基于稳定同位素的典型森林生态系统水、碳过程及其耦合机制研究

Beijing mountainous area is an important component of the soil rock mountain region of north China, the forest ecosystem is an important ecological barrier of social economic development in north China. Currently, Forest ecosystem water, carbon process is the biophysical process on material circulation and energy exchange of the earth surface layer system. at the leaf scale, instantaneous water transpiration and photosynthesis processes are well understood and have been well quantified, however, how to determine the water, carbon exchange process in the longer time scales (day, month, season, year) and larger space scale (ecosystem scale) remains unclear. This study, using the stable isotope technology, intended to investigate Platycladus orientalis in Beijing mountainous area, so we grasp the variations of hydrogen and oxygen stable isotopes characteristics of air, plants and soil in typical forest ecosystem based on different time scales, the quantitative expressions of water flux, net carbon flux and their components can be achieved, and then, we establish the coupling relationship of water and carbon and the change process at the system scale. At the leaf/plant scale, the coupling relationship of water and carbon and the change process can be carried out through through the controlled experiments, and determine optimal interval of water and carbon coupling. So we discuss the relationship of water carbon coupling in different scales, then illuminate the mechanisms, it contribute to reveal typical forest ecosystem water-carbon adapting and change process under different environmental conditions in Beijing mountainous area.

北京山区是华北土石山区的重要组成部分，其森林生态系统是华北地区社会经济发展的重要生态屏障。森林生态系统碳、水过程是地球表层系统物质循环与能量交换的基本生物物理过程，尽管目前在叶片尺度的瞬时水分蒸腾过程和光合过程能够被很好地理解和量化，而怎样确定更长时间尺度（时，日，月，季，年）以及更大空间尺度（生态系统尺度）上的水、碳交换过程仍然不清楚。研究拟以北京山区典型森林生态系统侧柏为研究对象，利用稳定同位素技术，基于不同时间尺度，掌握典型森林生态系统大气、植物和土壤等的碳氢氧稳定同位素时空变化特征，实现系统水分通量和净碳通量及其各组分构成的定量表达，了解系统尺度水、碳耦合关系与变化过程，通过可控实验阐明叶片/单株尺度植物水、碳耦合关系与变化过程并确定水、碳耦合最优区间，多尺度研究和整合水、碳耦合关系与变化过程，阐明水、碳耦合机制，揭示北京山区在不同环境条件下典型森林生态系统水、碳适应与变化过程。

研究生态系统水、碳过程及其耦合机制，有助于提高对地球表层物质交换和能量循环的认识。本研究采用野外定位观测和采样、室内控制实验、遥感数据收集等科学实验方法，结合理论分析、数值模拟等，完成了对北京山区侧柏林生态系统水分通量和净碳通量组分定量解析，并整合了多尺度（叶片、单株、生态系统、区域）水、碳过程及其耦合机制究。研究结果显示：（1）在较短的时间尺度（小时），用非稳态模型对蒸散通量进行定量拆分的效果较好，而在长时间尺度（天、月）上，稳态模型的拆分结果与实测值更接近。日尺度上，蒸腾占总的蒸散的比例介于80.21% ~ 89.72%。通常在12:00~16:00达到最大值。季节尺度上，蒸腾占总的蒸散的比例为59.03% ~ 90.07%，在生长旺盛季达到最大。（2）获得到了不同通量之间的比例关系。在生长季期间，土壤呼吸通量占据整个生态系统呼吸通量的大部分，均值为66%；结合土壤呼吸通量，得了山区森林系统的光合通量、呼吸通量以及净碳通量。（3）分析叶片瞬时、短期（几小时到几天）、长期（年）水分利用效率随环境变化特征，构建了叶片水、碳耦合函数。探究单株瞬时、短期（昼夜平均）水分利用效率对环境条件的响应，认为其均在800ppm×50%-60%田间持水量时达阈值，并构建了单株尺度水、碳耦合模型；明确1880~2016年侧柏长期（年）水分利用效率呈极显著增长趋势，预测侧柏、油松、刺槐和栓皮栎内禀水分利用效率2100年~2160年之间达到最高值。分析了北京山区和城区生态系统水分利用效率随时间的变化模式，量化了水分利用效率与环境因子之间的相互关系。最后，识别了区域水分利用效率的变化模式，认为华北土石山区2000-2018年间通过蒸散发每损失1mm的水分，由植被生长固定下来的CO2大约有0.985g。结果对平衡区域固碳和耗水的矛盾具有重要意义，可以为区域植被管理和营建提供科学支撑。