1、第 卷第 期 年 月生态学报 ，：基金项目：国家自然科学基金联合基金项目（）；青海省科技厅创新平台建设专项（）；中国气象局创新发展专项（）收稿日期：；网络出版日期：通讯作者 ：王秀英，周秉荣，苏淑兰，周华坤，杜华礼，张睿青藏高原高寒草甸和荒漠碳交换特征及其气象影响机制生态学报，（）：，（）：青藏高原高寒草甸和荒漠碳交换特征及其气象影响机制王秀英，周秉荣，苏淑兰，周华坤，杜华礼，张 睿，青海省气象科学研究所，西宁 青海省防灾减灾重点实验室，西宁 中国科学院西北高原生物研究所，西宁 摘要：以青藏高原玛沁地区高寒草甸和沱沱河地区高寒荒漠草原为观测研究站，利用涡动协方差技术获取高寒生态系统水平上的 通
2、量以及水和能量通量，通过、随机森林（，）进行了数据后处理，探究了不同下垫面典型环境因子对净生态系统 交换量（，）的影响机制。结果表明：）玛沁高寒草甸在 月以吸收为主，表现为碳汇，吸收峰值出现在：（北京时，下同）之间，而在、月以排放为主，表现为碳源，排放峰值出现在：之间；沱沱河高寒荒漠在 月以吸收为主，表现为净碳汇，吸收峰值出现在：之间；整个生长季前后（月），玛沁和沱沱河的累计 分别为 和 ，都表现为碳汇。）不同尺度不同下垫面，气象因子对 的重要程度不同，小时尺度上，高寒草甸辐射对 的重要性最大，高寒荒漠草原蒸散发对 的重要性最大；日尺度上，高寒草甸土壤含水率对 的重要性最大，高寒荒漠草原风速对
3、 的重要性最大；）生态系统呼吸（，）和 都受到总初级生产力（，）的显著限制，高寒荒漠草原 对 的影响远大于高寒草甸 对 的影响；）与蒸散发呈显著相关性，表明水分条件是控制高寒草甸和高寒荒漠草原碳和水收支变化的最重要因素。关键词：高寒草甸；高寒荒漠草原；涡动协方差；净生态系统 交换量（），：，（），（），：），：（，），：，：；（），），（）（），（），（）（）（）（），；，），），：；（）陆地生态系统碳平衡是生态系统物质能量循环的关键生态过程，对生态系统碳水循环有着不容忽视的影响。它既是地表能量平衡的组成部分，也是碳水循环过程中的重要项目之一。定量评估碳收支是生态系统与全球变化研究的重要任务。
4、净生态系统 交换量（）是指生态系统中植物光合作用、冠层空气中的碳储存和生物及非生物呼吸消耗的碳排放引起的生态系统碳蓄积的变化量。它主要从通量观测的角度，反应生态系统碳的收支情况，决定着地表生态系统“汇源”或者“源汇”的转变过程。青海地处我国西北干旱半干旱地区，其高寒生态系统的碳平衡对气候变化极其敏感，因此，在不断变化的气候中精确测定和估算青藏高原高寒生态系统的碳通量，阐明高寒生态系统碳通量的空间格局和环境驱动因素，对于准确评估青藏高原生态系统碳平衡和碳气候至关重要，该地区的 有助于科学了解青藏高原高寒沼泽湿地生态系统的碳通量特征及其影响因子，对评价青藏高原生物地球化学循环对全球变化的响应和反馈
5、具有重要的科学意义。随着地表能量交换和物质迁移研究的深入及碳减排的迫切要求，的观测研究越来越受到国内外学者的重视。涡度协方差法是测量大气和各种生态系统之间碳收支的最有用的方法之一，其以物理学基础坚实、测量精度高、不破坏下垫面的优点，自 世纪 年代开始，被广泛应用于测量大气与地表的物质和能量交换。目前，基于涡动协方差技术（，）对不同生态系统碳收支状况及其影响因子的研究陆续展开，朱志鹍等（）表明高寒草甸生态系统通过光合作用固定的碳，大部分通过呼吸作用消耗，并且在生长季，受光合有效辐射的影响较大。青藏高原 通量的大小和空间格局决定了青藏高原区域陆地碳平衡。高寒草甸和高寒荒漠草原是青藏高原的主要植被类
6、型。青藏高原生态系统生长在极端恶劣的环境中，其特点是年平均气温和降雨量低、太阳辐射和风速高、土壤养分和水的可用性有限、生长季节短。因此，这些高寒生态系统对气候变化异常脆弱和敏感，以往的研究都集中于单站和稳定的生态系统 通量及其影响因素，其研究结果是否能够准确评估青藏高原陆地碳收支和影响因素具有局限性，并且，大多数研究仅考虑了研究区域内的多种植被类型，无法揭示单一植被类型的主要环境因素。此外，由于极端困难和偏远地区 通量观测和数据共享政策的限制，涡度协方差通量数据的获取程度大，缺乏对多种生态系统碳通量的综合研究。高寒草地生态系统因环 期 王秀英 等：青藏高原高寒草甸和荒漠碳交换特征及其气象影响机
