的广泛应用, 长期连续的通量观测正在为准确评价生态系统碳固持能力、水分和能量平衡状况、生态系统对全球气候变化的反馈作用、区域和全球尺度模型的优化与验证、极端事件对生态系统结构与功能影响等方面的研究提供重要数据支撑和机制理解途径。通过站点尺度通量长期动态观测, 明确了不同气候区和植被类型生态系统碳水通量强度基线及其季节与年际变异特征。通过多站点联网观测, 在区域和全球尺度研究生态系统碳通量空间变异特征, 揭示了区域尺度上温度和降水对生态系统碳通量空间格局的生物地理学控制机制。该文概括地介绍了涡度相关技术的基本原理、假设与系统构成, 总结了涡度通量长期联网观测在陆地生态系统碳水通量研究中的主要应用, 并对通量研究发展前景进行了展望。
关键词： 涡度相关技术;碳通量;水通量;年际动态;空间格局;长期通量监测;联网观测

Abstract
Carbon (C) and water cycles are the most critical processes in terrestrial ecosystems, which links the materials and energy flows through the pedosphere-biosphere-atmosphere integration. Most attention has been paid to the responses of C and water and their feedbacks to global climate change. Flux observation is the basic pathway to quantify the rate of material and energy exchange across soil-plant-atmosphere continuum. As an only technique can directly measure the carbon, water and energy fluxes between vegetation and atmosphere, eddy covariance (EC) technique has been considered as a standard method for flux observation internationally. With broad applications of EC technique on global C and water cycles, long-term flux observations provide scientific data on assessing ecosystem C sequestration capability, water and energy balance, and ecosystem feedback to climate change; optimizing and validating models on regional and global scales; and understanding responses of ecosystem functions to extreme events. Based on long-term flux observation in individual site, scientists have described the seasonal and inter-annual dynamics, and quantified the baseline rates of ecosystem carbon and water fluxes across different climate and vegetation types. With the development of regional and global flux networks, researchers further understood the spatial patterns of ecosystem carbon and water fluxes and their climatic control mechanisms at regional and global scales. This paper briefly introduces the basic principles, hypothesis and instrument system composition, summarizes the major applications of EC observation on C and water fluxes in terrestrial ecosystems, and finally discusses future directions of EC observation network.
Keywords：eddy covariance technique;carbon flux;water flux;inter-annual dynamics;spatial pattern;long-term flux observation;flux network


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引用本文
陈世苹, 游翠海, 胡中民, 陈智, 张雷明, 王秋凤. 涡度相关技术及其在陆地生态系统通量研究中的应用. 植物生态学报, 2020, 44(4): 291-304. DOI: 10.17521/cjpe.2019.0351
CHEN Shi-Ping, YOU Cui-Hai, HU Zhong-Min, CHEN Zhi, ZHANG Lei-Ming, WANG Qiu-Feng. Eddy covariance technique and its applications in flux observations of terrestrial ecosystems. Chinese Journal of Plant Ecology, 2020, 44(4): 291-304. DOI: 10.17521/cjpe.2019.0351


能量流动和物质循环是地圈-生物圈-大气圈相互作用关系的纽带, 同时也是生态系统生态学研究的核心内容(Yu et al., 2014; 于贵瑞和孙晓敏, 2017)。定量描述大气-植被-土壤间物质循环和能量交换过程是以通量测量为基础的。通量作为一个物理学概念, 是指单位时间内通过某一界面单位面积所输送的动量、热量和物质等物理量(Aubinet et al., 2012; 于贵瑞和孙晓敏, 2017)。在环境、气象和生态学领域, 通量研究主要是针对生态系统尺度的植被-大气界面或土壤-大气界面的物质流和能量流而展开, 所关注且可直接测量的通量主要有生态系统的能量输入和输出通量(包括辐射通量、显热通量和潜热通量)和气体(大量或痕量温室气体)交换通量等(于贵瑞和孙晓敏, 2017)。随着全球变化研究的广泛开展, 气体通量作为反映生态系统对环境变化响应的重要指标越来越受到关注。

涡度相关技术利用微气象原理估算垂直风速与物质或能量脉动的协方差, 是可以直接测量植被冠层与大气间能量与物质交换通量的重要技术, 目前已经发展成为国际通用的通量观测标准方法(Baldocchi et al., 2001; Baldocchi, 2003, 2020; 于贵瑞和孙晓敏, 2017)。与常规通量观测方法相比, 涡度相关技术主要有以下几个优点: 首先, 涡度相关技术测得的生态系统净交换量是整个生态系统与大气物质能量交换的整合(Baldocchi et al., 2001; Aubinet, 2008)。以CO₂为例, 测得的净碳交换量(NEE)是光合吸收和呼吸释放的整合值。其次, 在时间尺度上, 此方法可以实现1天24小时, 1年365天的连续测量, 提供从分、小时到日、月、年以及年际等更长时间尺度的通量观测数据。第三, 在空间尺度上, 涡度相关法所测量的单站点通量的尺度显著增大, 测量范围从数百平方米到几平方千米。

经过了近20年的发展, 涡度相关技术已被广泛应用于不同生态系统碳水循环研究中, 并形成了多个区域、国家乃至全球尺度的通量观测网络。全球通量观测网络联盟(FLUXNET)至今已发展为全球900多个观测站点, 遍布不同的气候区和植被区系类型的通量观测网络(Baldocchi, 2020)。中国通量观测联盟(ChinaFLUX)也已发展成拥有近80个台站的国家尺度陆地生态系统通量观测研究网络体系。通量联网观测使得研究者不但更准确地量化了生态系统碳水通量及其时间变异, 同时对碳水循环过程对全球变化的响应与反馈机制有了更深入的了解(于贵瑞等, 2014; 于贵瑞和孙晓敏, 2017; Baldocchi, 2020)。本文将概括介绍涡度相关技术的基本原理、假设与系统构成, 系统总结涡度相关技术在陆地生态系统碳水通量研究中的主要应用, 最后对通量研究发展前景与趋势进行展望。

1 涡度相关技术的基本原理、应用假设与系统构成

1.1 涡度相关技术的基本原理与应用假设

地表湍流是近地层大气运动的一个重要物理特征, 湍流输送是地面或植被与大气间进行能量与物质交换的主要方式。19世纪90年代, 雷诺提出了雷诺分解法(Reynolds, 1895), 成为研究湍流运动的基本方法。湍流运动中的各有关物理量(动量、风速、气温等)可以分解为两部分: 有规律的平均值和不规则的脉动值。垂直通量可以通过确定两个时刻之间物质或能量的垂直方向的脉动值, 也就是垂直风速和物质浓度的协方差来计算。在下垫面平坦均匀的理想状态下, 基于物质和能量守恒方程, 涡度相关技术可以通过测定和计算物理量(如温度、CO₂、H₂O等)的脉动与垂直风速的脉动的协方差求算湍流通量(Baldocchi et al., 2001; Aubinet et al., 2012; 于贵瑞和孙晓敏, 2017)。

由于涡度相关技术和测定环境的复杂性, 使得该方法在实际应用中还面临着诸多挑战。基于物质守恒方程, 涡度相关技术要求测量仪器应安装在通量随高度不发生变化的内边界层即常通量层内, 即在通量观测的应用中需要满足如下几个基本假设(图1): 大气稳态性, 即空气密度脉动是可以忽略的; 平均垂直风速为0; 下垫面匀质, 无水平方向的平流通量; 下垫面有足够大的风浪区, 单点的时间平均可以代替水平面积平均状况; 下垫面冠层高度与仪器测量高度间的源汇为0, 即随着高度的增加, 通量是恒定的; 下垫面的湍流运动足够充分, 尽可能被仪器完全测定(Aubinet et al., 2012)。但是在自然环境下, 以上基本假设是很难完全满足的, 导致涡度相关技术在实际应用中存在诸多不确定性(温学发等, 2004; 于贵瑞和孙晓敏, 2017)。因此在通量数据处理过程中, 通常利用密度校正(WPL校正)消除水汽和温度对CO₂密度脉动的影响(Webb et al., 1980; Leuning, 2007); 利用坐标旋转校正使得平均垂直风速为0 (Finnigan et al., 2003); 利用摩擦风速(u_*)校正解决夜间湍流运动不充分所造成的测量误差(Falge et al., 2001); 利用源区分析获得地面非匀质下垫面的贡献(Finnigan, 2004); 通过量化平流通量和冠层存储减少由于下垫面不平坦或高郁闭度植被层碳存储所造成的通量测定误差(Aubinet et al., 2005)。

图1

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图1涡度相关技术通量观测示意图(以CO₂通量观测为例)。左图为理想状态下大气及植被边界层状况, 右图为实际情况下的夜间与白天的大气及植被边界层情况。图中显示了涡度相关系统在实际观测中, 由于仪器设备限制、复杂的大气和下垫面条件, 使得理想状态基本假设所需条件很难满足, 针对实际状况下可能存在的不确定性来源, 在通量数据使用之前需要采用相应的校正方法对测量数据进行校正。左图中F为CO₂通量, ω为垂直风速, ρ为大气CO₂密度, T为时间。

Fig. 1Flux measurement based on eddy covariance technique (for example CO₂ flux measurement). The left part shows the boundary layer of canopy and atmosphere in an ideal state, and the right part shows those in a real state. The basic hypotheses of eddy covariance observation in the ideal state cannot be met due to the limitations of instruments, complex atmospheric and canopy terrains in a natural ecosystem. Proper data correction approaches need to be conducted to eliminate the uncertainty of flux data. F is CO₂ flux, ω is the vertical wind speed, ρ is CO₂ density and T is time.

1.2 涡度相关技术的不确定性与解决方案

利用涡度相关技术的实际观测中, 由于仪器设备限制、复杂的大气和下垫面条件, 上文提到的基本假设所需条件很难得到满足, 导致通量测量存在一定程度的不确定性。针对这些可能存在的测量误差, 在通量数据使用之前必须对测量数据进行相应的数据校正(图1)。

1.2.1 观测仪器系统误差的影响

涡度相关系统是一个多类型仪器的整合系统, 仪器的时间响应特征、功率谱特征、各分量的时间同步性等的差异都可能成为测量结果偏差的原因(Wilson et al., 2002)。通常采用谱分析、频率响应校正等方法评估仪器对高频信号的响应能力(Aubinet et al., 2012)。此外, 涡度测定需要满足垂直风速为0的假设条件, 但是由于仪器安装以及下垫面不平坦等实际情况, 导致其很难实现, 因此数据处理时会利用坐标旋转校正使得平均垂直风速为0 (Finnigan et al., 2003)。目前应用比较广泛的是二次坐标旋转, 以及应对复杂地形的平面拟合坐标旋转(Wilczak et al., 2001; Finnigan et al., 2003; G?ckede et al., 2008)。

1.2.2 复杂气象条件的影响

现实中的大气条件并非稳态, 需要考虑因热量或水汽通量的输送所引起的气体密度变化。通常采用WPL校正消除水汽和温度对CO₂密度脉动的影响(Webb et al., 1980; Leuning, 2007)。涡度相关系统的测定, 需要下垫面的湍流运动比较剧烈, 但是大气边界层一般比较稳定, 有时还会有逆温层, 尤其是在夜间, 这就使得CO₂滞留在植被冠层内, 导致通量观测值低于真实值。对于夜间通量低估的问题, 一般采用u_*校正, 剔除临界值(0.15-0.30)以下的数据并进行插补(Falge et al., 2001; Aubinet, 2008)。对于森林等高大植被生态系统, 可以通过测定林下CO₂和能量储量来减小复杂下垫面通量测量的误差(Aubinet et al., 2005; Yao et al., 2012)。

1.2.3 复杂下垫面地形条件的影响

涡度系统测定要求下垫面平坦、匀质, 但实际上很多观测站都建在地形复杂的非匀质下垫面条件下, 包含多种不同的地形或植被类型, 这就需要计算湍流通量的贡献源区来评估不同下垫面类型的贡献(Baldocchi et al., 2000; Finnigan, 2004; Foken & Leclerc, 2004)。同时, 复杂下垫面也很难满足平流通量为0的理想状态假设, 如在山地或坡地生态系统中, 平流通量导致大量CO₂泄流, 这就需要通过量化平流通量减少通量测定误差(Aubinet et al., 2005)。

1.2.4 数据处理(插补和拆分)方法的影响

通量数据很多误差来自于涡度通量观测时间序列中的缺失值。缺失值越多, 插补数据的不确定性越大, 长时间数据的缺失, 会对年累积值的计算造成较大的误差(Falge et al., 2001)。此外, 不同的插补和净碳通量拆分方法都会对通量的估算造成很大不确定性, 如对比研究表明不同的碳通量拆分方法会造成年尺度生产力估算10%左右的变差(Desai et al., 2008; Lasslop et al., 2010)。

以上这些针对涡度相关技术测量不确定性的数据处理和校正方法都已经被引入涡度通量数据的处理程序中(Aubinet et al., 2012)。随着区域和全球通量联网观测的发展, 数据处理过程的标准化变得更为重要和迫切, 这一需求也催生仪器供应商开发出了通量数据在线处理软件系统(如目前常用的Eddypro)。这些商业化的软件涵盖了以上通量数据的校正方法, 并提供针对不同类型生态系统的数据处理解决方案, 方便研究者更便捷准确地处理和使用通量数据(Burba, 2013)。

1.3 涡度相关技术观测系统构成与设立

虽然早在100多年前雷诺就提出了涡度相关技术的理论基础, 但由于缺乏快速响应的观测仪器, 制约了涡度相关技术的发展和应用。直到20世纪80年代, 随着计算机和观测仪器技术的极大进步, 涡度相关技术才得以普遍应用(Baldocchi et al., 2001; 于贵瑞和孙晓敏, 2017)。通量站的配置除了目标观测通量外, 还应根据研究目的配以相应解释变量的观测。在野外实际观测中, 涡度相关系统主要由通量观测系统、气象要素观测系统、植被和土壤观测系统等部分组成。

通量观测系统因所使用的气体分析仪类型不同而被分为开路系统和闭路系统两种类型。由于具有便于安装调试、不需要观测人员过多的现场维护和标定等优点, 目前开路式通量观测系统被更广泛地使用。开路式通量观测系统由开路式气体分析仪、三维超声风速仪和数据采集系统组成, 可以高频(10-20 Hz)测定并记录大气CO₂和H₂O等气体浓度以及三维超声风速, 长期监测冠层-大气界面的动量通量、显热通量、潜热通量和CO₂等温室气体通量等湍流过程(Aubinet et al., 2012)。选择不同的气体分析仪, 可对不同的温室气体进行监测, CO₂和H₂O的分析仪性能目前已比较成熟稳定, CH₄和N₂O等温室气体分析仪也在不断地研发和改进中(Burba, 2013)。在通量观测同时, 气象要素观测系统测定并记录太阳辐射、降水量、大气温湿度、土壤温湿度等气象观测指标。此外, 为了更好地了解并解释生态系统碳水等通量的季节和年际变化特征, 在生长季还需对通量观测范围内的植被和土壤相关指标进行定期的观测, 主要包括植被生产力、物种组成、碳水交换生理特征参数、土壤理化性质、养分含量等指标(生态系统固碳项目技术规范编写组, 2015)。

涡度相关技术的迅速发展与仪器设备的改进与研发是密不可分的。目前, 改进的开路式高频红外分析仪已经解决了原有型号由于仪器表面自加热效应而导致的CO₂ “假吸收”现象(Burba et al., 2008), 大大降低了开路系统在北方寒冷生态系统的测量误差(Burba, 2013)。自动数据采集和物联网技术的发展使得研究人员可以实时了解仪器的运行状况和数据质量。

2 涡度相关技术在陆地生态系统通量研究中的主要应用

随着涡度相关技术在全球碳水循环研究中的广泛应用, 研究者希望通过长期、连续的通量观测获得对生态系统碳、水循环的基本过程及其环境反馈机制更深入的理解, 准确评价生态系统碳源汇强度, 水分平衡和能量平衡状况, 理解生态系统与大气间的物质和能量交换特征以及两者之间的相互作用等。通量观测数据目前主要应用于以下几个方面 研究。

2.1 站点尺度长期观测对通量时间动态的研究

涡度相关技术对特定生态系统的长期定位连续观测可以用来估算从小时到日、月、年、年际甚至更长时间尺度的生态系统总初级生产力(GPP)、生态系统呼吸(ER)、生态系统净初级生产力(NEP)、生态系统蒸散(ET)和能量通量, 揭示生态系统各通量的动态变化特征与环境调控机制(Vargas et al., 2010; Ma et al., 2016, 2017)。例如, 在全球碳循环研究中, 由于缺乏直接观测数据, 我们对生态系统年碳通量的大小、年际变异及其长期变化趋势的研究仍存在很大不确定性(Fu et al., 2017; Niu et al., 2017; Baldocchi et al., 2018; Baldocchi, 2020)。通过设立在全球各种植被类型的涡度观测站点的碳通量数据, 可以准确地定量区域和全球陆地生态系统年固碳量的大小和变化范围。Hao等(2013)对内蒙古和青藏高原草原通量的长期观测, 表明我国高寒草原和北方温带草原生态系统大多处于碳平衡状态, 其年净碳交换因受降水的影响有较大的年际间波动, 在湿润的年份是弱的碳汇, 而在干旱年份极易转变为碳源。Baldocchi等(2018)通过分析全球59个站点544个站年的碳通量数据, 发现全球陆地生态系统平均GPP、ER和NEP分别为(1 294 ± 684)、(1 117 ± 578)和(-153 ± 289) g C·m^-2·a^-1 (负值代表碳吸收)。这些已发表的通量观测数据特别是通量观测系统建立初期的数据, 提供了不同气候区和植被类型生态系统碳通量强度的大小与变化范围。

生态系统年固碳量的长期变化趋势是目前碳循环对全球变化响应研究中非常令人关注的问题。长期通量观测数据, 使研究者可以进一步了解碳通量是否随着时间发生变化? 如果是, 变化的速度有多快? Liu等(2019)通过长达19年的通量观测, 发现加拿大黑云杉(Picea mariana)林GEP和ER均呈现显著增加的趋势, 并使得生态系统的净碳吸收量逐年提高, 而春季温度升高是碳通量提高的主要驱动因素。Baldocchi (2020)通过对比1990-2007和2008-2018两个时期全球近2 000个站年的通量数据, 发现这两个时期的年净碳通量并没有显著差异。而此前通过卫星和大气CO₂浓度观测数据的反演研究的结果均表明近几十年来全球生态系统生产力发生了显著的变化, 出现了明显的“绿化”趋势, 即初级生产力显著增加(Park et al., 2016)。最新的研究表明, 全球植被“绿化”趋势是多因素共同调控的, 除了CO₂浓度升高和氮沉降等因素外, 这种趋势与人类活动所导致的农田扩增密切相关(Huang et al., 2018)。由于遥感观测和模型拟合方法在生产力估算中较大的不确定性, 长期通量观测数据已被很多研究用来验证这些结果(Niu et al., 2017; Baldocchi, 2020)。

2.2 多站点联网观测对碳水通量空间格局的研究

建立在不同气候区和生态系统类型站点的联网观测, 为明晰陆地生态系统碳水收支平衡的空间地理分布格局提供了直接的观测数据。在区域和全球观测网络的快速发展和数据共享机制完善的基础上, 目前通量观测数据在生态系统碳水循环的应用已经从单个或几个站点通量季节和年际变化分析, 发展到区域生态系统碳水收支评价、生态系统碳通量空间格局及其生物地理生态学机制等方面的研究(Xia et al., 2015; Biederman et al., 2017)。

通过整合我国19个森林生态系统的碳通量数据, Chen等(2019)发现中国森林平均GPP、ER和NEP分别为(1 541 ± 92), (1 155 ± 91)和(382 ± 37) g C·m^-2·a^-1, 年平均气温解释了不同森林生态系统碳通量变异的40%-54%, 与热带雨林和北方森林相比, 亚热带和温带森林具有更高的碳固持能力。通过对比全球不同区域的森林生态系统长期通量数据, Yu等(2014)发现我国及东亚地区亚热带森林的平均年固碳量显著高于相同纬度的北美和欧洲森林, 贡献了全球森林年碳固持量的8%左右, 这与该区域较低的林龄、高的氮沉降输入以及较丰沛的降水和热量资源条件有密切的关系。中国区域52个观测站、亚洲和北半球182个观测站的通量数据整合分析, 发现生态系统GPP、ER和NEP存在显著的纬向和经向地带性分布规律, 温度和降水共同决定了碳通量的空间格局(Chen et al., 2013, 2015; Xiao et al., 2013)。对全球22个内陆湿地和21个海岸湿地的对比研究表明, 湿地生态系统碳通量的强度同样受温度和降水的控制, 但由于人类活动干扰, 内陆湿地的GPP和ER显著低于海岸湿地, 平均的NEP也显著降低(Lu et al., 2017)。另一项全球尺度的通量数据整合研究也证实, 生态系统碳通量的空间变化格局主要受到水分和温度的共同调控(Jung et al., 2017)。通过分析建立在北美温带荒漠的6个站点32个站年的通量数据, 研究者发现冬季降水对荒漠生态系统碳平衡是至关重要的, 近30年冬季降水的减少使得北美荒漠固碳量降低了6.8 Tg C·a^-1 (Biederman et al., 2018)。以上这些研究通过跨区域乃至全球尺度多站点的集成分析, 重新论证了气候因素决定生态系统碳吸收和排放通量格局生物地理生态学基本规律, 加强了对空间格局形成机制的认知(于贵瑞等, 2014; Chen et al., 2015)。

2.3 碳水循环模型的验证与优化

模型估算是研究生态系统碳水平衡时空格局与变异规律, 并预测其对全球变化的响应的一种重要研究手段。随着对生态系统结构、功能和生态系统过程认识的不断深入以及遥感、地理信息系统和计算机技术的发展, 陆地生态系统碳水循环模型研究迅速发展, 产生了一大批不同类型和适合不同时空尺度的模型。但是, 模型的不确定和不同模型预测结果间的巨大差异一直是困扰模型应用的难题。因此急切需要与模型时空尺度相匹配的实测数据对模型的预测结果进行评估, 而长期连续的生态系统尺度通量观测数据为模型验证提供了可能, 同时也为模型参数的进一步优化提供了数据基础(Medlyn et al., 2005; Richardson et al., 2010; Melaas et al., 2013)。在区域尺度碳循环模型中, 目前应用较为广泛的是将生态系统碳循环模型(如CEVSA2、Biome-BGC等)与遥感技术相结合的碳过程-遥感模型(Turner et al., 2006; 顾峰雪等, 2010; Gao et al., 2014)。Yuan等(2007)利用来自北美和欧洲通量网的28个站点的通量数据, 构建了日尺度的光利用效率模型(EC-LUE model), 并结合遥感和气象数据对区域尺度GPP进行了模拟。利用ChinaFlux和FLUXNET通量数据对中国和全球GPP拟和结果进行了验证(Yuan et al,. 2010; Li et al., 2013)。

基于Shuttleworth-Wallace (S-W)模型(Shuttleworth & Wallace, 1985), Hu等(2009, 2013)利用通量数据开发了SWH双源蒸散模型, 并利用通量观测数据计算出模型中两个关键参数(土壤表面阻抗和冠层阻抗), 实现了该模型在区域尺度的应用。SWH模型在日尺度与年尺度以及站点、区域尺度的蒸散估算和验证中都取得了较好的模拟效果(Hu et al., 2017)。其中, 基于全球63个FLUXNET通量站点数据验证, 模型模拟值与实测值相关性达到80%以上(Hu et al., 2017)。利用该模型不仅可以估算日尺度和年尺度生态系统水汽通量, 同时还可对其进行组分拆分, 将蒸散拆分为植被蒸腾和土壤蒸发两个部分(Hu et al., 2009, 2013), 这为进一步阐明水分对群落光合生理的调控作用以及水-碳循环耦合机理提供了重要的数据支撑(Stoy et al., 2019)。利用FLUXNET水汽通量数据, Yuan等(2010)验证了通过改进的PM水循环模型对全球蒸散的拟合结果。

通过结合遥感模型、机器学习等空间尺度扩展方法, 通量联网研究可以评估从生态系统到区域乃至全球尺度的碳水交换量, 为认识大尺度生态系统与大气相互作用提供观测数据和模型验证(Xiao et al., 2010; Yu et al., 2013)。近年来, 通过整合通量、遥感和气象等多源数据, 研究者们陆续发布了多个区域及全球尺度的生态系统碳水通量数据产品(Yang et al., 2007; Jung et al., 2009, 2011; Ueyama et al., 2013; Ichii et al., 2017; Bodesheim et al., 2018)。

2.4 生态系统对气候极端事件的响应研究

全球变化所导致的干旱、热浪、霜冻、降水、风暴等极端气候事件正在增加, 这些极端事件对陆地生态系统结构和功能产生深刻的影响, 进而影响生态系统碳水循环及其对全球气候变化的反馈(Frank et al., 2015; Piao et al., 2019)。在自然条件下, 长期连续的通量观测可以捕捉到生态系统碳水交换对这些难以预测的极端事件的响应, 比如为了研究厄尔尼诺或拉尼娜事件所导致的干旱和极端降水对生态系统的影响, 通常需要至少7年以上的观测数据(Chen et al., 2009)。而生态系统在遭受极端事件影响后的恢复过程也是缓慢的, 通常是以年尺度为单位的观测才能较为全面地了解这一恢复过程, 同时由于不同生态系统功能过程对极端事件的恢复程度和时间存在很大差别, 这将极大地影响我们对极端事件所造成影响的评估(Keenan et al., 2019)。全球各类生态系统的涡度相关系统所监测的长期通量数据, 无疑为研究生态系统结构和功能对极端事件的响应与恢复过程提供了最直接的观测证据(Piao et al., 2019)。

对全球过去30年的气候极端事件的研究表明, 极端气候事件对生态系统碳交换过程的影响存在显著时空差异, 7%的极端事件解释了全球GPP年际变异的78%, 而这些事件中降水极端事件对GPP的影响最大(Zscheischler et al., 2014)。von Buttlar等(2018)通过对全球102个站点通量数据的分析, 对比了极端高温和干旱对生态系统不同碳交换过程的影响, 结果发现高温促进了生态系统呼吸并抑制了光合作用, 造成生态系统净碳通量的显著下降; 而干旱对各碳通量组分的影响与高温相似, 只是影响的程度要弱一些; 当干旱伴随着高温事件同时发生时, GPP通量出现了大幅下降, 而呼吸通量没有显著变化, 从而导致生态系统净碳固持显著降低。此外, 极端气候事件对碳通量的影响, 不仅与事件的强度有关, 还与极端事件的发生时间和持续时间密切相关(Sippel et al., 2016; von Buttlar et al., 2018)。

3 涡度相关技术在通量研究中的发展前景与展望

3.1 从碳水通量观测扩展到多种痕量气体通量集成研究

除CO₂外, CH₄和N₂O作为主要的温室气体越来越受到研究者关注。近10年, 随着CH₄和NO₂高频测量气体分析仪的出现, 涡度相关技术也被广泛应用于CH₄和N₂O通量的研究, 特别是在湿地等CH₄和N₂O排放量大的生态系统中。目前中国通量网和国际多个长期观测网络(如美国的NEON和欧洲的ICOS), 也都将CH₄和N₂O通量观测列入了涡度相关观测指标体系中(Falge et al., 2001; Sabbatini et al., 2018)。北美通量网将2019年设立为CH₄通量观测年, 并由北美通量网和欧洲通量网牵头建立了全球CH₄通路观测网络(FLUXNET-CH₄), 着力推动全球CH₄通量研究。虽然CH₄通量研究起步较晚, 但目前全球已有200个通量站点同时进行CH₄通量的观测, 并初步建立全球CH₄通量数据库(Knox et al., 2019)。ChinaFlux目前也已从现有的CO₂、H₂O和能量通量观测逐步向CO₂、H₂O、CH₄、NO、NO₂、N₂O、NH₃、HNO₃等多目标碳氮水痕量气体通量的综合观测体系发展(于贵瑞等, 2014)。

随着激光光谱技术在稳定同位素和痕量气体测量中的应用, 实现了多种痕量气体中²H、¹³C、¹⁵N和¹⁸O等同位素组成的连续监测(庞家平和温学发, 2018; Xiao et al., 2018)。发挥稳定同位素技术在示踪和溯源方面的优势, 并将其与通量观测结合, 已经为研究大气-植被-土壤碳氮水传输过程与途径、通量组分区分提供了可能(Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018)。根据生态系统不同库间碳氮水同位素组成的差异, 研究者可以建立并量化各库之间的联系, 明确生态系统碳氮水的生物地球化学循环过程及其控制机制(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018)。例如, 通过植物叶片、枝条和土壤呼吸碳通量及其稳定碳同位素比值(δ¹³C)的观测, 已深入开展了植物光合作用新合成碳的迁移转化过程研究(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Kuptz et al., 2011)。通过测定生态系统水汽通量和氢同位素比值, 确定生态系统蒸发散以及露水凝结水不同水分来源(Wang & Yakir, 2000; Wen et al., 2012)。近年来, ChinaFLUX已经在千烟洲、禹城等多个通量研究站点构建了生态系统碳-氮-水通量与同位素通量整合的综合观测系统, 提升了对碳氮水通量长期变异驱动机制的研究(Wen et al., 2013; Huang & Wen, 2014; 于贵瑞等, 2014)。

3.2 从单一尺度通量观测扩展到多尺度多源数据整合研究

涡度相关技术作为生态系统水平通量过程的主要观测手段, 其在空间尺度上仍具有局限性, 只能反映有限空间范围的生态系统过程。为了实现对区域甚至更大尺度生态系统结构、过程和功能的观测研究, 需要将大尺度的大气过程与中小尺度的植被土壤生态过程结合, 建立多尺度大气-植被-土壤生态过程的长期观测体系(于贵瑞等, 2014)。在水循环研究方面, 通过整合不同观测技术包括蒸渗仪(米级)-涡度相关技术(百米级)-闪烁仪(千米级), 研究者在黑河流域建立了全流域跨尺度水文生态过程监测系统, 不仅研究气候变化对陆面水文、生态的影响, 同时探讨了陆面小尺度过程对大气的反馈机理, 探索流域尺度的水循环过程和驱动机理(Liu et al., 2018b)。近年来, ChinaFLUX通过整合通量观测站点和全球变化陆地样带, 构建了站点-样带-区域生态系统通量的多尺度综合观测技术体系(于贵瑞等, 2014), 已初步形成了国家尺度通量观测网络的框架。这一观测体系的构建, 极大地推动了区域和国家尺度碳氮水循环过程和驱动机制的研究(Chen et al., 2013, 2015; Yu et al., 2013, 2019; Zhu et al., 2014, 2015a, 2015b)。

植物性状作为植物对全球变化响应的敏感性指标已备受关注(Wright et al., 2004; Ma et al., 2018)。随着全球植物叶片和根系性状数据库的建立与完善, 植物性状研究也从器官和物种水平发展到生态系统水平(Wright et al., 2004; Díaz et al., 2015; 何念鹏等, 2018; Ma et al., 2018; He et al., 2019)。何念鹏等提出生态系统性状(ecosystem traits)的概念, 采用以物种组成和群落结构为基础的尺度上推方法建立了我国东部森林多尺度性状数据库(何念鹏等, 2018; He et al., 2019)。Liu等(2018a)进一步尝试将生态系统水平气孔性状与涡度通量测量的水分利用效率进行整合分析, 发现随着干旱程度的增加, 森林植被通过降低气孔密度, 提高水分利用效率。多尺度植物性状概念的提出与应用将有助于研究者更深入地理解通量长期变异和空间格局调控机理及其对环境变化的响应与适应能力(He et al., 2019; Keenan et al., 2019)。

随着仪器设备、物联网和计算机技术的迅猛发展, 物候、叶绿素荧光等与生态系统碳水循环相关的功能指标也实现了高频(分钟至小时尺度)联网观测。最典型的一个跨网络合作的范例就是北美通量网与最近发展迅速的物候观测网(PhenoCam)之间的合作。目前PhenoCam已在北美通量站点的涡度塔上架设了400余台数码相机, 为物候观测提供实时图像信息和相关指标(Richardson et al., 2018; Keenan et al., 2019)。物候与通量观测的紧密结合使得物候数据不仅可以用于研究物候对气候变化的响应, 还为研究者更好地理解物候变化对生态系统碳水循环季节与年际变异的影响提供了直接的证据(Bowling et al., 2018)。与常用植被遥感参数(归一化植被指数(NDVI)和增强植被指数(EVI))相比, 叶绿素荧光作为对“实际光合作用”更敏感的植被参数在碳循环研究中得到了广泛应用(Zhang et al., 2019)。涡度通量数据与物候、叶绿素荧光、卫星遥感等多源数据的结合, 将会大大提升研究者对区域和全球尺度碳循环的研究精度, 并有助于碳模型的验证与优化(Guanter et al., 2014)。

3.3 区域和全球通量监测联网研究进一步加强

建立区域与全球通量观测网络的主要目标是获取长期生态系统能量、CO₂和水汽通量数据, 定量评估生态系统能量、CO₂和水汽通量强度及其时空变异, 明晰调控生态系统通量季节和年际变异的主要气候因子, 理解植被类型、物候和土地利用变化等因素在影响生态系统碳水通量的时空变异中的作用, 明确生态系统水平碳源汇关系和区域及全球尺度碳水平衡, 为碳模型预测提供数据验证与支持(Baldocchi et al., 2001; Baldocchi, 2003, 2020)。为了更好地实现这些目标, 数据共享是最关键的一步。在全球通量研究者的努力下, FLUXNET分别在2000、2007和2015年发布了3版全球通量数据集。这些数据的发布极大地促进了区域和全球尺度通量研究, 以目前使用最为广泛的FLUXNET2007 La Tuile数据集来说, 在Web of Science检索到的使用该数据集的跨区域集成性研究论文已达数百篇。最新发布的FLUXNET2015数据集包括了来自全球212个站点超过1 500个站年的0.5 h通量数据, 同时这一数据集在数据质量控制上做了较大的改进, 不仅提高了单个站点的数据质量, 而且增加了站点间数据的可比性。此外, 数据集中还增加了能量平衡闭合校正以及关键数据处理步骤的不确定性分析, 这对模型验证以及模型不确定性分析是非常有帮助的。相信这一新版数据集的发布, 会对区域及全球通量研究起到重要的推动作用(Pastorello et al., 2017)。

综上所述, 基于涡度相关技术的陆地生态系统联网观测已经成为作为研究全球变化与陆地生态系统相互关系的一种重要手段。随着对生态系统通量过程认识的加强, 我们愈加强烈地认识到生态系统的时间变化、空间分异和长期性所决定的生态系统结构功能的复杂性和不可预测性, 要求人们在认识生态系统变化特征与过程机制时必须依靠多尺度、长期的和跨区域的联网观测研究。在观测体系建立上要注重顶层设计, 构建多尺度、多目标、多过程的长期观测技术体系; 加强与国内外通量观测站点的合作与联网研究, 注重已有数据的集成与挖掘工作; 通过在景观、区域和全球尺度上分析和模拟生态系统格局与过程的变化, 回答全球变化与碳循环所面临的区域和全球尺度科学问题(于贵瑞等, 2014)。

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Anemometer and CO₂ concentration data from temporary campaigns performed at six CARBOEUROFLUX forest sites were used to estimate the importance of non-turbulent fluxes in nighttime conditions. While storage was observed to be significant only during periods of both low turbulence and low advection, the advective fluxes strongly influence the nocturnal CO₂ balance, with the exception of almost flat and highly homogeneous sites. On the basis of the main factors determining the onset of advective fluxes, the ‘advection velocity’, which takes net radiation and local topography into account, was introduced as a criterion to characterise the conditions of storage enrichment/depletion. Comparative analyses of the six sites showed several common features of the advective fluxes but also some substantial differences. In particular, all sites where advection occurs show the onset of a boundary layer characterised by a downslope flow, negative vertical velocities and negative vertical CO₂ concentration gradients during nighttime. As a consequence, vertical advection was observed to be positive at all sites, which corresponds to a removal of CO₂ from the ecosystem. The main differences between sites are the distance from the ridge, which influences the boundary-layer depth, and the sign of the mean horizontal CO₂ concentration gradients, which is probably determined by the source/sink distribution. As a consequence, both positive and negative horizontal advective fluxes (corresponding respectively to CO₂ removal from the ecosystem and to CO₂ supply to the ecosystem) were observed. Conclusive results on the importance of non-turbulent components in the mass balance require, however, further experimental investigations at sites with different topographies, slopes, different land covers, which would allow a more comprehensive analysis of the processes underlying the occurrence of advective fluxes. The quantification of these processes would help to better quantify nocturnal CO₂ exchange rates.

