本發(fā)明涉及森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸測定
技術領域：
，尤其涉及一種森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量測定方法。
背景技術：
：森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)在全球碳循環(huán)中至關重要，在調節(jié)大氣二氧化碳中有著不可替代的作用。森林生態(tài)系統(tǒng)年固碳量約為2.4±0.4pg，占陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳量(2.6±0.8pg)的90％，甚至比全球海洋生態(tài)系統(tǒng)的固碳量(2.2±0.2pg)還要多。在研究全球碳循環(huán)的過程中，由于陸地生態(tài)系統(tǒng)的復雜多樣性，其碳通量難以準確測得，因此研究人員通常把陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯作為全球碳平衡方程的余項進行處理。而森林由于其樹種組成多樣、樹冠高大、空間變形性大的特點，又是陸地各類型生態(tài)系統(tǒng)中最為復雜的。因此，對于全球森林系統(tǒng)碳匯的直接評估，仍是目前研究的熱點與難點。目前，在森林生態(tài)系統(tǒng)碳通量測量的方法，主要包括：箱法和微氣象法。箱法是目前科學研究中最為常用的方法，其工作原理是用箱體將被測區(qū)域罩住，隔絕內外空氣，定時觀測箱內二氧化碳濃度變化，以求得箱內二氧化碳交換量。其方法簡單，成本低廉。但由于受箱體體積所限，箱法難以適用于高大喬木，目前更多用于測量土壤呼吸或者低矮灌草的碳通量測定，并且其時間精度較低，不能進行長時間連續(xù)觀測。微氣象法是通過測量靠近地表的氣體湍流及其二氧化碳濃度變化，進而推導出植被大氣間二氧化碳通量。渦度相關技術作為微氣象法的代表方法之一，以其長期連續(xù)直接獲得大尺度下碳通量變化的優(yōu)勢，已成為目前國際上測定二氧化碳通量的標準方法。但是，渦度相關技術也有實施的限制條件，要求被測區(qū)域大氣狀態(tài)處于穩(wěn)態(tài)、下墊面均勻、下墊面和儀器之間沒有碳交換。而在實際應用中，被測區(qū)域往往不能處于理想條件下，這也給渦度相關技術的應用提出了難題。鑒于此，如何提供一種可靠的森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量測定方法，能夠在復雜地形條件的森林生態(tài)系統(tǒng)中更精確地測定大氣與植物間的碳通量變化成為目前需要解決的技術問題。技術實現(xiàn)要素：為解決上述的技術問題，本發(fā)明提供一種森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量測定方法，能夠在復雜地形條件的森林生態(tài)系統(tǒng)中更精確地測定大氣與植物間的碳通量變化。第一方面，本發(fā)明提供一種森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量測定方法，包括：獲取預設時間段內目標森林層中不同高度的大氣co2的濃度及大氣co2中的δ13c同位素值；根據(jù)獲取的目標森林層中不同高度的大氣co2的濃度及大氣co2中的δ13c同位素值，獲取森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸δ13c同位素值；獲取預設時間段內目標森林中待測樹木枝條呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值和目標森林中待測土壤呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值；根據(jù)獲取的待測樹木枝條呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值和待測土壤呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值，確定所述森林生態(tài)系統(tǒng)中各呼吸組分的比例關系；獲取所述待測土壤的碳通量；將獲取的待測土壤的碳通量代入所述森林生態(tài)系統(tǒng)中各呼吸組分的比例關系，獲得森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量?？蛇x地，所述獲取預設時間段內目標森林層中不同高度的大氣co2的濃度及大氣co2中的δ13c同位素值，包括：利用碳同位素分析儀配合多路器，對預設時間段內目標森林層中不同高度的大氣co2的濃度及大氣co2中的δ13c同位素值進行分層測定；其中，所述碳同位素分析儀通過所述多路器與多個大氣取樣探頭相連接，所述大氣取樣探頭預先設置在待測森林層中不同高度，所述大氣取樣探頭通過氣體收集管線與所述多路器相連接?？蛇x地，利用碳同位素分析儀配合多路器對目標森林層中不同高度進行分層測定的時間均包括：緩沖穩(wěn)定時間和實際測定時間；所述緩沖穩(wěn)定時間在前，所述實際測定時間在后，所述緩沖穩(wěn)定時間小于所述實際測定時間?？