森林生態系統通量觀測

根據不完全統計，在世界範圍內大約有137個森林站在開展長期連續的通量觀測，主要分布在熱帶、亞熱帶和溫帶的常綠針葉林(54)、常綠闊葉林(26)、針闊混交林(38)和落葉闊葉林(13)等自然植被帶上，其中人工林觀測站有7個。常綠針葉林站集中分布在美國、加拿大和北歐等國常綠闊葉林站主要分布在南美洲的巴西和東南亞國家而針闊混交林則主要分布在北美的美國、加拿大和東亞的中國、日本、韓國等。世界範圍內的森林生態系統通量觀測已積累了大量的數據，並取得了豐碩的研究成果，西方的大多國家都有很多研究小組在開展該領域的研究。亞洲的森林生態系統通量研究以日本時間最長，在日本的針葉林、泰國的熱帶雨林地區積累了大量數據，並在這些森林的二氧化碳通量觀測中嘗試了渦度相關法(eddy covariance)、拓寬湍渦積聚法(relaxed eddy accumulation)、改良梯度法(vertical gradient)等多種觀測方法，為世界通量觀測技術發展作出了重要貢獻。中國陸地生態系統通量觀測研究剛剛起步，森林也是其研究的重點，首批啟動的觀測站有一半在森林生態系統中，包括針闊混交林、常綠針葉林、常綠闊葉林等主要植被類型。

基本介紹

• 中文名：森林生態系統通量觀測
• 外文名：Forest ecosystem flux observation
• 站點數：137個森林站
• 分布：常綠針葉林、常綠闊葉林等
• 使用方法：拓寬湍渦積聚法等
• 我國情況：中國陸地生態系統通量觀測剛起步

簡介

根據不完全統計，在世界範圍內大約有137個森林站在開展長期連續的通量觀測，主要分布在熱帶、亞熱帶和溫帶的常綠針葉林(54)、常綠闊葉林(26)、針闊混交林(38)和落葉闊葉林(13)等自然植被帶上，其中人工林觀測站有7個。常綠針葉林站集中分布在美國、加拿大和北歐等國常綠闊葉林站主要分布在南美洲的巴西和東南亞國家而針闊混交林則主要分布在北美的美國、加拿大和東亞的中國、日本、韓國等。世界範圍內的森林生態系統通量觀測已積累了大量的數據，並取得了豐碩的研究成果，西方的大多國家都有很多研究小組在開展該領域的研究。亞洲的森林生態系統通量研究以日本時間最長，在日本的針葉林、泰國的熱帶雨林地區積累了大量數據，並在這些森林的二氧化碳通量觀測中嘗試了渦度相關法(eddycovariance)、拓寬湍渦積聚法(relaxed eddy accumulation)、改良梯度法(vertical gradient)等多種觀測方法，為世界通量觀測技術發展作出了重要貢獻。中國陸地生態系統通量觀測研究剛剛起步，森林也是其研究的重點，首批啟動的觀測站有一半在森林生態系統中，包括針闊混交林、常綠針葉林、常綠闊葉林等主要植被類型。

森林生態系統通量觀測的特點

森林生態系統結構複雜，演化周期長，其生理和生態學過程的調查和野外測定的難度極大，現階段對森林生態系統的通量特徵以及過程機制的理解還存在很大的不確定性，因此對森林生態系統結構、功能與過程的理解也相對落後於農田和草地生態系統。森林生態系統大多是分布在地形複雜的山地，一些相對比較平坦的森林植被也在人類活動的影響下成為破碎化的景觀格局。森林生態系統的特殊性給通量觀測研究增加了很大的難度，其短期內的研究工作也難以獲得科學上的公認，這種探索性和挑戰性的科學問題，也激起了科學家的熱情和興趣。

研究特點

森林生態系統通量觀測研究主要具有以下三個特點

(1)下墊面地形較複雜

森林生態系統大多分布在山區，尤其是一些特殊類型的森林也只有在特定的地域和地形條件下存在，因此，在森林生態系統中選擇觀測點時，很難兼顧森林植被類型的區域代表性和渦度相關技術對平坦地形條件的嚴格要求，許多觀測站不得不建立在山谷、坡地或山脊等地形條件比較複雜的地點，而這種複雜地形條件下的山地小氣候、局地風等不夠理想的氣象條件難以滿足渦度相關通量觀測的基本理論假設，從而會影響生態系統與大氣之間的湍流交換過程，最終可能會造成對生態系統光合作用、呼吸作用以及生態系統CO,交換量的偏高或偏低估計。因此，在複雜地形條件下的通量觀測需要進行風浪區(fetch)和實際通量貢獻區(footprint)、湍流譜特徵、坐標系轉換、林冠內的CO,儲存效應及平流效應的評價。