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Wetlands play an important role in regulating the atmospheric carbon dioxide (CO2 ) concentrations and thus affecting the climate. However, there is still lack of quantitative evaluation of such a role across different wetland types, especially at the global scale. Here, we conducted a meta-analysis to compare ecosystem CO2 fluxes among various types of wetlands using a global database compiled from the literature. This database consists of 143 site-years of eddy covariance data from 22 inland wetland and 21 coastal wetland sites across the globe. Coastal wetlands had higher annual gross primary productivity (GPP), ecosystem respiration (Re ), and net ecosystem productivity (NEP) than inland wetlands. On a per unit area basis, coastal wetlands provided large CO2 sinks, while inland wetlands provided small CO2 sinks or were nearly CO2 neutral. The annual CO2 sink strength was 93.15 and 208.37 g C m(-2) for inland and coastal wetlands, respectively. Annual CO2 fluxes were mainly regulated by mean annual temperature (MAT) and mean annual precipitation (MAP). For coastal and inland wetlands combined, MAT and MAP explained 71%, 54%, and 57% of the variations in GPP, Re , and NEP, respectively. The CO2 fluxes of wetlands were also related to leaf area index (LAI). The CO2 fluxes also varied with water table depth (WTD), although the effects of WTD were not statistically significant. NEP was jointly determined by GPP and Re for both inland and coastal wetlands. However, the NEP/Re and NEP/GPP ratios exhibited little variability for inland wetlands and decreased for coastal wetlands with increasing latitude. The contrasting of CO2 fluxes between inland and coastal wetlands globally can improve our understanding of the roles of wetlands in the global C cycle. Our results also have implications for informing wetland management and climate change policymaking, for example, the efforts being made by international organizations and enterprises to restore coastal wetlands for enhancing blue carbon sinks.

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Ecosystem CO2 fluxes measured with eddy-covariance techniques provide a new opportunity to retest functional responses of photosynthesis to abiotic factors at the ecosystem level, but examining the effects of one factor (e.g., temperature) on photosynthesis remains a challenge as other factors may confound under circumstances of natural experiments. In this study, we developed a data mining framework to analyze a set of ecosystem CO2 fluxes measured from three eddy-covariance towers, plus a suite of abiotic variables (e.g., temperature, solar radiation, air, and soil moisture) measured simultaneously, in a Californian oak-grass savanna from 2000 to 2015. Natural covariations of temperature and other factors caused remarkable confounding effects in two particular conditions: lower light intensity at lower temperatures and drier air and soil at higher temperatures. But such confounding effects may cancel out. At the ecosystem level, photosynthetic responses to temperature did follow a quadratic function on average. The optimum value of photosynthesis occurred within a narrow temperature range (i.e., optimum temperature, T opt): 20.6 +/- 0.6, 18.5 +/- 0.7, 19.2 +/- 0.5, and 19.0 +/- 0.6 degrees C for the oak canopy, understory grassland, entire savanna, and open grassland, respectively. This paradigm confirms that photosynthesis response to ambient temperature changes is a functional relationship consistent across leaf-canopy-ecosystem scales. Nevertheless, T opt can shift with variations in light intensity, air dryness, or soil moisture. These findings will pave the way to a direct determination of thermal optima and limits of ecosystem photosynthesis, which can in turn provide a rich resource for baseline thresholds and dynamic response functions required for predicting global carbon balance and geographic shifts of vegetative communities in response to climate change.

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We conducted an inverse modeling analysis, using a variety of data streams (tower-based eddy covariance measurements of net ecosystem exchange, NEE, of CO₂, chamber-based measurements of soil respiration, and ancillary ecological measurements of leaf area index, litterfall, and woody biomass increment) to estimate parameters and initial carbon (C) stocks of a simple forest C-cycle model, DALEC, using Monte Carlo procedures. Our study site is the spruce-dominated Howland Forest AmeriFlux site, in central Maine, USA. Our analysis focuses on: (1) full characterization of data uncertainties, and treatment of these uncertainties in the parameter estimation; (2) evaluation of how combinations of different data streams influence posterior parameter distributions and model uncertainties; and (3) comparison of model performance (in terms of both predicted fluxes and pool dynamics) during a 4-year calibration period (1997–2000) and a 4-year validation period (“forward run”, 2001–2004). We find that woody biomass increment, and, to a lesser degree, soil respiration, measurements contribute to marked reductions in uncertainties in parameter estimates and model predictions as these provide orthogonal constraints to the tower NEE measurements. However, none of the data are effective at constraining fine root or soil C pool dynamics, suggesting that these should be targets for future measurement efforts. A key finding is that adding additional constraints not only reduces uncertainties (i.e., narrower confidence intervals) on model predictions, but at the same time also results in improved model predictions by greatly reducing bias associated with predictions during the forward run.

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Dew formation has the potential to modulate the spatial and temporal variations of isotopic contents of atmospheric water vapor, oxygen and carbon dioxide. The goal of this paper is to improve our understanding of the isotopic interactions between dew water and ecosystem water pools and fluxes through two field experiments in a wheat/maize cropland and in a short steppe grassland in China. Measurements were made during 94 dew events of the D and O-18 compositions of dew, atmospheric vapor, leaf, xylem and soil water, and the whole ecosystem water flux. Our results demonstrate that the equilibrium fractionation played a dominant role over the kinetic fractionation in controlling the dew water isotopic compositions. A significant correlation between the isotopic compositions of leaf water and dew water suggests a large role of top-down exchange with atmospheric vapor controlling the leaf water turnover at night. According to the isotopic labeling, dew water consisted of a downward flux of water vapor from above the canopy (98%) and upward fluxes originated from soil evaporation and transpiration of the leaves in the lower canopy (2%).

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Isotope ratio infrared spectroscopy (IRIS) provides an in situ technique for measuring delta C-13 in atmospheric CO2. A number of methods have been proposed for calibrating the IRIS measurements, but few studies have systematically evaluated their accuracy for atmospheric applications. In this study, we carried out laboratory and ambient measurements with two commercial IRIS analyzers and compared the accuracy of four calibration strategies. We found that calibration based on the C-12 and C-13 mixing ratios (Bowling et al., 2003) and on linear interpolation of the measured delta using the mixing ratio of the major isotopologue (Lee et al., 2005) yielded accuracy better than 0.06 %. Over a 7-day atmospheric measurement in Beijing, the two analyzers agreed to within -0.02 +/- 0.18% after proper calibration. However, even after calibration the difference between the two analyzers showed a slight correlation with concentration, and this concentration dependence propagated through the Keeling analysis, resulting in a much larger difference of 2.44% for the Keeling intercept. The high sensitivity of the Keeling analysis to the concentration dependence underscores the challenge of IRIS for atmospheric research.

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The sensitivity of sonic anemometer-derived stress estimates to the tilt of the anemometer is investigated. The largest stress errors are shown to occur for unstable stratification (z/L<0) and="" deep="" convective="" boundary="" layers.="" three="" methods="" for="" determining="" the="" tilt="" angles="" relative="" to="" a="" mean="" streamline="" coordinate="" system="" and="" for="" computing="" the="" tilt-corrected="" stresses="" are="" then="" compared.="" the="" most="" commonly="" used="" method,="" involving="" a="" double="" rotation="" of="" the="" anemometers'="" axes,="" is="" shown="" to="" result="" in="" significant="" run-to-run="" stress="" errors="" due="" to="" the="" sampling="" uncertainty="" of="" the="" mean="" vertical="" velocity.="" an="" alternative="" method,="" requiring="" a="" triple="" rotation="" of="" the="" anemometer="" axes,="" is="" shown="" to="" result="" in="" even="" greater="" run-to-run="" stress="" errors="" due="" to="" the="" combined="" sampling="" errors="" of="" the="" mean="" vertical="" velocity="" and="" the="" cross-wind="" stress.="" for="" measurements="" over="" the="" sea="" where="" the="" cross-stream="" stress="" is="" important,="" the="" double="" rotation="" method="" is="" shown="" to="" overestimate="" the="" surface="" stress,="" due="" to="" the="" uncorrected="" lateral="" tilt="" component.="" a="" third="" method,="" using="" a="" planar="" fit="" technique,="" isshown="" to="" reduce="" the="" run-to-run="" stress="" errors="" due="" to="" sampling="" effects,="" and="" provides="" an="" unbiased="" estimate="" of="" the="" lateral="">

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Terrestrial gross primary productivity (GPP) varies greatly over time and space. A better understanding of this variability is necessary for more accurate predictions of the future climate-carbon cycle feedback. Recent studies have suggested that variability in GPP is driven by a broad range of biotic and abiotic factors operating mainly through changes in vegetation phenology and physiological processes. However, it is still unclear how plant phenology and physiology can be integrated to explain the spatiotemporal variability of terrestrial GPP. Based on analyses of eddy-covariance and satellite-derived data, we decomposed annual terrestrial GPP into the length of the CO2 uptake period (CUP) and the seasonal maximal capacity of CO2 uptake (GPPmax). The product of CUP and GPPmax explained >90% of the temporal GPP variability in most areas of North America during 2000-2010 and the spatial GPP variation among globally distributed eddy flux tower sites. It also explained GPP response to the European heatwave in 2003 (r(2) = 0.90) and GPP recovery after a fire disturbance in South Dakota (r(2) = 0.88). Additional analysis of the eddy-covariance flux data shows that the interbiome variation in annual GPP is better explained by that in GPPmax than CUP. These findings indicate that terrestrial GPP is jointly controlled by ecosystem-level plant phenology and photosynthetic capacity, and greater understanding of GPPmax and CUP responses to environmental and biological variations will, thus, improve predictions of GPP over time and space.

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CO2 concentrations and related environmental factors were measured in an Asian tropical rainforest located in a small valley in Xishuangbanna, SW China, with the aim of investigating the CO2 pooling effect and its mechanism of formation. Pooling of CO2 was observed during the evening (1600-2200 hours local time); the accumulated CO2 subsequently flowed away after dusk. We consider that along-slope drainage flow, soil CO2 efflux, and temperature inversion contribute to the development of CO2 pooling. A new model is proposed to track the mechanism of the formation and dissipation of CO2 pooling (e.g., drainage flow, compensatory mechanisms). Given its influence on the storage term, we suggest that CO2 pooling and subsequent disappearance should be taken into account when calculating eddy covariance and other micrometeorological measurements of carbon flux for valley sites.

[91] Yu GR, Chen Z, Piao SL, Peng CH, Ciais P, Wang QF, Li XR, Zhu XJ (2014). High carbon dioxide uptake by subtropical forest ecosystems in the East Asian monsoon region
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 111, 4910-4915.
URLPMID:24639529 [本文引用: 2]

[92] Yu GR, Jia YL, He NP, Zhu JX, Chen Z, Wang QF, Piao SL, Liu XJ, He HL, Guo XB, Wen Z, Li P, Ding GA, Goulding K (2019). Stabilization of atmospheric nitrogen deposition in China over the past decade
Nature Geoscience, 12, 424-429.
DOI:10.1038/s41561-019-0352-4URL [本文引用: 1]

[93] Yu GR, Sun XM (2017). Principles of Flux Measurement in Terrestrial Ecosystems. 2nd ed. Higher Education Press, Beijing.
[本文引用: 8]

[ 于贵瑞, 孙晓敏 (2017). 陆地生态系统通量观测的原理与方法. 2版. 高等教育出版社, 北京.]
[本文引用: 8]

[94] Yu GR, Zhang LM, Sun XM (2014). Progresses and prospects of Chinese terrestrial ecosystem flux observation and research network (ChinaFLUX)
Progress in Geography, 33, 903-917.
DOI:10.11820/dlkxjz.2014.07.005URL [本文引用: 7]
Eddy Covariance technique (EC) achieves the direct measurement of system functions and processes such as plant productivity, energy balance, and greenhouse gas exchange at ecosystem scale. Coordinated observation through the global flux observation network represents a breakthrough from the observation of ecological phenomena and factors to the measurement of changes in functions of the global ecosystem. This paper first reviews the foundation and development of the Chinese terrestrial ecosystem flux observation and research network (ChinaFLUX). It then systematically introduces the scientific objectives, design concept, measurement system, standardization of observed data, and long-term data accumulation of the network. The paper also assesses the main progresses in research of terrestrial carbon-water-nitrogen budgets, environmental responses of the coupled ecosystem carbon-nitrogen-water cycles, and the spatiotemporal patterns of ecosystem carbon fluxes and mechanisms. Based on an analysis of the trend of development and emerging missions of the global flux network, this paper proposes the directions, key scientific questions and emphases of research of ChinaFLUX to provide references for the development of flux observation and research in China.
[ 于贵瑞, 张雷明, 孙晓敏 (2014). 中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)的主要进展及发展展望
地理科学进展, 33, 903-917.]
DOI:10.11820/dlkxjz.2014.07.005URL [本文引用: 7]
Eddy Covariance technique (EC) achieves the direct measurement of system functions and processes such as plant productivity, energy balance, and greenhouse gas exchange at ecosystem scale. Coordinated observation through the global flux observation network represents a breakthrough from the observation of ecological phenomena and factors to the measurement of changes in functions of the global ecosystem. This paper first reviews the foundation and development of the Chinese terrestrial ecosystem flux observation and research network (ChinaFLUX). It then systematically introduces the scientific objectives, design concept, measurement system, standardization of observed data, and long-term data accumulation of the network. The paper also assesses the main progresses in research of terrestrial carbon-water-nitrogen budgets, environmental responses of the coupled ecosystem carbon-nitrogen-water cycles, and the spatiotemporal patterns of ecosystem carbon fluxes and mechanisms. Based on an analysis of the trend of development and emerging missions of the global flux network, this paper proposes the directions, key scientific questions and emphases of research of ChinaFLUX to provide references for the development of flux observation and research in China.

[95] Yu GR, Zhu XJ, Fu YL, He HL, Wang QF, Wen XF, Li XR, Zhang LM, Zhang L, Su W, Li SG, Sun XM, Zhang YP, Zhang JH, Yan JH, Wang HM, Zhou GS, Jia BR, Xiang WH, Tong CL (2013). Spatial patterns and climate drivers of carbon fluxes in terrestrial ecosystems of China
Global Change Biology, 19, 798-810.
URLPMID:23504837 [本文引用: 2]

[96] Yuan WP, Liu SG, Yu GR, Bonnefond JM, Chen JQ, Davis K, Desai AR, Goldstein AH, Gianelle D, Rossi F, Suyker AE, Verma SB (2010). Global estimates of evapotranspiration and gross primary production based on MODIS and global meteorology data
Remote Sensing of Environment, 114, 1416-1431.
DOI:10.1016/j.rse.2010.01.022URL [本文引用: 2]

[97] Yuan WP, Liu SG, Zhou GS, Zhou GY, Tieszen LL, Baldocchi D, Bernhofer C, Gholz H, Goldstein AH, Goulden ML, Hollinger DY, Hu Y, Law BE, Stoy PC, Vesala T, Wofsy SC (2007). Deriving a light use efficiency model from eddy covariance flux data for predicting daily gross primary production across biomes
Agricultural and Forest Meteorology, 143, 189-207.
DOI:10.1016/j.agrformet.2006.12.001URL [本文引用: 1]

[98] Zhang Z, Wang S, Qiu B, Song L, Zhang Y (2019). Retrieval of sun-induced chlorophyll fluorescence and advancements in carbon cycle application
Journal of Remote Sensing, 23, 37-52.
DOI:10.1080/01431160010014297URL [本文引用: 1]

[99] Zhu JX, He NP, Wang QF, Yuan GF, Wen D, Yu GR, Jia YL (2015a). The composition, spatial patterns, and influencing factors of atmospheric wet nitrogen deposition in Chinese terrestrial ecosystems
Science of the Total Environment, 511, 777-785.
URLPMID:25617702 [本文引用: 1]

[100] Zhu XJ, Yu GR, He HL, Wang QF, Chen Z, Gao YN, Zhang YP, Zhang JH, Yan JH, Wang HM, Zhou GS, Jia BR, Xiang WH, Li YN, Zhao L, Wang YF, Shi PL, Chen SP, Xin XP, Zhao FH, Wang YY, Tong CL, Fu YL, Wen XF, Liu YC, Zhang LM, Zhang L, Su W, Li SG, Sun XM (2014). Geographical statistical assessments of carbon fluxes in terrestrial ecosystems of China: results from upscaling network observations
Global and Planetary Change, 118, 52-61.
DOI:10.1016/j.gloplacha.2014.04.003URL [本文引用: 1]
Accurate quantifying the magnitudes and distributions of carbon budgets is helpful for strategies in mitigating global climate change. Based on spatial patterns of carbon fluxes (gross ecosystem productivity (GEP), ecosystem respiration (ER) and net ecosystem productivity (NEP)) and their drivers, we constructed geographical statistical assessment schemes and quantified the magnitudes of carbon fluxes in China. The optimal assessment scheme was then validated with observed eddy covariance data to analyze the spatial distributions of carbon fluxes. Using climate-based geographical statistical assessment schemes, our estimates of GEP, ER and NEP in China during 2000s were 7.51 +/- 0.51, 5.82 +/- 0.16 and 1.91 +/- 0.15 PgC yr(-1), corresponding to 4.29%-6.80%, 5.65%-6.06% and 9.10%-12.73% of global annual carbon fluxes, respectively. The spatial distributions of GEP, ER and NEP, generated from the optimal scheme, were similar, following a southeast-northwest decreasing gradient. The maximum values for GEP, ER and NEP were 1790, 1300 and 490 gC m(-2) yr(-1), respectively, which occurred in Central subtropics and Southern subtropics. Climate-based geographical statistical assessment schemes provided an independent dataset for the regional carbon budget assessment, which can be deemed as the potential carbon fluxes. Meanwhile, most areas in China were potential carbon sink especially Eastern China and the largest potential carbon sink appeared in Central subtropics and Southern subtropics. (C) 2014 Elsevier B.V.

[101] Zhu XJ, Yu GR, Wang QF, Hu ZM, Zheng H, Li SG, Sun XM, Zhang YP, Yan JH, Wang HM, Zhao FH, Zhang JH, Shi PL, Li YN, Zhao L, Zhang FW, Hao YB (2015b). Spatial variability of water use efficiency in China’s terrestrial ecosystems
Global and Planetary Change, 129, 37-44.
DOI:10.1016/j.gloplacha.2015.03.003URL [本文引用: 1]

[102] Zscheischler J, Mahecha MD, von Buttlar J, Harmeling S, Jung M, Rammig A, Randerson JT, Sch?lkopf B, Seneviratne SI, Tomelleri E, Zaehle S, Reichstein M (2014). A few extreme events dominate global interannual variability in gross primary production
Environmental Research Letters, 9, 035001. DOI: 10.1088/1748-9326/9/3/035001.
DOI:10.1088/1748-9326/9/3/035001URL [本文引用: 1]

Eddy covariance CO₂ flux measurements in nocturnal conditions: an analysis of the problem
2
2008

... 涡度相关技术利用微气象原理估算垂直风速与物质或能量脉动的协方差, 是可以直接测量植被冠层与大气间能量与物质交换通量的重要技术, 目前已经发展成为国际通用的通量观测标准方法(Baldocchi et al., 2001; Baldocchi, 2003, 2020; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).与常规通量观测方法相比, 涡度相关技术主要有以下几个优点: 首先, 涡度相关技术测得的生态系统净交换量是整个生态系统与大气物质能量交换的整合(Baldocchi et al., 2001; Aubinet, 2008).以CO₂为例, 测得的净碳交换量(NEE)是光合吸收和呼吸释放的整合值.其次, 在时间尺度上, 此方法可以实现1天24小时, 1年365天的连续测量, 提供从分、小时到日、月、年以及年际等更长时间尺度的通量观测数据.第三, 在空间尺度上, 涡度相关法所测量的单站点通量的尺度显著增大, 测量范围从数百平方米到几平方千米. ...

... 现实中的大气条件并非稳态, 需要考虑因热量或水汽通量的输送所引起的气体密度变化.通常采用WPL校正消除水汽和温度对CO₂密度脉动的影响(Webb et al., 1980; Leuning, 2007).涡度相关系统的测定, 需要下垫面的湍流运动比较剧烈, 但是大气边界层一般比较稳定, 有时还会有逆温层, 尤其是在夜间, 这就使得CO₂滞留在植被冠层内, 导致通量观测值低于真实值.对于夜间通量低估的问题, 一般采用u_*校正, 剔除临界值(0.15-0.30)以下的数据并进行插补(Falge et al., 2001; Aubinet, 2008).对于森林等高大植被生态系统, 可以通过测定林下CO₂和能量储量来减小复杂下垫面通量测量的误差(Aubinet et al., 2005; Yao et al., 2012). ...

Comparing CO₂ storage and advection conditions at night at different Carboeuroflux sites
3
2005

... 由于涡度相关技术和测定环境的复杂性, 使得该方法在实际应用中还面临着诸多挑战.基于物质守恒方程, 涡度相关技术要求测量仪器应安装在通量随高度不发生变化的内边界层即常通量层内, 即在通量观测的应用中需要满足如下几个基本假设(图1): 大气稳态性, 即空气密度脉动是可以忽略的; 平均垂直风速为0; 下垫面匀质, 无水平方向的平流通量; 下垫面有足够大的风浪区, 单点的时间平均可以代替水平面积平均状况; 下垫面冠层高度与仪器测量高度间的源汇为0, 即随着高度的增加, 通量是恒定的; 下垫面的湍流运动足够充分, 尽可能被仪器完全测定(Aubinet et al., 2012).但是在自然环境下, 以上基本假设是很难完全满足的, 导致涡度相关技术在实际应用中存在诸多不确定性(温学发等, 2004; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).因此在通量数据处理过程中, 通常利用密度校正(WPL校正)消除水汽和温度对CO₂密度脉动的影响(Webb et al., 1980; Leuning, 2007); 利用坐标旋转校正使得平均垂直风速为0 (Finnigan et al., 2003); 利用摩擦风速(u_*)校正解决夜间湍流运动不充分所造成的测量误差(Falge et al., 2001); 利用源区分析获得地面非匀质下垫面的贡献(Finnigan, 2004); 通过量化平流通量和冠层存储减少由于下垫面不平坦或高郁闭度植被层碳存储所造成的通量测定误差(Aubinet et al., 2005). ...

... 现实中的大气条件并非稳态, 需要考虑因热量或水汽通量的输送所引起的气体密度变化.通常采用WPL校正消除水汽和温度对CO₂密度脉动的影响(Webb et al., 1980; Leuning, 2007).涡度相关系统的测定, 需要下垫面的湍流运动比较剧烈, 但是大气边界层一般比较稳定, 有时还会有逆温层, 尤其是在夜间, 这就使得CO₂滞留在植被冠层内, 导致通量观测值低于真实值.对于夜间通量低估的问题, 一般采用u_*校正, 剔除临界值(0.15-0.30)以下的数据并进行插补(Falge et al., 2001; Aubinet, 2008).对于森林等高大植被生态系统, 可以通过测定林下CO₂和能量储量来减小复杂下垫面通量测量的误差(Aubinet et al., 2005; Yao et al., 2012). ...

... 涡度系统测定要求下垫面平坦、匀质, 但实际上很多观测站都建在地形复杂的非匀质下垫面条件下, 包含多种不同的地形或植被类型, 这就需要计算湍流通量的贡献源区来评估不同下垫面类型的贡献(Baldocchi et al., 2000; Finnigan, 2004; Foken & Leclerc, 2004).同时, 复杂下垫面也很难满足平流通量为0的理想状态假设, 如在山地或坡地生态系统中, 平流通量导致大量CO₂泄流, 这就需要通过量化平流通量减少通量测定误差(Aubinet et al., 2005). ...

Eddy Covariance: a Practical Guide to Measurement and Data Analysis.
6
2012

... 能量流动和物质循环是地圈-生物圈-大气圈相互作用关系的纽带, 同时也是生态系统生态学研究的核心内容(Yu et al., 2014; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).定量描述大气-植被-土壤间物质循环和能量交换过程是以通量测量为基础的.通量作为一个物理学概念, 是指单位时间内通过某一界面单位面积所输送的动量、热量和物质等物理量(Aubinet et al., 2012; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).在环境、气象和生态学领域, 通量研究主要是针对生态系统尺度的植被-大气界面或土壤-大气界面的物质流和能量流而展开, 所关注且可直接测量的通量主要有生态系统的能量输入和输出通量(包括辐射通量、显热通量和潜热通量)和气体(大量或痕量温室气体)交换通量等(于贵瑞和孙晓敏, 2017).随着全球变化研究的广泛开展, 气体通量作为反映生态系统对环境变化响应的重要指标越来越受到关注. ...

... 地表湍流是近地层大气运动的一个重要物理特征, 湍流输送是地面或植被与大气间进行能量与物质交换的主要方式.19世纪90年代, 雷诺提出了雷诺分解法(Reynolds, 1895), 成为研究湍流运动的基本方法.湍流运动中的各有关物理量(动量、风速、气温等)可以分解为两部分: 有规律的平均值和不规则的脉动值.垂直通量可以通过确定两个时刻之间物质或能量的垂直方向的脉动值, 也就是垂直风速和物质浓度的协方差来计算.在下垫面平坦均匀的理想状态下, 基于物质和能量守恒方程, 涡度相关技术可以通过测定和计算物理量(如温度、CO₂、H₂O等)的脉动与垂直风速的脉动的协方差求算湍流通量(Baldocchi et al., 2001; Aubinet et al., 2012; 于贵瑞和孙晓敏, 2017). ...

... 由于涡度相关技术和测定环境的复杂性, 使得该方法在实际应用中还面临着诸多挑战.基于物质守恒方程, 涡度相关技术要求测量仪器应安装在通量随高度不发生变化的内边界层即常通量层内, 即在通量观测的应用中需要满足如下几个基本假设(图1): 大气稳态性, 即空气密度脉动是可以忽略的; 平均垂直风速为0; 下垫面匀质, 无水平方向的平流通量; 下垫面有足够大的风浪区, 单点的时间平均可以代替水平面积平均状况; 下垫面冠层高度与仪器测量高度间的源汇为0, 即随着高度的增加, 通量是恒定的; 下垫面的湍流运动足够充分, 尽可能被仪器完全测定(Aubinet et al., 2012).但是在自然环境下, 以上基本假设是很难完全满足的, 导致涡度相关技术在实际应用中存在诸多不确定性(温学发等, 2004; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).因此在通量数据处理过程中, 通常利用密度校正(WPL校正)消除水汽和温度对CO₂密度脉动的影响(Webb et al., 1980; Leuning, 2007); 利用坐标旋转校正使得平均垂直风速为0 (Finnigan et al., 2003); 利用摩擦风速(u_*)校正解决夜间湍流运动不充分所造成的测量误差(Falge et al., 2001); 利用源区分析获得地面非匀质下垫面的贡献(Finnigan, 2004); 通过量化平流通量和冠层存储减少由于下垫面不平坦或高郁闭度植被层碳存储所造成的通量测定误差(Aubinet et al., 2005). ...

... 涡度相关系统是一个多类型仪器的整合系统, 仪器的时间响应特征、功率谱特征、各分量的时间同步性等的差异都可能成为测量结果偏差的原因(Wilson et al., 2002).通常采用谱分析、频率响应校正等方法评估仪器对高频信号的响应能力(Aubinet et al., 2012).此外, 涡度测定需要满足垂直风速为0的假设条件, 但是由于仪器安装以及下垫面不平坦等实际情况, 导致其很难实现, 因此数据处理时会利用坐标旋转校正使得平均垂直风速为0 (Finnigan et al., 2003).目前应用比较广泛的是二次坐标旋转, 以及应对复杂地形的平面拟合坐标旋转(Wilczak et al., 2001; Finnigan et al., 2003; G?ckede et al., 2008). ...

... 以上这些针对涡度相关技术测量不确定性的数据处理和校正方法都已经被引入涡度通量数据的处理程序中(Aubinet et al., 2012).随着区域和全球通量联网观测的发展, 数据处理过程的标准化变得更为重要和迫切, 这一需求也催生仪器供应商开发出了通量数据在线处理软件系统(如目前常用的Eddypro).这些商业化的软件涵盖了以上通量数据的校正方法, 并提供针对不同类型生态系统的数据处理解决方案, 方便研究者更便捷准确地处理和使用通量数据(Burba, 2013). ...

... 通量观测系统因所使用的气体分析仪类型不同而被分为开路系统和闭路系统两种类型.由于具有便于安装调试、不需要观测人员过多的现场维护和标定等优点, 目前开路式通量观测系统被更广泛地使用.开路式通量观测系统由开路式气体分析仪、三维超声风速仪和数据采集系统组成, 可以高频(10-20 Hz)测定并记录大气CO₂和H₂O等气体浓度以及三维超声风速, 长期监测冠层-大气界面的动量通量、显热通量、潜热通量和CO₂等温室气体通量等湍流过程(Aubinet et al., 2012).选择不同的气体分析仪, 可对不同的温室气体进行监测, CO₂和H₂O的分析仪性能目前已比较成熟稳定, CH₄和N₂O等温室气体分析仪也在不断地研发和改进中(Burba, 2013).在通量观测同时, 气象要素观测系统测定并记录太阳辐射、降水量、大气温湿度、土壤温湿度等气象观测指标.此外, 为了更好地了解并解释生态系统碳水等通量的季节和年际变化特征, 在生长季还需对通量观测范围内的植被和土壤相关指标进行定期的观测, 主要包括植被生产力、物种组成、碳水交换生理特征参数、土壤理化性质、养分含量等指标(生态系统固碳项目技术规范编写组, 2015). ...

