云南蚕豆下垫面近地层CO2通量观测研究

云南蚕豆下垫面近地层CO2通量观测研究*杨智1刘劲松1朱以维1 孙绩华2（1.大理国家气候观象台，大理671003; 2.云南省气象科学研究所）摘要：利用大理国家气候观象台2007年11月～2008年4月蚕豆生育期内近地层通量观测系统资料，对蚕豆不同生育期内二氧化碳浓度和二氧化碳通量特征及变化规律进行了初步研究。

结果表明：平均而言，在蚕豆各生育期，近地面为二氧化碳的汇，蚕豆田对二氧化碳的净吸收率为103.7kg·(hm2)-1·d-1，白天蚕豆通过光合作用吸收二氧化碳、夜间则放出二氧化碳，结荚－鼓粒期二氧化碳吸收速率最大。

二氧化碳通量与总辐射间存在显著相关关系。

关键词：蚕豆田；近地层；CO2通量；源汇Observation on the Fluxes of the Surface Layer CO2 over theHorsebean Field of YunnanYang Zhi1 Liu Jingsong1Zhu Yiwei1Sun Jihua2(1.Dali National Climatic Observatory, Dali 671003; 2.Yunnan Provincial Institute ofMeteorology)Abstract: Based on the data of the observation system of surface layer in Dali from November 2007 to April 2008, the characteristics of CO2density and CO2flux at different stages of horsebean were analyzed. The results showed that the horsebean field acts as a sink of CO2 for the whole growth stages. The net absorbing velocity is 103.7kg·(hm2)-1·d-1，The horsebean absorbs CO2during daytime while emits during nighttime. The absorption amount of CO2during fructify-plump stage was largest. High correlations exit between the flux of CO2 and total solar radiation.Key words: Horsebean field; Surface layer; Flux of CO2; Source and sink陆地生态系统是人类赖以生存与持续发展的生命支持系统，而农田作为陆地生态系统的重要组成部分，在全球环境与气候变化中起着举足轻重的作用。

随着城市化的发展，耕地面积日益减少，直接影响着全球的碳平衡和碳循环。

有关农业生态区能量交换和CO2能量与区域气候变化的研究一直备受国内外科学家的关注[1][2]，特别是二十世纪80年代以来利用涡动相关法，连续对农田生态系统和大气之间的CO2通量的观测得到广泛应用。

Harazono 等[3]研究了水稻抽穗前期能量分配；姜纪峰[4]等模拟研究了半干旱区农田和草地与大气间CO2通量交换过程。

但对于蚕豆下垫面近地层CO2通量的观测研究还鲜见报道。

云南地形极为复杂。

整个云南西北高、东南低，有94%多的面积是山地，仅有不到6%是山谷盆地、湖泊之类。

个别县市的山地比重竟然超过了98%。

因此，云南省小春作物以种植蚕豆等山地作物为主。

大理位于云南省中部偏西，地貌复杂多样，小春作物主要为蚕豆，该特征与云南大部分地区相似，具有较好的代表性。

研究典型蚕豆种植区近地层CO2通量特征，对正确预测未来气候变化和政府减排决策具有重要的意义。

涡动相关法能够捕获测量界面大气CO2浓度的快速变化，与三维超声风速仪结合可以直接计算出通过界面的瞬时通量，这一优势使其成为目前测量陆地与大气之间净交换量的最*收稿日期：资助项目:云南省气象局青年研究基金项目作者简介:杨智,(1983-),云南大理人,本科,助理工程师,从事边界层气象研究.Email:yeyuanyangzhi@有效、最直接、最准确的工具[5]。

本文正是采用涡动相关法，利用大理2007年11月～2008年4月的蚕豆生育期观测资料，计算与分析大理地区蚕豆生育期内下垫面与大气之间CO 2交换量及变化规律，为进一步了解云南农田生态系统冠层上方碳通量的碳汇/源提供依据，并为深入研究CO 2与气候变化的关系提供参考。

1 观测仪器和计算方法1.1 观测站环境及观测仪器通量观测站设在云南省大理国家气候观象台（25°42′N, 100°11′E,海拔1990.5m ）内，观测场下垫面较为平坦，蚕豆生育期观测场内外植被主要均为蚕豆，因而构成了大范围均一的下垫面（图1），满足了试验要求盛行风向的风浪区长度[6]。

图1 观测点周围下垫面情况观测仪器由中日JICA 项目提供，为20m 高的铁塔，分别在铁塔2，4，10，20m 安装风向风速传感器(MET ONE 034B)，温度湿度传感器(V AISALA HMP45C-GM)，在5m 处安装超声风速温度仪(CSAT3)和CO 2/H 2O 红外气体分析仪(Li-Cor,LI7500)。

三维超声风速仪用于测量三个方向脉动风速和声学虚温，采样频率10Hz ，分辨率10-5m/s ，测量范围0~30m/s ，测量精度<1%; CO 2/H 2O 红外气体分析仪，用于测量大气中CO 2和水汽密度，采样频率10Hz ，分辨率分别为10-3 mg/m 3，和10-4 g/m 3，测量精度<1%。

