华北低丘山地人工林碳收支和水碳耦合关系对干旱的响应

华北低丘山地是我国林业生态建设的重点区域。季节性干旱对当地针阔叶混交人工林生长发育有显著影响。基于涡度相关技术和密闭箱法研究不同时间尺度水分变化对该生态系统净碳交换（NEE）、总初级生产力（GPP）、净初级生产力（NPP）、生态系统呼吸和冠层呼吸的影响；确定人工林碳源/碳汇转换的水分阈值。基于密闭箱/红外分析法和挖沟法研究栓皮栎、刺槐和侧柏三种典型人工林的表观土壤呼吸、土壤异养呼吸和根呼吸的变化特征，揭示温度、水分协同变化对土壤呼吸及其组分的影响。采用NPP计算生态系统水分利用效率，较为真实地反映人工林生态系统的水分利用状况。研究大气和土壤湿度、冠层表面阻力对人工林水、碳耦合关系的影响，确定人工林水分利用效率最大时的水分阈值，有助于揭示人工林生态系统对干旱的响应机制。为暖温带人工林的碳汇功能评价和林业碳汇对策研究提供科学依据。

森林在陆地生态系统碳循环和水循环中起着举足轻重的作用。生态系统水分利用效率（WUE）是反映生态系统尺度水循环和碳循环耦合关系的一个重要的生理生态指标。本研究采用自然13C丰度法对华北低丘山地刺槐人工林土壤呼吸组分进行了区分；利用涡度相关系统对该地区人工林生态系统水、热、CO2通量及其环境和生物因子进行了连续多年的观测，研究了该生态系统能量闭合状况，分析和讨论了碳吸收、WUE对环境因子的响应机制。结果表明：在植物旺盛生长季，刺槐人工林根际微生物呼吸、纯根呼吸和土壤微生物呼吸占土壤呼吸比例分别为：19.3%、12.8%、67.9%。土壤温度对纯根呼吸和根际微生物呼吸占土壤呼吸比例有一定影响。本研究站点存在21%的能量不闭合。涡度相关法估算的CO2储存通量比廓线法所得结果偏低9%。在日、年尺度上，冠层CO2储存通量在净生态系统碳交换（NEE）中仅占0.4%和4.1%。因此，在日和年尺度上计算黄河小浪底人工林NEE时，CO2储存通量可以忽略。人工林主要生长季初始光能利用效率（α）和生态系统呼吸（Rec）最大值出现于温度范围在25~30℃之间，最大光合作用速率（Pmax）最大值出现于温度在20~25℃之间。2006~2008年生长季，在多云天气下，Pmax比晴朗天气下分别提高了38%、58%和55%；多云天气下α分别是晴天天气的2.6、1.9和2.2倍。晴空指数kt约为0.44的中等辐射条件下，即天空存在一定的云量时，人工林生态系统的净碳吸收最大。当干旱时，人工林净吸收的CO2量明显减少。当冬季发生干旱时，基础呼吸（R0）会下降，Q10则增加。2006~2010年研究期间，人工林NEE、总初级生产力（GPP）、Rec平均分别为-355、1196、841 g C•m-2•yr-1。华北低丘山地人工林是一个强的大气CO2汇。人工林年际间净碳吸收的差异主要与春季干旱有关。人工林生态系统WUE的年际波动范围在1.76~2.41 g C•kg-1 H2O之间。WUE的年际变化与5月份土壤湿度具有显著的负相关关系。生长季，人工林生态系统WUE随VPD的增加显著降低，随总辐射的增强而线性降低。人工林GPP在多云天气下比晴天天气条件下提高了9%~39%，蒸散降低了8%~26%，生态系统WUE提高了29%~72%。