Assessing ecosystem carbon balance: problems and prospects of the eddy covariance technique
2
2003

... 涡度相关技术利用微气象原理估算垂直风速与物质或能量脉动的协方差, 是可以直接测量植被冠层与大气间能量与物质交换通量的重要技术, 目前已经发展成为国际通用的通量观测标准方法(Baldocchi et al., 2001; Baldocchi, 2003, 2020; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).与常规通量观测方法相比, 涡度相关技术主要有以下几个优点: 首先, 涡度相关技术测得的生态系统净交换量是整个生态系统与大气物质能量交换的整合(Baldocchi et al., 2001; Aubinet, 2008).以CO₂为例, 测得的净碳交换量(NEE)是光合吸收和呼吸释放的整合值.其次, 在时间尺度上, 此方法可以实现1天24小时, 1年365天的连续测量, 提供从分、小时到日、月、年以及年际等更长时间尺度的通量观测数据.第三, 在空间尺度上, 涡度相关法所测量的单站点通量的尺度显著增大, 测量范围从数百平方米到几平方千米. ...

... 建立区域与全球通量观测网络的主要目标是获取长期生态系统能量、CO₂和水汽通量数据, 定量评估生态系统能量、CO₂和水汽通量强度及其时空变异, 明晰调控生态系统通量季节和年际变异的主要气候因子, 理解植被类型、物候和土地利用变化等因素在影响生态系统碳水通量的时空变异中的作用, 明确生态系统水平碳源汇关系和区域及全球尺度碳水平衡, 为碳模型预测提供数据验证与支持(Baldocchi et al., 2001; Baldocchi, 2003, 2020).为了更好地实现这些目标, 数据共享是最关键的一步.在全球通量研究者的努力下, FLUXNET分别在2000、2007和2015年发布了3版全球通量数据集.这些数据的发布极大地促进了区域和全球尺度通量研究, 以目前使用最为广泛的FLUXNET2007 La Tuile数据集来说, 在Web of Science检索到的使用该数据集的跨区域集成性研究论文已达数百篇.最新发布的FLUXNET2015数据集包括了来自全球212个站点超过1 500个站年的0.5 h通量数据, 同时这一数据集在数据质量控制上做了较大的改进, 不仅提高了单个站点的数据质量, 而且增加了站点间数据的可比性.此外, 数据集中还增加了能量平衡闭合校正以及关键数据处理步骤的不确定性分析, 这对模型验证以及模型不确定性分析是非常有帮助的.相信这一新版数据集的发布, 会对区域及全球通量研究起到重要的推动作用(Pastorello et al., 2017). ...

How eddy covariance flux measurements have contributed to our understanding of global change biology
7
2020

... 涡度相关技术利用微气象原理估算垂直风速与物质或能量脉动的协方差, 是可以直接测量植被冠层与大气间能量与物质交换通量的重要技术, 目前已经发展成为国际通用的通量观测标准方法(Baldocchi et al., 2001; Baldocchi, 2003, 2020; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).与常规通量观测方法相比, 涡度相关技术主要有以下几个优点: 首先, 涡度相关技术测得的生态系统净交换量是整个生态系统与大气物质能量交换的整合(Baldocchi et al., 2001; Aubinet, 2008).以CO₂为例, 测得的净碳交换量(NEE)是光合吸收和呼吸释放的整合值.其次, 在时间尺度上, 此方法可以实现1天24小时, 1年365天的连续测量, 提供从分、小时到日、月、年以及年际等更长时间尺度的通量观测数据.第三, 在空间尺度上, 涡度相关法所测量的单站点通量的尺度显著增大, 测量范围从数百平方米到几平方千米. ...

... 经过了近20年的发展, 涡度相关技术已被广泛应用于不同生态系统碳水循环研究中, 并形成了多个区域、国家乃至全球尺度的通量观测网络.全球通量观测网络联盟(FLUXNET)至今已发展为全球900多个观测站点, 遍布不同的气候区和植被区系类型的通量观测网络(Baldocchi, 2020).中国通量观测联盟(ChinaFLUX)也已发展成拥有近80个台站的国家尺度陆地生态系统通量观测研究网络体系.通量联网观测使得研究者不但更准确地量化了生态系统碳水通量及其时间变异, 同时对碳水循环过程对全球变化的响应与反馈机制有了更深入的了解(于贵瑞等, 2014; 于贵瑞和孙晓敏, 2017; Baldocchi, 2020).本文将概括介绍涡度相关技术的基本原理、假设与系统构成, 系统总结涡度相关技术在陆地生态系统碳水通量研究中的主要应用, 最后对通量研究发展前景与趋势进行展望. ...

... ; Baldocchi, 2020).本文将概括介绍涡度相关技术的基本原理、假设与系统构成, 系统总结涡度相关技术在陆地生态系统碳水通量研究中的主要应用, 最后对通量研究发展前景与趋势进行展望. ...

... 涡度相关技术对特定生态系统的长期定位连续观测可以用来估算从小时到日、月、年、年际甚至更长时间尺度的生态系统总初级生产力(GPP)、生态系统呼吸(ER)、生态系统净初级生产力(NEP)、生态系统蒸散(ET)和能量通量, 揭示生态系统各通量的动态变化特征与环境调控机制(Vargas et al., 2010; Ma et al., 2016, 2017).例如, 在全球碳循环研究中, 由于缺乏直接观测数据, 我们对生态系统年碳通量的大小、年际变异及其长期变化趋势的研究仍存在很大不确定性(Fu et al., 2017; Niu et al., 2017; Baldocchi et al., 2018; Baldocchi, 2020).通过设立在全球各种植被类型的涡度观测站点的碳通量数据, 可以准确地定量区域和全球陆地生态系统年固碳量的大小和变化范围.Hao等(2013)对内蒙古和青藏高原草原通量的长期观测, 表明我国高寒草原和北方温带草原生态系统大多处于碳平衡状态, 其年净碳交换因受降水的影响有较大的年际间波动, 在湿润的年份是弱的碳汇, 而在干旱年份极易转变为碳源.Baldocchi等(2018)通过分析全球59个站点544个站年的碳通量数据, 发现全球陆地生态系统平均GPP、ER和NEP分别为(1 294 ± 684)、(1 117 ± 578)和(-153 ± 289) g C·m^-2·a^-1 (负值代表碳吸收).这些已发表的通量观测数据特别是通量观测系统建立初期的数据, 提供了不同气候区和植被类型生态系统碳通量强度的大小与变化范围. ...

... 生态系统年固碳量的长期变化趋势是目前碳循环对全球变化响应研究中非常令人关注的问题.长期通量观测数据, 使研究者可以进一步了解碳通量是否随着时间发生变化? 如果是, 变化的速度有多快? Liu等(2019)通过长达19年的通量观测, 发现加拿大黑云杉(Picea mariana)林GEP和ER均呈现显著增加的趋势, 并使得生态系统的净碳吸收量逐年提高, 而春季温度升高是碳通量提高的主要驱动因素.Baldocchi (2020)通过对比1990-2007和2008-2018两个时期全球近2 000个站年的通量数据, 发现这两个时期的年净碳通量并没有显著差异.而此前通过卫星和大气CO₂浓度观测数据的反演研究的结果均表明近几十年来全球生态系统生产力发生了显著的变化, 出现了明显的“绿化”趋势, 即初级生产力显著增加(Park et al., 2016).最新的研究表明, 全球植被“绿化”趋势是多因素共同调控的, 除了CO₂浓度升高和氮沉降等因素外, 这种趋势与人类活动所导致的农田扩增密切相关(Huang et al., 2018).由于遥感观测和模型拟合方法在生产力估算中较大的不确定性, 长期通量观测数据已被很多研究用来验证这些结果(Niu et al., 2017; Baldocchi, 2020). ...

... ; Baldocchi, 2020). ...

... 建立区域与全球通量观测网络的主要目标是获取长期生态系统能量、CO₂和水汽通量数据, 定量评估生态系统能量、CO₂和水汽通量强度及其时空变异, 明晰调控生态系统通量季节和年际变异的主要气候因子, 理解植被类型、物候和土地利用变化等因素在影响生态系统碳水通量的时空变异中的作用, 明确生态系统水平碳源汇关系和区域及全球尺度碳水平衡, 为碳模型预测提供数据验证与支持(Baldocchi et al., 2001; Baldocchi, 2003, 2020).为了更好地实现这些目标, 数据共享是最关键的一步.在全球通量研究者的努力下, FLUXNET分别在2000、2007和2015年发布了3版全球通量数据集.这些数据的发布极大地促进了区域和全球尺度通量研究, 以目前使用最为广泛的FLUXNET2007 La Tuile数据集来说, 在Web of Science检索到的使用该数据集的跨区域集成性研究论文已达数百篇.最新发布的FLUXNET2015数据集包括了来自全球212个站点超过1 500个站年的0.5 h通量数据, 同时这一数据集在数据质量控制上做了较大的改进, 不仅提高了单个站点的数据质量, 而且增加了站点间数据的可比性.此外, 数据集中还增加了能量平衡闭合校正以及关键数据处理步骤的不确定性分析, 这对模型验证以及模型不确定性分析是非常有帮助的.相信这一新版数据集的发布, 会对区域及全球通量研究起到重要的推动作用(Pastorello et al., 2017). ...

Inter-annual variability of net and gross ecosystem carbon fluxes: a review
2
2018

... 涡度相关技术对特定生态系统的长期定位连续观测可以用来估算从小时到日、月、年、年际甚至更长时间尺度的生态系统总初级生产力(GPP)、生态系统呼吸(ER)、生态系统净初级生产力(NEP)、生态系统蒸散(ET)和能量通量, 揭示生态系统各通量的动态变化特征与环境调控机制(Vargas et al., 2010; Ma et al., 2016, 2017).例如, 在全球碳循环研究中, 由于缺乏直接观测数据, 我们对生态系统年碳通量的大小、年际变异及其长期变化趋势的研究仍存在很大不确定性(Fu et al., 2017; Niu et al., 2017; Baldocchi et al., 2018; Baldocchi, 2020).通过设立在全球各种植被类型的涡度观测站点的碳通量数据, 可以准确地定量区域和全球陆地生态系统年固碳量的大小和变化范围.Hao等(2013)对内蒙古和青藏高原草原通量的长期观测, 表明我国高寒草原和北方温带草原生态系统大多处于碳平衡状态, 其年净碳交换因受降水的影响有较大的年际间波动, 在湿润的年份是弱的碳汇, 而在干旱年份极易转变为碳源.Baldocchi等(2018)通过分析全球59个站点544个站年的碳通量数据, 发现全球陆地生态系统平均GPP、ER和NEP分别为(1 294 ± 684)、(1 117 ± 578)和(-153 ± 289) g C·m^-2·a^-1 (负值代表碳吸收).这些已发表的通量观测数据特别是通量观测系统建立初期的数据, 提供了不同气候区和植被类型生态系统碳通量强度的大小与变化范围. ...

... 对内蒙古和青藏高原草原通量的长期观测, 表明我国高寒草原和北方温带草原生态系统大多处于碳平衡状态, 其年净碳交换因受降水的影响有较大的年际间波动, 在湿润的年份是弱的碳汇, 而在干旱年份极易转变为碳源.Baldocchi等(2018)通过分析全球59个站点544个站年的碳通量数据, 发现全球陆地生态系统平均GPP、ER和NEP分别为(1 294 ± 684)、(1 117 ± 578)和(-153 ± 289) g C·m^-2·a^-1 (负值代表碳吸收).这些已发表的通量观测数据特别是通量观测系统建立初期的数据, 提供了不同气候区和植被类型生态系统碳通量强度的大小与变化范围. ...

FLUXNET: a new tool to study the temporal and spatial variability of ecosystem-scale carbon dioxide, water vapor and energy flux densities
5
2001

... 涡度相关技术利用微气象原理估算垂直风速与物质或能量脉动的协方差, 是可以直接测量植被冠层与大气间能量与物质交换通量的重要技术, 目前已经发展成为国际通用的通量观测标准方法(Baldocchi et al., 2001; Baldocchi, 2003, 2020; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).与常规通量观测方法相比, 涡度相关技术主要有以下几个优点: 首先, 涡度相关技术测得的生态系统净交换量是整个生态系统与大气物质能量交换的整合(Baldocchi et al., 2001; Aubinet, 2008).以CO₂为例, 测得的净碳交换量(NEE)是光合吸收和呼吸释放的整合值.其次, 在时间尺度上, 此方法可以实现1天24小时, 1年365天的连续测量, 提供从分、小时到日、月、年以及年际等更长时间尺度的通量观测数据.第三, 在空间尺度上, 涡度相关法所测量的单站点通量的尺度显著增大, 测量范围从数百平方米到几平方千米. ...

... ).与常规通量观测方法相比, 涡度相关技术主要有以下几个优点: 首先, 涡度相关技术测得的生态系统净交换量是整个生态系统与大气物质能量交换的整合(Baldocchi et al., 2001; Aubinet, 2008).以CO₂为例, 测得的净碳交换量(NEE)是光合吸收和呼吸释放的整合值.其次, 在时间尺度上, 此方法可以实现1天24小时, 1年365天的连续测量, 提供从分、小时到日、月、年以及年际等更长时间尺度的通量观测数据.第三, 在空间尺度上, 涡度相关法所测量的单站点通量的尺度显著增大, 测量范围从数百平方米到几平方千米. ...

... 地表湍流是近地层大气运动的一个重要物理特征, 湍流输送是地面或植被与大气间进行能量与物质交换的主要方式.19世纪90年代, 雷诺提出了雷诺分解法(Reynolds, 1895), 成为研究湍流运动的基本方法.湍流运动中的各有关物理量(动量、风速、气温等)可以分解为两部分: 有规律的平均值和不规则的脉动值.垂直通量可以通过确定两个时刻之间物质或能量的垂直方向的脉动值, 也就是垂直风速和物质浓度的协方差来计算.在下垫面平坦均匀的理想状态下, 基于物质和能量守恒方程, 涡度相关技术可以通过测定和计算物理量(如温度、CO₂、H₂O等)的脉动与垂直风速的脉动的协方差求算湍流通量(Baldocchi et al., 2001; Aubinet et al., 2012; 于贵瑞和孙晓敏, 2017). ...

... 虽然早在100多年前雷诺就提出了涡度相关技术的理论基础, 但由于缺乏快速响应的观测仪器, 制约了涡度相关技术的发展和应用.直到20世纪80年代, 随着计算机和观测仪器技术的极大进步, 涡度相关技术才得以普遍应用(Baldocchi et al., 2001; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).通量站的配置除了目标观测通量外, 还应根据研究目的配以相应解释变量的观测.在野外实际观测中, 涡度相关系统主要由通量观测系统、气象要素观测系统、植被和土壤观测系统等部分组成. ...

... 建立区域与全球通量观测网络的主要目标是获取长期生态系统能量、CO₂和水汽通量数据, 定量评估生态系统能量、CO₂和水汽通量强度及其时空变异, 明晰调控生态系统通量季节和年际变异的主要气候因子, 理解植被类型、物候和土地利用变化等因素在影响生态系统碳水通量的时空变异中的作用, 明确生态系统水平碳源汇关系和区域及全球尺度碳水平衡, 为碳模型预测提供数据验证与支持(Baldocchi et al., 2001; Baldocchi, 2003, 2020).为了更好地实现这些目标, 数据共享是最关键的一步.在全球通量研究者的努力下, FLUXNET分别在2000、2007和2015年发布了3版全球通量数据集.这些数据的发布极大地促进了区域和全球尺度通量研究, 以目前使用最为广泛的FLUXNET2007 La Tuile数据集来说, 在Web of Science检索到的使用该数据集的跨区域集成性研究论文已达数百篇.最新发布的FLUXNET2015数据集包括了来自全球212个站点超过1 500个站年的0.5 h通量数据, 同时这一数据集在数据质量控制上做了较大的改进, 不仅提高了单个站点的数据质量, 而且增加了站点间数据的可比性.此外, 数据集中还增加了能量平衡闭合校正以及关键数据处理步骤的不确定性分析, 这对模型验证以及模型不确定性分析是非常有帮助的.相信这一新版数据集的发布, 会对区域及全球通量研究起到重要的推动作用(Pastorello et al., 2017). ...

On measuring net ecosystem carbon exchange over tall vegetation on complex terrain
1
2000

... 涡度系统测定要求下垫面平坦、匀质, 但实际上很多观测站都建在地形复杂的非匀质下垫面条件下, 包含多种不同的地形或植被类型, 这就需要计算湍流通量的贡献源区来评估不同下垫面类型的贡献(Baldocchi et al., 2000; Finnigan, 2004; Foken & Leclerc, 2004).同时, 复杂下垫面也很难满足平流通量为0的理想状态假设, 如在山地或坡地生态系统中, 平流通量导致大量CO₂泄流, 这就需要通过量化平流通量减少通量测定误差(Aubinet et al., 2005). ...

Shrubland carbon sink depends upon winter water availability in the warm deserts of North America
1
2018

... 通过整合我国19个森林生态系统的碳通量数据, Chen等(2019)发现中国森林平均GPP、ER和NEP分别为(1 541 ± 92), (1 155 ± 91)和(382 ± 37) g C·m^-2·a^-1, 年平均气温解释了不同森林生态系统碳通量变异的40%-54%, 与热带雨林和北方森林相比, 亚热带和温带森林具有更高的碳固持能力.通过对比全球不同区域的森林生态系统长期通量数据, Yu等(2014)发现我国及东亚地区亚热带森林的平均年固碳量显著高于相同纬度的北美和欧洲森林, 贡献了全球森林年碳固持量的8%左右, 这与该区域较低的林龄、高的氮沉降输入以及较丰沛的降水和热量资源条件有密切的关系.中国区域52个观测站、亚洲和北半球182个观测站的通量数据整合分析, 发现生态系统GPP、ER和NEP存在显著的纬向和经向地带性分布规律, 温度和降水共同决定了碳通量的空间格局(Chen et al., 2013, 2015; Xiao et al., 2013).对全球22个内陆湿地和21个海岸湿地的对比研究表明, 湿地生态系统碳通量的强度同样受温度和降水的控制, 但由于人类活动干扰, 内陆湿地的GPP和ER显著低于海岸湿地, 平均的NEP也显著降低(Lu et al., 2017).另一项全球尺度的通量数据整合研究也证实, 生态系统碳通量的空间变化格局主要受到水分和温度的共同调控(Jung et al., 2017).通过分析建立在北美温带荒漠的6个站点32个站年的通量数据, 研究者发现冬季降水对荒漠生态系统碳平衡是至关重要的, 近30年冬季降水的减少使得北美荒漠固碳量降低了6.8 Tg C·a^-1 (Biederman et al., 2018).以上这些研究通过跨区域乃至全球尺度多站点的集成分析, 重新论证了气候因素决定生态系统碳吸收和排放通量格局生物地理生态学基本规律, 加强了对空间格局形成机制的认知(于贵瑞等, 2014; Chen et al., 2015). ...

CO₂ exchange and evapotranspiration across dryland ecosystems of southwestern North America
1
2017

... 建立在不同气候区和生态系统类型站点的联网观测, 为明晰陆地生态系统碳水收支平衡的空间地理分布格局提供了直接的观测数据.在区域和全球观测网络的快速发展和数据共享机制完善的基础上, 目前通量观测数据在生态系统碳水循环的应用已经从单个或几个站点通量季节和年际变化分析, 发展到区域生态系统碳水收支评价、生态系统碳通量空间格局及其生物地理生态学机制等方面的研究(Xia et al., 2015; Biederman et al., 2017). ...

Upscaled diurnal cycles of land-atmosphere fluxes: a new global half-hourly data product
1
2018

... 通过结合遥感模型、机器学习等空间尺度扩展方法, 通量联网研究可以评估从生态系统到区域乃至全球尺度的碳水交换量, 为认识大尺度生态系统与大气相互作用提供观测数据和模型验证(Xiao et al., 2010; Yu et al., 2013).近年来, 通过整合通量、遥感和气象等多源数据, 研究者们陆续发布了多个区域及全球尺度的生态系统碳水通量数据产品(Yang et al., 2007; Jung et al., 2009, 2011; Ueyama et al., 2013; Ichii et al., 2017; Bodesheim et al., 2018). ...

Limitations to winter and spring photosynthesis of a Rocky Mountain subalpine forest
1
2018

... 随着仪器设备、物联网和计算机技术的迅猛发展, 物候、叶绿素荧光等与生态系统碳水循环相关的功能指标也实现了高频(分钟至小时尺度)联网观测.最典型的一个跨网络合作的范例就是北美通量网与最近发展迅速的物候观测网(PhenoCam)之间的合作.目前PhenoCam已在北美通量站点的涡度塔上架设了400余台数码相机, 为物候观测提供实时图像信息和相关指标(Richardson et al., 2018; Keenan et al., 2019).物候与通量观测的紧密结合使得物候数据不仅可以用于研究物候对气候变化的响应, 还为研究者更好地理解物候变化对生态系统碳水循环季节与年际变异的影响提供了直接的证据(Bowling et al., 2018).与常用植被遥感参数(归一化植被指数(NDVI)和增强植被指数(EVI))相比, 叶绿素荧光作为对“实际光合作用”更敏感的植被参数在碳循环研究中得到了广泛应用(Zhang et al., 2019).涡度通量数据与物候、叶绿素荧光、卫星遥感等多源数据的结合, 将会大大提升研究者对区域和全球尺度碳循环的研究精度, 并有助于碳模型的验证与优化(Guanter et al., 2014). ...

Carbon isotopes in terrestrial ecosystem pools and CO₂ fluxes
2
2008

... 随着激光光谱技术在稳定同位素和痕量气体测量中的应用, 实现了多种痕量气体中²H、¹³C、¹⁵N和¹⁸O等同位素组成的连续监测(庞家平和温学发, 2018; Xiao et al., 2018).发挥稳定同位素技术在示踪和溯源方面的优势, 并将其与通量观测结合, 已经为研究大气-植被-土壤碳氮水传输过程与途径、通量组分区分提供了可能(Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).根据生态系统不同库间碳氮水同位素组成的差异, 研究者可以建立并量化各库之间的联系, 明确生态系统碳氮水的生物地球化学循环过程及其控制机制(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).例如, 通过植物叶片、枝条和土壤呼吸碳通量及其稳定碳同位素比值(δ¹³C)的观测, 已深入开展了植物光合作用新合成碳的迁移转化过程研究(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Kuptz et al., 2011).通过测定生态系统水汽通量和氢同位素比值, 确定生态系统蒸发散以及露水凝结水不同水分来源(Wang & Yakir, 2000; Wen et al., 2012).近年来, ChinaFLUX已经在千烟洲、禹城等多个通量研究站点构建了生态系统碳-氮-水通量与同位素通量整合的综合观测系统, 提升了对碳氮水通量长期变异驱动机制的研究(Wen et al., 2013; Huang & Wen, 2014; 于贵瑞等, 2014). ...

... C)的观测, 已深入开展了植物光合作用新合成碳的迁移转化过程研究(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Kuptz et al., 2011).通过测定生态系统水汽通量和氢同位素比值, 确定生态系统蒸发散以及露水凝结水不同水分来源(Wang & Yakir, 2000; Wen et al., 2012).近年来, ChinaFLUX已经在千烟洲、禹城等多个通量研究站点构建了生态系统碳-氮-水通量与同位素通量整合的综合观测系统, 提升了对碳氮水通量长期变异驱动机制的研究(Wen et al., 2013; Huang & Wen, 2014; 于贵瑞等, 2014). ...

Eddy Covariance Method for Scientific, Industrial, Agricultural, and Regulatory Applications: a Field Book on Measuring Ecosystem Gas Exchange and Areal Emission Rates.
3
2013

... 以上这些针对涡度相关技术测量不确定性的数据处理和校正方法都已经被引入涡度通量数据的处理程序中(Aubinet et al., 2012).随着区域和全球通量联网观测的发展, 数据处理过程的标准化变得更为重要和迫切, 这一需求也催生仪器供应商开发出了通量数据在线处理软件系统(如目前常用的Eddypro).这些商业化的软件涵盖了以上通量数据的校正方法, 并提供针对不同类型生态系统的数据处理解决方案, 方便研究者更便捷准确地处理和使用通量数据(Burba, 2013). ...

... 通量观测系统因所使用的气体分析仪类型不同而被分为开路系统和闭路系统两种类型.由于具有便于安装调试、不需要观测人员过多的现场维护和标定等优点, 目前开路式通量观测系统被更广泛地使用.开路式通量观测系统由开路式气体分析仪、三维超声风速仪和数据采集系统组成, 可以高频(10-20 Hz)测定并记录大气CO₂和H₂O等气体浓度以及三维超声风速, 长期监测冠层-大气界面的动量通量、显热通量、潜热通量和CO₂等温室气体通量等湍流过程(Aubinet et al., 2012).选择不同的气体分析仪, 可对不同的温室气体进行监测, CO₂和H₂O的分析仪性能目前已比较成熟稳定, CH₄和N₂O等温室气体分析仪也在不断地研发和改进中(Burba, 2013).在通量观测同时, 气象要素观测系统测定并记录太阳辐射、降水量、大气温湿度、土壤温湿度等气象观测指标.此外, 为了更好地了解并解释生态系统碳水等通量的季节和年际变化特征, 在生长季还需对通量观测范围内的植被和土壤相关指标进行定期的观测, 主要包括植被生产力、物种组成、碳水交换生理特征参数、土壤理化性质、养分含量等指标(生态系统固碳项目技术规范编写组, 2015). ...

... 涡度相关技术的迅速发展与仪器设备的改进与研发是密不可分的.目前, 改进的开路式高频红外分析仪已经解决了原有型号由于仪器表面自加热效应而导致的CO₂ “假吸收”现象(Burba et al., 2008), 大大降低了开路系统在北方寒冷生态系统的测量误差(Burba, 2013).自动数据采集和物联网技术的发展使得研究人员可以实时了解仪器的运行状况和数据质量. ...

Addressing the influence of instrument surface heat exchange on the measurements of CO₂ flux from open-path gas analyzers
1
2008

... 涡度相关技术的迅速发展与仪器设备的改进与研发是密不可分的.目前, 改进的开路式高频红外分析仪已经解决了原有型号由于仪器表面自加热效应而导致的CO₂ “假吸收”现象(Burba et al., 2008), 大大降低了开路系统在北方寒冷生态系统的测量误差(Burba, 2013).自动数据采集和物联网技术的发展使得研究人员可以实时了解仪器的运行状况和数据质量. ...

Seasonal controls on interannual variability in carbon dioxide exchange of a near-end-of rotation Douglas-fir stand in the Pacific Northwest, 1997-2006
1
2009

... 全球变化所导致的干旱、热浪、霜冻、降水、风暴等极端气候事件正在增加, 这些极端事件对陆地生态系统结构和功能产生深刻的影响, 进而影响生态系统碳水循环及其对全球气候变化的反馈(Frank et al., 2015; Piao et al., 2019).在自然条件下, 长期连续的通量观测可以捕捉到生态系统碳水交换对这些难以预测的极端事件的响应, 比如为了研究厄尔尼诺或拉尼娜事件所导致的干旱和极端降水对生态系统的影响, 通常需要至少7年以上的观测数据(Chen et al., 2009).而生态系统在遭受极端事件影响后的恢复过程也是缓慢的, 通常是以年尺度为单位的观测才能较为全面地了解这一恢复过程, 同时由于不同生态系统功能过程对极端事件的恢复程度和时间存在很大差别, 这将极大地影响我们对极端事件所造成影响的评估(Keenan et al., 2019).全球各类生态系统的涡度相关系统所监测的长期通量数据, 无疑为研究生态系统结构和功能对极端事件的响应与恢复过程提供了最直接的观测证据(Piao et al., 2019). ...

Temperature and precipitation control of the spatial variation of terrestrial ecosystem carbon exchange in the Asian region
2
2013

... 通过整合我国19个森林生态系统的碳通量数据, Chen等(2019)发现中国森林平均GPP、ER和NEP分别为(1 541 ± 92), (1 155 ± 91)和(382 ± 37) g C·m^-2·a^-1, 年平均气温解释了不同森林生态系统碳通量变异的40%-54%, 与热带雨林和北方森林相比, 亚热带和温带森林具有更高的碳固持能力.通过对比全球不同区域的森林生态系统长期通量数据, Yu等(2014)发现我国及东亚地区亚热带森林的平均年固碳量显著高于相同纬度的北美和欧洲森林, 贡献了全球森林年碳固持量的8%左右, 这与该区域较低的林龄、高的氮沉降输入以及较丰沛的降水和热量资源条件有密切的关系.中国区域52个观测站、亚洲和北半球182个观测站的通量数据整合分析, 发现生态系统GPP、ER和NEP存在显著的纬向和经向地带性分布规律, 温度和降水共同决定了碳通量的空间格局(Chen et al., 2013, 2015; Xiao et al., 2013).对全球22个内陆湿地和21个海岸湿地的对比研究表明, 湿地生态系统碳通量的强度同样受温度和降水的控制, 但由于人类活动干扰, 内陆湿地的GPP和ER显著低于海岸湿地, 平均的NEP也显著降低(Lu et al., 2017).另一项全球尺度的通量数据整合研究也证实, 生态系统碳通量的空间变化格局主要受到水分和温度的共同调控(Jung et al., 2017).通过分析建立在北美温带荒漠的6个站点32个站年的通量数据, 研究者发现冬季降水对荒漠生态系统碳平衡是至关重要的, 近30年冬季降水的减少使得北美荒漠固碳量降低了6.8 Tg C·a^-1 (Biederman et al., 2018).以上这些研究通过跨区域乃至全球尺度多站点的集成分析, 重新论证了气候因素决定生态系统碳吸收和排放通量格局生物地理生态学基本规律, 加强了对空间格局形成机制的认知(于贵瑞等, 2014; Chen et al., 2015). ...

... 涡度相关技术作为生态系统水平通量过程的主要观测手段, 其在空间尺度上仍具有局限性, 只能反映有限空间范围的生态系统过程.为了实现对区域甚至更大尺度生态系统结构、过程和功能的观测研究, 需要将大尺度的大气过程与中小尺度的植被土壤生态过程结合, 建立多尺度大气-植被-土壤生态过程的长期观测体系(于贵瑞等, 2014).在水循环研究方面, 通过整合不同观测技术包括蒸渗仪(米级)-涡度相关技术(百米级)-闪烁仪(千米级), 研究者在黑河流域建立了全流域跨尺度水文生态过程监测系统, 不仅研究气候变化对陆面水文、生态的影响, 同时探讨了陆面小尺度过程对大气的反馈机理, 探索流域尺度的水循环过程和驱动机理(Liu et al., 2018b).近年来, ChinaFLUX通过整合通量观测站点和全球变化陆地样带, 构建了站点-样带-区域生态系统通量的多尺度综合观测技术体系(于贵瑞等, 2014), 已初步形成了国家尺度通量观测网络的框架.这一观测体系的构建, 极大地推动了区域和国家尺度碳氮水循环过程和驱动机制的研究(Chen et al., 2013, 2015; Yu et al., 2013, 2019; Zhu et al., 2014, 2015a, 2015b). ...

Roles of climate, vegetation and soil in regulating the spatial variations in ecosystem carbon dioxide fluxes in the Northern Hemisphere
3
2015

... 通过整合我国19个森林生态系统的碳通量数据, Chen等(2019)发现中国森林平均GPP、ER和NEP分别为(1 541 ± 92), (1 155 ± 91)和(382 ± 37) g C·m^-2·a^-1, 年平均气温解释了不同森林生态系统碳通量变异的40%-54%, 与热带雨林和北方森林相比, 亚热带和温带森林具有更高的碳固持能力.通过对比全球不同区域的森林生态系统长期通量数据, Yu等(2014)发现我国及东亚地区亚热带森林的平均年固碳量显著高于相同纬度的北美和欧洲森林, 贡献了全球森林年碳固持量的8%左右, 这与该区域较低的林龄、高的氮沉降输入以及较丰沛的降水和热量资源条件有密切的关系.中国区域52个观测站、亚洲和北半球182个观测站的通量数据整合分析, 发现生态系统GPP、ER和NEP存在显著的纬向和经向地带性分布规律, 温度和降水共同决定了碳通量的空间格局(Chen et al., 2013, 2015; Xiao et al., 2013).对全球22个内陆湿地和21个海岸湿地的对比研究表明, 湿地生态系统碳通量的强度同样受温度和降水的控制, 但由于人类活动干扰, 内陆湿地的GPP和ER显著低于海岸湿地, 平均的NEP也显著降低(Lu et al., 2017).另一项全球尺度的通量数据整合研究也证实, 生态系统碳通量的空间变化格局主要受到水分和温度的共同调控(Jung et al., 2017).通过分析建立在北美温带荒漠的6个站点32个站年的通量数据, 研究者发现冬季降水对荒漠生态系统碳平衡是至关重要的, 近30年冬季降水的减少使得北美荒漠固碳量降低了6.8 Tg C·a^-1 (Biederman et al., 2018).以上这些研究通过跨区域乃至全球尺度多站点的集成分析, 重新论证了气候因素决定生态系统碳吸收和排放通量格局生物地理生态学基本规律, 加强了对空间格局形成机制的认知(于贵瑞等, 2014; Chen et al., 2015). ...

