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千烟洲水汽稳定同位素试验 汇报人：温学发 生态网络观测与模拟重点实验室 2011年9月2日 • 北京 Yale-NUIST Center Seminar
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千烟洲水汽稳定同位素试验
汇报人：温学发
生态网络观测与模拟重点实验室
2011年9月2日 • 北京
Yale-NUIST Center Seminar
提纲
1. 研究背景
2. 站点介绍
3. 试验介绍
4. 试验结果
5. 展望
研究方向:生态系统生态学/稳定同位素生态学
千烟洲
栾城
多伦
涡度相关技术
稳定性同位素技术
定位观测
——生态系统碳-水-氮耦合循环
——碳-水通量相互关系
千烟洲森林
多伦草地
栾城农田
图1 中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)
连续大气水汽δv观测可促进生态系统水循环的理解
傍晚
(δT=－3‰）
大气夹卷（entrainment）
气团平流
水汽凝结
土壤表面
大气边界层上界
表层土壤水 (δs=+2‰)
深层土壤水 (δs=－9‰)
地下水 (δg=－9‰)
叶片水(δL=+10‰)木质部水
(δx=－6‰)
上午
(δT=－15‰)中午(稳态)(δT=－6‰)
降水(δP=－6‰)
土壤蒸发(δE=－35‰)
浅层土壤水 (δs=－6‰)
大气水汽(δv = ？)
植 物 蒸 腾
大气水汽δD和δ18O控制机制
土壤蒸发和植物蒸腾区分
叶水δD和δ18O富集预测
……
土壤-植被-大气系统水δ18O分馏示意图
*** 生态系统生态学/稳定同位素生态学
应用研究：1) 北京大气、2) 河北栾城冬小麦-夏玉米、3) 内蒙古多伦草地、4）江西千烟洲人工针叶林
傍晚
(δT=－3‰）
大气夹卷（entrainment）
气团平流
水汽凝结
土壤表面
大气边界层上界
表层土壤水 (δs=+2‰)
深层土壤水 (δs=－9‰)
地下水 (δg=－9‰)
叶片水(δL=+10‰)木质部水
(δx=－6‰)
上午
(δT=－15‰)中午(稳态)(δT=－6‰)
降水(δP=－6‰)
土壤蒸发(δE=－35‰)
浅层土壤水 (δs=－6‰)
大气水汽(δv = ？)
植 物 蒸 腾
有无植被条件下，δv = ?
*** 生态系统生态学/稳定同位素生态学
大气水汽δD和δ18O控制机制
土壤蒸发和植物蒸腾区分
叶水δD和δ18O富集预测
……
采样小区
管线
作物冠层 N
A
B
r3
r4
r1
r2EC系统
A TDL系统
B 气象观测场
路
水渠
30m铁塔
TDL 进气口和气象仪器
采样小区
管线
作物冠层 NNN
A
B
r3
r4
r1
r2EC系统
A TDL系统
B 气象观测场
路
水渠
30m铁塔
TDL 进气口和气象仪器
TDL进气口
河北栾城冬小麦-夏玉米
内蒙古多伦草地
涡度相关系统与常规气象系统
土壤、茎秆和叶片等样品采集
仪器室(TDL)进气口(TDL)
千烟洲人工针叶林
Los Gatos DLT-100
提纲
1. 研究背景
2. 站点介绍
3. 试验介绍
4. 试验结果
5. 展望
LAS观测塔的建设
生态系统水碳通量的长期观测
旧塔
新塔
1060m
旧塔(39.6m)-涡度相关系统1：2002年9月1日——至今；
旧塔(23.6m)-涡度相关系统2：2003年1月1日——至今。
新塔 -涡度相关系统：2008年9月1日——至今。
图1 千烟洲涡度相关系统的空间位置
常规气象与水汽/CO2廓线系统(旧塔)
-100cm
-5cm
-50cm
-20cm 土壤 HFP01TCAV
CS616_L 107_L105T
2cm
植被
1m CR5000
7m
11m
CR23XTD+AM25T
CR10XTD (CS105)
IRTS-P
CR10XTD (LI-820)
CPS7
OCPEC
CR5000
大气 39 m
OPEC A100R CM11W200P LI190SB
52203
CNR-1IRTS-P
大气
CR10XTD
HMP45C
CR10XTD
OCPEC
CPS7
23 m
15m
31m
SLS SLS
*** 7个观测高度：
1.6, 7.6, 11.6, 15.6, 23.6, 31.6 and 39.6 m above the forest floor.