蛇x地，所述獲取預設時間段內目標森林中待測樹木枝條呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值和目標森林中待測土壤呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值，包括：利用碳同位素分析儀配合多路器，在預設時間段內，分別對安裝在目標森林中待測樹木枝條上的枝條氣室和安裝在目標森林中待測土壤上的土壤氣室進行測定，獲得預設時間段內目標森林中待測樹木枝條呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值和目標森林中待測土壤呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值；其中，所述碳同位素分析儀通過所述多路器分別與所述枝條氣室和所述土壤氣室相連接，所述枝條氣室和所述土壤氣室均通過氣體收集管線與所述多路器相連接。可選地，利用碳同位素分析儀配合多路器對枝條氣室和土壤氣室進行測定的時間均包括：緩沖穩(wěn)定時間和實際測定時間；所述緩沖穩(wěn)定時間在前，所述實際測定時間在后，所述緩沖穩(wěn)定時間小于所述實際測定時間?？蛇x地，所述根據(jù)獲取的目標森林層中不同高度的大氣co2的濃度及大氣co2中的δ13c同位素值，獲取森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸δ13c同位素值，包括：根據(jù)獲取的目標森林層中不同高度的大氣co2的濃度及大氣co2中的δ13c同位素值，利用keeling曲線法，繪制大氣co2中的δ13c同位素值與大氣co2的濃度的倒數(shù)的散點圖；利用線性方程y＝ax+b，對所述散點圖進行擬合，獲得森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸δ13c同位素值δ13ceco；其中，y為δ13c同位素值，x為大氣co2的濃度的倒數(shù)，b為森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸δ13c同位素值δ13ceco，a為方程參數(shù)。可選地，所述預設時間段內目標森林中待測樹木枝條呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值和目標森林中待測土壤呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值均是通過多次測量求平均值獲得的。可選地，所述根據(jù)獲取的待測樹木枝條呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值和待測土壤呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值，確定所述森林生態(tài)系統(tǒng)中各呼吸組分的比例關系，包括：根據(jù)獲取的待測樹木枝條呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值和待測土壤呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值，通過同位素守恒原理和質量守恒原理，獲得森林生態(tài)系統(tǒng)中各呼吸組分的比例關系；其中，所述同位素守恒原理為：δ13ceco×reco＝δ13ctree×rtree+δ13csoil×rsoil，reco為森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量，δ13ceco為森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸δ13c同位素值，rtree為待測樹木枝條呼吸碳通量，δ13ctree為待測樹木枝條呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值，rsoil為待測土壤呼吸碳通量，δ13csoil為待測土壤呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值；所述質量守恒原理為：reco＝rtree+rsoil；獲得的森林生態(tài)系統(tǒng)中各呼吸組分的比例關系fsoil為：可選地，所述獲取所述待測土壤的碳通量，包括：利用與所述土壤氣室相連接的土壤碳通量測量系統(tǒng)，獲取所述待測土壤的碳通量。由上述技術方案可知，本發(fā)明的森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量測定方法，通過獲取預設時間段內目標森林層中不同高度的大氣co2的濃度及大氣co2中的δ13c同位素值，并根據(jù)其獲取森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸δ13c同位素值，獲取預設時間段內目標森林中待測樹木枝條呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值和目標森林中待測土壤呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值，并根據(jù)其確定森林生態(tài)系統(tǒng)中各呼吸組分的比例關系，獲取待測土壤的碳通量，將獲取的待測土壤的碳通量代入森林生態(tài)系統(tǒng)中各呼吸組分的比例關系，獲得森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量，由此，不僅能夠克服箱法低矮、不能對森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量進行連續(xù)觀測的缺點，還能夠克服微氣象法不能應用于復雜地形的限制條件，可以在復雜地形條件的森林生態(tài)系統(tǒng)中更加精確地測定大氣與植物間的碳通量變化，為全球尺度碳循環(huán)過程提供技術支持。