... ; Chen et al., 2015). ...

... 涡度相关技术作为生态系统水平通量过程的主要观测手段, 其在空间尺度上仍具有局限性, 只能反映有限空间范围的生态系统过程.为了实现对区域甚至更大尺度生态系统结构、过程和功能的观测研究, 需要将大尺度的大气过程与中小尺度的植被土壤生态过程结合, 建立多尺度大气-植被-土壤生态过程的长期观测体系(于贵瑞等, 2014).在水循环研究方面, 通过整合不同观测技术包括蒸渗仪(米级)-涡度相关技术(百米级)-闪烁仪(千米级), 研究者在黑河流域建立了全流域跨尺度水文生态过程监测系统, 不仅研究气候变化对陆面水文、生态的影响, 同时探讨了陆面小尺度过程对大气的反馈机理, 探索流域尺度的水循环过程和驱动机理(Liu et al., 2018b).近年来, ChinaFLUX通过整合通量观测站点和全球变化陆地样带, 构建了站点-样带-区域生态系统通量的多尺度综合观测技术体系(于贵瑞等, 2014), 已初步形成了国家尺度通量观测网络的框架.这一观测体系的构建, 极大地推动了区域和国家尺度碳氮水循环过程和驱动机制的研究(Chen et al., 2013, 2015; Yu et al., 2013, 2019; Zhu et al., 2014, 2015a, 2015b). ...

Magnitude, pattern and controls of carbon flux and carbon use efficiency in China’s typical forests
1
2019

... 通过整合我国19个森林生态系统的碳通量数据, Chen等(2019)发现中国森林平均GPP、ER和NEP分别为(1 541 ± 92), (1 155 ± 91)和(382 ± 37) g C·m^-2·a^-1, 年平均气温解释了不同森林生态系统碳通量变异的40%-54%, 与热带雨林和北方森林相比, 亚热带和温带森林具有更高的碳固持能力.通过对比全球不同区域的森林生态系统长期通量数据, Yu等(2014)发现我国及东亚地区亚热带森林的平均年固碳量显著高于相同纬度的北美和欧洲森林, 贡献了全球森林年碳固持量的8%左右, 这与该区域较低的林龄、高的氮沉降输入以及较丰沛的降水和热量资源条件有密切的关系.中国区域52个观测站、亚洲和北半球182个观测站的通量数据整合分析, 发现生态系统GPP、ER和NEP存在显著的纬向和经向地带性分布规律, 温度和降水共同决定了碳通量的空间格局(Chen et al., 2013, 2015; Xiao et al., 2013).对全球22个内陆湿地和21个海岸湿地的对比研究表明, 湿地生态系统碳通量的强度同样受温度和降水的控制, 但由于人类活动干扰, 内陆湿地的GPP和ER显著低于海岸湿地, 平均的NEP也显著降低(Lu et al., 2017).另一项全球尺度的通量数据整合研究也证实, 生态系统碳通量的空间变化格局主要受到水分和温度的共同调控(Jung et al., 2017).通过分析建立在北美温带荒漠的6个站点32个站年的通量数据, 研究者发现冬季降水对荒漠生态系统碳平衡是至关重要的, 近30年冬季降水的减少使得北美荒漠固碳量降低了6.8 Tg C·a^-1 (Biederman et al., 2018).以上这些研究通过跨区域乃至全球尺度多站点的集成分析, 重新论证了气候因素决定生态系统碳吸收和排放通量格局生物地理生态学基本规律, 加强了对空间格局形成机制的认知(于贵瑞等, 2014; Chen et al., 2015). ...

Cross-site evaluation of eddy covariance GPP and RE decomposition techniques
1
2008

... 通量数据很多误差来自于涡度通量观测时间序列中的缺失值.缺失值越多, 插补数据的不确定性越大, 长时间数据的缺失, 会对年累积值的计算造成较大的误差(Falge et al., 2001).此外, 不同的插补和净碳通量拆分方法都会对通量的估算造成很大不确定性, 如对比研究表明不同的碳通量拆分方法会造成年尺度生产力估算10%左右的变差(Desai et al., 2008; Lasslop et al., 2010). ...

The global spectrum of plant form and function
1
2016

... 植物性状作为植物对全球变化响应的敏感性指标已备受关注(Wright et al., 2004; Ma et al., 2018).随着全球植物叶片和根系性状数据库的建立与完善, 植物性状研究也从器官和物种水平发展到生态系统水平(Wright et al., 2004; Díaz et al., 2015; 何念鹏等, 2018; Ma et al., 2018; He et al., 2019).何念鹏等提出生态系统性状(ecosystem traits)的概念, 采用以物种组成和群落结构为基础的尺度上推方法建立了我国东部森林多尺度性状数据库(何念鹏等, 2018; He et al., 2019).Liu等(2018a)进一步尝试将生态系统水平气孔性状与涡度通量测量的水分利用效率进行整合分析, 发现随着干旱程度的增加, 森林植被通过降低气孔密度, 提高水分利用效率.多尺度植物性状概念的提出与应用将有助于研究者更深入地理解通量长期变异和空间格局调控机理及其对环境变化的响应与适应能力(He et al., 2019; Keenan et al., 2019). ...

Gap filling strategies for defensible annual sums of net ecosystem exchange
4
2001

... 由于涡度相关技术和测定环境的复杂性, 使得该方法在实际应用中还面临着诸多挑战.基于物质守恒方程, 涡度相关技术要求测量仪器应安装在通量随高度不发生变化的内边界层即常通量层内, 即在通量观测的应用中需要满足如下几个基本假设(图1): 大气稳态性, 即空气密度脉动是可以忽略的; 平均垂直风速为0; 下垫面匀质, 无水平方向的平流通量; 下垫面有足够大的风浪区, 单点的时间平均可以代替水平面积平均状况; 下垫面冠层高度与仪器测量高度间的源汇为0, 即随着高度的增加, 通量是恒定的; 下垫面的湍流运动足够充分, 尽可能被仪器完全测定(Aubinet et al., 2012).但是在自然环境下, 以上基本假设是很难完全满足的, 导致涡度相关技术在实际应用中存在诸多不确定性(温学发等, 2004; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).因此在通量数据处理过程中, 通常利用密度校正(WPL校正)消除水汽和温度对CO₂密度脉动的影响(Webb et al., 1980; Leuning, 2007); 利用坐标旋转校正使得平均垂直风速为0 (Finnigan et al., 2003); 利用摩擦风速(u_*)校正解决夜间湍流运动不充分所造成的测量误差(Falge et al., 2001); 利用源区分析获得地面非匀质下垫面的贡献(Finnigan, 2004); 通过量化平流通量和冠层存储减少由于下垫面不平坦或高郁闭度植被层碳存储所造成的通量测定误差(Aubinet et al., 2005). ...

... 现实中的大气条件并非稳态, 需要考虑因热量或水汽通量的输送所引起的气体密度变化.通常采用WPL校正消除水汽和温度对CO₂密度脉动的影响(Webb et al., 1980; Leuning, 2007).涡度相关系统的测定, 需要下垫面的湍流运动比较剧烈, 但是大气边界层一般比较稳定, 有时还会有逆温层, 尤其是在夜间, 这就使得CO₂滞留在植被冠层内, 导致通量观测值低于真实值.对于夜间通量低估的问题, 一般采用u_*校正, 剔除临界值(0.15-0.30)以下的数据并进行插补(Falge et al., 2001; Aubinet, 2008).对于森林等高大植被生态系统, 可以通过测定林下CO₂和能量储量来减小复杂下垫面通量测量的误差(Aubinet et al., 2005; Yao et al., 2012). ...

... 通量数据很多误差来自于涡度通量观测时间序列中的缺失值.缺失值越多, 插补数据的不确定性越大, 长时间数据的缺失, 会对年累积值的计算造成较大的误差(Falge et al., 2001).此外, 不同的插补和净碳通量拆分方法都会对通量的估算造成很大不确定性, 如对比研究表明不同的碳通量拆分方法会造成年尺度生产力估算10%左右的变差(Desai et al., 2008; Lasslop et al., 2010). ...

... 除CO₂外, CH₄和N₂O作为主要的温室气体越来越受到研究者关注.近10年, 随着CH₄和NO₂高频测量气体分析仪的出现, 涡度相关技术也被广泛应用于CH₄和N₂O通量的研究, 特别是在湿地等CH₄和N₂O排放量大的生态系统中.目前中国通量网和国际多个长期观测网络(如美国的NEON和欧洲的ICOS), 也都将CH₄和N₂O通量观测列入了涡度相关观测指标体系中(Falge et al., 2001; Sabbatini et al., 2018).北美通量网将2019年设立为CH₄通量观测年, 并由北美通量网和欧洲通量网牵头建立了全球CH₄通路观测网络(FLUXNET-CH₄), 着力推动全球CH₄通量研究.虽然CH₄通量研究起步较晚, 但目前全球已有200个通量站点同时进行CH₄通量的观测, 并初步建立全球CH₄通量数据库(Knox et al., 2019).ChinaFlux目前也已从现有的CO₂、H₂O和能量通量观测逐步向CO₂、H₂O、CH₄、NO、NO₂、N₂O、NH₃、HNO₃等多目标碳氮水痕量气体通量的综合观测体系发展(于贵瑞等, 2014). ...

The footprint concept in complex terrain
2
2004

... 由于涡度相关技术和测定环境的复杂性, 使得该方法在实际应用中还面临着诸多挑战.基于物质守恒方程, 涡度相关技术要求测量仪器应安装在通量随高度不发生变化的内边界层即常通量层内, 即在通量观测的应用中需要满足如下几个基本假设(图1): 大气稳态性, 即空气密度脉动是可以忽略的; 平均垂直风速为0; 下垫面匀质, 无水平方向的平流通量; 下垫面有足够大的风浪区, 单点的时间平均可以代替水平面积平均状况; 下垫面冠层高度与仪器测量高度间的源汇为0, 即随着高度的增加, 通量是恒定的; 下垫面的湍流运动足够充分, 尽可能被仪器完全测定(Aubinet et al., 2012).但是在自然环境下, 以上基本假设是很难完全满足的, 导致涡度相关技术在实际应用中存在诸多不确定性(温学发等, 2004; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).因此在通量数据处理过程中, 通常利用密度校正(WPL校正)消除水汽和温度对CO₂密度脉动的影响(Webb et al., 1980; Leuning, 2007); 利用坐标旋转校正使得平均垂直风速为0 (Finnigan et al., 2003); 利用摩擦风速(u_*)校正解决夜间湍流运动不充分所造成的测量误差(Falge et al., 2001); 利用源区分析获得地面非匀质下垫面的贡献(Finnigan, 2004); 通过量化平流通量和冠层存储减少由于下垫面不平坦或高郁闭度植被层碳存储所造成的通量测定误差(Aubinet et al., 2005). ...

... 涡度系统测定要求下垫面平坦、匀质, 但实际上很多观测站都建在地形复杂的非匀质下垫面条件下, 包含多种不同的地形或植被类型, 这就需要计算湍流通量的贡献源区来评估不同下垫面类型的贡献(Baldocchi et al., 2000; Finnigan, 2004; Foken & Leclerc, 2004).同时, 复杂下垫面也很难满足平流通量为0的理想状态假设, 如在山地或坡地生态系统中, 平流通量导致大量CO₂泄流, 这就需要通过量化平流通量减少通量测定误差(Aubinet et al., 2005). ...

A re-evaluation of long-term flux measurement techniques part I: averaging and coordinate rotation
3
2003

... 由于涡度相关技术和测定环境的复杂性, 使得该方法在实际应用中还面临着诸多挑战.基于物质守恒方程, 涡度相关技术要求测量仪器应安装在通量随高度不发生变化的内边界层即常通量层内, 即在通量观测的应用中需要满足如下几个基本假设(图1): 大气稳态性, 即空气密度脉动是可以忽略的; 平均垂直风速为0; 下垫面匀质, 无水平方向的平流通量; 下垫面有足够大的风浪区, 单点的时间平均可以代替水平面积平均状况; 下垫面冠层高度与仪器测量高度间的源汇为0, 即随着高度的增加, 通量是恒定的; 下垫面的湍流运动足够充分, 尽可能被仪器完全测定(Aubinet et al., 2012).但是在自然环境下, 以上基本假设是很难完全满足的, 导致涡度相关技术在实际应用中存在诸多不确定性(温学发等, 2004; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).因此在通量数据处理过程中, 通常利用密度校正(WPL校正)消除水汽和温度对CO₂密度脉动的影响(Webb et al., 1980; Leuning, 2007); 利用坐标旋转校正使得平均垂直风速为0 (Finnigan et al., 2003); 利用摩擦风速(u_*)校正解决夜间湍流运动不充分所造成的测量误差(Falge et al., 2001); 利用源区分析获得地面非匀质下垫面的贡献(Finnigan, 2004); 通过量化平流通量和冠层存储减少由于下垫面不平坦或高郁闭度植被层碳存储所造成的通量测定误差(Aubinet et al., 2005). ...

... 涡度相关系统是一个多类型仪器的整合系统, 仪器的时间响应特征、功率谱特征、各分量的时间同步性等的差异都可能成为测量结果偏差的原因(Wilson et al., 2002).通常采用谱分析、频率响应校正等方法评估仪器对高频信号的响应能力(Aubinet et al., 2012).此外, 涡度测定需要满足垂直风速为0的假设条件, 但是由于仪器安装以及下垫面不平坦等实际情况, 导致其很难实现, 因此数据处理时会利用坐标旋转校正使得平均垂直风速为0 (Finnigan et al., 2003).目前应用比较广泛的是二次坐标旋转, 以及应对复杂地形的平面拟合坐标旋转(Wilczak et al., 2001; Finnigan et al., 2003; G?ckede et al., 2008). ...

... ; Finnigan et al., 2003; G?ckede et al., 2008). ...

Methods and limitations in validation of footprint models
1
2004

... 涡度系统测定要求下垫面平坦、匀质, 但实际上很多观测站都建在地形复杂的非匀质下垫面条件下, 包含多种不同的地形或植被类型, 这就需要计算湍流通量的贡献源区来评估不同下垫面类型的贡献(Baldocchi et al., 2000; Finnigan, 2004; Foken & Leclerc, 2004).同时, 复杂下垫面也很难满足平流通量为0的理想状态假设, 如在山地或坡地生态系统中, 平流通量导致大量CO₂泄流, 这就需要通过量化平流通量减少通量测定误差(Aubinet et al., 2005). ...

Effects of climate extremes on the terrestrial carbon cycle: concepts, processes and potential future impacts
1
2015

... 全球变化所导致的干旱、热浪、霜冻、降水、风暴等极端气候事件正在增加, 这些极端事件对陆地生态系统结构和功能产生深刻的影响, 进而影响生态系统碳水循环及其对全球气候变化的反馈(Frank et al., 2015; Piao et al., 2019).在自然条件下, 长期连续的通量观测可以捕捉到生态系统碳水交换对这些难以预测的极端事件的响应, 比如为了研究厄尔尼诺或拉尼娜事件所导致的干旱和极端降水对生态系统的影响, 通常需要至少7年以上的观测数据(Chen et al., 2009).而生态系统在遭受极端事件影响后的恢复过程也是缓慢的, 通常是以年尺度为单位的观测才能较为全面地了解这一恢复过程, 同时由于不同生态系统功能过程对极端事件的恢复程度和时间存在很大差别, 这将极大地影响我们对极端事件所造成影响的评估(Keenan et al., 2019).全球各类生态系统的涡度相关系统所监测的长期通量数据, 无疑为研究生态系统结构和功能对极端事件的响应与恢复过程提供了最直接的观测证据(Piao et al., 2019). ...

Long term trend and interannual variability of land carbon uptake— The attribution and processes
1
2017

... 涡度相关技术对特定生态系统的长期定位连续观测可以用来估算从小时到日、月、年、年际甚至更长时间尺度的生态系统总初级生产力(GPP)、生态系统呼吸(ER)、生态系统净初级生产力(NEP)、生态系统蒸散(ET)和能量通量, 揭示生态系统各通量的动态变化特征与环境调控机制(Vargas et al., 2010; Ma et al., 2016, 2017).例如, 在全球碳循环研究中, 由于缺乏直接观测数据, 我们对生态系统年碳通量的大小、年际变异及其长期变化趋势的研究仍存在很大不确定性(Fu et al., 2017; Niu et al., 2017; Baldocchi et al., 2018; Baldocchi, 2020).通过设立在全球各种植被类型的涡度观测站点的碳通量数据, 可以准确地定量区域和全球陆地生态系统年固碳量的大小和变化范围.Hao等(2013)对内蒙古和青藏高原草原通量的长期观测, 表明我国高寒草原和北方温带草原生态系统大多处于碳平衡状态, 其年净碳交换因受降水的影响有较大的年际间波动, 在湿润的年份是弱的碳汇, 而在干旱年份极易转变为碳源.Baldocchi等(2018)通过分析全球59个站点544个站年的碳通量数据, 发现全球陆地生态系统平均GPP、ER和NEP分别为(1 294 ± 684)、(1 117 ± 578)和(-153 ± 289) g C·m^-2·a^-1 (负值代表碳吸收).这些已发表的通量观测数据特别是通量观测系统建立初期的数据, 提供了不同气候区和植被类型生态系统碳通量强度的大小与变化范围. ...

A MODIS-based Photosynthetic Capacity Model to estimate gross primary production in Northern China and the Tibetan Plateau
1
2014

... 模型估算是研究生态系统碳水平衡时空格局与变异规律, 并预测其对全球变化的响应的一种重要研究手段.随着对生态系统结构、功能和生态系统过程认识的不断深入以及遥感、地理信息系统和计算机技术的发展, 陆地生态系统碳水循环模型研究迅速发展, 产生了一大批不同类型和适合不同时空尺度的模型.但是, 模型的不确定和不同模型预测结果间的巨大差异一直是困扰模型应用的难题.因此急切需要与模型时空尺度相匹配的实测数据对模型的预测结果进行评估, 而长期连续的生态系统尺度通量观测数据为模型验证提供了可能, 同时也为模型参数的进一步优化提供了数据基础(Medlyn et al., 2005; Richardson et al., 2010; Melaas et al., 2013).在区域尺度碳循环模型中, 目前应用较为广泛的是将生态系统碳循环模型(如CEVSA2、Biome-BGC等)与遥感技术相结合的碳过程-遥感模型(Turner et al., 2006; 顾峰雪等, 2010; Gao et al., 2014).Yuan等(2007)利用来自北美和欧洲通量网的28个站点的通量数据, 构建了日尺度的光利用效率模型(EC-LUE model), 并结合遥感和气象数据对区域尺度GPP进行了模拟.利用ChinaFlux和FLUXNET通量数据对中国和全球GPP拟和结果进行了验证(Yuan et al,. 2010; Li et al., 2013). ...

Quality control of CarboEurope flux data—Part 1: Coupling footprint analyses with flux data quality assessment to evaluate sites in forest ecosystems
1
2008

... 涡度相关系统是一个多类型仪器的整合系统, 仪器的时间响应特征、功率谱特征、各分量的时间同步性等的差异都可能成为测量结果偏差的原因(Wilson et al., 2002).通常采用谱分析、频率响应校正等方法评估仪器对高频信号的响应能力(Aubinet et al., 2012).此外, 涡度测定需要满足垂直风速为0的假设条件, 但是由于仪器安装以及下垫面不平坦等实际情况, 导致其很难实现, 因此数据处理时会利用坐标旋转校正使得平均垂直风速为0 (Finnigan et al., 2003).目前应用比较广泛的是二次坐标旋转, 以及应对复杂地形的平面拟合坐标旋转(Wilczak et al., 2001; Finnigan et al., 2003; G?ckede et al., 2008). ...

基于CEVSA2模型的亚热带人工针叶林长期碳通量及碳储量模拟
1
2010

... 模型估算是研究生态系统碳水平衡时空格局与变异规律, 并预测其对全球变化的响应的一种重要研究手段.随着对生态系统结构、功能和生态系统过程认识的不断深入以及遥感、地理信息系统和计算机技术的发展, 陆地生态系统碳水循环模型研究迅速发展, 产生了一大批不同类型和适合不同时空尺度的模型.但是, 模型的不确定和不同模型预测结果间的巨大差异一直是困扰模型应用的难题.因此急切需要与模型时空尺度相匹配的实测数据对模型的预测结果进行评估, 而长期连续的生态系统尺度通量观测数据为模型验证提供了可能, 同时也为模型参数的进一步优化提供了数据基础(Medlyn et al., 2005; Richardson et al., 2010; Melaas et al., 2013).在区域尺度碳循环模型中, 目前应用较为广泛的是将生态系统碳循环模型(如CEVSA2、Biome-BGC等)与遥感技术相结合的碳过程-遥感模型(Turner et al., 2006; 顾峰雪等, 2010; Gao et al., 2014).Yuan等(2007)利用来自北美和欧洲通量网的28个站点的通量数据, 构建了日尺度的光利用效率模型(EC-LUE model), 并结合遥感和气象数据对区域尺度GPP进行了模拟.利用ChinaFlux和FLUXNET通量数据对中国和全球GPP拟和结果进行了验证(Yuan et al,. 2010; Li et al., 2013). ...

基于CEVSA2模型的亚热带人工针叶林长期碳通量及碳储量模拟
1
2010

... 模型估算是研究生态系统碳水平衡时空格局与变异规律, 并预测其对全球变化的响应的一种重要研究手段.随着对生态系统结构、功能和生态系统过程认识的不断深入以及遥感、地理信息系统和计算机技术的发展, 陆地生态系统碳水循环模型研究迅速发展, 产生了一大批不同类型和适合不同时空尺度的模型.但是, 模型的不确定和不同模型预测结果间的巨大差异一直是困扰模型应用的难题.因此急切需要与模型时空尺度相匹配的实测数据对模型的预测结果进行评估, 而长期连续的生态系统尺度通量观测数据为模型验证提供了可能, 同时也为模型参数的进一步优化提供了数据基础(Medlyn et al., 2005; Richardson et al., 2010; Melaas et al., 2013).在区域尺度碳循环模型中, 目前应用较为广泛的是将生态系统碳循环模型(如CEVSA2、Biome-BGC等)与遥感技术相结合的碳过程-遥感模型(Turner et al., 2006; 顾峰雪等, 2010; Gao et al., 2014).Yuan等(2007)利用来自北美和欧洲通量网的28个站点的通量数据, 构建了日尺度的光利用效率模型(EC-LUE model), 并结合遥感和气象数据对区域尺度GPP进行了模拟.利用ChinaFlux和FLUXNET通量数据对中国和全球GPP拟和结果进行了验证(Yuan et al,. 2010; Li et al., 2013). ...

Global and time-resolved monitoring of crop photosynthesis with chlorophyll fluorescence
1
2014

... 随着仪器设备、物联网和计算机技术的迅猛发展, 物候、叶绿素荧光等与生态系统碳水循环相关的功能指标也实现了高频(分钟至小时尺度)联网观测.最典型的一个跨网络合作的范例就是北美通量网与最近发展迅速的物候观测网(PhenoCam)之间的合作.目前PhenoCam已在北美通量站点的涡度塔上架设了400余台数码相机, 为物候观测提供实时图像信息和相关指标(Richardson et al., 2018; Keenan et al., 2019).物候与通量观测的紧密结合使得物候数据不仅可以用于研究物候对气候变化的响应, 还为研究者更好地理解物候变化对生态系统碳水循环季节与年际变异的影响提供了直接的证据(Bowling et al., 2018).与常用植被遥感参数(归一化植被指数(NDVI)和增强植被指数(EVI))相比, 叶绿素荧光作为对“实际光合作用”更敏感的植被参数在碳循环研究中得到了广泛应用(Zhang et al., 2019).涡度通量数据与物候、叶绿素荧光、卫星遥感等多源数据的结合, 将会大大提升研究者对区域和全球尺度碳循环的研究精度, 并有助于碳模型的验证与优化(Guanter et al., 2014). ...

Is frequency or amount of precipitation more important in controlling CO₂ fluxes in the 30-year-old fenced and the moderately grazed temperate steppe?
1
2013

... 涡度相关技术对特定生态系统的长期定位连续观测可以用来估算从小时到日、月、年、年际甚至更长时间尺度的生态系统总初级生产力(GPP)、生态系统呼吸(ER)、生态系统净初级生产力(NEP)、生态系统蒸散(ET)和能量通量, 揭示生态系统各通量的动态变化特征与环境调控机制(Vargas et al., 2010; Ma et al., 2016, 2017).例如, 在全球碳循环研究中, 由于缺乏直接观测数据, 我们对生态系统年碳通量的大小、年际变异及其长期变化趋势的研究仍存在很大不确定性(Fu et al., 2017; Niu et al., 2017; Baldocchi et al., 2018; Baldocchi, 2020).通过设立在全球各种植被类型的涡度观测站点的碳通量数据, 可以准确地定量区域和全球陆地生态系统年固碳量的大小和变化范围.Hao等(2013)对内蒙古和青藏高原草原通量的长期观测, 表明我国高寒草原和北方温带草原生态系统大多处于碳平衡状态, 其年净碳交换因受降水的影响有较大的年际间波动, 在湿润的年份是弱的碳汇, 而在干旱年份极易转变为碳源.Baldocchi等(2018)通过分析全球59个站点544个站年的碳通量数据, 发现全球陆地生态系统平均GPP、ER和NEP分别为(1 294 ± 684)、(1 117 ± 578)和(-153 ± 289) g C·m^-2·a^-1 (负值代表碳吸收).这些已发表的通量观测数据特别是通量观测系统建立初期的数据, 提供了不同气候区和植被类型生态系统碳通量强度的大小与变化范围. ...

Ecosystem traits linking functional traits to macroecology
3
2019

... 植物性状作为植物对全球变化响应的敏感性指标已备受关注(Wright et al., 2004; Ma et al., 2018).随着全球植物叶片和根系性状数据库的建立与完善, 植物性状研究也从器官和物种水平发展到生态系统水平(Wright et al., 2004; Díaz et al., 2015; 何念鹏等, 2018; Ma et al., 2018; He et al., 2019).何念鹏等提出生态系统性状(ecosystem traits)的概念, 采用以物种组成和群落结构为基础的尺度上推方法建立了我国东部森林多尺度性状数据库(何念鹏等, 2018; He et al., 2019).Liu等(2018a)进一步尝试将生态系统水平气孔性状与涡度通量测量的水分利用效率进行整合分析, 发现随着干旱程度的增加, 森林植被通过降低气孔密度, 提高水分利用效率.多尺度植物性状概念的提出与应用将有助于研究者更深入地理解通量长期变异和空间格局调控机理及其对环境变化的响应与适应能力(He et al., 2019; Keenan et al., 2019). ...

... ; He et al., 2019).Liu等(2018a)进一步尝试将生态系统水平气孔性状与涡度通量测量的水分利用效率进行整合分析, 发现随着干旱程度的增加, 森林植被通过降低气孔密度, 提高水分利用效率.多尺度植物性状概念的提出与应用将有助于研究者更深入地理解通量长期变异和空间格局调控机理及其对环境变化的响应与适应能力(He et al., 2019; Keenan et al., 2019). ...

... 进一步尝试将生态系统水平气孔性状与涡度通量测量的水分利用效率进行整合分析, 发现随着干旱程度的增加, 森林植被通过降低气孔密度, 提高水分利用效率.多尺度植物性状概念的提出与应用将有助于研究者更深入地理解通量长期变异和空间格局调控机理及其对环境变化的响应与适应能力(He et al., 2019; Keenan et al., 2019). ...

植物性状研究的机遇与挑战: 从器官到群落
2
2018

... 植物性状作为植物对全球变化响应的敏感性指标已备受关注(Wright et al., 2004; Ma et al., 2018).随着全球植物叶片和根系性状数据库的建立与完善, 植物性状研究也从器官和物种水平发展到生态系统水平(Wright et al., 2004; Díaz et al., 2015; 何念鹏等, 2018; Ma et al., 2018; He et al., 2019).何念鹏等提出生态系统性状(ecosystem traits)的概念, 采用以物种组成和群落结构为基础的尺度上推方法建立了我国东部森林多尺度性状数据库(何念鹏等, 2018; He et al., 2019).Liu等(2018a)进一步尝试将生态系统水平气孔性状与涡度通量测量的水分利用效率进行整合分析, 发现随着干旱程度的增加, 森林植被通过降低气孔密度, 提高水分利用效率.多尺度植物性状概念的提出与应用将有助于研究者更深入地理解通量长期变异和空间格局调控机理及其对环境变化的响应与适应能力(He et al., 2019; Keenan et al., 2019). ...

... ).何念鹏等提出生态系统性状(ecosystem traits)的概念, 采用以物种组成和群落结构为基础的尺度上推方法建立了我国东部森林多尺度性状数据库(何念鹏等, 2018; He et al., 2019).Liu等(2018a)进一步尝试将生态系统水平气孔性状与涡度通量测量的水分利用效率进行整合分析, 发现随着干旱程度的增加, 森林植被通过降低气孔密度, 提高水分利用效率.多尺度植物性状概念的提出与应用将有助于研究者更深入地理解通量长期变异和空间格局调控机理及其对环境变化的响应与适应能力(He et al., 2019; Keenan et al., 2019). ...

植物性状研究的机遇与挑战: 从器官到群落
2
2018

... 植物性状作为植物对全球变化响应的敏感性指标已备受关注(Wright et al., 2004; Ma et al., 2018).随着全球植物叶片和根系性状数据库的建立与完善, 植物性状研究也从器官和物种水平发展到生态系统水平(Wright et al., 2004; Díaz et al., 2015; 何念鹏等, 2018; Ma et al., 2018; He et al., 2019).何念鹏等提出生态系统性状(ecosystem traits)的概念, 采用以物种组成和群落结构为基础的尺度上推方法建立了我国东部森林多尺度性状数据库(何念鹏等, 2018; He et al., 2019).Liu等(2018a)进一步尝试将生态系统水平气孔性状与涡度通量测量的水分利用效率进行整合分析, 发现随着干旱程度的增加, 森林植被通过降低气孔密度, 提高水分利用效率.多尺度植物性状概念的提出与应用将有助于研究者更深入地理解通量长期变异和空间格局调控机理及其对环境变化的响应与适应能力(He et al., 2019; Keenan et al., 2019). ...

... ).何念鹏等提出生态系统性状(ecosystem traits)的概念, 采用以物种组成和群落结构为基础的尺度上推方法建立了我国东部森林多尺度性状数据库(何念鹏等, 2018; He et al., 2019).Liu等(2018a)进一步尝试将生态系统水平气孔性状与涡度通量测量的水分利用效率进行整合分析, 发现随着干旱程度的增加, 森林植被通过降低气孔密度, 提高水分利用效率.多尺度植物性状概念的提出与应用将有助于研究者更深入地理解通量长期变异和空间格局调控机理及其对环境变化的响应与适应能力(He et al., 2019; Keenan et al., 2019). ...

Modeling evapotranspiration by combing a two-source model, a leaf stomatal model, and a light-use efficiency model
2
2013

... 基于Shuttleworth-Wallace (S-W)模型(Shuttleworth & Wallace, 1985), Hu等(2009, 2013)利用通量数据开发了SWH双源蒸散模型, 并利用通量观测数据计算出模型中两个关键参数(土壤表面阻抗和冠层阻抗), 实现了该模型在区域尺度的应用.SWH模型在日尺度与年尺度以及站点、区域尺度的蒸散估算和验证中都取得了较好的模拟效果(Hu et al., 2017).其中, 基于全球63个FLUXNET通量站点数据验证, 模型模拟值与实测值相关性达到80%以上(Hu et al., 2017).利用该模型不仅可以估算日尺度和年尺度生态系统水汽通量, 同时还可对其进行组分拆分, 将蒸散拆分为植被蒸腾和土壤蒸发两个部分(Hu et al., 2009, 2013), 这为进一步阐明水分对群落光合生理的调控作用以及水-碳循环耦合机理提供了重要的数据支撑(Stoy et al., 2019).利用FLUXNET水汽通量数据, Yuan等(2010)验证了通过改进的PM水循环模型对全球蒸散的拟合结果. ...

... , 2013), 这为进一步阐明水分对群落光合生理的调控作用以及水-碳循环耦合机理提供了重要的数据支撑(Stoy et al., 2019).利用FLUXNET水汽通量数据, Yuan等(2010)验证了通过改进的PM水循环模型对全球蒸散的拟合结果. ...