铁塔西面约2m 处安装高1.5m 的辐射架，其上分别安装太阳总辐射、大气逆辐射、地面反射短波辐射、地表长波辐射传感器(Kipp&Zonen,CNR1)和红外地表温度传感器(Campbell IRR-P)。

辐射架下分别安装4，10，20，60，100cm 共5层土壤温度(Campbell 107)、湿度传感器(Campbell CS616)。

大理国家气候观象台观测场内蚕豆2007年10月23日播种，2007年11月2日出苗，2008年4月25日成熟。

因此，本文选取2007年11月2日～2008年4月25日的资料分析了蚕豆生育期内的CO 2通量特征。

（其中2008年2月仪器故障，资料部分缺失，此时正值蚕豆结荚期，该生育期持续时间较长，故影响不算太大。

）大理国家气候观象台属农业气象观测一级站，农业气象观测田为通量观测系统周围农田，故蚕豆生育期资料可直接采用准确可靠的农业气象观测资料。

1.2 数据处理和计算方法通量数据在使用前经过了一系列的订正，筛选和插补工作。

在通量资料处理中，平均时间尺度采用30分钟，计算前先进行噪声剔除[7]，坐标系旋转修正[8]，和WPL 校正[9]。

由于超声风速仪依靠风速对声波传输时间的影响来确定风速。

飞虫、灰尘颗粒、降雨等一切经过仪器的物质都会干扰声波对风速的响应，从而产生噪音[7]。

此外，仪器构造精密复杂，任一部件在响应和传输过程中的短暂故障都会带来信号错误。

系统输出有故障诊断信息，凡诊断信息有错误的记录均不能使用[5]。

本文对噪音和故障记录的剔除方法是，首先剔除仪器出现诊断信息错误的数据，然后剔除有降水天气现象时的数据，最后是剔除奇异点，剔除奇异点的判据为σ4||>-x x i ,其中i x 为测量值，x 为半小时均值，σ是标准差。

由于观测场地可能不满足理想的水平均一条件，出现地形斜面，或仪器安装不够水平出现人为斜面，使得垂直速度的测量中包含了水平风速的贡献，出现误差。

解决此类问题的办法是通过坐标轴旋转，将水平轴确定为随平均气流方向，使之与地形基本平行，避免气流的分离，从而减小地形倾斜对垂直速度的影响[10][11]。

本文中对于湍流资料的处理就是应用了二次旋转修正的方法。

湍流特征值由湍流脉动观测数据通过涡动相关法直接计算获得[12][13]，计算公式为：w'(1)Fc=-ρc'（1）式中w′为垂直风速脉动；c′为二氧化碳脉动；ρ为空气密度；Fc为仪器所在高度二氧化碳通量。

2 结果与分析2.1 二氧化碳浓度变化特征CO2/H2O红外气体分析仪可以直接测量CO2浓度。

因此，可以分析蚕豆生育期内大气中CO2浓度的变化特征。

表1 蚕豆生育期日期（月、日）播种出苗分枝开花结荚鼓粒成熟10、23 11、2 11、19 1、13 2、12 4、6 4、25蚕豆全生育期内CO2平均浓度为530.6mg/m-3，从蚕豆出苗到成熟，CO2平均浓度有减小趋势。

图2给出了大理国家气候观象台蚕豆各生育期内CO2平均浓度日变化，从图中可以看出，各生育期内CO2平均浓度有明显日变化。

日出后CO2浓度迅速下降，14:00-17:00达到最低值，日落后缓慢增加，日出前出现最大值。

其变化特征与植物的生物活动有关，植物在白天主要进行光合作用吸收CO2，造成近地面CO2浓度偏低；夜间植物以呼吸作用为主，排放CO2，因此夜间浓度明显高于白天。

随着蚕豆出苗并发育成长，对CO2的需求也逐渐增加，虽然鼓粒－成熟期叶片逐渐枯萎，光合作用减弱，但作物仍不断从大气中吸收CO2，因此蚕豆从出苗到成熟，CO2浓度不断降低[14]。

图2 大理蚕豆田不同生育期CO2平均浓度日变化2.2 二氧化碳通量变化特征CO2通量是指通过蚕豆田与大气CO2的交换速率，CO2通量为负值表示作物从大气中吸收CO2，正值表示向大气排放CO2。

图3给出了云南省大理市蚕豆田不同生育期CO2通量的平均日变化。

由图3可知，蚕豆在不同生育期，近地层CO2通量都具有正负交替的明显日变化特征，早上08:00和傍晚18:00大致为通量从正转负和从负转正的时间，白天，CO2通量为负，最低值在北京时间13:00左右，由此说明蚕豆进行光合作用时，从上层吸收CO2，造成近地面的CO2汇，而在夜间，CO2通量向上，不过绝对数值较白天小，近地面成为CO2的弱排放源。

不同生育期CO2通量强度不同。

蚕豆出苗－分枝期植株矮小，叶面积指数小，且此时气温低，植物光合作用微弱，CO2通量日变化特征不明显[15]，随着蚕豆的生长，作物光合作用强度逐渐增强，对大气中CO2吸收能力亦随之增强，白天蚕豆吸收的CO2不断增多，结荚－鼓粒期最为显著，CO2通量平均日变化最低值达-0.8 mg·m-2·s-1。