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明一實施例提供的一種森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量測定方法的流程示意圖；圖2為本發(fā)明實施例提供的森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量測定方法所利用的裝置的結構示意圖。圖中，1為大氣取樣探頭，2為枝條氣室，3為土壤氣室，4為土壤碳通量測量系統(tǒng)，5為多路器，6為碳同位素分析儀，7為測定標準木。具體實施方式為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他的實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。圖1示出了本發(fā)明一實施例提供的森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量測定方法的流程示意圖，如圖1所示，本實施例的森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量測定方法如下所述。101、獲取預設時間段內目標森林層中不同高度的大氣co2的濃度及大氣co2中的δ13c同位素值。在具體應用中，所述步驟101可以利用圖2中的碳同位素分析儀6配合多路器5，對預設時間段內目標森林層中不同高度的大氣co2的濃度及大氣co2中的δ13c同位素值進行分層測定；其中，所述碳同位素分析儀6通過所述多路器5與多個大氣取樣探頭1相連接，所述大氣取樣探頭1預先設置在待測森林層中不同高度，所述大氣取樣探頭1通過氣體收集管線與所述多路器5相連接。在具體應用中，所述碳同位素分析儀6可以為lgr碳同位素分析儀。具體地，對目標森林層中不同高度進行分層測定的時間可以均包括：緩沖穩(wěn)定時間和實際測定時間；所述緩沖穩(wěn)定時間在前，所述實際測定時間在后，所述緩沖穩(wěn)定時間小于所述實際測定時間。例如，對目標森林層中不同高度每層測定的時間可以為5分鐘，其中，前2分鐘為緩沖穩(wěn)定時間，后3分鐘為實際測定時間。102、根據(jù)獲取的目標森林層中不同高度的大氣co2的濃度及大氣co2中的δ13c同位素值，獲取森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸δ13c同位素值。在具體應用中，所述步驟102可以具體包括：根據(jù)獲取的目標森林層中不同高度的大氣co2的濃度及大氣co2中的δ13c同位素值，利用keeling曲線法，繪制大氣co2中的δ13c同位素值與大氣co2的濃度的倒數(shù)的散點圖(如，可以在excel軟件中繪制)；利用線性方程y＝ax+b，對所述散點圖進行擬合，獲得森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸δ13c同位素值δ13ceco；其中，y為δ13c同位素值，x為大氣co2的濃度的倒數(shù)，b為森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸δ13c同位素值δ13ceco，a為方程參數(shù)。103、獲取預設時間段內目標森林中待測樹木(即測定標準木7)枝條呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值和目標森林中待測土壤呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值。在具體應用中，所述步驟103可以利用圖2中的碳同位素分析儀6配合多路器5，在預設時間段內，分別對安裝在目標森林中待測樹木枝條上的枝條氣室2和安裝在目標森林中待測土壤上的土壤氣室3進行測定，獲得預設時間段內目標森林中待測樹木枝條呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值和目標森林中待測土壤呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值；其中，所述碳同位素分析儀6通過所述多路器5分別與所述枝條氣室2和所述土壤氣室3相連接，所述枝條氣室2和所述土壤氣室3均通過氣體收集管線與所述多路器5相連接。具體地，對枝條氣室2和土壤氣室3進行測定的時間可以均包括：緩沖穩(wěn)定時間和實際測定時間；所述緩沖穩(wěn)定時間在前，所述實際測定時間在后，所述緩沖穩(wěn)定時間小于所述實際測定時間。例如，對枝條氣室2和土壤氣室3進行測定的時間可以均為5分鐘，其中，前2分鐘為緩沖穩(wěn)定時間，后3分鐘為實際測定時間。進一步地，為了獲取更準確的測定結果，所述預設時間段內目標森林中待測樹木枝條呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值和目標森林中待測土壤呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值可以通過多次測量求平均值獲得。104、根據(jù)獲取的待測樹木枝條呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值和待測土壤呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值，確定所述森林生態(tài)系統(tǒng)中各呼吸組分(包括：土壤呼吸和植物呼吸)的比例關系。