Modeling and partitioning of regional evapotranspiration using a satellite-driven water- carbon coupling model
2
2017

... 基于Shuttleworth-Wallace (S-W)模型(Shuttleworth & Wallace, 1985), Hu等(2009, 2013)利用通量数据开发了SWH双源蒸散模型, 并利用通量观测数据计算出模型中两个关键参数(土壤表面阻抗和冠层阻抗), 实现了该模型在区域尺度的应用.SWH模型在日尺度与年尺度以及站点、区域尺度的蒸散估算和验证中都取得了较好的模拟效果(Hu et al., 2017).其中, 基于全球63个FLUXNET通量站点数据验证, 模型模拟值与实测值相关性达到80%以上(Hu et al., 2017).利用该模型不仅可以估算日尺度和年尺度生态系统水汽通量, 同时还可对其进行组分拆分, 将蒸散拆分为植被蒸腾和土壤蒸发两个部分(Hu et al., 2009, 2013), 这为进一步阐明水分对群落光合生理的调控作用以及水-碳循环耦合机理提供了重要的数据支撑(Stoy et al., 2019).利用FLUXNET水汽通量数据, Yuan等(2010)验证了通过改进的PM水循环模型对全球蒸散的拟合结果. ...

... ).其中, 基于全球63个FLUXNET通量站点数据验证, 模型模拟值与实测值相关性达到80%以上(Hu et al., 2017).利用该模型不仅可以估算日尺度和年尺度生态系统水汽通量, 同时还可对其进行组分拆分, 将蒸散拆分为植被蒸腾和土壤蒸发两个部分(Hu et al., 2009, 2013), 这为进一步阐明水分对群落光合生理的调控作用以及水-碳循环耦合机理提供了重要的数据支撑(Stoy et al., 2019).利用FLUXNET水汽通量数据, Yuan等(2010)验证了通过改进的PM水循环模型对全球蒸散的拟合结果. ...

Partitioning of evapotranspiration and its controls in four grassland ecosystems: application of a two-source model
2
2009

... 基于Shuttleworth-Wallace (S-W)模型(Shuttleworth & Wallace, 1985), Hu等(2009, 2013)利用通量数据开发了SWH双源蒸散模型, 并利用通量观测数据计算出模型中两个关键参数(土壤表面阻抗和冠层阻抗), 实现了该模型在区域尺度的应用.SWH模型在日尺度与年尺度以及站点、区域尺度的蒸散估算和验证中都取得了较好的模拟效果(Hu et al., 2017).其中, 基于全球63个FLUXNET通量站点数据验证, 模型模拟值与实测值相关性达到80%以上(Hu et al., 2017).利用该模型不仅可以估算日尺度和年尺度生态系统水汽通量, 同时还可对其进行组分拆分, 将蒸散拆分为植被蒸腾和土壤蒸发两个部分(Hu et al., 2009, 2013), 这为进一步阐明水分对群落光合生理的调控作用以及水-碳循环耦合机理提供了重要的数据支撑(Stoy et al., 2019).利用FLUXNET水汽通量数据, Yuan等(2010)验证了通过改进的PM水循环模型对全球蒸散的拟合结果. ...

... ).利用该模型不仅可以估算日尺度和年尺度生态系统水汽通量, 同时还可对其进行组分拆分, 将蒸散拆分为植被蒸腾和土壤蒸发两个部分(Hu et al., 2009, 2013), 这为进一步阐明水分对群落光合生理的调控作用以及水-碳循环耦合机理提供了重要的数据支撑(Stoy et al., 2019).利用FLUXNET水汽通量数据, Yuan等(2010)验证了通过改进的PM水循环模型对全球蒸散的拟合结果. ...

Enhanced peak growth of global vegetation and its key mechanisms
1
2018

... 生态系统年固碳量的长期变化趋势是目前碳循环对全球变化响应研究中非常令人关注的问题.长期通量观测数据, 使研究者可以进一步了解碳通量是否随着时间发生变化? 如果是, 变化的速度有多快? Liu等(2019)通过长达19年的通量观测, 发现加拿大黑云杉(Picea mariana)林GEP和ER均呈现显著增加的趋势, 并使得生态系统的净碳吸收量逐年提高, 而春季温度升高是碳通量提高的主要驱动因素.Baldocchi (2020)通过对比1990-2007和2008-2018两个时期全球近2 000个站年的通量数据, 发现这两个时期的年净碳通量并没有显著差异.而此前通过卫星和大气CO₂浓度观测数据的反演研究的结果均表明近几十年来全球生态系统生产力发生了显著的变化, 出现了明显的“绿化”趋势, 即初级生产力显著增加(Park et al., 2016).最新的研究表明, 全球植被“绿化”趋势是多因素共同调控的, 除了CO₂浓度升高和氮沉降等因素外, 这种趋势与人类活动所导致的农田扩增密切相关(Huang et al., 2018).由于遥感观测和模型拟合方法在生产力估算中较大的不确定性, 长期通量观测数据已被很多研究用来验证这些结果(Niu et al., 2017; Baldocchi, 2020). ...

Temporal variations of atmospheric water vapor δD and δ¹⁸O above an arid artificial oasis cropland in the Heihe River Basin
1
2014

... 随着激光光谱技术在稳定同位素和痕量气体测量中的应用, 实现了多种痕量气体中²H、¹³C、¹⁵N和¹⁸O等同位素组成的连续监测(庞家平和温学发, 2018; Xiao et al., 2018).发挥稳定同位素技术在示踪和溯源方面的优势, 并将其与通量观测结合, 已经为研究大气-植被-土壤碳氮水传输过程与途径、通量组分区分提供了可能(Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).根据生态系统不同库间碳氮水同位素组成的差异, 研究者可以建立并量化各库之间的联系, 明确生态系统碳氮水的生物地球化学循环过程及其控制机制(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).例如, 通过植物叶片、枝条和土壤呼吸碳通量及其稳定碳同位素比值(δ¹³C)的观测, 已深入开展了植物光合作用新合成碳的迁移转化过程研究(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Kuptz et al., 2011).通过测定生态系统水汽通量和氢同位素比值, 确定生态系统蒸发散以及露水凝结水不同水分来源(Wang & Yakir, 2000; Wen et al., 2012).近年来, ChinaFLUX已经在千烟洲、禹城等多个通量研究站点构建了生态系统碳-氮-水通量与同位素通量整合的综合观测系统, 提升了对碳氮水通量长期变异驱动机制的研究(Wen et al., 2013; Huang & Wen, 2014; 于贵瑞等, 2014). ...

New data-driven estimation of terrestrial CO₂ fluxes in Asia using a standardized database of eddy covariance measurements, remote sensing data, and support vector regression
1
2017

... 通过结合遥感模型、机器学习等空间尺度扩展方法, 通量联网研究可以评估从生态系统到区域乃至全球尺度的碳水交换量, 为认识大尺度生态系统与大气相互作用提供观测数据和模型验证(Xiao et al., 2010; Yu et al., 2013).近年来, 通过整合通量、遥感和气象等多源数据, 研究者们陆续发布了多个区域及全球尺度的生态系统碳水通量数据产品(Yang et al., 2007; Jung et al., 2009, 2011; Ueyama et al., 2013; Ichii et al., 2017; Bodesheim et al., 2018). ...

Towards global empirical upscaling of FLUXNET eddy covariance observations: validation of a model tree ensemble approach using a biosphere model
1
2009

... 通过结合遥感模型、机器学习等空间尺度扩展方法, 通量联网研究可以评估从生态系统到区域乃至全球尺度的碳水交换量, 为认识大尺度生态系统与大气相互作用提供观测数据和模型验证(Xiao et al., 2010; Yu et al., 2013).近年来, 通过整合通量、遥感和气象等多源数据, 研究者们陆续发布了多个区域及全球尺度的生态系统碳水通量数据产品(Yang et al., 2007; Jung et al., 2009, 2011; Ueyama et al., 2013; Ichii et al., 2017; Bodesheim et al., 2018). ...

Global patterns of land-atmosphere fluxes of carbon dioxide, latent heat, and sensible heat derived from eddy covariance, satellite, and meteorological observations
1
2011

... 通过结合遥感模型、机器学习等空间尺度扩展方法, 通量联网研究可以评估从生态系统到区域乃至全球尺度的碳水交换量, 为认识大尺度生态系统与大气相互作用提供观测数据和模型验证(Xiao et al., 2010; Yu et al., 2013).近年来, 通过整合通量、遥感和气象等多源数据, 研究者们陆续发布了多个区域及全球尺度的生态系统碳水通量数据产品(Yang et al., 2007; Jung et al., 2009, 2011; Ueyama et al., 2013; Ichii et al., 2017; Bodesheim et al., 2018). ...

Compensatory water effects link yearly global land CO₂ sink changes to temperature
1
2017

... 通过整合我国19个森林生态系统的碳通量数据, Chen等(2019)发现中国森林平均GPP、ER和NEP分别为(1 541 ± 92), (1 155 ± 91)和(382 ± 37) g C·m^-2·a^-1, 年平均气温解释了不同森林生态系统碳通量变异的40%-54%, 与热带雨林和北方森林相比, 亚热带和温带森林具有更高的碳固持能力.通过对比全球不同区域的森林生态系统长期通量数据, Yu等(2014)发现我国及东亚地区亚热带森林的平均年固碳量显著高于相同纬度的北美和欧洲森林, 贡献了全球森林年碳固持量的8%左右, 这与该区域较低的林龄、高的氮沉降输入以及较丰沛的降水和热量资源条件有密切的关系.中国区域52个观测站、亚洲和北半球182个观测站的通量数据整合分析, 发现生态系统GPP、ER和NEP存在显著的纬向和经向地带性分布规律, 温度和降水共同决定了碳通量的空间格局(Chen et al., 2013, 2015; Xiao et al., 2013).对全球22个内陆湿地和21个海岸湿地的对比研究表明, 湿地生态系统碳通量的强度同样受温度和降水的控制, 但由于人类活动干扰, 内陆湿地的GPP和ER显著低于海岸湿地, 平均的NEP也显著降低(Lu et al., 2017).另一项全球尺度的通量数据整合研究也证实, 生态系统碳通量的空间变化格局主要受到水分和温度的共同调控(Jung et al., 2017).通过分析建立在北美温带荒漠的6个站点32个站年的通量数据, 研究者发现冬季降水对荒漠生态系统碳平衡是至关重要的, 近30年冬季降水的减少使得北美荒漠固碳量降低了6.8 Tg C·a^-1 (Biederman et al., 2018).以上这些研究通过跨区域乃至全球尺度多站点的集成分析, 重新论证了气候因素决定生态系统碳吸收和排放通量格局生物地理生态学基本规律, 加强了对空间格局形成机制的认知(于贵瑞等, 2014; Chen et al., 2015). ...

Growth and opportunities in networked synthesis through AmeriFlux
3
2019

... 全球变化所导致的干旱、热浪、霜冻、降水、风暴等极端气候事件正在增加, 这些极端事件对陆地生态系统结构和功能产生深刻的影响, 进而影响生态系统碳水循环及其对全球气候变化的反馈(Frank et al., 2015; Piao et al., 2019).在自然条件下, 长期连续的通量观测可以捕捉到生态系统碳水交换对这些难以预测的极端事件的响应, 比如为了研究厄尔尼诺或拉尼娜事件所导致的干旱和极端降水对生态系统的影响, 通常需要至少7年以上的观测数据(Chen et al., 2009).而生态系统在遭受极端事件影响后的恢复过程也是缓慢的, 通常是以年尺度为单位的观测才能较为全面地了解这一恢复过程, 同时由于不同生态系统功能过程对极端事件的恢复程度和时间存在很大差别, 这将极大地影响我们对极端事件所造成影响的评估(Keenan et al., 2019).全球各类生态系统的涡度相关系统所监测的长期通量数据, 无疑为研究生态系统结构和功能对极端事件的响应与恢复过程提供了最直接的观测证据(Piao et al., 2019). ...

... 植物性状作为植物对全球变化响应的敏感性指标已备受关注(Wright et al., 2004; Ma et al., 2018).随着全球植物叶片和根系性状数据库的建立与完善, 植物性状研究也从器官和物种水平发展到生态系统水平(Wright et al., 2004; Díaz et al., 2015; 何念鹏等, 2018; Ma et al., 2018; He et al., 2019).何念鹏等提出生态系统性状(ecosystem traits)的概念, 采用以物种组成和群落结构为基础的尺度上推方法建立了我国东部森林多尺度性状数据库(何念鹏等, 2018; He et al., 2019).Liu等(2018a)进一步尝试将生态系统水平气孔性状与涡度通量测量的水分利用效率进行整合分析, 发现随着干旱程度的增加, 森林植被通过降低气孔密度, 提高水分利用效率.多尺度植物性状概念的提出与应用将有助于研究者更深入地理解通量长期变异和空间格局调控机理及其对环境变化的响应与适应能力(He et al., 2019; Keenan et al., 2019). ...

... 随着仪器设备、物联网和计算机技术的迅猛发展, 物候、叶绿素荧光等与生态系统碳水循环相关的功能指标也实现了高频(分钟至小时尺度)联网观测.最典型的一个跨网络合作的范例就是北美通量网与最近发展迅速的物候观测网(PhenoCam)之间的合作.目前PhenoCam已在北美通量站点的涡度塔上架设了400余台数码相机, 为物候观测提供实时图像信息和相关指标(Richardson et al., 2018; Keenan et al., 2019).物候与通量观测的紧密结合使得物候数据不仅可以用于研究物候对气候变化的响应, 还为研究者更好地理解物候变化对生态系统碳水循环季节与年际变异的影响提供了直接的证据(Bowling et al., 2018).与常用植被遥感参数(归一化植被指数(NDVI)和增强植被指数(EVI))相比, 叶绿素荧光作为对“实际光合作用”更敏感的植被参数在碳循环研究中得到了广泛应用(Zhang et al., 2019).涡度通量数据与物候、叶绿素荧光、卫星遥感等多源数据的结合, 将会大大提升研究者对区域和全球尺度碳循环的研究精度, 并有助于碳模型的验证与优化(Guanter et al., 2014). ...

FLUXNET-CH₄ synthesis activity: objectives, observations, and future directions
1
2019

... 除CO₂外, CH₄和N₂O作为主要的温室气体越来越受到研究者关注.近10年, 随着CH₄和NO₂高频测量气体分析仪的出现, 涡度相关技术也被广泛应用于CH₄和N₂O通量的研究, 特别是在湿地等CH₄和N₂O排放量大的生态系统中.目前中国通量网和国际多个长期观测网络(如美国的NEON和欧洲的ICOS), 也都将CH₄和N₂O通量观测列入了涡度相关观测指标体系中(Falge et al., 2001; Sabbatini et al., 2018).北美通量网将2019年设立为CH₄通量观测年, 并由北美通量网和欧洲通量网牵头建立了全球CH₄通路观测网络(FLUXNET-CH₄), 着力推动全球CH₄通量研究.虽然CH₄通量研究起步较晚, 但目前全球已有200个通量站点同时进行CH₄通量的观测, 并初步建立全球CH₄通量数据库(Knox et al., 2019).ChinaFlux目前也已从现有的CO₂、H₂O和能量通量观测逐步向CO₂、H₂O、CH₄、NO、NO₂、N₂O、NH₃、HNO₃等多目标碳氮水痕量气体通量的综合观测体系发展(于贵瑞等, 2014). ...

Seasonal patterns of carbon allocation to respiratory pools in 60-yr-old deciduous (Fagus sylvatica) and evergreen (Picea abies) trees assessed via whole-tree stable carbon isotope labeling
1
2011

... 随着激光光谱技术在稳定同位素和痕量气体测量中的应用, 实现了多种痕量气体中²H、¹³C、¹⁵N和¹⁸O等同位素组成的连续监测(庞家平和温学发, 2018; Xiao et al., 2018).发挥稳定同位素技术在示踪和溯源方面的优势, 并将其与通量观测结合, 已经为研究大气-植被-土壤碳氮水传输过程与途径、通量组分区分提供了可能(Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).根据生态系统不同库间碳氮水同位素组成的差异, 研究者可以建立并量化各库之间的联系, 明确生态系统碳氮水的生物地球化学循环过程及其控制机制(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).例如, 通过植物叶片、枝条和土壤呼吸碳通量及其稳定碳同位素比值(δ¹³C)的观测, 已深入开展了植物光合作用新合成碳的迁移转化过程研究(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Kuptz et al., 2011).通过测定生态系统水汽通量和氢同位素比值, 确定生态系统蒸发散以及露水凝结水不同水分来源(Wang & Yakir, 2000; Wen et al., 2012).近年来, ChinaFLUX已经在千烟洲、禹城等多个通量研究站点构建了生态系统碳-氮-水通量与同位素通量整合的综合观测系统, 提升了对碳氮水通量长期变异驱动机制的研究(Wen et al., 2013; Huang & Wen, 2014; 于贵瑞等, 2014). ...

Separation of net ecosystem exchange into assimilation and respiration using a light response curve approach: critical issues and global evaluation
1
2010

... 通量数据很多误差来自于涡度通量观测时间序列中的缺失值.缺失值越多, 插补数据的不确定性越大, 长时间数据的缺失, 会对年累积值的计算造成较大的误差(Falge et al., 2001).此外, 不同的插补和净碳通量拆分方法都会对通量的估算造成很大不确定性, 如对比研究表明不同的碳通量拆分方法会造成年尺度生产力估算10%左右的变差(Desai et al., 2008; Lasslop et al., 2010). ...

The correct form of the Webb, Pearman and Leuning equation for eddy fluxes of trace gases in steady and non-steady state, horizontally homogeneous flows
2
2007

... 由于涡度相关技术和测定环境的复杂性, 使得该方法在实际应用中还面临着诸多挑战.基于物质守恒方程, 涡度相关技术要求测量仪器应安装在通量随高度不发生变化的内边界层即常通量层内, 即在通量观测的应用中需要满足如下几个基本假设(图1): 大气稳态性, 即空气密度脉动是可以忽略的; 平均垂直风速为0; 下垫面匀质, 无水平方向的平流通量; 下垫面有足够大的风浪区, 单点的时间平均可以代替水平面积平均状况; 下垫面冠层高度与仪器测量高度间的源汇为0, 即随着高度的增加, 通量是恒定的; 下垫面的湍流运动足够充分, 尽可能被仪器完全测定(Aubinet et al., 2012).但是在自然环境下, 以上基本假设是很难完全满足的, 导致涡度相关技术在实际应用中存在诸多不确定性(温学发等, 2004; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).因此在通量数据处理过程中, 通常利用密度校正(WPL校正)消除水汽和温度对CO₂密度脉动的影响(Webb et al., 1980; Leuning, 2007); 利用坐标旋转校正使得平均垂直风速为0 (Finnigan et al., 2003); 利用摩擦风速(u_*)校正解决夜间湍流运动不充分所造成的测量误差(Falge et al., 2001); 利用源区分析获得地面非匀质下垫面的贡献(Finnigan, 2004); 通过量化平流通量和冠层存储减少由于下垫面不平坦或高郁闭度植被层碳存储所造成的通量测定误差(Aubinet et al., 2005). ...

... 现实中的大气条件并非稳态, 需要考虑因热量或水汽通量的输送所引起的气体密度变化.通常采用WPL校正消除水汽和温度对CO₂密度脉动的影响(Webb et al., 1980; Leuning, 2007).涡度相关系统的测定, 需要下垫面的湍流运动比较剧烈, 但是大气边界层一般比较稳定, 有时还会有逆温层, 尤其是在夜间, 这就使得CO₂滞留在植被冠层内, 导致通量观测值低于真实值.对于夜间通量低估的问题, 一般采用u_*校正, 剔除临界值(0.15-0.30)以下的数据并进行插补(Falge et al., 2001; Aubinet, 2008).对于森林等高大植被生态系统, 可以通过测定林下CO₂和能量储量来减小复杂下垫面通量测量的误差(Aubinet et al., 2005; Yao et al., 2012). ...

Estimation of gross primary production over the terrestrial ecosystems in China
1
2013

... 模型估算是研究生态系统碳水平衡时空格局与变异规律, 并预测其对全球变化的响应的一种重要研究手段.随着对生态系统结构、功能和生态系统过程认识的不断深入以及遥感、地理信息系统和计算机技术的发展, 陆地生态系统碳水循环模型研究迅速发展, 产生了一大批不同类型和适合不同时空尺度的模型.但是, 模型的不确定和不同模型预测结果间的巨大差异一直是困扰模型应用的难题.因此急切需要与模型时空尺度相匹配的实测数据对模型的预测结果进行评估, 而长期连续的生态系统尺度通量观测数据为模型验证提供了可能, 同时也为模型参数的进一步优化提供了数据基础(Medlyn et al., 2005; Richardson et al., 2010; Melaas et al., 2013).在区域尺度碳循环模型中, 目前应用较为广泛的是将生态系统碳循环模型(如CEVSA2、Biome-BGC等)与遥感技术相结合的碳过程-遥感模型(Turner et al., 2006; 顾峰雪等, 2010; Gao et al., 2014).Yuan等(2007)利用来自北美和欧洲通量网的28个站点的通量数据, 构建了日尺度的光利用效率模型(EC-LUE model), 并结合遥感和气象数据对区域尺度GPP进行了模拟.利用ChinaFlux和FLUXNET通量数据对中国和全球GPP拟和结果进行了验证(Yuan et al,. 2010; Li et al., 2013). ...

Variation of stomatal traits from cold temperate to tropical forests and association with water use efficiency
1
2018a

... 植物性状作为植物对全球变化响应的敏感性指标已备受关注(Wright et al., 2004; Ma et al., 2018).随着全球植物叶片和根系性状数据库的建立与完善, 植物性状研究也从器官和物种水平发展到生态系统水平(Wright et al., 2004; Díaz et al., 2015; 何念鹏等, 2018; Ma et al., 2018; He et al., 2019).何念鹏等提出生态系统性状(ecosystem traits)的概念, 采用以物种组成和群落结构为基础的尺度上推方法建立了我国东部森林多尺度性状数据库(何念鹏等, 2018; He et al., 2019).Liu等(2018a)进一步尝试将生态系统水平气孔性状与涡度通量测量的水分利用效率进行整合分析, 发现随着干旱程度的增加, 森林植被通过降低气孔密度, 提高水分利用效率.多尺度植物性状概念的提出与应用将有助于研究者更深入地理解通量长期变异和空间格局调控机理及其对环境变化的响应与适应能力(He et al., 2019; Keenan et al., 2019). ...

The Heihe integrated observatory network: a basin-scale land surface processes observatory in China
1
2018b

... 涡度相关技术作为生态系统水平通量过程的主要观测手段, 其在空间尺度上仍具有局限性, 只能反映有限空间范围的生态系统过程.为了实现对区域甚至更大尺度生态系统结构、过程和功能的观测研究, 需要将大尺度的大气过程与中小尺度的植被土壤生态过程结合, 建立多尺度大气-植被-土壤生态过程的长期观测体系(于贵瑞等, 2014).在水循环研究方面, 通过整合不同观测技术包括蒸渗仪(米级)-涡度相关技术(百米级)-闪烁仪(千米级), 研究者在黑河流域建立了全流域跨尺度水文生态过程监测系统, 不仅研究气候变化对陆面水文、生态的影响, 同时探讨了陆面小尺度过程对大气的反馈机理, 探索流域尺度的水循环过程和驱动机理(Liu et al., 2018b).近年来, ChinaFLUX通过整合通量观测站点和全球变化陆地样带, 构建了站点-样带-区域生态系统通量的多尺度综合观测技术体系(于贵瑞等, 2014), 已初步形成了国家尺度通量观测网络的框架.这一观测体系的构建, 极大地推动了区域和国家尺度碳氮水循环过程和驱动机制的研究(Chen et al., 2013, 2015; Yu et al., 2013, 2019; Zhu et al., 2014, 2015a, 2015b). ...

Divergent long-term trends and interannual variation in ecosystem resource use efficiencies of a southern boreal old black spruce forest 1999-2017
1
2019

... 生态系统年固碳量的长期变化趋势是目前碳循环对全球变化响应研究中非常令人关注的问题.长期通量观测数据, 使研究者可以进一步了解碳通量是否随着时间发生变化? 如果是, 变化的速度有多快? Liu等(2019)通过长达19年的通量观测, 发现加拿大黑云杉(Picea mariana)林GEP和ER均呈现显著增加的趋势, 并使得生态系统的净碳吸收量逐年提高, 而春季温度升高是碳通量提高的主要驱动因素.Baldocchi (2020)通过对比1990-2007和2008-2018两个时期全球近2 000个站年的通量数据, 发现这两个时期的年净碳通量并没有显著差异.而此前通过卫星和大气CO₂浓度观测数据的反演研究的结果均表明近几十年来全球生态系统生产力发生了显著的变化, 出现了明显的“绿化”趋势, 即初级生产力显著增加(Park et al., 2016).最新的研究表明, 全球植被“绿化”趋势是多因素共同调控的, 除了CO₂浓度升高和氮沉降等因素外, 这种趋势与人类活动所导致的农田扩增密切相关(Huang et al., 2018).由于遥感观测和模型拟合方法在生产力估算中较大的不确定性, 长期通量观测数据已被很多研究用来验证这些结果(Niu et al., 2017; Baldocchi, 2020). ...

Contrasting ecosytem CO₂ fluxes of inland and coastal wetlands: a meta-analysis of eddy covariance data
1
2017

... 通过整合我国19个森林生态系统的碳通量数据, Chen等(2019)发现中国森林平均GPP、ER和NEP分别为(1 541 ± 92), (1 155 ± 91)和(382 ± 37) g C·m^-2·a^-1, 年平均气温解释了不同森林生态系统碳通量变异的40%-54%, 与热带雨林和北方森林相比, 亚热带和温带森林具有更高的碳固持能力.通过对比全球不同区域的森林生态系统长期通量数据, Yu等(2014)发现我国及东亚地区亚热带森林的平均年固碳量显著高于相同纬度的北美和欧洲森林, 贡献了全球森林年碳固持量的8%左右, 这与该区域较低的林龄、高的氮沉降输入以及较丰沛的降水和热量资源条件有密切的关系.中国区域52个观测站、亚洲和北半球182个观测站的通量数据整合分析, 发现生态系统GPP、ER和NEP存在显著的纬向和经向地带性分布规律, 温度和降水共同决定了碳通量的空间格局(Chen et al., 2013, 2015; Xiao et al., 2013).对全球22个内陆湿地和21个海岸湿地的对比研究表明, 湿地生态系统碳通量的强度同样受温度和降水的控制, 但由于人类活动干扰, 内陆湿地的GPP和ER显著低于海岸湿地, 平均的NEP也显著降低(Lu et al., 2017).另一项全球尺度的通量数据整合研究也证实, 生态系统碳通量的空间变化格局主要受到水分和温度的共同调控(Jung et al., 2017).通过分析建立在北美温带荒漠的6个站点32个站年的通量数据, 研究者发现冬季降水对荒漠生态系统碳平衡是至关重要的, 近30年冬季降水的减少使得北美荒漠固碳量降低了6.8 Tg C·a^-1 (Biederman et al., 2018).以上这些研究通过跨区域乃至全球尺度多站点的集成分析, 重新论证了气候因素决定生态系统碳吸收和排放通量格局生物地理生态学基本规律, 加强了对空间格局形成机制的认知(于贵瑞等, 2014; Chen et al., 2015). ...

Slow ecosystem responses conditionally regulate annual carbon balance over 15 years in Californian oak-grass savanna
1
2016

... 涡度相关技术对特定生态系统的长期定位连续观测可以用来估算从小时到日、月、年、年际甚至更长时间尺度的生态系统总初级生产力(GPP)、生态系统呼吸(ER)、生态系统净初级生产力(NEP)、生态系统蒸散(ET)和能量通量, 揭示生态系统各通量的动态变化特征与环境调控机制(Vargas et al., 2010; Ma et al., 2016, 2017).例如, 在全球碳循环研究中, 由于缺乏直接观测数据, 我们对生态系统年碳通量的大小、年际变异及其长期变化趋势的研究仍存在很大不确定性(Fu et al., 2017; Niu et al., 2017; Baldocchi et al., 2018; Baldocchi, 2020).通过设立在全球各种植被类型的涡度观测站点的碳通量数据, 可以准确地定量区域和全球陆地生态系统年固碳量的大小和变化范围.Hao等(2013)对内蒙古和青藏高原草原通量的长期观测, 表明我国高寒草原和北方温带草原生态系统大多处于碳平衡状态, 其年净碳交换因受降水的影响有较大的年际间波动, 在湿润的年份是弱的碳汇, 而在干旱年份极易转变为碳源.Baldocchi等(2018)通过分析全球59个站点544个站年的碳通量数据, 发现全球陆地生态系统平均GPP、ER和NEP分别为(1 294 ± 684)、(1 117 ± 578)和(-153 ± 289) g C·m^-2·a^-1 (负值代表碳吸收).这些已发表的通量观测数据特别是通量观测系统建立初期的数据, 提供了不同气候区和植被类型生态系统碳通量强度的大小与变化范围. ...

Photosynthetic responses to temperature across leaf-canopy- ecosystem scales: a 15-year study in a Californian oak-grass savanna
1
2017

... 涡度相关技术对特定生态系统的长期定位连续观测可以用来估算从小时到日、月、年、年际甚至更长时间尺度的生态系统总初级生产力(GPP)、生态系统呼吸(ER)、生态系统净初级生产力(NEP)、生态系统蒸散(ET)和能量通量, 揭示生态系统各通量的动态变化特征与环境调控机制(Vargas et al., 2010; Ma et al., 2016, 2017).例如, 在全球碳循环研究中, 由于缺乏直接观测数据, 我们对生态系统年碳通量的大小、年际变异及其长期变化趋势的研究仍存在很大不确定性(Fu et al., 2017; Niu et al., 2017; Baldocchi et al., 2018; Baldocchi, 2020).通过设立在全球各种植被类型的涡度观测站点的碳通量数据, 可以准确地定量区域和全球陆地生态系统年固碳量的大小和变化范围.Hao等(2013)对内蒙古和青藏高原草原通量的长期观测, 表明我国高寒草原和北方温带草原生态系统大多处于碳平衡状态, 其年净碳交换因受降水的影响有较大的年际间波动, 在湿润的年份是弱的碳汇, 而在干旱年份极易转变为碳源.Baldocchi等(2018)通过分析全球59个站点544个站年的碳通量数据, 发现全球陆地生态系统平均GPP、ER和NEP分别为(1 294 ± 684)、(1 117 ± 578)和(-153 ± 289) g C·m^-2·a^-1 (负值代表碳吸收).这些已发表的通量观测数据特别是通量观测系统建立初期的数据, 提供了不同气候区和植被类型生态系统碳通量强度的大小与变化范围. ...

Evolutionary history resolves global organization of root functional traits
2
2018

... 植物性状作为植物对全球变化响应的敏感性指标已备受关注(Wright et al., 2004; Ma et al., 2018).随着全球植物叶片和根系性状数据库的建立与完善, 植物性状研究也从器官和物种水平发展到生态系统水平(Wright et al., 2004; Díaz et al., 2015; 何念鹏等, 2018; Ma et al., 2018; He et al., 2019).何念鹏等提出生态系统性状(ecosystem traits)的概念, 采用以物种组成和群落结构为基础的尺度上推方法建立了我国东部森林多尺度性状数据库(何念鹏等, 2018; He et al., 2019).Liu等(2018a)进一步尝试将生态系统水平气孔性状与涡度通量测量的水分利用效率进行整合分析, 发现随着干旱程度的增加, 森林植被通过降低气孔密度, 提高水分利用效率.多尺度植物性状概念的提出与应用将有助于研究者更深入地理解通量长期变异和空间格局调控机理及其对环境变化的响应与适应能力(He et al., 2019; Keenan et al., 2019). ...

... ; Ma et al., 2018; He et al., 2019).何念鹏等提出生态系统性状(ecosystem traits)的概念, 采用以物种组成和群落结构为基础的尺度上推方法建立了我国东部森林多尺度性状数据库(何念鹏等, 2018; He et al., 2019).Liu等(2018a)进一步尝试将生态系统水平气孔性状与涡度通量测量的水分利用效率进行整合分析, 发现随着干旱程度的增加, 森林植被通过降低气孔密度, 提高水分利用效率.多尺度植物性状概念的提出与应用将有助于研究者更深入地理解通量长期变异和空间格局调控机理及其对环境变化的响应与适应能力(He et al., 2019; Keenan et al., 2019). ...

On the validation of models of forest CO₂ exchange using eddy covariance data: some perils and pitfalls
1
2005

... 模型估算是研究生态系统碳水平衡时空格局与变异规律, 并预测其对全球变化的响应的一种重要研究手段.随着对生态系统结构、功能和生态系统过程认识的不断深入以及遥感、地理信息系统和计算机技术的发展, 陆地生态系统碳水循环模型研究迅速发展, 产生了一大批不同类型和适合不同时空尺度的模型.但是, 模型的不确定和不同模型预测结果间的巨大差异一直是困扰模型应用的难题.因此急切需要与模型时空尺度相匹配的实测数据对模型的预测结果进行评估, 而长期连续的生态系统尺度通量观测数据为模型验证提供了可能, 同时也为模型参数的进一步优化提供了数据基础(Medlyn et al., 2005; Richardson et al., 2010; Melaas et al., 2013).在区域尺度碳循环模型中, 目前应用较为广泛的是将生态系统碳循环模型(如CEVSA2、Biome-BGC等)与遥感技术相结合的碳过程-遥感模型(Turner et al., 2006; 顾峰雪等, 2010; Gao et al., 2014).Yuan等(2007)利用来自北美和欧洲通量网的28个站点的通量数据, 构建了日尺度的光利用效率模型(EC-LUE model), 并结合遥感和气象数据对区域尺度GPP进行了模拟.利用ChinaFlux和FLUXNET通量数据对中国和全球GPP拟和结果进行了验证(Yuan et al,. 2010; Li et al., 2013). ...