(2)植被高大、結構複雜

森林植被的高度通常在幾米到幾十米不等，高大的天然林，尤其是熱帶和亞熱帶森林物種豐富，具有複雜的垂直分層結構，對其開展生理生態學的過程觀測十分困難，往往要依賴於特殊的可水平和垂直移動的用於冠層分析的作業塔。實際上更為困難的是群落生理生態參數的垂直分布和水平分布的差異很大，利用在某些空同樣點的觀測數據上推到群落尺度水平存在很大的不確定性。此外，對森林群落具有破壞性的採樣調查(地上和地下生物量、葉面積等)工作量巨大，並且森林一旦破壞則需要較長時間才能恢復。由此可見利用生態生理學調査數據對森林生態系統通量觀測數據進行驗證很難做到，且精度不高。模型分析和數據同化技術是一種可行的尺度轉換途徑，在森林生態系統通量觀測過程中要特彆強調對群落內部和冠層上的氣象要素、二氧化碳和水汽濃度的垂直分布等的觀測，儘可能多地測定生態系統碳循環和水循環過程參數，這有助於模型模擬和驗證方面的研究。

(3)景觀格局破碎、林分類型多樣

除了少數的人工林外，大部分森林為混交林，且在空間上多為斑塊狀組合結構。天然林常有大量的林窗，在不同地段會形成以某種樹木為優勢的林分，在景觀上成為多種林分鑲嵌的格局，為建立通量觀測塔和確定通量數據的區域代表性增加難度。通量觀測的fetch大小與儀器的觀測高度有關，在山區林地進行觀測時，往往森林的面積(fetch)會足夠大，但是因山地小氣候和地形的影響，林分的空間變異性也很大而平原區的森林植被往往因人類干擾而導致景觀破碎化嚴重，在這些地區所觀測的林斑大小是否能夠滿足通量觀測的需要，需要作充分的論證。森林生態系統的通量觀測高度經常會受到觀測塔高度的限制，也受設備的管路長度和信號傳輸距離等方面的限制，儀器設定過高會帶來很多不便，並且需要考慮森林景觀格局的異質性的影響I儀器設定過高也可能引起非目標林分的影響。相反，在森林下墊面粗糙度較大的情況下，觀測高度過低可能會使觀測儀器不在常通量層內，帶來測定誤差，也可能使觀測數據的fetch過小，僅僅代表十分有限的森林植被通量。所以如何保證觀測高度的fetch和footprint能落在有效的目標植被範圍內，同時保證通量觀測邊界層假設成立是比較棘手的問題，還沒有標準的確定方法，主要是依靠觀測經驗判斷，或者根據一段時間的實際觀測數據的分析和論證來調整和確定。

注意事項

人工造林、再造林和林業管理的碳匯效應是當前全球變化科學領域關注的重要問題，不少通量塔被設在人工林上，主要是觀測人工造林的生態系統碳匯功能，揭示森林生長過程規律和碳匯功能的動態變化。人工林的測定相對於自然林較容易些，因為森林的生長歷史比較清楚，其植被結構也比較簡單，但是人工林的面積是否能夠達到通量觀測所需要的下墊面要求也需要充分論證。另外，在評價人工林以及林業管理的碳匯效應時，應注意其對比的對象森林與被觀測森林的在地理空同和立地條件方面的異同。

觀測目的

森林是通量觀測網路中站點數量最多的生態系統類型，其觀測研究的目的主要在於以下6個方面：

評價森林生態系統在全球變化和全球碳平衡中的作用，確立碳匯清査與核算的方法；評價森林生態系統的碳循環和水循環過程對全球變化的回響與適應性；研究森林生態系統二氧化碳、水汽及能量通量的日變化、季節變化及長期變化的生物和環境控制機理，為生態系統過程模式開發提供科學認識；為大尺度生態系統過程模擬、衛星遙感模式提供有效的參數化方法和地面檢驗數據；綜合研究複雜地形和非均勻植被條件下的通量觀測理論與技術；評價森林的碳匯功能和水源涵養功能及全球變化情景下的生態系統服務功能變化。