第1章生态系统CO2及其碳同位素浓度与通量的连续观测技术和方法
摘要：碳生物地球化学循环是地球系统物质和能量循环的核心，是岩石圈-土壤圈-生物圈-大气圈-水圈相互作用的纽带。生态系统大气C〇2及其13C〇2和12C〇2(J13C)浓度和通量变化主要受到光合、呼吸过程以及湍流混合的共同作用。白天光合作用对13CO2的判别造成冠层大气CO2的J13C相对富集；而生态系统呼吸过程中发生的后羧化分馏效应、微生物代谢分馏效应以及土壤CO2扩散分馏效应则造成林下大气CO2的J13C更为贫化；生态系统内部CO2的光合再循环过程将相对贫化的CO2作为光合作用底物。湍流混合是生态系统与大气间进行CO2交换的主要渠道，白天近地面热空气上升加速了湍流混合，进而影响这些过程的相对贡献比例及其与外界大气的CO2交换。
目前，红外光谱技术可以实现对CO2浓度及其13CO2和12CO2U13c)浓度的连续观测。生态系统CO2通量及其J13C通量观测技术和方法均必须通过观测CO2浓度或12C〇2和13C〇2浓度来计算CO2通量和J13C通量。浓度是标量，而通量是矢量。现有CO2通量观测技术和方法均需要从标量物质守恒方程出发，通过确定虚拟或现实的边界条件求解CO2通量。
涡度协方差通量技术和大气通量梯度技术是测定生态系统植被-大气界面CO2及其J13C通量的核心手段。涡度协方差技术需要采用快速响应的传感器来观测CO2浓度和垂直风速脉动，并直接计算二者的协方差，得到垂直湍流通量。在没有高频气体分析仪或下垫面风浪区较小的情况下，大气通量梯度技术则可以有效观测生态系统（或土壤）与大气之间的CO2及其J13C通量，同时也可以作为涡度协方差技术的配套观测方法和有益补充。
箱式通量技术和土壤通量梯度技术是测定土壤-大气界面的CO2及其J13C通量的核心手段。根据箱体内CO2浓度变化特征，通常可以分为非稳态（也称为闭路）和稳态（也称为开路）箱式通量观测系统。箱式通量技术可测土壤CO2释放量（或植物器官或整体乃至整个生态系统的CO2通量），而土壤通量梯度技术可测土壤CO2释放量和储存量。土壤通量梯度技术可以有效观测土壤不同深度以及土壤与大气之间的CO2及其J13C通量，同时也可以作为箱式通量技术的配套观测方法和有益补充。
1.1引言
生态系统是地球表层的重要组成部分，是人类生存和发展的物质基础（方精云等，2018)。地球关键带是生态系统的载体，强调从基岩到冠层重新认识整个生态系统的结构和功能（Richter and Billings，2015；温学发等，2019)。CO2、CH4、N2O等是地球大气中重要的温室气体，人类活动大量排放这些温室气体导致增温效应，进而造成全球气候变暖。而陆地生态系统碳（C〇2、CH4)、氮（凡〇）和水（^O)交换通量是表征生态系统碳-氮-水稱合循环及其变异的重要指标（Baldocchi，2008；Yu et al.，2012)。生态系统碳、氮和水交换主要发生在植被-大气和土壤-大气界面，主要通过生物（植物叶片、根系、土壤微生物等）的生理活动和代谢活动将生态系统复杂的碳-氮-水耦合循环过程联结起来。通过对生态系统植被-大气、土壤-大气界面碳氮水通量的监测，可厘清生态系统这两大界面的碳-氮-水交换通量的计量平衡关系及其制约机制（Ainsworth and Rogers，2007)。
由于同位素分馏效应的存在，生态系统各碳氮水库以及各库之间碳氮水交换通量的同位素组成是有差异的，根据这些差异可以建立它们之间的联系，并明确植被-大气和土壤-大气界面碳氮水的交换过程与机制（Bowling et al.，2008；Werner and Gessler，2011;林光辉，2013;Sullivan et al.，2017)。红外光谱技术的发展使得大气温室气体（如CO2、CH4、N2O和H2O)及其同位素和的高时间分辨率和高精度的原位连续观测成为可能（Wingate et al.，2010a;Tanaka et al.，2013;Wen et al.，2013)。
温室气体由于在全球气候变化中的主导地位更是受到特别关注（Forster et al.，2007)。目前，祸度协方差（eddy covariance，EC)通量技术（Baldocchi et al.，1988;Massman and Lee，2002)、箱式通量技术（Lundegardh，1927;Davidson et al.，2002)、大气或土壤通量梯度技术（Baldocchi et al.，1988;Schack-Kirchneretal.，2001)是常用的植被-大气和土壤-大气界面温室气体通量观测技术和方法。然而，上述这些方法在基本原理、科学假设和应用限制等方面具有明显的区别与联系（温学发，2020)。