Using FLUXNET data to improve models of springtime vegetation activity onset in forest ecosystems
1
2013

... 模型估算是研究生态系统碳水平衡时空格局与变异规律, 并预测其对全球变化的响应的一种重要研究手段.随着对生态系统结构、功能和生态系统过程认识的不断深入以及遥感、地理信息系统和计算机技术的发展, 陆地生态系统碳水循环模型研究迅速发展, 产生了一大批不同类型和适合不同时空尺度的模型.但是, 模型的不确定和不同模型预测结果间的巨大差异一直是困扰模型应用的难题.因此急切需要与模型时空尺度相匹配的实测数据对模型的预测结果进行评估, 而长期连续的生态系统尺度通量观测数据为模型验证提供了可能, 同时也为模型参数的进一步优化提供了数据基础(Medlyn et al., 2005; Richardson et al., 2010; Melaas et al., 2013).在区域尺度碳循环模型中, 目前应用较为广泛的是将生态系统碳循环模型(如CEVSA2、Biome-BGC等)与遥感技术相结合的碳过程-遥感模型(Turner et al., 2006; 顾峰雪等, 2010; Gao et al., 2014).Yuan等(2007)利用来自北美和欧洲通量网的28个站点的通量数据, 构建了日尺度的光利用效率模型(EC-LUE model), 并结合遥感和气象数据对区域尺度GPP进行了模拟.利用ChinaFlux和FLUXNET通量数据对中国和全球GPP拟和结果进行了验证(Yuan et al,. 2010; Li et al., 2013). ...

Interannual variability of ecosystem carbon exchange: from observation to prediction
2
2017

... 涡度相关技术对特定生态系统的长期定位连续观测可以用来估算从小时到日、月、年、年际甚至更长时间尺度的生态系统总初级生产力(GPP)、生态系统呼吸(ER)、生态系统净初级生产力(NEP)、生态系统蒸散(ET)和能量通量, 揭示生态系统各通量的动态变化特征与环境调控机制(Vargas et al., 2010; Ma et al., 2016, 2017).例如, 在全球碳循环研究中, 由于缺乏直接观测数据, 我们对生态系统年碳通量的大小、年际变异及其长期变化趋势的研究仍存在很大不确定性(Fu et al., 2017; Niu et al., 2017; Baldocchi et al., 2018; Baldocchi, 2020).通过设立在全球各种植被类型的涡度观测站点的碳通量数据, 可以准确地定量区域和全球陆地生态系统年固碳量的大小和变化范围.Hao等(2013)对内蒙古和青藏高原草原通量的长期观测, 表明我国高寒草原和北方温带草原生态系统大多处于碳平衡状态, 其年净碳交换因受降水的影响有较大的年际间波动, 在湿润的年份是弱的碳汇, 而在干旱年份极易转变为碳源.Baldocchi等(2018)通过分析全球59个站点544个站年的碳通量数据, 发现全球陆地生态系统平均GPP、ER和NEP分别为(1 294 ± 684)、(1 117 ± 578)和(-153 ± 289) g C·m^-2·a^-1 (负值代表碳吸收).这些已发表的通量观测数据特别是通量观测系统建立初期的数据, 提供了不同气候区和植被类型生态系统碳通量强度的大小与变化范围. ...

... 生态系统年固碳量的长期变化趋势是目前碳循环对全球变化响应研究中非常令人关注的问题.长期通量观测数据, 使研究者可以进一步了解碳通量是否随着时间发生变化? 如果是, 变化的速度有多快? Liu等(2019)通过长达19年的通量观测, 发现加拿大黑云杉(Picea mariana)林GEP和ER均呈现显著增加的趋势, 并使得生态系统的净碳吸收量逐年提高, 而春季温度升高是碳通量提高的主要驱动因素.Baldocchi (2020)通过对比1990-2007和2008-2018两个时期全球近2 000个站年的通量数据, 发现这两个时期的年净碳通量并没有显著差异.而此前通过卫星和大气CO₂浓度观测数据的反演研究的结果均表明近几十年来全球生态系统生产力发生了显著的变化, 出现了明显的“绿化”趋势, 即初级生产力显著增加(Park et al., 2016).最新的研究表明, 全球植被“绿化”趋势是多因素共同调控的, 除了CO₂浓度升高和氮沉降等因素外, 这种趋势与人类活动所导致的农田扩增密切相关(Huang et al., 2018).由于遥感观测和模型拟合方法在生产力估算中较大的不确定性, 长期通量观测数据已被很多研究用来验证这些结果(Niu et al., 2017; Baldocchi, 2020). ...

稳定同位素红外光谱技术测定CO₂同位素校正方法的研究进展
1
2018

... 随着激光光谱技术在稳定同位素和痕量气体测量中的应用, 实现了多种痕量气体中²H、¹³C、¹⁵N和¹⁸O等同位素组成的连续监测(庞家平和温学发, 2018; Xiao et al., 2018).发挥稳定同位素技术在示踪和溯源方面的优势, 并将其与通量观测结合, 已经为研究大气-植被-土壤碳氮水传输过程与途径、通量组分区分提供了可能(Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).根据生态系统不同库间碳氮水同位素组成的差异, 研究者可以建立并量化各库之间的联系, 明确生态系统碳氮水的生物地球化学循环过程及其控制机制(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).例如, 通过植物叶片、枝条和土壤呼吸碳通量及其稳定碳同位素比值(δ¹³C)的观测, 已深入开展了植物光合作用新合成碳的迁移转化过程研究(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Kuptz et al., 2011).通过测定生态系统水汽通量和氢同位素比值, 确定生态系统蒸发散以及露水凝结水不同水分来源(Wang & Yakir, 2000; Wen et al., 2012).近年来, ChinaFLUX已经在千烟洲、禹城等多个通量研究站点构建了生态系统碳-氮-水通量与同位素通量整合的综合观测系统, 提升了对碳氮水通量长期变异驱动机制的研究(Wen et al., 2013; Huang & Wen, 2014; 于贵瑞等, 2014). ...

稳定同位素红外光谱技术测定CO₂同位素校正方法的研究进展
1
2018

... 随着激光光谱技术在稳定同位素和痕量气体测量中的应用, 实现了多种痕量气体中²H、¹³C、¹⁵N和¹⁸O等同位素组成的连续监测(庞家平和温学发, 2018; Xiao et al., 2018).发挥稳定同位素技术在示踪和溯源方面的优势, 并将其与通量观测结合, 已经为研究大气-植被-土壤碳氮水传输过程与途径、通量组分区分提供了可能(Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).根据生态系统不同库间碳氮水同位素组成的差异, 研究者可以建立并量化各库之间的联系, 明确生态系统碳氮水的生物地球化学循环过程及其控制机制(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).例如, 通过植物叶片、枝条和土壤呼吸碳通量及其稳定碳同位素比值(δ¹³C)的观测, 已深入开展了植物光合作用新合成碳的迁移转化过程研究(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Kuptz et al., 2011).通过测定生态系统水汽通量和氢同位素比值, 确定生态系统蒸发散以及露水凝结水不同水分来源(Wang & Yakir, 2000; Wen et al., 2012).近年来, ChinaFLUX已经在千烟洲、禹城等多个通量研究站点构建了生态系统碳-氮-水通量与同位素通量整合的综合观测系统, 提升了对碳氮水通量长期变异驱动机制的研究(Wen et al., 2013; Huang & Wen, 2014; 于贵瑞等, 2014). ...

Changes in growing season duration and productivity of northern vegetation inferred from long-term remote sensing data
1
2016

... 生态系统年固碳量的长期变化趋势是目前碳循环对全球变化响应研究中非常令人关注的问题.长期通量观测数据, 使研究者可以进一步了解碳通量是否随着时间发生变化? 如果是, 变化的速度有多快? Liu等(2019)通过长达19年的通量观测, 发现加拿大黑云杉(Picea mariana)林GEP和ER均呈现显著增加的趋势, 并使得生态系统的净碳吸收量逐年提高, 而春季温度升高是碳通量提高的主要驱动因素.Baldocchi (2020)通过对比1990-2007和2008-2018两个时期全球近2 000个站年的通量数据, 发现这两个时期的年净碳通量并没有显著差异.而此前通过卫星和大气CO₂浓度观测数据的反演研究的结果均表明近几十年来全球生态系统生产力发生了显著的变化, 出现了明显的“绿化”趋势, 即初级生产力显著增加(Park et al., 2016).最新的研究表明, 全球植被“绿化”趋势是多因素共同调控的, 除了CO₂浓度升高和氮沉降等因素外, 这种趋势与人类活动所导致的农田扩增密切相关(Huang et al., 2018).由于遥感观测和模型拟合方法在生产力估算中较大的不确定性, 长期通量观测数据已被很多研究用来验证这些结果(Niu et al., 2017; Baldocchi, 2020). ...

A new data set to keep a sharper eye on land-air exchanges
1
2017

... 建立区域与全球通量观测网络的主要目标是获取长期生态系统能量、CO₂和水汽通量数据, 定量评估生态系统能量、CO₂和水汽通量强度及其时空变异, 明晰调控生态系统通量季节和年际变异的主要气候因子, 理解植被类型、物候和土地利用变化等因素在影响生态系统碳水通量的时空变异中的作用, 明确生态系统水平碳源汇关系和区域及全球尺度碳水平衡, 为碳模型预测提供数据验证与支持(Baldocchi et al., 2001; Baldocchi, 2003, 2020).为了更好地实现这些目标, 数据共享是最关键的一步.在全球通量研究者的努力下, FLUXNET分别在2000、2007和2015年发布了3版全球通量数据集.这些数据的发布极大地促进了区域和全球尺度通量研究, 以目前使用最为广泛的FLUXNET2007 La Tuile数据集来说, 在Web of Science检索到的使用该数据集的跨区域集成性研究论文已达数百篇.最新发布的FLUXNET2015数据集包括了来自全球212个站点超过1 500个站年的0.5 h通量数据, 同时这一数据集在数据质量控制上做了较大的改进, 不仅提高了单个站点的数据质量, 而且增加了站点间数据的可比性.此外, 数据集中还增加了能量平衡闭合校正以及关键数据处理步骤的不确定性分析, 这对模型验证以及模型不确定性分析是非常有帮助的.相信这一新版数据集的发布, 会对区域及全球通量研究起到重要的推动作用(Pastorello et al., 2017). ...

The impacts of climate extremes on the terrestrial carbon cycle: a review
2
2019

... 全球变化所导致的干旱、热浪、霜冻、降水、风暴等极端气候事件正在增加, 这些极端事件对陆地生态系统结构和功能产生深刻的影响, 进而影响生态系统碳水循环及其对全球气候变化的反馈(Frank et al., 2015; Piao et al., 2019).在自然条件下, 长期连续的通量观测可以捕捉到生态系统碳水交换对这些难以预测的极端事件的响应, 比如为了研究厄尔尼诺或拉尼娜事件所导致的干旱和极端降水对生态系统的影响, 通常需要至少7年以上的观测数据(Chen et al., 2009).而生态系统在遭受极端事件影响后的恢复过程也是缓慢的, 通常是以年尺度为单位的观测才能较为全面地了解这一恢复过程, 同时由于不同生态系统功能过程对极端事件的恢复程度和时间存在很大差别, 这将极大地影响我们对极端事件所造成影响的评估(Keenan et al., 2019).全球各类生态系统的涡度相关系统所监测的长期通量数据, 无疑为研究生态系统结构和功能对极端事件的响应与恢复过程提供了最直接的观测证据(Piao et al., 2019). ...

... ).全球各类生态系统的涡度相关系统所监测的长期通量数据, 无疑为研究生态系统结构和功能对极端事件的响应与恢复过程提供了最直接的观测证据(Piao et al., 2019). ...

On the dynamical theory of incompressible viscous fluids and the determination of criterion
1
1895

... 地表湍流是近地层大气运动的一个重要物理特征, 湍流输送是地面或植被与大气间进行能量与物质交换的主要方式.19世纪90年代, 雷诺提出了雷诺分解法(Reynolds, 1895), 成为研究湍流运动的基本方法.湍流运动中的各有关物理量(动量、风速、气温等)可以分解为两部分: 有规律的平均值和不规则的脉动值.垂直通量可以通过确定两个时刻之间物质或能量的垂直方向的脉动值, 也就是垂直风速和物质浓度的协方差来计算.在下垫面平坦均匀的理想状态下, 基于物质和能量守恒方程, 涡度相关技术可以通过测定和计算物理量(如温度、CO₂、H₂O等)的脉动与垂直风速的脉动的协方差求算湍流通量(Baldocchi et al., 2001; Aubinet et al., 2012; 于贵瑞和孙晓敏, 2017). ...

Tracking vegetation phenology across diverse North American biomes using PhenoCam imagery
1
2018

... 随着仪器设备、物联网和计算机技术的迅猛发展, 物候、叶绿素荧光等与生态系统碳水循环相关的功能指标也实现了高频(分钟至小时尺度)联网观测.最典型的一个跨网络合作的范例就是北美通量网与最近发展迅速的物候观测网(PhenoCam)之间的合作.目前PhenoCam已在北美通量站点的涡度塔上架设了400余台数码相机, 为物候观测提供实时图像信息和相关指标(Richardson et al., 2018; Keenan et al., 2019).物候与通量观测的紧密结合使得物候数据不仅可以用于研究物候对气候变化的响应, 还为研究者更好地理解物候变化对生态系统碳水循环季节与年际变异的影响提供了直接的证据(Bowling et al., 2018).与常用植被遥感参数(归一化植被指数(NDVI)和增强植被指数(EVI))相比, 叶绿素荧光作为对“实际光合作用”更敏感的植被参数在碳循环研究中得到了广泛应用(Zhang et al., 2019).涡度通量数据与物候、叶绿素荧光、卫星遥感等多源数据的结合, 将会大大提升研究者对区域和全球尺度碳循环的研究精度, 并有助于碳模型的验证与优化(Guanter et al., 2014). ...

Estimating parameters of a forest ecosystem C model with measurements of stocks and fluxes as joint constraints
1
2010

... 模型估算是研究生态系统碳水平衡时空格局与变异规律, 并预测其对全球变化的响应的一种重要研究手段.随着对生态系统结构、功能和生态系统过程认识的不断深入以及遥感、地理信息系统和计算机技术的发展, 陆地生态系统碳水循环模型研究迅速发展, 产生了一大批不同类型和适合不同时空尺度的模型.但是, 模型的不确定和不同模型预测结果间的巨大差异一直是困扰模型应用的难题.因此急切需要与模型时空尺度相匹配的实测数据对模型的预测结果进行评估, 而长期连续的生态系统尺度通量观测数据为模型验证提供了可能, 同时也为模型参数的进一步优化提供了数据基础(Medlyn et al., 2005; Richardson et al., 2010; Melaas et al., 2013).在区域尺度碳循环模型中, 目前应用较为广泛的是将生态系统碳循环模型(如CEVSA2、Biome-BGC等)与遥感技术相结合的碳过程-遥感模型(Turner et al., 2006; 顾峰雪等, 2010; Gao et al., 2014).Yuan等(2007)利用来自北美和欧洲通量网的28个站点的通量数据, 构建了日尺度的光利用效率模型(EC-LUE model), 并结合遥感和气象数据对区域尺度GPP进行了模拟.利用ChinaFlux和FLUXNET通量数据对中国和全球GPP拟和结果进行了验证(Yuan et al,. 2010; Li et al., 2013). ...

Eddy covariance raw data processing for CO₂ and energy fluxes calculation at ICOS ecosystem stations
1
2018

... 除CO₂外, CH₄和N₂O作为主要的温室气体越来越受到研究者关注.近10年, 随着CH₄和NO₂高频测量气体分析仪的出现, 涡度相关技术也被广泛应用于CH₄和N₂O通量的研究, 特别是在湿地等CH₄和N₂O排放量大的生态系统中.目前中国通量网和国际多个长期观测网络(如美国的NEON和欧洲的ICOS), 也都将CH₄和N₂O通量观测列入了涡度相关观测指标体系中(Falge et al., 2001; Sabbatini et al., 2018).北美通量网将2019年设立为CH₄通量观测年, 并由北美通量网和欧洲通量网牵头建立了全球CH₄通路观测网络(FLUXNET-CH₄), 着力推动全球CH₄通量研究.虽然CH₄通量研究起步较晚, 但目前全球已有200个通量站点同时进行CH₄通量的观测, 并初步建立全球CH₄通量数据库(Knox et al., 2019).ChinaFlux目前也已从现有的CO₂、H₂O和能量通量观测逐步向CO₂、H₂O、CH₄、NO、NO₂、N₂O、NH₃、HNO₃等多目标碳氮水痕量气体通量的综合观测体系发展(于贵瑞等, 2014). ...

Evaporation from sparse crops—An energy combination theory
1
1985

... 基于Shuttleworth-Wallace (S-W)模型(Shuttleworth & Wallace, 1985), Hu等(2009, 2013)利用通量数据开发了SWH双源蒸散模型, 并利用通量观测数据计算出模型中两个关键参数(土壤表面阻抗和冠层阻抗), 实现了该模型在区域尺度的应用.SWH模型在日尺度与年尺度以及站点、区域尺度的蒸散估算和验证中都取得了较好的模拟效果(Hu et al., 2017).其中, 基于全球63个FLUXNET通量站点数据验证, 模型模拟值与实测值相关性达到80%以上(Hu et al., 2017).利用该模型不仅可以估算日尺度和年尺度生态系统水汽通量, 同时还可对其进行组分拆分, 将蒸散拆分为植被蒸腾和土壤蒸发两个部分(Hu et al., 2009, 2013), 这为进一步阐明水分对群落光合生理的调控作用以及水-碳循环耦合机理提供了重要的数据支撑(Stoy et al., 2019).利用FLUXNET水汽通量数据, Yuan等(2010)验证了通过改进的PM水循环模型对全球蒸散的拟合结果. ...

Ecosystem impacts of climate extremes crucially depend on the timing
1
2016

... 对全球过去30年的气候极端事件的研究表明, 极端气候事件对生态系统碳交换过程的影响存在显著时空差异, 7%的极端事件解释了全球GPP年际变异的78%, 而这些事件中降水极端事件对GPP的影响最大(Zscheischler et al., 2014).von Buttlar等(2018)通过对全球102个站点通量数据的分析, 对比了极端高温和干旱对生态系统不同碳交换过程的影响, 结果发现高温促进了生态系统呼吸并抑制了光合作用, 造成生态系统净碳通量的显著下降; 而干旱对各碳通量组分的影响与高温相似, 只是影响的程度要弱一些; 当干旱伴随着高温事件同时发生时, GPP通量出现了大幅下降, 而呼吸通量没有显著变化, 从而导致生态系统净碳固持显著降低.此外, 极端气候事件对碳通量的影响, 不仅与事件的强度有关, 还与极端事件的发生时间和持续时间密切相关(Sippel et al., 2016; von Buttlar et al., 2018). ...

Reviews and syntheses: turning the challenges of partitioning ecosystem evaporation and transpiration into opportunities
1
2019

... 基于Shuttleworth-Wallace (S-W)模型(Shuttleworth & Wallace, 1985), Hu等(2009, 2013)利用通量数据开发了SWH双源蒸散模型, 并利用通量观测数据计算出模型中两个关键参数(土壤表面阻抗和冠层阻抗), 实现了该模型在区域尺度的应用.SWH模型在日尺度与年尺度以及站点、区域尺度的蒸散估算和验证中都取得了较好的模拟效果(Hu et al., 2017).其中, 基于全球63个FLUXNET通量站点数据验证, 模型模拟值与实测值相关性达到80%以上(Hu et al., 2017).利用该模型不仅可以估算日尺度和年尺度生态系统水汽通量, 同时还可对其进行组分拆分, 将蒸散拆分为植被蒸腾和土壤蒸发两个部分(Hu et al., 2009, 2013), 这为进一步阐明水分对群落光合生理的调控作用以及水-碳循环耦合机理提供了重要的数据支撑(Stoy et al., 2019).利用FLUXNET水汽通量数据, Yuan等(2010)验证了通过改进的PM水循环模型对全球蒸散的拟合结果. ...

1
2015

... 通量观测系统因所使用的气体分析仪类型不同而被分为开路系统和闭路系统两种类型.由于具有便于安装调试、不需要观测人员过多的现场维护和标定等优点, 目前开路式通量观测系统被更广泛地使用.开路式通量观测系统由开路式气体分析仪、三维超声风速仪和数据采集系统组成, 可以高频(10-20 Hz)测定并记录大气CO₂和H₂O等气体浓度以及三维超声风速, 长期监测冠层-大气界面的动量通量、显热通量、潜热通量和CO₂等温室气体通量等湍流过程(Aubinet et al., 2012).选择不同的气体分析仪, 可对不同的温室气体进行监测, CO₂和H₂O的分析仪性能目前已比较成熟稳定, CH₄和N₂O等温室气体分析仪也在不断地研发和改进中(Burba, 2013).在通量观测同时, 气象要素观测系统测定并记录太阳辐射、降水量、大气温湿度、土壤温湿度等气象观测指标.此外, 为了更好地了解并解释生态系统碳水等通量的季节和年际变化特征, 在生长季还需对通量观测范围内的植被和土壤相关指标进行定期的观测, 主要包括植被生产力、物种组成、碳水交换生理特征参数、土壤理化性质、养分含量等指标(生态系统固碳项目技术规范编写组, 2015). ...

1
2015

... 通量观测系统因所使用的气体分析仪类型不同而被分为开路系统和闭路系统两种类型.由于具有便于安装调试、不需要观测人员过多的现场维护和标定等优点, 目前开路式通量观测系统被更广泛地使用.开路式通量观测系统由开路式气体分析仪、三维超声风速仪和数据采集系统组成, 可以高频(10-20 Hz)测定并记录大气CO₂和H₂O等气体浓度以及三维超声风速, 长期监测冠层-大气界面的动量通量、显热通量、潜热通量和CO₂等温室气体通量等湍流过程(Aubinet et al., 2012).选择不同的气体分析仪, 可对不同的温室气体进行监测, CO₂和H₂O的分析仪性能目前已比较成熟稳定, CH₄和N₂O等温室气体分析仪也在不断地研发和改进中(Burba, 2013).在通量观测同时, 气象要素观测系统测定并记录太阳辐射、降水量、大气温湿度、土壤温湿度等气象观测指标.此外, 为了更好地了解并解释生态系统碳水等通量的季节和年际变化特征, 在生长季还需对通量观测范围内的植被和土壤相关指标进行定期的观测, 主要包括植被生产力、物种组成、碳水交换生理特征参数、土壤理化性质、养分含量等指标(生态系统固碳项目技术规范编写组, 2015). ...

Evaluation of MODIS NPP and GPP products across multiple biomes
1
2006

... 模型估算是研究生态系统碳水平衡时空格局与变异规律, 并预测其对全球变化的响应的一种重要研究手段.随着对生态系统结构、功能和生态系统过程认识的不断深入以及遥感、地理信息系统和计算机技术的发展, 陆地生态系统碳水循环模型研究迅速发展, 产生了一大批不同类型和适合不同时空尺度的模型.但是, 模型的不确定和不同模型预测结果间的巨大差异一直是困扰模型应用的难题.因此急切需要与模型时空尺度相匹配的实测数据对模型的预测结果进行评估, 而长期连续的生态系统尺度通量观测数据为模型验证提供了可能, 同时也为模型参数的进一步优化提供了数据基础(Medlyn et al., 2005; Richardson et al., 2010; Melaas et al., 2013).在区域尺度碳循环模型中, 目前应用较为广泛的是将生态系统碳循环模型(如CEVSA2、Biome-BGC等)与遥感技术相结合的碳过程-遥感模型(Turner et al., 2006; 顾峰雪等, 2010; Gao et al., 2014).Yuan等(2007)利用来自北美和欧洲通量网的28个站点的通量数据, 构建了日尺度的光利用效率模型(EC-LUE model), 并结合遥感和气象数据对区域尺度GPP进行了模拟.利用ChinaFlux和FLUXNET通量数据对中国和全球GPP拟和结果进行了验证(Yuan et al,. 2010; Li et al., 2013). ...

Upscaling terrestrial carbon dioxide fluxes in Alaska with satellite remote sensing and support vector regression
1
2013

... 通过结合遥感模型、机器学习等空间尺度扩展方法, 通量联网研究可以评估从生态系统到区域乃至全球尺度的碳水交换量, 为认识大尺度生态系统与大气相互作用提供观测数据和模型验证(Xiao et al., 2010; Yu et al., 2013).近年来, 通过整合通量、遥感和气象等多源数据, 研究者们陆续发布了多个区域及全球尺度的生态系统碳水通量数据产品(Yang et al., 2007; Jung et al., 2009, 2011; Ueyama et al., 2013; Ichii et al., 2017; Bodesheim et al., 2018). ...

Multiscale analysis of temporal variability of soil CO₂ production as influenced by weather and vegetation
1
2010

... 涡度相关技术对特定生态系统的长期定位连续观测可以用来估算从小时到日、月、年、年际甚至更长时间尺度的生态系统总初级生产力(GPP)、生态系统呼吸(ER)、生态系统净初级生产力(NEP)、生态系统蒸散(ET)和能量通量, 揭示生态系统各通量的动态变化特征与环境调控机制(Vargas et al., 2010; Ma et al., 2016, 2017).例如, 在全球碳循环研究中, 由于缺乏直接观测数据, 我们对生态系统年碳通量的大小、年际变异及其长期变化趋势的研究仍存在很大不确定性(Fu et al., 2017; Niu et al., 2017; Baldocchi et al., 2018; Baldocchi, 2020).通过设立在全球各种植被类型的涡度观测站点的碳通量数据, 可以准确地定量区域和全球陆地生态系统年固碳量的大小和变化范围.Hao等(2013)对内蒙古和青藏高原草原通量的长期观测, 表明我国高寒草原和北方温带草原生态系统大多处于碳平衡状态, 其年净碳交换因受降水的影响有较大的年际间波动, 在湿润的年份是弱的碳汇, 而在干旱年份极易转变为碳源.Baldocchi等(2018)通过分析全球59个站点544个站年的碳通量数据, 发现全球陆地生态系统平均GPP、ER和NEP分别为(1 294 ± 684)、(1 117 ± 578)和(-153 ± 289) g C·m^-2·a^-1 (负值代表碳吸收).这些已发表的通量观测数据特别是通量观测系统建立初期的数据, 提供了不同气候区和植被类型生态系统碳通量强度的大小与变化范围. ...

Impacts of droughts and extreme-temperature events on gross primary production and ecosystem respiration: a systematic assessment across ecosystems and climate zones
2
2018

... 对全球过去30年的气候极端事件的研究表明, 极端气候事件对生态系统碳交换过程的影响存在显著时空差异, 7%的极端事件解释了全球GPP年际变异的78%, 而这些事件中降水极端事件对GPP的影响最大(Zscheischler et al., 2014).von Buttlar等(2018)通过对全球102个站点通量数据的分析, 对比了极端高温和干旱对生态系统不同碳交换过程的影响, 结果发现高温促进了生态系统呼吸并抑制了光合作用, 造成生态系统净碳通量的显著下降; 而干旱对各碳通量组分的影响与高温相似, 只是影响的程度要弱一些; 当干旱伴随着高温事件同时发生时, GPP通量出现了大幅下降, 而呼吸通量没有显著变化, 从而导致生态系统净碳固持显著降低.此外, 极端气候事件对碳通量的影响, 不仅与事件的强度有关, 还与极端事件的发生时间和持续时间密切相关(Sippel et al., 2016; von Buttlar et al., 2018). ...

... ; von Buttlar et al., 2018). ...

Using stable isotopes of water in evapotranspiration studies
1
2000

... 随着激光光谱技术在稳定同位素和痕量气体测量中的应用, 实现了多种痕量气体中²H、¹³C、¹⁵N和¹⁸O等同位素组成的连续监测(庞家平和温学发, 2018; Xiao et al., 2018).发挥稳定同位素技术在示踪和溯源方面的优势, 并将其与通量观测结合, 已经为研究大气-植被-土壤碳氮水传输过程与途径、通量组分区分提供了可能(Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).根据生态系统不同库间碳氮水同位素组成的差异, 研究者可以建立并量化各库之间的联系, 明确生态系统碳氮水的生物地球化学循环过程及其控制机制(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).例如, 通过植物叶片、枝条和土壤呼吸碳通量及其稳定碳同位素比值(δ¹³C)的观测, 已深入开展了植物光合作用新合成碳的迁移转化过程研究(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Kuptz et al., 2011).通过测定生态系统水汽通量和氢同位素比值, 确定生态系统蒸发散以及露水凝结水不同水分来源(Wang & Yakir, 2000; Wen et al., 2012).近年来, ChinaFLUX已经在千烟洲、禹城等多个通量研究站点构建了生态系统碳-氮-水通量与同位素通量整合的综合观测系统, 提升了对碳氮水通量长期变异驱动机制的研究(Wen et al., 2013; Huang & Wen, 2014; 于贵瑞等, 2014). ...

Correction of flux measurements for density effects due to heat and water vapor transfer
2
1980

... 由于涡度相关技术和测定环境的复杂性, 使得该方法在实际应用中还面临着诸多挑战.基于物质守恒方程, 涡度相关技术要求测量仪器应安装在通量随高度不发生变化的内边界层即常通量层内, 即在通量观测的应用中需要满足如下几个基本假设(图1): 大气稳态性, 即空气密度脉动是可以忽略的; 平均垂直风速为0; 下垫面匀质, 无水平方向的平流通量; 下垫面有足够大的风浪区, 单点的时间平均可以代替水平面积平均状况; 下垫面冠层高度与仪器测量高度间的源汇为0, 即随着高度的增加, 通量是恒定的; 下垫面的湍流运动足够充分, 尽可能被仪器完全测定(Aubinet et al., 2012).但是在自然环境下, 以上基本假设是很难完全满足的, 导致涡度相关技术在实际应用中存在诸多不确定性(温学发等, 2004; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).因此在通量数据处理过程中, 通常利用密度校正(WPL校正)消除水汽和温度对CO₂密度脉动的影响(Webb et al., 1980; Leuning, 2007); 利用坐标旋转校正使得平均垂直风速为0 (Finnigan et al., 2003); 利用摩擦风速(u_*)校正解决夜间湍流运动不充分所造成的测量误差(Falge et al., 2001); 利用源区分析获得地面非匀质下垫面的贡献(Finnigan, 2004); 通过量化平流通量和冠层存储减少由于下垫面不平坦或高郁闭度植被层碳存储所造成的通量测定误差(Aubinet et al., 2005). ...

... 现实中的大气条件并非稳态, 需要考虑因热量或水汽通量的输送所引起的气体密度变化.通常采用WPL校正消除水汽和温度对CO₂密度脉动的影响(Webb et al., 1980; Leuning, 2007).涡度相关系统的测定, 需要下垫面的湍流运动比较剧烈, 但是大气边界层一般比较稳定, 有时还会有逆温层, 尤其是在夜间, 这就使得CO₂滞留在植被冠层内, 导致通量观测值低于真实值.对于夜间通量低估的问题, 一般采用u_*校正, 剔除临界值(0.15-0.30)以下的数据并进行插补(Falge et al., 2001; Aubinet, 2008).对于森林等高大植被生态系统, 可以通过测定林下CO₂和能量储量来减小复杂下垫面通量测量的误差(Aubinet et al., 2005; Yao et al., 2012). ...

Dew water isotopic ratios and their relationships to ecosystem water pools and fluxes in a cropland and a grassland in China
1
2012

... 随着激光光谱技术在稳定同位素和痕量气体测量中的应用, 实现了多种痕量气体中²H、¹³C、¹⁵N和¹⁸O等同位素组成的连续监测(庞家平和温学发, 2018; Xiao et al., 2018).发挥稳定同位素技术在示踪和溯源方面的优势, 并将其与通量观测结合, 已经为研究大气-植被-土壤碳氮水传输过程与途径、通量组分区分提供了可能(Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).根据生态系统不同库间碳氮水同位素组成的差异, 研究者可以建立并量化各库之间的联系, 明确生态系统碳氮水的生物地球化学循环过程及其控制机制(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).例如, 通过植物叶片、枝条和土壤呼吸碳通量及其稳定碳同位素比值(δ¹³C)的观测, 已深入开展了植物光合作用新合成碳的迁移转化过程研究(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Kuptz et al., 2011).通过测定生态系统水汽通量和氢同位素比值, 确定生态系统蒸发散以及露水凝结水不同水分来源(Wang & Yakir, 2000; Wen et al., 2012).近年来, ChinaFLUX已经在千烟洲、禹城等多个通量研究站点构建了生态系统碳-氮-水通量与同位素通量整合的综合观测系统, 提升了对碳氮水通量长期变异驱动机制的研究(Wen et al., 2013; Huang & Wen, 2014; 于贵瑞等, 2014). ...