7、制：境变化，在不同时期可能是碳汇、碳源或碳中性。因此，深入了解高寒草地生态系统碳水通量的主要影响因素，是确定气候变化下区域碳水平衡预测的关键，对青藏高原不同下垫面通量数据研究和对比分析，可以更深入地了解青藏高原 通量的空间格局和环境影响因素。由于辐射、温度、降水、冠层覆盖和养分有效性等不同环境和生物因素的影响，高寒生态系统的碳通量会表现出较大的空间差异性，因此，气候变化对青藏高原不同植被类型生态系统碳源或碳汇动态的影响机制目前还不十分明确，尤其是不同下垫面类型的生态系统碳通量的日、月、季特征变化更具有不明确性。针对上述青藏高原不同下垫面、多站点 通量不确定性的研究现状，文中以青藏高原高寒草甸和
8、高寒荒漠草原生态系统为研究对象，利用涡度相关系统观测的 数据，分析了 通量在不同时间尺度和不同下垫面的变化特征，准确评估和比较不同下垫面下的碳收支状况，并探究了气象因素对高寒草甸和高寒荒漠草 通量的影响机制，为青藏高原高寒草甸和高寒荒漠草原碳水循环研究提供参考和数据支持。材料与方法 站点描述试验地位于中国气象局青海高寒生态气象野外科学试验基地大武试验站（简称玛沁站）和沱沱河试验站（简称沱沱河站）（图）。玛沁站位于青海省果洛州玛沁县大武镇，海拔 ，位于东经，北纬，下垫面植被类型为典型的高寒草甸生态系统。样地植物群落建群种为矮嵩草（），主要伴生种有小嵩草（）、早熟禾（）、细叶亚菊（），样地土壤类型
9、以高山草甸土（）和高山灌丛草甸土（）为主。玛沁年平均气温为，年均降水量为 。沱沱河站位于青海省格尔木市唐古拉山镇附近，海拔 ，位于东经，北纬，下垫面植被类型为典型的高寒荒漠化草原生态系统。主要牧草种类有高山嵩草（）、矮嵩草（）、苔草（），样地土壤类型为高山草甸土为主。年平均气温，年平均降水量 ，年平均日照时数为 ，年大风日数在 之间。文中涉及的地图是基于中国人民共和国自然资源部地图技术审查中心标准地图服务系统下载的审图号为（）的中国地图（世界地图）制作，底图无修改。图 研究区概况 研究方法 数据观测玛沁站和沱沱河站的涡度相关系统分别始建于 年和 年，玛沁站涡动协方差塔高为 ，沱沱河站为 。在每
10、个塔上，安装了一台三维超声风速仪（，美国坎贝尔科学公司）和一台开放式红生 态 学 报 卷：外二氧化碳和水蒸气分析仪（，美国利科公司），用于测量 下的三维风速和二氧化碳和水蒸气浓度。为了处理原始数据收集，在使用开源软件 去除峰值、二维坐标旋转、时间滞后补偿和密度波动校正后，计算半小时平均 和。观测项目还包括微气象观测，微气象观测系统具体观测项目包括气压、四分量辐射（）、光合有效辐射（）、风速（）、空气温湿度（）、土壤温湿（）、土壤热通量（）；其供电和数据采集的配件参数分别为：配置一块 太阳能板（沱沱河为三块），块 的胶体电池和一块 数采（沱沱河为一块 数采）。数据处理在通量观测过程中，由于仪器故
11、障、天气状况、大气稳定度和供电系统故障等因素，会产生数据缺失，据统计，在欧洲通量网和美洲通量网的观测中，数据具有较高的缺失比率，一年中有 的观测数据会缺失和被剔除，给通量塔数据的应用带来困难，因此，如何建立有效合理的数据插补方法来形成完整和可靠的碳通量数据集成为当前函待解决的问题。本文中利用 语言中开发的 包进行数据插补，插补方法包括四部分：第一，异常值监测和剔除（算法）；第二，计算夜间摩擦风速阈值。当夜间大气湍流运动较弱时，摩擦风速降低，涡动相关系统测量 会出现低估的现象，。为避免夜间 数据出现系统性偏差，通常需要判断出摩擦风速阈值，从而剔除低于摩擦风速阈值的。第三，插补。筛选出的具有时间序