在具體應用中，所述步驟104可以具體包括：根據(jù)獲取的待測樹木枝條呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值和待測土壤呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值，通過同位素守恒原理和質量守恒原理，獲得森林生態(tài)系統(tǒng)中各呼吸組分的比例關系fsoil；其中，所述同位素守恒原理為：δ13ceco×reco＝δ13ctree×rtree+δ13csoil×rsoil(1)reco為森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量，δ13ceco為森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸δ13c同位素值，rtree為待測樹木枝條呼吸碳通量，δ13ctree為待測樹木枝條呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值，rsoil為待測土壤呼吸碳通量，δ13csoil為待測土壤呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值；所述質量守恒原理為：reco＝rtree+rsoil(2)獲得的森林生態(tài)系統(tǒng)中各呼吸組分的比例關系fsoil為：其中，森林生態(tài)系統(tǒng)中各組分呼吸碳通量的單位為μmol·m-2·s-1，同位素豐度值的單位為‰。105、獲取所述待測土壤的碳通量。在具體應用中，所述步驟105可以利用圖2中的與所述土壤氣室3相連接的土壤碳通量測量系統(tǒng)4，獲取所述待測土壤的碳通量。舉例來說，所述土壤碳通量測量系統(tǒng)4可以為li-8100土壤碳通量測量系統(tǒng)。106、將獲取的待測土壤的碳通量代入所述森林生態(tài)系統(tǒng)中各呼吸組分的比例關系，獲得森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量?？梢岳斫獾氖?，根據(jù)所述森林生態(tài)系統(tǒng)中各呼吸組分的比例關系：可知，而待測土壤的碳通量rsoil已經(jīng)在步驟105中獲取，通過計算可以得到森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量reco。本實施例的森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量測定方法，通過獲取預設時間段內目標森林層中不同高度的大氣co2的濃度及大氣co2中的δ13c同位素值，并根據(jù)其獲取森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸δ13c同位素值，獲取預設時間段內目標森林中待測樹木枝條呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值和目標森林中待測土壤呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值，并根據(jù)其確定森林生態(tài)系統(tǒng)中各呼吸組分的比例關系，獲取待測土壤的碳通量，將獲取的待測土壤的碳通量代入森林生態(tài)系統(tǒng)中各呼吸組分的比例關系，獲得森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量，即采用穩(wěn)定同位素技術對森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸中各組分(包括：土壤呼吸和植物呼吸)進行拆分并確定其比例關系，然后通過測定土壤呼吸碳通量來推導求出森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量，由此，不僅能夠克服箱法低矮、不能對森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量進行連續(xù)觀測的缺點，還能夠克服微氣象法不能應用于復雜地形的限制條件，可以在復雜地形條件的森林生態(tài)系統(tǒng)中更加精確地測定大氣與植物間的碳通量變化，為全球尺度碳循環(huán)過程提供技術支持。為了更好的進行說明，下面以實施地點位于北京市海淀區(qū)首都圈生態(tài)觀測站，在2016年4月1日至4月28日進行測定為例，本實施例的森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量測定方法可以包括：一、如圖2所示搭建森林內大氣取樣探頭1，分別布設于森林內0.05m、2m、5m、8m、12m和18m高度，并安裝枝條氣室與土壤氣室，氣體收集管線經(jīng)由多路器5連接至碳同位素分析儀6，測定森林層中不同高度的的大氣co2的濃度及大氣co2中的δ13c同位素值，以及森林中待測樹木枝條呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值和森林中待測土壤呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值，并在森林內安裝布設li-8100土壤碳通量測量系統(tǒng)4，測定待測土壤的碳通量。