【1】季节性干旱对于千烟洲人工林碳汇存在着复杂的影响机制
图4 2003-2007年千烟洲人工林碳吸收(NEP)的季节变异
季节性干旱造成该人工林夏季碳吸收能力明显下降，甚至成为碳源；
年碳吸收能力随着季节性干旱的增强先增强后降低；
春季低温是限制年碳吸收能力的重要因素。
-0.5
0.5
1.5
2.5
3.5
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
NEP03NEP04NEP05NEP06NEP07
日序数
NE
P (g
C m
-2 d
-1)
季节性干旱
300
330
360
390
420
450
1 1.3 1.6 1.9 2.2 2.5
0307
05
0604
P/ET
NE
P(g
C m
-2 y
r-1)
干旱增强
复杂的影响机制？复杂的影响机制？
图 5 2003-2007年千烟洲人工林年碳吸收(NEP)与水分平衡的关系
涡度相关技术无法实现ET组分E和T的拆分是主要瓶颈问题
(稳定同位素技术+涡度相关技术：ET组分E和T)
涡度相关技术无法实现ET组分E和T的拆分是主要瓶颈问题
(稳定同位素技术+涡度相关技术：ET组分E和T)
-10
40
90
140
190
240
290
0 5 10 15 20 25 30 35
GEP RE NEP
Temp (℃)
碳水通量组分
的相互关系是决定
生态系统碳吸收对
季节性干旱响应的
核心机制！
图6 千烟洲人工林NEP、RE和GEP对温度的响应
涡度相关技术直接测定NEP和ET，间接统计估算NEP组分GEP和RE
生态系统碳吸收NEP及其组分RE和GEP都会受到干旱胁迫的影响，但
是响应的方式与程度不同。
【2】碳吸收NEP及其组分RE和GEP对干旱响应的方式与程度不同
提纲
1. 研究背景
2. 站点介绍
3. 试验介绍
4. 试验结果
5. 展望
水汽δ18O 和δD同位素比值和通量观测
图2 千烟洲稳定同位素观测仪器室
观测高度：at 2m and 12m above the forest
1、Teflon采样管；
2、气路切换；
3、缓冲瓶；
4、采样气路与旁路气路；
5、分析仪。
基于WS-CRDS或 OA-ICOS技术的大气水汽δ18O 和δD与CO2的δ13C的联合观测系统(2010)
27m
17m
千烟洲水汽同位素观测仪器室
Los Gatos DLT-100
** 在千烟洲站设置一个采样区
常规采样与观测计划
采样竹楼
小蒸渗仪
** 在千烟洲站设置一个采样区（即设立1个采样竹楼；12:00-14:00）
土壤水：分层土壤水(0-5cm，15-20cm和40-45cm+深层)(每周1次)；
茎秆水：采集茎杆(小枝，去皮)水(每周1次);
叶片水：采集叶片水(测定叶温)(每周1次)；
叶片含水量(g m-2)：叶面积的确定，测定0.01g天平(每周1次);
气孔导度(mol m-2 s-1)：LI6400测定(叶面积指数的确定？)(每周1次);
降水收集：降水(含降水量)(降水事件基础)、地下水(每月1次)；
小蒸渗仪：自制lysimeter？0.01g天平(每周1次)。
常规采样与观测计划
**选择盛行风向，EC数据和稳定同位素数据质量高；
**三个时期，每次3天加强采样(采样时间：2:00, 6:00, 9:00, 12:00, 15:00, 18:00, 22:00)；
土壤水：分层土壤水(0-5cm，15-20cm和40-45cm+？)；
茎秆水：采集茎杆(小枝)水
叶片水：采集叶片水(测定叶温)；
叶片含水量(g m-2)：测定叶面积，0.01g天平;
气孔导度(mol m-2 s-1)：LI6400测定(叶面积指数？);
小蒸渗仪：自制lysimeter监测土壤水分，0.01g天平。
加强采样与观测计划
提纲
1. 研究背景
2. 站点介绍
3. 试验介绍
4. 试验结果
5. 展望
两个高度水汽浓度及其梯度差的变化特征
180 190 200 210 220 230 2402
2.5
3
3.5
4x 104
Doy
conc
entra
tion
r17r27
180 190 200 210 220 230 240-2000
0
2000
4000
6000
Doy
conc
entra
tion
r17-r27
两个高度水汽δD及其梯度差的变化特征
180 190 200 210 220 230 240-200
-150
-100
-50
Doy
dD
180 190 200 210 220 230 240-2
0
2
4
6
Doy
dD
dD-r17dD-r27
dD-r17-dD-r27
两个高度水汽δ18O及其梯度差的变化特征
180 190 200 210 220 230 240-30
-20
-10
0
Doy
d18O
180 190 200 210 220 230 240-2
0
2
4
6
Doy
d18O
dO-r17dO-r27
dO-r17-dO-r27
两个高度水汽d-excess的变化特征
180 190 200 210 220 230 240-100
-50
0
50
Doy
d-ex
cess
180 190 200 210 220 230 240-100
-50
0
50
Doy
d-ex
cess
d-excessr17
d-excessr27
两个高度水汽GMWL的变化特征
-25 -20 -15 -10 -5 0-170
-160
-150
-140
-130
-120
-110
-100
-90
-80
-70
d18O
dD
r17r27GMWL
生态系统蒸散δET的变化特征
180 190 200 210 220 230 240-400
-200
0
200
400
Doy
δD
180 190 200 210 220 230 240-100
-50
0
50
100
Doy
δ18O
concentration-average
concentration-average
生态系统蒸散d-excess的变化特征
180 190 200 210 220 230 240-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
Doy
d-ex
cess
concentration-average
生态系统蒸散GMWL的变化特征
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100-300
-200
-100
0
100
200
300
d18O
dD
concentration-averageGMWL
生态系统蒸散日变化特征
0 5 10 15 20 25-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
time
dD
dET-dDdET-d18OdET-excess
提纲
1. 研究背景
2. 站点介绍
3. 试验介绍
4. 试验结果
5. 展望
大气水汽δ18O 和δD与CO2的δ13C的联合观测系统土壤蒸发和植物蒸腾、光合与呼吸组分
的原位连续拆分等
生态系统碳-水-氮通量的综合观测研究
δ13C ：Model DLT-100
δ13C ：Models G1101-i
涡度相关技术 稳定同位素技术 季节性干旱(千烟洲)仪器安装与维护 涡度相关技术 稳定同位素技术 季节性干旱(千烟洲)仪器安装与维护