12、列缺口的通量数据以及缺失数据需要利用现有的通量数据和气象测量数据进行插补，从而得到完整的时间序列下的通量值；第四，根据总初级生产力（）、生态系统呼吸作用（）和 三者关系进行通量划分，即。夜间 数据拆分方法是假设 只与温度变化有关，且夜间植被只进行呼吸作用，因此可以通过夜间 对温度的响应变化曲线推出白天植被的 变化，最后根据以上关系式求出。白天 数据拆分方法是将白天 和总辐射的关系假设为 和 对 的影响以及温度对 的影响的综合。这些总通量对于理解陆气相互作用至关重要。统计分析玛沁站和沱沱河站研究数据选取 年 月的涡度相关系统所观测的原始数据（其它观测时段缺测），数据质量等级选取 和（为 表示数据
13、质量最高，为一般，为较差）。观测数据缺失状况如表 所示，年数据平均缺失率为。其中，月缺失情况最严重（），其次为 月和 月（），月缺失率最低（）。算法中使用风速（）、总辐射（）、水汽压饱和差（）、空气温度（）和相对湿度（）进行 滤除、插补和拆分，再合、净辐射（）、土壤温度（）、土壤含水率（）、土壤热通量（）、蒸散发（）等气象因子，分析净生态系统 交换量对环境驱动因子的敏感性，这对于解释陆气相互作用和改进地球系统模型具有重要意义。表 研究区 观测数据缺失统计表 站名 级占比 级占比 级占比 缺失值占比 玛沁沱沱河选用决定系数、均方根误差、绝对平均误差 评价 算法插补精度，以及模拟值与观测值之间的相
14、关性与离散程度，两站的具体参数如表 所示。期 王秀英 等：青藏高原高寒草甸和荒漠碳交换特征及其气象影响机制：表 算法插补精度 站名 玛沁沱沱河 ：皮尔逊相关系数 ；：决定系数 ；：均方根误差 ；平均绝对误差 结果与分析 不同时间尺度变化特征 月交换特征玛沁站和沱沱河站 如图 所示，玛沁在 月以净吸收为主，表现为碳汇，月净吸收达到最大，为 。在、月以排放为主，表现为碳源，月排放速率达到最大，为 ；沱沱河在 月都以净吸收为主，表现为碳汇，月净吸收达到最大，为 。图 展示了两站的 月变化特征，随着年内植被结构的发展，碳吸收量增加，直到生长季中期达到最大值。图 年 月变化特征 日交换特征玛沁站和沱沱河
15、站日 如图 所示，玛沁日平均 为 ，日吸收峰值为，出现在 月 日，日排放峰值为 ，出现在 月 日；沱沱河日平均 为，日吸收峰值为 ，出现在 月 日，日排放峰值为 ，出现在 月 日。小时交换特征由于月尺度的 变化存在显著差异性，因此分析每月的小时平均 变化来表征 在一天中的变化特征（图）。玛沁吸收峰值为 ，出现在：之间，排放峰值为 ，出现在：之间；沱沱河吸收峰值为 ，出现在：之间，排放峰值为 ，出现在：左右。图 看出，高寒草甸和高寒荒漠草原、月的 的日变化范围相近，、月 的日变化范围差异性明显，玛沁白天表现为强碳汇，有着较好的日固碳能力，沱沱河 的日波动浮动较为平缓，白天表现为弱碳汇。累计 日尺
16、度上，年玛沁和沱沱河日平均 分别为 和 。月尺度上，年玛沁和沱沱河月平均 分别为 和 。年际尺度上，年玛沁 月累积 为 ，相比之下沱沱河的累积 为 。生 态 学 报 卷：图 日变化趋势 图 小时平均变化趋势 环境变化对 的影响及其机制 环境变量的动态变化特征净生态系统 交换量因为环境、水文、土壤、植被类型等诸多因素表现出不同的日变化、季节变化规律，进而表现出不同的碳收支情况，研究不同下垫面生态系统地气间的 交换特征，首先需要分析研究区域的气象、水文因子的变化特征。图 展示了玛沁高寒草甸和沱沱河高寒荒漠草原生态系统的、等气象要素的变化特征。可以发现，两个生态系统下，各气象因子变化量不同，尤其、表现出了非常大的差别。玛沁 月 变化幅度为，平均 为，沱沱河 月 变化幅度为，平均 为，相差量达到两个数量级；玛沁 月 变化幅度为 ，平均 为 ，沱沱河 月 变化幅度为 ，平均 为 ，平均辐射相差量达到近 倍。环境因子重要性分析机器学习算法随机森林（，）具有很强的抗噪声能力和很高的抗过拟合和欠拟合能 期 王秀英 等：青藏高原高寒草甸和荒漠碳交换特征及其气象影响机制：图 气象因子动态变化特征 力，可以
