森林生态系统通量观测

根据不完全统计，目前在世界范围内大约有137个森林站在开展长期连续的通量观测，主要分布在热带、亚热带和温带的常绿针叶林(54)、常绿阔叶林(26)、针阔混交林(38)和落叶阔叶林(13)等自然植被带上，其中人工林观测站有7个。常绿针叶林站集中分布在美国、加拿大和北欧等国常绿阔叶林站主要分布在南美洲的巴西和东南亚国家而针阔混交林则主要分布在北美的美国、加拿大和东亚的中国、日本、韩国等。世界范围内的森林生态系统通量观测已积累了大量的数据，并取得了丰硕的研究成果，西方的大多国家都有很多研究小组在开展该领域的研究。亚洲的森林生态系统通量研究以日本时间最长，在日本的针叶林、泰国的热带雨林地区积累了大量数据，并在这些森林的二氧化碳通量观测中尝试了涡度相关法(eddy covariance)、拓宽湍涡积聚法(relaxed eddy accumulation)、改良梯度法(vertical gradient)等多种观测方法，为世界通量观测技术发展作出了重要贡献。中国陆地生态系统通量观测研究刚刚起步，森林也是其研究的重点，首批启动的观测站有一半在森林生态系统中，包括针阔混交林、常绿针叶林、常绿阔叶林等主要植被类型。

简介根据不完全统计，目前在世界范围内大约有137个森林站在开展长期连续的通量观测，主要分布在热带、亚热带和温带的常绿针叶林(54)、常绿阔叶林(26)、针阔混交林(38)和落叶阔叶林(13)等自然植被带上，其中人工林观测站有7个。常绿针叶林站集中分布在美国、加拿大和北欧等国常绿阔叶林站主要分布在南美洲的巴西和东南亚国家而针阔混交林则主要分布在北美的美国、加拿大和东亚的中国、日本、韩国等。世界范围内的森林生态系统通量观测已积累了大量的数据，并取得了丰硕的研究成果，西方的大多国家都有很多研究小组在开展该领域的研究。亚洲的森林生态系统通量研究以日本时间最长，在日本的针叶林、泰国的热带雨林地区积累了大量数据，并在这些森林的二氧化碳通量观测中尝试了涡度相关法(eddycovariance)、拓宽湍涡积聚法(relaxed eddy accumulation)、改良梯度法(vertical gradient)等多种观测方法，为世界通量观测技术发展作出了重要贡献。中国陆地生态系统通量观测研究刚刚起步，森林也是其研究的重点，首批启动的观测站有一半在森林生态系统中，包括针阔混交林、常绿针叶林、常绿阔叶林等主要植被类型。1

森林生态系统通量观测的特点森林生态系统结构复杂，演化周期长，其生理和生态学过程的调查和野外测定的难度极大，现阶段对森林生态系统的通量特征以及过程机制的理解还存在很大的不确定性，因此对森林生态系统结构、功能与过程的理解也相对落后于农田和草地生态系统。森林生态系统大多是分布在地形复杂的山地，一些相对比较平坦的森林植被也在人类活动的影响下成为破碎化的景观格局。森林生态系统的特殊性给通量观测研究增加了很大的难度，其短期内的研究工作也难以获得科学上的公认，这种探索性和挑战性的科学问题，也激起了科学家的热情和兴趣。1

研究特点森林生态系统通量观测研究主要具有以下三个特点

(1)下垫面地形较复杂

森林生态系统大多分布在山区，尤其是一些特殊类型的森林也只有在特定的地域和地形条件下存在，因此，在森林生态系统中选择观测点时，很难兼顾森林植被类型的区域代表性和涡度相关技术对平坦地形条件的严格要求，许多观测站不得不建立在山谷、坡地或山脊等地形条件比较复杂的地点，而这种复杂地形条件下的山地小气候、局地风等不够理想的气象条件难以满足涡度相关通量观测的基本理论假设，从而会影响生态系统与大气之间的湍流交换过程，最终可能会造成对生态系统光合作用、呼吸作用以及生态系统CO,交换量的偏高或偏低估计。因此，在复杂地形条件下的通量观测需要进行风浪区(fetch)和实际通量贡献区(footprint)、湍流谱特征、坐标系转换、林冠内的CO,储存效应及平流效应的评价。