Evaluating calibration strategies for isotope ratio infrared spectroscopy for atmospheric ¹³CO₂/¹²CO₂ measurement
1
2013

... 随着激光光谱技术在稳定同位素和痕量气体测量中的应用, 实现了多种痕量气体中²H、¹³C、¹⁵N和¹⁸O等同位素组成的连续监测(庞家平和温学发, 2018; Xiao et al., 2018).发挥稳定同位素技术在示踪和溯源方面的优势, 并将其与通量观测结合, 已经为研究大气-植被-土壤碳氮水传输过程与途径、通量组分区分提供了可能(Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).根据生态系统不同库间碳氮水同位素组成的差异, 研究者可以建立并量化各库之间的联系, 明确生态系统碳氮水的生物地球化学循环过程及其控制机制(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).例如, 通过植物叶片、枝条和土壤呼吸碳通量及其稳定碳同位素比值(δ¹³C)的观测, 已深入开展了植物光合作用新合成碳的迁移转化过程研究(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Kuptz et al., 2011).通过测定生态系统水汽通量和氢同位素比值, 确定生态系统蒸发散以及露水凝结水不同水分来源(Wang & Yakir, 2000; Wen et al., 2012).近年来, ChinaFLUX已经在千烟洲、禹城等多个通量研究站点构建了生态系统碳-氮-水通量与同位素通量整合的综合观测系统, 提升了对碳氮水通量长期变异驱动机制的研究(Wen et al., 2013; Huang & Wen, 2014; 于贵瑞等, 2014). ...

基于涡度相关技术估算植被/大气间净CO₂交换量中的不确定性
1
2004

... 由于涡度相关技术和测定环境的复杂性, 使得该方法在实际应用中还面临着诸多挑战.基于物质守恒方程, 涡度相关技术要求测量仪器应安装在通量随高度不发生变化的内边界层即常通量层内, 即在通量观测的应用中需要满足如下几个基本假设(图1): 大气稳态性, 即空气密度脉动是可以忽略的; 平均垂直风速为0; 下垫面匀质, 无水平方向的平流通量; 下垫面有足够大的风浪区, 单点的时间平均可以代替水平面积平均状况; 下垫面冠层高度与仪器测量高度间的源汇为0, 即随着高度的增加, 通量是恒定的; 下垫面的湍流运动足够充分, 尽可能被仪器完全测定(Aubinet et al., 2012).但是在自然环境下, 以上基本假设是很难完全满足的, 导致涡度相关技术在实际应用中存在诸多不确定性(温学发等, 2004; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).因此在通量数据处理过程中, 通常利用密度校正(WPL校正)消除水汽和温度对CO₂密度脉动的影响(Webb et al., 1980; Leuning, 2007); 利用坐标旋转校正使得平均垂直风速为0 (Finnigan et al., 2003); 利用摩擦风速(u_*)校正解决夜间湍流运动不充分所造成的测量误差(Falge et al., 2001); 利用源区分析获得地面非匀质下垫面的贡献(Finnigan, 2004); 通过量化平流通量和冠层存储减少由于下垫面不平坦或高郁闭度植被层碳存储所造成的通量测定误差(Aubinet et al., 2005). ...

基于涡度相关技术估算植被/大气间净CO₂交换量中的不确定性
1
2004

... 由于涡度相关技术和测定环境的复杂性, 使得该方法在实际应用中还面临着诸多挑战.基于物质守恒方程, 涡度相关技术要求测量仪器应安装在通量随高度不发生变化的内边界层即常通量层内, 即在通量观测的应用中需要满足如下几个基本假设(图1): 大气稳态性, 即空气密度脉动是可以忽略的; 平均垂直风速为0; 下垫面匀质, 无水平方向的平流通量; 下垫面有足够大的风浪区, 单点的时间平均可以代替水平面积平均状况; 下垫面冠层高度与仪器测量高度间的源汇为0, 即随着高度的增加, 通量是恒定的; 下垫面的湍流运动足够充分, 尽可能被仪器完全测定(Aubinet et al., 2012).但是在自然环境下, 以上基本假设是很难完全满足的, 导致涡度相关技术在实际应用中存在诸多不确定性(温学发等, 2004; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).因此在通量数据处理过程中, 通常利用密度校正(WPL校正)消除水汽和温度对CO₂密度脉动的影响(Webb et al., 1980; Leuning, 2007); 利用坐标旋转校正使得平均垂直风速为0 (Finnigan et al., 2003); 利用摩擦风速(u_*)校正解决夜间湍流运动不充分所造成的测量误差(Falge et al., 2001); 利用源区分析获得地面非匀质下垫面的贡献(Finnigan, 2004); 通过量化平流通量和冠层存储减少由于下垫面不平坦或高郁闭度植被层碳存储所造成的通量测定误差(Aubinet et al., 2005). ...

Sonic anemometer tilt correction algorithms
1
2001

... 涡度相关系统是一个多类型仪器的整合系统, 仪器的时间响应特征、功率谱特征、各分量的时间同步性等的差异都可能成为测量结果偏差的原因(Wilson et al., 2002).通常采用谱分析、频率响应校正等方法评估仪器对高频信号的响应能力(Aubinet et al., 2012).此外, 涡度测定需要满足垂直风速为0的假设条件, 但是由于仪器安装以及下垫面不平坦等实际情况, 导致其很难实现, 因此数据处理时会利用坐标旋转校正使得平均垂直风速为0 (Finnigan et al., 2003).目前应用比较广泛的是二次坐标旋转, 以及应对复杂地形的平面拟合坐标旋转(Wilczak et al., 2001; Finnigan et al., 2003; G?ckede et al., 2008). ...

Energy balance closure at FLUXNET sites
1
2002

... 涡度相关系统是一个多类型仪器的整合系统, 仪器的时间响应特征、功率谱特征、各分量的时间同步性等的差异都可能成为测量结果偏差的原因(Wilson et al., 2002).通常采用谱分析、频率响应校正等方法评估仪器对高频信号的响应能力(Aubinet et al., 2012).此外, 涡度测定需要满足垂直风速为0的假设条件, 但是由于仪器安装以及下垫面不平坦等实际情况, 导致其很难实现, 因此数据处理时会利用坐标旋转校正使得平均垂直风速为0 (Finnigan et al., 2003).目前应用比较广泛的是二次坐标旋转, 以及应对复杂地形的平面拟合坐标旋转(Wilczak et al., 2001; Finnigan et al., 2003; G?ckede et al., 2008). ...

Photosynthetic carbon isotope discrimination and its relationship to the carbon isotope signals of stem, soil and ecosystem respiration
3
2010

... 随着激光光谱技术在稳定同位素和痕量气体测量中的应用, 实现了多种痕量气体中²H、¹³C、¹⁵N和¹⁸O等同位素组成的连续监测(庞家平和温学发, 2018; Xiao et al., 2018).发挥稳定同位素技术在示踪和溯源方面的优势, 并将其与通量观测结合, 已经为研究大气-植被-土壤碳氮水传输过程与途径、通量组分区分提供了可能(Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).根据生态系统不同库间碳氮水同位素组成的差异, 研究者可以建立并量化各库之间的联系, 明确生态系统碳氮水的生物地球化学循环过程及其控制机制(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).例如, 通过植物叶片、枝条和土壤呼吸碳通量及其稳定碳同位素比值(δ¹³C)的观测, 已深入开展了植物光合作用新合成碳的迁移转化过程研究(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Kuptz et al., 2011).通过测定生态系统水汽通量和氢同位素比值, 确定生态系统蒸发散以及露水凝结水不同水分来源(Wang & Yakir, 2000; Wen et al., 2012).近年来, ChinaFLUX已经在千烟洲、禹城等多个通量研究站点构建了生态系统碳-氮-水通量与同位素通量整合的综合观测系统, 提升了对碳氮水通量长期变异驱动机制的研究(Wen et al., 2013; Huang & Wen, 2014; 于贵瑞等, 2014). ...

... ; Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).例如, 通过植物叶片、枝条和土壤呼吸碳通量及其稳定碳同位素比值(δ¹³C)的观测, 已深入开展了植物光合作用新合成碳的迁移转化过程研究(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Kuptz et al., 2011).通过测定生态系统水汽通量和氢同位素比值, 确定生态系统蒸发散以及露水凝结水不同水分来源(Wang & Yakir, 2000; Wen et al., 2012).近年来, ChinaFLUX已经在千烟洲、禹城等多个通量研究站点构建了生态系统碳-氮-水通量与同位素通量整合的综合观测系统, 提升了对碳氮水通量长期变异驱动机制的研究(Wen et al., 2013; Huang & Wen, 2014; 于贵瑞等, 2014). ...

... ; Wingate et al., 2010; Kuptz et al., 2011).通过测定生态系统水汽通量和氢同位素比值, 确定生态系统蒸发散以及露水凝结水不同水分来源(Wang & Yakir, 2000; Wen et al., 2012).近年来, ChinaFLUX已经在千烟洲、禹城等多个通量研究站点构建了生态系统碳-氮-水通量与同位素通量整合的综合观测系统, 提升了对碳氮水通量长期变异驱动机制的研究(Wen et al., 2013; Huang & Wen, 2014; 于贵瑞等, 2014). ...

The worldwide leaf economics spectrum
2
2004

... 植物性状作为植物对全球变化响应的敏感性指标已备受关注(Wright et al., 2004; Ma et al., 2018).随着全球植物叶片和根系性状数据库的建立与完善, 植物性状研究也从器官和物种水平发展到生态系统水平(Wright et al., 2004; Díaz et al., 2015; 何念鹏等, 2018; Ma et al., 2018; He et al., 2019).何念鹏等提出生态系统性状(ecosystem traits)的概念, 采用以物种组成和群落结构为基础的尺度上推方法建立了我国东部森林多尺度性状数据库(何念鹏等, 2018; He et al., 2019).Liu等(2018a)进一步尝试将生态系统水平气孔性状与涡度通量测量的水分利用效率进行整合分析, 发现随着干旱程度的增加, 森林植被通过降低气孔密度, 提高水分利用效率.多尺度植物性状概念的提出与应用将有助于研究者更深入地理解通量长期变异和空间格局调控机理及其对环境变化的响应与适应能力(He et al., 2019; Keenan et al., 2019). ...

... ).随着全球植物叶片和根系性状数据库的建立与完善, 植物性状研究也从器官和物种水平发展到生态系统水平(Wright et al., 2004; Díaz et al., 2015; 何念鹏等, 2018; Ma et al., 2018; He et al., 2019).何念鹏等提出生态系统性状(ecosystem traits)的概念, 采用以物种组成和群落结构为基础的尺度上推方法建立了我国东部森林多尺度性状数据库(何念鹏等, 2018; He et al., 2019).Liu等(2018a)进一步尝试将生态系统水平气孔性状与涡度通量测量的水分利用效率进行整合分析, 发现随着干旱程度的增加, 森林植被通过降低气孔密度, 提高水分利用效率.多尺度植物性状概念的提出与应用将有助于研究者更深入地理解通量长期变异和空间格局调控机理及其对环境变化的响应与适应能力(He et al., 2019; Keenan et al., 2019). ...

Joint control of terrestrial gross primary productivity by plant phenology and physiology
1
2015

... 建立在不同气候区和生态系统类型站点的联网观测, 为明晰陆地生态系统碳水收支平衡的空间地理分布格局提供了直接的观测数据.在区域和全球观测网络的快速发展和数据共享机制完善的基础上, 目前通量观测数据在生态系统碳水循环的应用已经从单个或几个站点通量季节和年际变化分析, 发展到区域生态系统碳水收支评价、生态系统碳通量空间格局及其生物地理生态学机制等方面的研究(Xia et al., 2015; Biederman et al., 2017). ...

A continuous measure of gross primary production for the conterminous United States derived from MODIS and AmeriFlux data
1
2010

... 通过结合遥感模型、机器学习等空间尺度扩展方法, 通量联网研究可以评估从生态系统到区域乃至全球尺度的碳水交换量, 为认识大尺度生态系统与大气相互作用提供观测数据和模型验证(Xiao et al., 2010; Yu et al., 2013).近年来, 通过整合通量、遥感和气象等多源数据, 研究者们陆续发布了多个区域及全球尺度的生态系统碳水通量数据产品(Yang et al., 2007; Jung et al., 2009, 2011; Ueyama et al., 2013; Ichii et al., 2017; Bodesheim et al., 2018). ...

Carbon fluxes, evapotranspiration, and water use efficiency of terrestrial ecosystems in China
1
2013

... 通过整合我国19个森林生态系统的碳通量数据, Chen等(2019)发现中国森林平均GPP、ER和NEP分别为(1 541 ± 92), (1 155 ± 91)和(382 ± 37) g C·m^-2·a^-1, 年平均气温解释了不同森林生态系统碳通量变异的40%-54%, 与热带雨林和北方森林相比, 亚热带和温带森林具有更高的碳固持能力.通过对比全球不同区域的森林生态系统长期通量数据, Yu等(2014)发现我国及东亚地区亚热带森林的平均年固碳量显著高于相同纬度的北美和欧洲森林, 贡献了全球森林年碳固持量的8%左右, 这与该区域较低的林龄、高的氮沉降输入以及较丰沛的降水和热量资源条件有密切的关系.中国区域52个观测站、亚洲和北半球182个观测站的通量数据整合分析, 发现生态系统GPP、ER和NEP存在显著的纬向和经向地带性分布规律, 温度和降水共同决定了碳通量的空间格局(Chen et al., 2013, 2015; Xiao et al., 2013).对全球22个内陆湿地和21个海岸湿地的对比研究表明, 湿地生态系统碳通量的强度同样受温度和降水的控制, 但由于人类活动干扰, 内陆湿地的GPP和ER显著低于海岸湿地, 平均的NEP也显著降低(Lu et al., 2017).另一项全球尺度的通量数据整合研究也证实, 生态系统碳通量的空间变化格局主要受到水分和温度的共同调控(Jung et al., 2017).通过分析建立在北美温带荒漠的6个站点32个站年的通量数据, 研究者发现冬季降水对荒漠生态系统碳平衡是至关重要的, 近30年冬季降水的减少使得北美荒漠固碳量降低了6.8 Tg C·a^-1 (Biederman et al., 2018).以上这些研究通过跨区域乃至全球尺度多站点的集成分析, 重新论证了气候因素决定生态系统碳吸收和排放通量格局生物地理生态学基本规律, 加强了对空间格局形成机制的认知(于贵瑞等, 2014; Chen et al., 2015). ...

Evapotranspiration partitioning at the ecosystem scale using the stable isotope method—A review
3
2018

... 随着激光光谱技术在稳定同位素和痕量气体测量中的应用, 实现了多种痕量气体中²H、¹³C、¹⁵N和¹⁸O等同位素组成的连续监测(庞家平和温学发, 2018; Xiao et al., 2018).发挥稳定同位素技术在示踪和溯源方面的优势, 并将其与通量观测结合, 已经为研究大气-植被-土壤碳氮水传输过程与途径、通量组分区分提供了可能(Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).根据生态系统不同库间碳氮水同位素组成的差异, 研究者可以建立并量化各库之间的联系, 明确生态系统碳氮水的生物地球化学循环过程及其控制机制(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).例如, 通过植物叶片、枝条和土壤呼吸碳通量及其稳定碳同位素比值(δ¹³C)的观测, 已深入开展了植物光合作用新合成碳的迁移转化过程研究(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Kuptz et al., 2011).通过测定生态系统水汽通量和氢同位素比值, 确定生态系统蒸发散以及露水凝结水不同水分来源(Wang & Yakir, 2000; Wen et al., 2012).近年来, ChinaFLUX已经在千烟洲、禹城等多个通量研究站点构建了生态系统碳-氮-水通量与同位素通量整合的综合观测系统, 提升了对碳氮水通量长期变异驱动机制的研究(Wen et al., 2013; Huang & Wen, 2014; 于贵瑞等, 2014). ...

... ; Xiao et al., 2018).根据生态系统不同库间碳氮水同位素组成的差异, 研究者可以建立并量化各库之间的联系, 明确生态系统碳氮水的生物地球化学循环过程及其控制机制(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).例如, 通过植物叶片、枝条和土壤呼吸碳通量及其稳定碳同位素比值(δ¹³C)的观测, 已深入开展了植物光合作用新合成碳的迁移转化过程研究(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Kuptz et al., 2011).通过测定生态系统水汽通量和氢同位素比值, 确定生态系统蒸发散以及露水凝结水不同水分来源(Wang & Yakir, 2000; Wen et al., 2012).近年来, ChinaFLUX已经在千烟洲、禹城等多个通量研究站点构建了生态系统碳-氮-水通量与同位素通量整合的综合观测系统, 提升了对碳氮水通量长期变异驱动机制的研究(Wen et al., 2013; Huang & Wen, 2014; 于贵瑞等, 2014). ...

... ; Xiao et al., 2018).例如, 通过植物叶片、枝条和土壤呼吸碳通量及其稳定碳同位素比值(δ¹³C)的观测, 已深入开展了植物光合作用新合成碳的迁移转化过程研究(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Kuptz et al., 2011).通过测定生态系统水汽通量和氢同位素比值, 确定生态系统蒸发散以及露水凝结水不同水分来源(Wang & Yakir, 2000; Wen et al., 2012).近年来, ChinaFLUX已经在千烟洲、禹城等多个通量研究站点构建了生态系统碳-氮-水通量与同位素通量整合的综合观测系统, 提升了对碳氮水通量长期变异驱动机制的研究(Wen et al., 2013; Huang & Wen, 2014; 于贵瑞等, 2014). ...

Developing a continental-scale measure of gross primary production by combining MODIS and AmeriFlux data through Support Vector Machine approach
1
2007

... 通过结合遥感模型、机器学习等空间尺度扩展方法, 通量联网研究可以评估从生态系统到区域乃至全球尺度的碳水交换量, 为认识大尺度生态系统与大气相互作用提供观测数据和模型验证(Xiao et al., 2010; Yu et al., 2013).近年来, 通过整合通量、遥感和气象等多源数据, 研究者们陆续发布了多个区域及全球尺度的生态系统碳水通量数据产品(Yang et al., 2007; Jung et al., 2009, 2011; Ueyama et al., 2013; Ichii et al., 2017; Bodesheim et al., 2018). ...

Pooling of CO₂ within a small valley in a tropical seasonal rain forest
1
2012

... 现实中的大气条件并非稳态, 需要考虑因热量或水汽通量的输送所引起的气体密度变化.通常采用WPL校正消除水汽和温度对CO₂密度脉动的影响(Webb et al., 1980; Leuning, 2007).涡度相关系统的测定, 需要下垫面的湍流运动比较剧烈, 但是大气边界层一般比较稳定, 有时还会有逆温层, 尤其是在夜间, 这就使得CO₂滞留在植被冠层内, 导致通量观测值低于真实值.对于夜间通量低估的问题, 一般采用u_*校正, 剔除临界值(0.15-0.30)以下的数据并进行插补(Falge et al., 2001; Aubinet, 2008).对于森林等高大植被生态系统, 可以通过测定林下CO₂和能量储量来减小复杂下垫面通量测量的误差(Aubinet et al., 2005; Yao et al., 2012). ...

High carbon dioxide uptake by subtropical forest ecosystems in the East Asian monsoon region
2
2014

... 能量流动和物质循环是地圈-生物圈-大气圈相互作用关系的纽带, 同时也是生态系统生态学研究的核心内容(Yu et al., 2014; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).定量描述大气-植被-土壤间物质循环和能量交换过程是以通量测量为基础的.通量作为一个物理学概念, 是指单位时间内通过某一界面单位面积所输送的动量、热量和物质等物理量(Aubinet et al., 2012; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).在环境、气象和生态学领域, 通量研究主要是针对生态系统尺度的植被-大气界面或土壤-大气界面的物质流和能量流而展开, 所关注且可直接测量的通量主要有生态系统的能量输入和输出通量(包括辐射通量、显热通量和潜热通量)和气体(大量或痕量温室气体)交换通量等(于贵瑞和孙晓敏, 2017).随着全球变化研究的广泛开展, 气体通量作为反映生态系统对环境变化响应的重要指标越来越受到关注. ...

... 通过整合我国19个森林生态系统的碳通量数据, Chen等(2019)发现中国森林平均GPP、ER和NEP分别为(1 541 ± 92), (1 155 ± 91)和(382 ± 37) g C·m^-2·a^-1, 年平均气温解释了不同森林生态系统碳通量变异的40%-54%, 与热带雨林和北方森林相比, 亚热带和温带森林具有更高的碳固持能力.通过对比全球不同区域的森林生态系统长期通量数据, Yu等(2014)发现我国及东亚地区亚热带森林的平均年固碳量显著高于相同纬度的北美和欧洲森林, 贡献了全球森林年碳固持量的8%左右, 这与该区域较低的林龄、高的氮沉降输入以及较丰沛的降水和热量资源条件有密切的关系.中国区域52个观测站、亚洲和北半球182个观测站的通量数据整合分析, 发现生态系统GPP、ER和NEP存在显著的纬向和经向地带性分布规律, 温度和降水共同决定了碳通量的空间格局(Chen et al., 2013, 2015; Xiao et al., 2013).对全球22个内陆湿地和21个海岸湿地的对比研究表明, 湿地生态系统碳通量的强度同样受温度和降水的控制, 但由于人类活动干扰, 内陆湿地的GPP和ER显著低于海岸湿地, 平均的NEP也显著降低(Lu et al., 2017).另一项全球尺度的通量数据整合研究也证实, 生态系统碳通量的空间变化格局主要受到水分和温度的共同调控(Jung et al., 2017).通过分析建立在北美温带荒漠的6个站点32个站年的通量数据, 研究者发现冬季降水对荒漠生态系统碳平衡是至关重要的, 近30年冬季降水的减少使得北美荒漠固碳量降低了6.8 Tg C·a^-1 (Biederman et al., 2018).以上这些研究通过跨区域乃至全球尺度多站点的集成分析, 重新论证了气候因素决定生态系统碳吸收和排放通量格局生物地理生态学基本规律, 加强了对空间格局形成机制的认知(于贵瑞等, 2014; Chen et al., 2015). ...

Stabilization of atmospheric nitrogen deposition in China over the past decade
1
2019

... 涡度相关技术作为生态系统水平通量过程的主要观测手段, 其在空间尺度上仍具有局限性, 只能反映有限空间范围的生态系统过程.为了实现对区域甚至更大尺度生态系统结构、过程和功能的观测研究, 需要将大尺度的大气过程与中小尺度的植被土壤生态过程结合, 建立多尺度大气-植被-土壤生态过程的长期观测体系(于贵瑞等, 2014).在水循环研究方面, 通过整合不同观测技术包括蒸渗仪(米级)-涡度相关技术(百米级)-闪烁仪(千米级), 研究者在黑河流域建立了全流域跨尺度水文生态过程监测系统, 不仅研究气候变化对陆面水文、生态的影响, 同时探讨了陆面小尺度过程对大气的反馈机理, 探索流域尺度的水循环过程和驱动机理(Liu et al., 2018b).近年来, ChinaFLUX通过整合通量观测站点和全球变化陆地样带, 构建了站点-样带-区域生态系统通量的多尺度综合观测技术体系(于贵瑞等, 2014), 已初步形成了国家尺度通量观测网络的框架.这一观测体系的构建, 极大地推动了区域和国家尺度碳氮水循环过程和驱动机制的研究(Chen et al., 2013, 2015; Yu et al., 2013, 2019; Zhu et al., 2014, 2015a, 2015b). ...

8
2017

... 能量流动和物质循环是地圈-生物圈-大气圈相互作用关系的纽带, 同时也是生态系统生态学研究的核心内容(Yu et al., 2014; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).定量描述大气-植被-土壤间物质循环和能量交换过程是以通量测量为基础的.通量作为一个物理学概念, 是指单位时间内通过某一界面单位面积所输送的动量、热量和物质等物理量(Aubinet et al., 2012; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).在环境、气象和生态学领域, 通量研究主要是针对生态系统尺度的植被-大气界面或土壤-大气界面的物质流和能量流而展开, 所关注且可直接测量的通量主要有生态系统的能量输入和输出通量(包括辐射通量、显热通量和潜热通量)和气体(大量或痕量温室气体)交换通量等(于贵瑞和孙晓敏, 2017).随着全球变化研究的广泛开展, 气体通量作为反映生态系统对环境变化响应的重要指标越来越受到关注. ...

... ; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).在环境、气象和生态学领域, 通量研究主要是针对生态系统尺度的植被-大气界面或土壤-大气界面的物质流和能量流而展开, 所关注且可直接测量的通量主要有生态系统的能量输入和输出通量(包括辐射通量、显热通量和潜热通量)和气体(大量或痕量温室气体)交换通量等(于贵瑞和孙晓敏, 2017).随着全球变化研究的广泛开展, 气体通量作为反映生态系统对环境变化响应的重要指标越来越受到关注. ...

... ).在环境、气象和生态学领域, 通量研究主要是针对生态系统尺度的植被-大气界面或土壤-大气界面的物质流和能量流而展开, 所关注且可直接测量的通量主要有生态系统的能量输入和输出通量(包括辐射通量、显热通量和潜热通量)和气体(大量或痕量温室气体)交换通量等(于贵瑞和孙晓敏, 2017).随着全球变化研究的广泛开展, 气体通量作为反映生态系统对环境变化响应的重要指标越来越受到关注. ...

... 涡度相关技术利用微气象原理估算垂直风速与物质或能量脉动的协方差, 是可以直接测量植被冠层与大气间能量与物质交换通量的重要技术, 目前已经发展成为国际通用的通量观测标准方法(Baldocchi et al., 2001; Baldocchi, 2003, 2020; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).与常规通量观测方法相比, 涡度相关技术主要有以下几个优点: 首先, 涡度相关技术测得的生态系统净交换量是整个生态系统与大气物质能量交换的整合(Baldocchi et al., 2001; Aubinet, 2008).以CO₂为例, 测得的净碳交换量(NEE)是光合吸收和呼吸释放的整合值.其次, 在时间尺度上, 此方法可以实现1天24小时, 1年365天的连续测量, 提供从分、小时到日、月、年以及年际等更长时间尺度的通量观测数据.第三, 在空间尺度上, 涡度相关法所测量的单站点通量的尺度显著增大, 测量范围从数百平方米到几平方千米. ...

... 经过了近20年的发展, 涡度相关技术已被广泛应用于不同生态系统碳水循环研究中, 并形成了多个区域、国家乃至全球尺度的通量观测网络.全球通量观测网络联盟(FLUXNET)至今已发展为全球900多个观测站点, 遍布不同的气候区和植被区系类型的通量观测网络(Baldocchi, 2020).中国通量观测联盟(ChinaFLUX)也已发展成拥有近80个台站的国家尺度陆地生态系统通量观测研究网络体系.通量联网观测使得研究者不但更准确地量化了生态系统碳水通量及其时间变异, 同时对碳水循环过程对全球变化的响应与反馈机制有了更深入的了解(于贵瑞等, 2014; 于贵瑞和孙晓敏, 2017; Baldocchi, 2020).本文将概括介绍涡度相关技术的基本原理、假设与系统构成, 系统总结涡度相关技术在陆地生态系统碳水通量研究中的主要应用, 最后对通量研究发展前景与趋势进行展望. ...

... 地表湍流是近地层大气运动的一个重要物理特征, 湍流输送是地面或植被与大气间进行能量与物质交换的主要方式.19世纪90年代, 雷诺提出了雷诺分解法(Reynolds, 1895), 成为研究湍流运动的基本方法.湍流运动中的各有关物理量(动量、风速、气温等)可以分解为两部分: 有规律的平均值和不规则的脉动值.垂直通量可以通过确定两个时刻之间物质或能量的垂直方向的脉动值, 也就是垂直风速和物质浓度的协方差来计算.在下垫面平坦均匀的理想状态下, 基于物质和能量守恒方程, 涡度相关技术可以通过测定和计算物理量(如温度、CO₂、H₂O等)的脉动与垂直风速的脉动的协方差求算湍流通量(Baldocchi et al., 2001; Aubinet et al., 2012; 于贵瑞和孙晓敏, 2017). ...

... 由于涡度相关技术和测定环境的复杂性, 使得该方法在实际应用中还面临着诸多挑战.基于物质守恒方程, 涡度相关技术要求测量仪器应安装在通量随高度不发生变化的内边界层即常通量层内, 即在通量观测的应用中需要满足如下几个基本假设(图1): 大气稳态性, 即空气密度脉动是可以忽略的; 平均垂直风速为0; 下垫面匀质, 无水平方向的平流通量; 下垫面有足够大的风浪区, 单点的时间平均可以代替水平面积平均状况; 下垫面冠层高度与仪器测量高度间的源汇为0, 即随着高度的增加, 通量是恒定的; 下垫面的湍流运动足够充分, 尽可能被仪器完全测定(Aubinet et al., 2012).但是在自然环境下, 以上基本假设是很难完全满足的, 导致涡度相关技术在实际应用中存在诸多不确定性(温学发等, 2004; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).因此在通量数据处理过程中, 通常利用密度校正(WPL校正)消除水汽和温度对CO₂密度脉动的影响(Webb et al., 1980; Leuning, 2007); 利用坐标旋转校正使得平均垂直风速为0 (Finnigan et al., 2003); 利用摩擦风速(u_*)校正解决夜间湍流运动不充分所造成的测量误差(Falge et al., 2001); 利用源区分析获得地面非匀质下垫面的贡献(Finnigan, 2004); 通过量化平流通量和冠层存储减少由于下垫面不平坦或高郁闭度植被层碳存储所造成的通量测定误差(Aubinet et al., 2005). ...

... 虽然早在100多年前雷诺就提出了涡度相关技术的理论基础, 但由于缺乏快速响应的观测仪器, 制约了涡度相关技术的发展和应用.直到20世纪80年代, 随着计算机和观测仪器技术的极大进步, 涡度相关技术才得以普遍应用(Baldocchi et al., 2001; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).通量站的配置除了目标观测通量外, 还应根据研究目的配以相应解释变量的观测.在野外实际观测中, 涡度相关系统主要由通量观测系统、气象要素观测系统、植被和土壤观测系统等部分组成. ...

8
2017

... 能量流动和物质循环是地圈-生物圈-大气圈相互作用关系的纽带, 同时也是生态系统生态学研究的核心内容(Yu et al., 2014; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).定量描述大气-植被-土壤间物质循环和能量交换过程是以通量测量为基础的.通量作为一个物理学概念, 是指单位时间内通过某一界面单位面积所输送的动量、热量和物质等物理量(Aubinet et al., 2012; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).在环境、气象和生态学领域, 通量研究主要是针对生态系统尺度的植被-大气界面或土壤-大气界面的物质流和能量流而展开, 所关注且可直接测量的通量主要有生态系统的能量输入和输出通量(包括辐射通量、显热通量和潜热通量)和气体(大量或痕量温室气体)交换通量等(于贵瑞和孙晓敏, 2017).随着全球变化研究的广泛开展, 气体通量作为反映生态系统对环境变化响应的重要指标越来越受到关注. ...

... ; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).在环境、气象和生态学领域, 通量研究主要是针对生态系统尺度的植被-大气界面或土壤-大气界面的物质流和能量流而展开, 所关注且可直接测量的通量主要有生态系统的能量输入和输出通量(包括辐射通量、显热通量和潜热通量)和气体(大量或痕量温室气体)交换通量等(于贵瑞和孙晓敏, 2017).随着全球变化研究的广泛开展, 气体通量作为反映生态系统对环境变化响应的重要指标越来越受到关注. ...

... ).在环境、气象和生态学领域, 通量研究主要是针对生态系统尺度的植被-大气界面或土壤-大气界面的物质流和能量流而展开, 所关注且可直接测量的通量主要有生态系统的能量输入和输出通量(包括辐射通量、显热通量和潜热通量)和气体(大量或痕量温室气体)交换通量等(于贵瑞和孙晓敏, 2017).随着全球变化研究的广泛开展, 气体通量作为反映生态系统对环境变化响应的重要指标越来越受到关注. ...

... 涡度相关技术利用微气象原理估算垂直风速与物质或能量脉动的协方差, 是可以直接测量植被冠层与大气间能量与物质交换通量的重要技术, 目前已经发展成为国际通用的通量观测标准方法(Baldocchi et al., 2001; Baldocchi, 2003, 2020; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).与常规通量观测方法相比, 涡度相关技术主要有以下几个优点: 首先, 涡度相关技术测得的生态系统净交换量是整个生态系统与大气物质能量交换的整合(Baldocchi et al., 2001; Aubinet, 2008).以CO₂为例, 测得的净碳交换量(NEE)是光合吸收和呼吸释放的整合值.其次, 在时间尺度上, 此方法可以实现1天24小时, 1年365天的连续测量, 提供从分、小时到日、月、年以及年际等更长时间尺度的通量观测数据.第三, 在空间尺度上, 涡度相关法所测量的单站点通量的尺度显著增大, 测量范围从数百平方米到几平方千米. ...