具體地，所述碳同位素分析儀6可以運用多點標定法進行儀器校準，多路器5每個通道接入5分鐘，其中，前2分鐘為緩沖穩(wěn)定時間，后3分鐘為實際測定時間。二、根據(jù)獲取的目標森林層中不同高度的大氣co2的濃度及大氣co2中的δ13c同位素值，利用keeling曲線法，在excel軟件中繪制大氣co2中的δ13c同位素值與大氣co2的濃度的倒數(shù)的散點圖；利用線性方程y＝ax+b，對所述散點圖進行擬合，獲得森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸δ13c同位素值δ13ceco；其中，y為δ13c同位素值，x為大氣co2的濃度的倒數(shù)，b為森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸δ13c同位素值δ13ceco，a為方程參數(shù)。在數(shù)值擬合過程中，若大氣co2濃度變化較小，則擬合效果較差，因此本實施例中，每7天對所得大氣數(shù)據(jù)進行一次擬合，線性方程中的截距b即為森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸δ13c同位素值δ13ceco；對于待測樹木枝條呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值δ13ctree和待測土壤呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值δ13csoil，每7日進行一次均值處理。本實施例具體數(shù)值模擬與觀測結果如下表1所示。表1時間δ13ctreeδ13csoilδ13ceco4.1-4.7-27.65-24.35-26.454.8-4.14-29.12-25.35-27.664.15-4.21-28.11-25.67-26.984.22-4.28-28.95-26.13-27.15三、根據(jù)獲取的待測樹木枝條呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值和待測土壤呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值，通過同位素守恒原理和質量守恒原理，獲得森林生態(tài)系統(tǒng)中各呼吸組分的比例關系fsoil；其中，所述同位素守恒原理為：δ13ceco×reco＝δ13ctree×rtree+δ13csoil×rsoil(1)reco為森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量，δ13ceco為森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸δ13c同位素值，rtree為待測樹木枝條呼吸碳通量，δ13ctree為待測樹木枝條呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值，rsoil為待測土壤呼吸碳通量，δ13csoil為待測土壤呼吸產(chǎn)生的co2中的δ13c同位素值；所述質量守恒原理為：reco＝rtree+rsoil(2)獲得的森林生態(tài)系統(tǒng)中各呼吸組分的比例關系fsoil為：其中，森林生態(tài)系統(tǒng)中各組分呼吸碳通量的單位為μmol·m-2·s-1，同位素豐度值的單位為‰。由4月1日至4月28日測定的表1中的數(shù)據(jù)，本步驟可以得到4月1日至4月28日期間，每7日的fsoil分別為：0.467(4月1-7日)、0.493(4月8-14日)、0.504(4月15-21日)和0.461(4月22-28日)。四、利用與所述土壤氣室3相連接的li-8100土壤碳通量測量系統(tǒng)4，獲取所述待測土壤的碳通量，得到4月1日至4月28日期間，每7日待測土壤的碳通量分別為：5.62g·m-2、5.87g·m-2、6.29g·m-2和6.61g·m-2。五、根據(jù)公式可知森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量可以得到4月1日至28日期間，每7日的森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量reco分別為12.04g·m-2、11.90g·m-2、12.47g·m-2和14.34g·m-2。本實施例的森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量測定方法，不僅能夠克服箱法低矮、不能對森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳通量進行連續(xù)觀測的缺點，還能夠克服微氣象法不能應用于復雜地形的限制條件，可以在復雜地形條件的森林生態(tài)系統(tǒng)中更加精確地測定大氣與植物間的碳通量變化，為全球尺度碳循環(huán)過程提供技術支持。本領域普通技術人員可以理解：實現(xiàn)上述方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關的硬件來完成。前述的程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質中。該程序在執(zhí)行時，執(zhí)行包括上述各方法實施例的步驟；而前述的存儲介質包括：rom、ram、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明的權利要求保護的范圍。當前第1頁12