(2)植被高大、结构复杂

森林植被的高度通常在几米到几十米不等，高大的天然林，尤其是热带和亚热带森林物种丰富，具有复杂的垂直分层结构，对其开展生理生态学的过程观测十分困难，往往要依赖于特殊的可水平和垂直移动的用于冠层分析的作业塔。实际上更为困难的是群落生理生态参数的垂直分布和水平分布的差异很大，利用在某些空同样点的观测数据上推到群落尺度水平存在很大的不确定性。此外，对森林群落具有破坏性的采样调查(地上和地下生物量、叶面积等)工作量巨大，并且森林一旦破坏则需要较长时间才能恢复。由此可见利用生态生理学调査数据对森林生态系统通量观测数据进行验证很难做到，且精度不高。模型分析和数据同化技术是一种可行的尺度转换途径，在森林生态系统通量观测过程中要特别强调对群落内部和冠层上的气象要素、二氧化碳和水汽浓度的垂直分布等的观测，尽可能多地测定生态系统碳循环和水循环过程参数，这有助于模型模拟和验证方面的研究。

(3)景观格局破碎、林分类型多样

除了少数的人工林外，大部分森林为混交林，且在空间上多为斑块状组合结构。天然林常有大量的林窗，在不同地段会形成以某种树木为优势的林分，在景观上成为多种林分镶嵌的格局，为建立通量观测塔和确定通量数据的区域代表性增加难度。通量观测的fetch大小与仪器的观测高度有关，在山区林地进行观测时，往往森林的面积(fetch)会足够大，但是因山地小气候和地形的影响，林分的空间变异性也很大而平原区的森林植被往往因人类干扰而导致景观破碎化严重，在这些地区所观测的林斑大小是否能够满足通量观测的需要，需要作充分的论证。森林生态系统的通量观测高度经常会受到观测塔高度的限制，也受设备的管路长度和信号传输距离等方面的限制，仪器设置过高会带来很多不便，并且需要考虑森林景观格局的异质性的影响I仪器设置过高也可能引起非目标林分的影响。相反，在森林下垫面粗糙度较大的情况下，观测高度过低可能会使观测仪器不在常通量层内，带来测定误差，也可能使观测数据的fetch过小，仅仅代表十分有限的森林植被通量。所以如何保证观测高度的fetch和footprint能落在有效的目标植被范围内，同时保证通量观测边界层假设成立是比较棘手的问题，现在还没有标准的确定方法，主要是依靠观测经验判断，或者根据一段时间的实际观测数据的分析和论证来调整和确定。1

注意事项人工造林、再造林和林业管理的碳汇效应是当前全球变化科学领域关注的重要问题，不少通量塔被设在人工林上，主要是观测人工造林的生态系统碳汇功能，揭示森林生长过程规律和碳汇功能的动态变化。人工林的测定相对于自然林较容易些，因为森林的生长历史比较清楚，其植被结构也比较简单，但是人工林的面积是否能够达到通量观测所需要的下垫面要求也需要充分论证。另外，在评价人工林以及林业管理的碳汇效应时，应注意其对比的对象森林与被观测森林的在地理空同和立地条件方面的异同。1

观测目的森林是现在的通量观测网络中站点数量最多的生态系统类型，其观测研究的目的主要在于以下6个方面：

评价森林生态系统在全球变化和全球碳平衡中的作用，确立碳汇清査与核算的方法；评价森林生态系统的碳循环和水循环过程对全球变化的响应与适应性；研究森林生态系统二氧化碳、水汽及能量通量的日变化、季节变化及长期变化的生物和环境控制机理，为生态系统过程模式开发提供科学认识；为大尺度生态系统过程模拟、卫星遥感模式提供有效的参数化方法和地面检验数据；综合研究复杂地形和非均匀植被条件下的通量观测理论与技术；评价森林的碳汇功能和水源涵养功能及全球变化情景下的生态系统服务功能变化。1

本词条内容贡献者为:

赵阳国 - 副教授 - 中国海洋大学