... 经过了近20年的发展, 涡度相关技术已被广泛应用于不同生态系统碳水循环研究中, 并形成了多个区域、国家乃至全球尺度的通量观测网络.全球通量观测网络联盟(FLUXNET)至今已发展为全球900多个观测站点, 遍布不同的气候区和植被区系类型的通量观测网络(Baldocchi, 2020).中国通量观测联盟(ChinaFLUX)也已发展成拥有近80个台站的国家尺度陆地生态系统通量观测研究网络体系.通量联网观测使得研究者不但更准确地量化了生态系统碳水通量及其时间变异, 同时对碳水循环过程对全球变化的响应与反馈机制有了更深入的了解(于贵瑞等, 2014; 于贵瑞和孙晓敏, 2017; Baldocchi, 2020).本文将概括介绍涡度相关技术的基本原理、假设与系统构成, 系统总结涡度相关技术在陆地生态系统碳水通量研究中的主要应用, 最后对通量研究发展前景与趋势进行展望. ...

... 地表湍流是近地层大气运动的一个重要物理特征, 湍流输送是地面或植被与大气间进行能量与物质交换的主要方式.19世纪90年代, 雷诺提出了雷诺分解法(Reynolds, 1895), 成为研究湍流运动的基本方法.湍流运动中的各有关物理量(动量、风速、气温等)可以分解为两部分: 有规律的平均值和不规则的脉动值.垂直通量可以通过确定两个时刻之间物质或能量的垂直方向的脉动值, 也就是垂直风速和物质浓度的协方差来计算.在下垫面平坦均匀的理想状态下, 基于物质和能量守恒方程, 涡度相关技术可以通过测定和计算物理量(如温度、CO₂、H₂O等)的脉动与垂直风速的脉动的协方差求算湍流通量(Baldocchi et al., 2001; Aubinet et al., 2012; 于贵瑞和孙晓敏, 2017). ...

... 由于涡度相关技术和测定环境的复杂性, 使得该方法在实际应用中还面临着诸多挑战.基于物质守恒方程, 涡度相关技术要求测量仪器应安装在通量随高度不发生变化的内边界层即常通量层内, 即在通量观测的应用中需要满足如下几个基本假设(图1): 大气稳态性, 即空气密度脉动是可以忽略的; 平均垂直风速为0; 下垫面匀质, 无水平方向的平流通量; 下垫面有足够大的风浪区, 单点的时间平均可以代替水平面积平均状况; 下垫面冠层高度与仪器测量高度间的源汇为0, 即随着高度的增加, 通量是恒定的; 下垫面的湍流运动足够充分, 尽可能被仪器完全测定(Aubinet et al., 2012).但是在自然环境下, 以上基本假设是很难完全满足的, 导致涡度相关技术在实际应用中存在诸多不确定性(温学发等, 2004; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).因此在通量数据处理过程中, 通常利用密度校正(WPL校正)消除水汽和温度对CO₂密度脉动的影响(Webb et al., 1980; Leuning, 2007); 利用坐标旋转校正使得平均垂直风速为0 (Finnigan et al., 2003); 利用摩擦风速(u_*)校正解决夜间湍流运动不充分所造成的测量误差(Falge et al., 2001); 利用源区分析获得地面非匀质下垫面的贡献(Finnigan, 2004); 通过量化平流通量和冠层存储减少由于下垫面不平坦或高郁闭度植被层碳存储所造成的通量测定误差(Aubinet et al., 2005). ...

... 虽然早在100多年前雷诺就提出了涡度相关技术的理论基础, 但由于缺乏快速响应的观测仪器, 制约了涡度相关技术的发展和应用.直到20世纪80年代, 随着计算机和观测仪器技术的极大进步, 涡度相关技术才得以普遍应用(Baldocchi et al., 2001; 于贵瑞和孙晓敏, 2017).通量站的配置除了目标观测通量外, 还应根据研究目的配以相应解释变量的观测.在野外实际观测中, 涡度相关系统主要由通量观测系统、气象要素观测系统、植被和土壤观测系统等部分组成. ...

中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)的主要进展及发展展望
7
2014

... 经过了近20年的发展, 涡度相关技术已被广泛应用于不同生态系统碳水循环研究中, 并形成了多个区域、国家乃至全球尺度的通量观测网络.全球通量观测网络联盟(FLUXNET)至今已发展为全球900多个观测站点, 遍布不同的气候区和植被区系类型的通量观测网络(Baldocchi, 2020).中国通量观测联盟(ChinaFLUX)也已发展成拥有近80个台站的国家尺度陆地生态系统通量观测研究网络体系.通量联网观测使得研究者不但更准确地量化了生态系统碳水通量及其时间变异, 同时对碳水循环过程对全球变化的响应与反馈机制有了更深入的了解(于贵瑞等, 2014; 于贵瑞和孙晓敏, 2017; Baldocchi, 2020).本文将概括介绍涡度相关技术的基本原理、假设与系统构成, 系统总结涡度相关技术在陆地生态系统碳水通量研究中的主要应用, 最后对通量研究发展前景与趋势进行展望. ...

... 通过整合我国19个森林生态系统的碳通量数据, Chen等(2019)发现中国森林平均GPP、ER和NEP分别为(1 541 ± 92), (1 155 ± 91)和(382 ± 37) g C·m^-2·a^-1, 年平均气温解释了不同森林生态系统碳通量变异的40%-54%, 与热带雨林和北方森林相比, 亚热带和温带森林具有更高的碳固持能力.通过对比全球不同区域的森林生态系统长期通量数据, Yu等(2014)发现我国及东亚地区亚热带森林的平均年固碳量显著高于相同纬度的北美和欧洲森林, 贡献了全球森林年碳固持量的8%左右, 这与该区域较低的林龄、高的氮沉降输入以及较丰沛的降水和热量资源条件有密切的关系.中国区域52个观测站、亚洲和北半球182个观测站的通量数据整合分析, 发现生态系统GPP、ER和NEP存在显著的纬向和经向地带性分布规律, 温度和降水共同决定了碳通量的空间格局(Chen et al., 2013, 2015; Xiao et al., 2013).对全球22个内陆湿地和21个海岸湿地的对比研究表明, 湿地生态系统碳通量的强度同样受温度和降水的控制, 但由于人类活动干扰, 内陆湿地的GPP和ER显著低于海岸湿地, 平均的NEP也显著降低(Lu et al., 2017).另一项全球尺度的通量数据整合研究也证实, 生态系统碳通量的空间变化格局主要受到水分和温度的共同调控(Jung et al., 2017).通过分析建立在北美温带荒漠的6个站点32个站年的通量数据, 研究者发现冬季降水对荒漠生态系统碳平衡是至关重要的, 近30年冬季降水的减少使得北美荒漠固碳量降低了6.8 Tg C·a^-1 (Biederman et al., 2018).以上这些研究通过跨区域乃至全球尺度多站点的集成分析, 重新论证了气候因素决定生态系统碳吸收和排放通量格局生物地理生态学基本规律, 加强了对空间格局形成机制的认知(于贵瑞等, 2014; Chen et al., 2015). ...

... 除CO₂外, CH₄和N₂O作为主要的温室气体越来越受到研究者关注.近10年, 随着CH₄和NO₂高频测量气体分析仪的出现, 涡度相关技术也被广泛应用于CH₄和N₂O通量的研究, 特别是在湿地等CH₄和N₂O排放量大的生态系统中.目前中国通量网和国际多个长期观测网络(如美国的NEON和欧洲的ICOS), 也都将CH₄和N₂O通量观测列入了涡度相关观测指标体系中(Falge et al., 2001; Sabbatini et al., 2018).北美通量网将2019年设立为CH₄通量观测年, 并由北美通量网和欧洲通量网牵头建立了全球CH₄通路观测网络(FLUXNET-CH₄), 着力推动全球CH₄通量研究.虽然CH₄通量研究起步较晚, 但目前全球已有200个通量站点同时进行CH₄通量的观测, 并初步建立全球CH₄通量数据库(Knox et al., 2019).ChinaFlux目前也已从现有的CO₂、H₂O和能量通量观测逐步向CO₂、H₂O、CH₄、NO、NO₂、N₂O、NH₃、HNO₃等多目标碳氮水痕量气体通量的综合观测体系发展(于贵瑞等, 2014). ...

... 随着激光光谱技术在稳定同位素和痕量气体测量中的应用, 实现了多种痕量气体中²H、¹³C、¹⁵N和¹⁸O等同位素组成的连续监测(庞家平和温学发, 2018; Xiao et al., 2018).发挥稳定同位素技术在示踪和溯源方面的优势, 并将其与通量观测结合, 已经为研究大气-植被-土壤碳氮水传输过程与途径、通量组分区分提供了可能(Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).根据生态系统不同库间碳氮水同位素组成的差异, 研究者可以建立并量化各库之间的联系, 明确生态系统碳氮水的生物地球化学循环过程及其控制机制(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).例如, 通过植物叶片、枝条和土壤呼吸碳通量及其稳定碳同位素比值(δ¹³C)的观测, 已深入开展了植物光合作用新合成碳的迁移转化过程研究(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Kuptz et al., 2011).通过测定生态系统水汽通量和氢同位素比值, 确定生态系统蒸发散以及露水凝结水不同水分来源(Wang & Yakir, 2000; Wen et al., 2012).近年来, ChinaFLUX已经在千烟洲、禹城等多个通量研究站点构建了生态系统碳-氮-水通量与同位素通量整合的综合观测系统, 提升了对碳氮水通量长期变异驱动机制的研究(Wen et al., 2013; Huang & Wen, 2014; 于贵瑞等, 2014). ...

... 涡度相关技术作为生态系统水平通量过程的主要观测手段, 其在空间尺度上仍具有局限性, 只能反映有限空间范围的生态系统过程.为了实现对区域甚至更大尺度生态系统结构、过程和功能的观测研究, 需要将大尺度的大气过程与中小尺度的植被土壤生态过程结合, 建立多尺度大气-植被-土壤生态过程的长期观测体系(于贵瑞等, 2014).在水循环研究方面, 通过整合不同观测技术包括蒸渗仪(米级)-涡度相关技术(百米级)-闪烁仪(千米级), 研究者在黑河流域建立了全流域跨尺度水文生态过程监测系统, 不仅研究气候变化对陆面水文、生态的影响, 同时探讨了陆面小尺度过程对大气的反馈机理, 探索流域尺度的水循环过程和驱动机理(Liu et al., 2018b).近年来, ChinaFLUX通过整合通量观测站点和全球变化陆地样带, 构建了站点-样带-区域生态系统通量的多尺度综合观测技术体系(于贵瑞等, 2014), 已初步形成了国家尺度通量观测网络的框架.这一观测体系的构建, 极大地推动了区域和国家尺度碳氮水循环过程和驱动机制的研究(Chen et al., 2013, 2015; Yu et al., 2013, 2019; Zhu et al., 2014, 2015a, 2015b). ...

... ).近年来, ChinaFLUX通过整合通量观测站点和全球变化陆地样带, 构建了站点-样带-区域生态系统通量的多尺度综合观测技术体系(于贵瑞等, 2014), 已初步形成了国家尺度通量观测网络的框架.这一观测体系的构建, 极大地推动了区域和国家尺度碳氮水循环过程和驱动机制的研究(Chen et al., 2013, 2015; Yu et al., 2013, 2019; Zhu et al., 2014, 2015a, 2015b). ...

... 综上所述, 基于涡度相关技术的陆地生态系统联网观测已经成为作为研究全球变化与陆地生态系统相互关系的一种重要手段.随着对生态系统通量过程认识的加强, 我们愈加强烈地认识到生态系统的时间变化、空间分异和长期性所决定的生态系统结构功能的复杂性和不可预测性, 要求人们在认识生态系统变化特征与过程机制时必须依靠多尺度、长期的和跨区域的联网观测研究.在观测体系建立上要注重顶层设计, 构建多尺度、多目标、多过程的长期观测技术体系; 加强与国内外通量观测站点的合作与联网研究, 注重已有数据的集成与挖掘工作; 通过在景观、区域和全球尺度上分析和模拟生态系统格局与过程的变化, 回答全球变化与碳循环所面临的区域和全球尺度科学问题(于贵瑞等, 2014). ...

中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)的主要进展及发展展望
7
2014

... 经过了近20年的发展, 涡度相关技术已被广泛应用于不同生态系统碳水循环研究中, 并形成了多个区域、国家乃至全球尺度的通量观测网络.全球通量观测网络联盟(FLUXNET)至今已发展为全球900多个观测站点, 遍布不同的气候区和植被区系类型的通量观测网络(Baldocchi, 2020).中国通量观测联盟(ChinaFLUX)也已发展成拥有近80个台站的国家尺度陆地生态系统通量观测研究网络体系.通量联网观测使得研究者不但更准确地量化了生态系统碳水通量及其时间变异, 同时对碳水循环过程对全球变化的响应与反馈机制有了更深入的了解(于贵瑞等, 2014; 于贵瑞和孙晓敏, 2017; Baldocchi, 2020).本文将概括介绍涡度相关技术的基本原理、假设与系统构成, 系统总结涡度相关技术在陆地生态系统碳水通量研究中的主要应用, 最后对通量研究发展前景与趋势进行展望. ...

... 通过整合我国19个森林生态系统的碳通量数据, Chen等(2019)发现中国森林平均GPP、ER和NEP分别为(1 541 ± 92), (1 155 ± 91)和(382 ± 37) g C·m^-2·a^-1, 年平均气温解释了不同森林生态系统碳通量变异的40%-54%, 与热带雨林和北方森林相比, 亚热带和温带森林具有更高的碳固持能力.通过对比全球不同区域的森林生态系统长期通量数据, Yu等(2014)发现我国及东亚地区亚热带森林的平均年固碳量显著高于相同纬度的北美和欧洲森林, 贡献了全球森林年碳固持量的8%左右, 这与该区域较低的林龄、高的氮沉降输入以及较丰沛的降水和热量资源条件有密切的关系.中国区域52个观测站、亚洲和北半球182个观测站的通量数据整合分析, 发现生态系统GPP、ER和NEP存在显著的纬向和经向地带性分布规律, 温度和降水共同决定了碳通量的空间格局(Chen et al., 2013, 2015; Xiao et al., 2013).对全球22个内陆湿地和21个海岸湿地的对比研究表明, 湿地生态系统碳通量的强度同样受温度和降水的控制, 但由于人类活动干扰, 内陆湿地的GPP和ER显著低于海岸湿地, 平均的NEP也显著降低(Lu et al., 2017).另一项全球尺度的通量数据整合研究也证实, 生态系统碳通量的空间变化格局主要受到水分和温度的共同调控(Jung et al., 2017).通过分析建立在北美温带荒漠的6个站点32个站年的通量数据, 研究者发现冬季降水对荒漠生态系统碳平衡是至关重要的, 近30年冬季降水的减少使得北美荒漠固碳量降低了6.8 Tg C·a^-1 (Biederman et al., 2018).以上这些研究通过跨区域乃至全球尺度多站点的集成分析, 重新论证了气候因素决定生态系统碳吸收和排放通量格局生物地理生态学基本规律, 加强了对空间格局形成机制的认知(于贵瑞等, 2014; Chen et al., 2015). ...

... 除CO₂外, CH₄和N₂O作为主要的温室气体越来越受到研究者关注.近10年, 随着CH₄和NO₂高频测量气体分析仪的出现, 涡度相关技术也被广泛应用于CH₄和N₂O通量的研究, 特别是在湿地等CH₄和N₂O排放量大的生态系统中.目前中国通量网和国际多个长期观测网络(如美国的NEON和欧洲的ICOS), 也都将CH₄和N₂O通量观测列入了涡度相关观测指标体系中(Falge et al., 2001; Sabbatini et al., 2018).北美通量网将2019年设立为CH₄通量观测年, 并由北美通量网和欧洲通量网牵头建立了全球CH₄通路观测网络(FLUXNET-CH₄), 着力推动全球CH₄通量研究.虽然CH₄通量研究起步较晚, 但目前全球已有200个通量站点同时进行CH₄通量的观测, 并初步建立全球CH₄通量数据库(Knox et al., 2019).ChinaFlux目前也已从现有的CO₂、H₂O和能量通量观测逐步向CO₂、H₂O、CH₄、NO、NO₂、N₂O、NH₃、HNO₃等多目标碳氮水痕量气体通量的综合观测体系发展(于贵瑞等, 2014). ...

... 随着激光光谱技术在稳定同位素和痕量气体测量中的应用, 实现了多种痕量气体中²H、¹³C、¹⁵N和¹⁸O等同位素组成的连续监测(庞家平和温学发, 2018; Xiao et al., 2018).发挥稳定同位素技术在示踪和溯源方面的优势, 并将其与通量观测结合, 已经为研究大气-植被-土壤碳氮水传输过程与途径、通量组分区分提供了可能(Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).根据生态系统不同库间碳氮水同位素组成的差异, 研究者可以建立并量化各库之间的联系, 明确生态系统碳氮水的生物地球化学循环过程及其控制机制(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Xiao et al., 2018).例如, 通过植物叶片、枝条和土壤呼吸碳通量及其稳定碳同位素比值(δ¹³C)的观测, 已深入开展了植物光合作用新合成碳的迁移转化过程研究(Bowling et al., 2008; Wingate et al., 2010; Kuptz et al., 2011).通过测定生态系统水汽通量和氢同位素比值, 确定生态系统蒸发散以及露水凝结水不同水分来源(Wang & Yakir, 2000; Wen et al., 2012).近年来, ChinaFLUX已经在千烟洲、禹城等多个通量研究站点构建了生态系统碳-氮-水通量与同位素通量整合的综合观测系统, 提升了对碳氮水通量长期变异驱动机制的研究(Wen et al., 2013; Huang & Wen, 2014; 于贵瑞等, 2014). ...

... 涡度相关技术作为生态系统水平通量过程的主要观测手段, 其在空间尺度上仍具有局限性, 只能反映有限空间范围的生态系统过程.为了实现对区域甚至更大尺度生态系统结构、过程和功能的观测研究, 需要将大尺度的大气过程与中小尺度的植被土壤生态过程结合, 建立多尺度大气-植被-土壤生态过程的长期观测体系(于贵瑞等, 2014).在水循环研究方面, 通过整合不同观测技术包括蒸渗仪(米级)-涡度相关技术(百米级)-闪烁仪(千米级), 研究者在黑河流域建立了全流域跨尺度水文生态过程监测系统, 不仅研究气候变化对陆面水文、生态的影响, 同时探讨了陆面小尺度过程对大气的反馈机理, 探索流域尺度的水循环过程和驱动机理(Liu et al., 2018b).近年来, ChinaFLUX通过整合通量观测站点和全球变化陆地样带, 构建了站点-样带-区域生态系统通量的多尺度综合观测技术体系(于贵瑞等, 2014), 已初步形成了国家尺度通量观测网络的框架.这一观测体系的构建, 极大地推动了区域和国家尺度碳氮水循环过程和驱动机制的研究(Chen et al., 2013, 2015; Yu et al., 2013, 2019; Zhu et al., 2014, 2015a, 2015b). ...

... ).近年来, ChinaFLUX通过整合通量观测站点和全球变化陆地样带, 构建了站点-样带-区域生态系统通量的多尺度综合观测技术体系(于贵瑞等, 2014), 已初步形成了国家尺度通量观测网络的框架.这一观测体系的构建, 极大地推动了区域和国家尺度碳氮水循环过程和驱动机制的研究(Chen et al., 2013, 2015; Yu et al., 2013, 2019; Zhu et al., 2014, 2015a, 2015b). ...

... 综上所述, 基于涡度相关技术的陆地生态系统联网观测已经成为作为研究全球变化与陆地生态系统相互关系的一种重要手段.随着对生态系统通量过程认识的加强, 我们愈加强烈地认识到生态系统的时间变化、空间分异和长期性所决定的生态系统结构功能的复杂性和不可预测性, 要求人们在认识生态系统变化特征与过程机制时必须依靠多尺度、长期的和跨区域的联网观测研究.在观测体系建立上要注重顶层设计, 构建多尺度、多目标、多过程的长期观测技术体系; 加强与国内外通量观测站点的合作与联网研究, 注重已有数据的集成与挖掘工作; 通过在景观、区域和全球尺度上分析和模拟生态系统格局与过程的变化, 回答全球变化与碳循环所面临的区域和全球尺度科学问题(于贵瑞等, 2014). ...

Spatial patterns and climate drivers of carbon fluxes in terrestrial ecosystems of China
2
2013

... 通过结合遥感模型、机器学习等空间尺度扩展方法, 通量联网研究可以评估从生态系统到区域乃至全球尺度的碳水交换量, 为认识大尺度生态系统与大气相互作用提供观测数据和模型验证(Xiao et al., 2010; Yu et al., 2013).近年来, 通过整合通量、遥感和气象等多源数据, 研究者们陆续发布了多个区域及全球尺度的生态系统碳水通量数据产品(Yang et al., 2007; Jung et al., 2009, 2011; Ueyama et al., 2013; Ichii et al., 2017; Bodesheim et al., 2018). ...

... 涡度相关技术作为生态系统水平通量过程的主要观测手段, 其在空间尺度上仍具有局限性, 只能反映有限空间范围的生态系统过程.为了实现对区域甚至更大尺度生态系统结构、过程和功能的观测研究, 需要将大尺度的大气过程与中小尺度的植被土壤生态过程结合, 建立多尺度大气-植被-土壤生态过程的长期观测体系(于贵瑞等, 2014).在水循环研究方面, 通过整合不同观测技术包括蒸渗仪(米级)-涡度相关技术(百米级)-闪烁仪(千米级), 研究者在黑河流域建立了全流域跨尺度水文生态过程监测系统, 不仅研究气候变化对陆面水文、生态的影响, 同时探讨了陆面小尺度过程对大气的反馈机理, 探索流域尺度的水循环过程和驱动机理(Liu et al., 2018b).近年来, ChinaFLUX通过整合通量观测站点和全球变化陆地样带, 构建了站点-样带-区域生态系统通量的多尺度综合观测技术体系(于贵瑞等, 2014), 已初步形成了国家尺度通量观测网络的框架.这一观测体系的构建, 极大地推动了区域和国家尺度碳氮水循环过程和驱动机制的研究(Chen et al., 2013, 2015; Yu et al., 2013, 2019; Zhu et al., 2014, 2015a, 2015b). ...

Global estimates of evapotranspiration and gross primary production based on MODIS and global meteorology data
2
2010

... 模型估算是研究生态系统碳水平衡时空格局与变异规律, 并预测其对全球变化的响应的一种重要研究手段.随着对生态系统结构、功能和生态系统过程认识的不断深入以及遥感、地理信息系统和计算机技术的发展, 陆地生态系统碳水循环模型研究迅速发展, 产生了一大批不同类型和适合不同时空尺度的模型.但是, 模型的不确定和不同模型预测结果间的巨大差异一直是困扰模型应用的难题.因此急切需要与模型时空尺度相匹配的实测数据对模型的预测结果进行评估, 而长期连续的生态系统尺度通量观测数据为模型验证提供了可能, 同时也为模型参数的进一步优化提供了数据基础(Medlyn et al., 2005; Richardson et al., 2010; Melaas et al., 2013).在区域尺度碳循环模型中, 目前应用较为广泛的是将生态系统碳循环模型(如CEVSA2、Biome-BGC等)与遥感技术相结合的碳过程-遥感模型(Turner et al., 2006; 顾峰雪等, 2010; Gao et al., 2014).Yuan等(2007)利用来自北美和欧洲通量网的28个站点的通量数据, 构建了日尺度的光利用效率模型(EC-LUE model), 并结合遥感和气象数据对区域尺度GPP进行了模拟.利用ChinaFlux和FLUXNET通量数据对中国和全球GPP拟和结果进行了验证(Yuan et al,. 2010; Li et al., 2013). ...

... 基于Shuttleworth-Wallace (S-W)模型(Shuttleworth & Wallace, 1985), Hu等(2009, 2013)利用通量数据开发了SWH双源蒸散模型, 并利用通量观测数据计算出模型中两个关键参数(土壤表面阻抗和冠层阻抗), 实现了该模型在区域尺度的应用.SWH模型在日尺度与年尺度以及站点、区域尺度的蒸散估算和验证中都取得了较好的模拟效果(Hu et al., 2017).其中, 基于全球63个FLUXNET通量站点数据验证, 模型模拟值与实测值相关性达到80%以上(Hu et al., 2017).利用该模型不仅可以估算日尺度和年尺度生态系统水汽通量, 同时还可对其进行组分拆分, 将蒸散拆分为植被蒸腾和土壤蒸发两个部分(Hu et al., 2009, 2013), 这为进一步阐明水分对群落光合生理的调控作用以及水-碳循环耦合机理提供了重要的数据支撑(Stoy et al., 2019).利用FLUXNET水汽通量数据, Yuan等(2010)验证了通过改进的PM水循环模型对全球蒸散的拟合结果. ...

Deriving a light use efficiency model from eddy covariance flux data for predicting daily gross primary production across biomes
1
2007

... 模型估算是研究生态系统碳水平衡时空格局与变异规律, 并预测其对全球变化的响应的一种重要研究手段.随着对生态系统结构、功能和生态系统过程认识的不断深入以及遥感、地理信息系统和计算机技术的发展, 陆地生态系统碳水循环模型研究迅速发展, 产生了一大批不同类型和适合不同时空尺度的模型.但是, 模型的不确定和不同模型预测结果间的巨大差异一直是困扰模型应用的难题.因此急切需要与模型时空尺度相匹配的实测数据对模型的预测结果进行评估, 而长期连续的生态系统尺度通量观测数据为模型验证提供了可能, 同时也为模型参数的进一步优化提供了数据基础(Medlyn et al., 2005; Richardson et al., 2010; Melaas et al., 2013).在区域尺度碳循环模型中, 目前应用较为广泛的是将生态系统碳循环模型(如CEVSA2、Biome-BGC等)与遥感技术相结合的碳过程-遥感模型(Turner et al., 2006; 顾峰雪等, 2010; Gao et al., 2014).Yuan等(2007)利用来自北美和欧洲通量网的28个站点的通量数据, 构建了日尺度的光利用效率模型(EC-LUE model), 并结合遥感和气象数据对区域尺度GPP进行了模拟.利用ChinaFlux和FLUXNET通量数据对中国和全球GPP拟和结果进行了验证(Yuan et al,. 2010; Li et al., 2013). ...

Retrieval of sun-induced chlorophyll fluorescence and advancements in carbon cycle application
1
2019

... 随着仪器设备、物联网和计算机技术的迅猛发展, 物候、叶绿素荧光等与生态系统碳水循环相关的功能指标也实现了高频(分钟至小时尺度)联网观测.最典型的一个跨网络合作的范例就是北美通量网与最近发展迅速的物候观测网(PhenoCam)之间的合作.目前PhenoCam已在北美通量站点的涡度塔上架设了400余台数码相机, 为物候观测提供实时图像信息和相关指标(Richardson et al., 2018; Keenan et al., 2019).物候与通量观测的紧密结合使得物候数据不仅可以用于研究物候对气候变化的响应, 还为研究者更好地理解物候变化对生态系统碳水循环季节与年际变异的影响提供了直接的证据(Bowling et al., 2018).与常用植被遥感参数(归一化植被指数(NDVI)和增强植被指数(EVI))相比, 叶绿素荧光作为对“实际光合作用”更敏感的植被参数在碳循环研究中得到了广泛应用(Zhang et al., 2019).涡度通量数据与物候、叶绿素荧光、卫星遥感等多源数据的结合, 将会大大提升研究者对区域和全球尺度碳循环的研究精度, 并有助于碳模型的验证与优化(Guanter et al., 2014). ...

The composition, spatial patterns, and influencing factors of atmospheric wet nitrogen deposition in Chinese terrestrial ecosystems
1
2015a

... 涡度相关技术作为生态系统水平通量过程的主要观测手段, 其在空间尺度上仍具有局限性, 只能反映有限空间范围的生态系统过程.为了实现对区域甚至更大尺度生态系统结构、过程和功能的观测研究, 需要将大尺度的大气过程与中小尺度的植被土壤生态过程结合, 建立多尺度大气-植被-土壤生态过程的长期观测体系(于贵瑞等, 2014).在水循环研究方面, 通过整合不同观测技术包括蒸渗仪(米级)-涡度相关技术(百米级)-闪烁仪(千米级), 研究者在黑河流域建立了全流域跨尺度水文生态过程监测系统, 不仅研究气候变化对陆面水文、生态的影响, 同时探讨了陆面小尺度过程对大气的反馈机理, 探索流域尺度的水循环过程和驱动机理(Liu et al., 2018b).近年来, ChinaFLUX通过整合通量观测站点和全球变化陆地样带, 构建了站点-样带-区域生态系统通量的多尺度综合观测技术体系(于贵瑞等, 2014), 已初步形成了国家尺度通量观测网络的框架.这一观测体系的构建, 极大地推动了区域和国家尺度碳氮水循环过程和驱动机制的研究(Chen et al., 2013, 2015; Yu et al., 2013, 2019; Zhu et al., 2014, 2015a, 2015b). ...

Geographical statistical assessments of carbon fluxes in terrestrial ecosystems of China: results from upscaling network observations
1
2014

... 涡度相关技术作为生态系统水平通量过程的主要观测手段, 其在空间尺度上仍具有局限性, 只能反映有限空间范围的生态系统过程.为了实现对区域甚至更大尺度生态系统结构、过程和功能的观测研究, 需要将大尺度的大气过程与中小尺度的植被土壤生态过程结合, 建立多尺度大气-植被-土壤生态过程的长期观测体系(于贵瑞等, 2014).在水循环研究方面, 通过整合不同观测技术包括蒸渗仪(米级)-涡度相关技术(百米级)-闪烁仪(千米级), 研究者在黑河流域建立了全流域跨尺度水文生态过程监测系统, 不仅研究气候变化对陆面水文、生态的影响, 同时探讨了陆面小尺度过程对大气的反馈机理, 探索流域尺度的水循环过程和驱动机理(Liu et al., 2018b).近年来, ChinaFLUX通过整合通量观测站点和全球变化陆地样带, 构建了站点-样带-区域生态系统通量的多尺度综合观测技术体系(于贵瑞等, 2014), 已初步形成了国家尺度通量观测网络的框架.这一观测体系的构建, 极大地推动了区域和国家尺度碳氮水循环过程和驱动机制的研究(Chen et al., 2013, 2015; Yu et al., 2013, 2019; Zhu et al., 2014, 2015a, 2015b). ...

Spatial variability of water use efficiency in China’s terrestrial ecosystems
1
2015b

... 涡度相关技术作为生态系统水平通量过程的主要观测手段, 其在空间尺度上仍具有局限性, 只能反映有限空间范围的生态系统过程.为了实现对区域甚至更大尺度生态系统结构、过程和功能的观测研究, 需要将大尺度的大气过程与中小尺度的植被土壤生态过程结合, 建立多尺度大气-植被-土壤生态过程的长期观测体系(于贵瑞等, 2014).在水循环研究方面, 通过整合不同观测技术包括蒸渗仪(米级)-涡度相关技术(百米级)-闪烁仪(千米级), 研究者在黑河流域建立了全流域跨尺度水文生态过程监测系统, 不仅研究气候变化对陆面水文、生态的影响, 同时探讨了陆面小尺度过程对大气的反馈机理, 探索流域尺度的水循环过程和驱动机理(Liu et al., 2018b).近年来, ChinaFLUX通过整合通量观测站点和全球变化陆地样带, 构建了站点-样带-区域生态系统通量的多尺度综合观测技术体系(于贵瑞等, 2014), 已初步形成了国家尺度通量观测网络的框架.这一观测体系的构建, 极大地推动了区域和国家尺度碳氮水循环过程和驱动机制的研究(Chen et al., 2013, 2015; Yu et al., 2013, 2019; Zhu et al., 2014, 2015a, 2015b). ...

A few extreme events dominate global interannual variability in gross primary production
1
2014

... 对全球过去30年的气候极端事件的研究表明, 极端气候事件对生态系统碳交换过程的影响存在显著时空差异, 7%的极端事件解释了全球GPP年际变异的78%, 而这些事件中降水极端事件对GPP的影响最大(Zscheischler et al., 2014).von Buttlar等(2018)通过对全球102个站点通量数据的分析, 对比了极端高温和干旱对生态系统不同碳交换过程的影响, 结果发现高温促进了生态系统呼吸并抑制了光合作用, 造成生态系统净碳通量的显著下降; 而干旱对各碳通量组分的影响与高温相似, 只是影响的程度要弱一些; 当干旱伴随着高温事件同时发生时, GPP通量出现了大幅下降, 而呼吸通量没有显著变化, 从而导致生态系统净碳固持显著降低.此外, 极端气候事件对碳通量的影响, 不仅与事件的强度有关, 还与极端事件的发生时间和持续时间密切相关(Sippel et al., 2016; von Buttlar et al., 2018). ...