碳循环是地球系统物质和能量循环的核心，是地圈-生物圈-大气圈相互作用的纽带。红外光谱技术可以实现CO2浓度或12CO2和浓度的连续观测（Wen et al.，2013;Chen et al.，2017)，其与涡度协方差通量技术、大气通量梯度技术结合，或与箱式通量观测技术、土壤通量梯度技术结合，可以分别实现植被-大气界面和土壤-大气界面CO2通量及其J13C通量的长期连续观测。目前，研究者已经利用涡度协方差通量技术对全球陆地生态系统碳通量的时空格局及其环境驱动机制开展了大量的研究工作（于贵瑞等，2006;Baldocchi，2008)。虽然单个站点的生态系统碳交换过程及其控制因素存在较大差异，但在区域尺度上植被-大气界面碳通量的时空格局主要受温度和降水的控制（Yu et al.，2012)。近年来，科学家已经将植被类型、群落演替、叶面积指数、物种组成、物候过程、冠层和叶片结构等生物学参数用于解析生态系统碳通量的变异(Duursma et al.，2009;Prescher et al.，2010;Zenone et al.，2011)。
生态系统植被-大气、土壤-大气界面CO2通量及其J13C通量的长期连续观测是研究生态系统碳过程及其与大气碳交互作用的重要手段（Flanagan and Ehleringer，1998)。目前CO2通量及其通量的长期连续观测数据被广泛用于净生态系统碳交换量（net ecosystem exchange，NEE)(又称生态系统净交换）的组分拆分（Zhang et al.，2006；Wehr et al.，2016;Chen et al.，2019)、夜间生态系统呼吸估算、生态系统内部CO2的光合再循环比例确定（Sternberg，1989;Sternberg et al.，1997)以及水分利用有效性评价（Giammarchi et al.，2016;Rosa et al.，2019)等方面。
本章系统综述了生态系统CO2及其碳同位素的浓度与通量的连续观测技术和方法。重点概述了生态系统通量观测技术和方法所涉及的CO2浓度与通量、CO2同位素比值与通量比值的基本概念及术语，阐述了生态系统CO2及其碳同位素的浓度和通量特征及其影响因素，综述了生态系统通量观测技术和方法的现状及其应用进展，为支撑生态系统温室气体通量及其循环过程研究提供了有效的技术支持。
1.2基本概念及术语
生态系统通量观测技术和方法均需通过观测CO2浓度或12CO2和13CO2浓度计算得到CO2通量及其J13C通量。需要客观理解CO2浓度与CO2通量、CO2同位素比值与CO2同位素通量比值之间的区别与联系。
1.2.1CO2浓度与通量
CO2通量需要通过计算CO2浓度的变化量确定，CO2浓度只有数值大小而没有方向，CO2通量具有数值大小和方向。质量密度、摩尔浓度、质量混合比和摩尔混合比等是表示CO2浓度的不同物理变量，其单位间可以进行相互转换。
1.2.1.1 CO2浓度与通量的关系
CO2浓度只有数值大小，而没有方向。CO2在大气中的浓度可以用质量密度、摩尔浓度、质量混合比和摩尔混合比这四种方式表示（Aubinet et al.，2012)。质量密度/p是指在一定的温度和压力下，CO2在单位体积空气中的质量，常用单位mg/m3;摩尔浓度cc是指在一定的温度和压力下，CO2在单位体积空气中的摩尔数，常用单位^mol/m3;质量混合比兄是指CO2质量与干空气质量之比，常用单位mg/kg;摩尔混合比x是指CO2的摩尔数与干空气摩尔数之比（也等于CO2分压与干空气分压的比值)，常用单位。变量间的单位转换与理想气体定律、道尔顿分压定律相关联（Lee，2018)。
这些变量中只有质量混合比和摩尔混合比在温度、气压和水汽含量发生变化时是守恒量（Foken，2008;Burba，2013;Lee，2018)。目前，红外光谱技术是测定CO2浓度及其12CO2和13CO2浓度的核心技术，红外光谱气体浓度分析仪直接测量的CO2浓度是质量密度或摩尔浓度，该变量在热传导、空气压缩/扩张和水汽蒸发扩散过程中是非守恒量，会随着温度、气压和水汽等环境条件的变化而变化，所以在实际测量CO2质量密度或摩尔浓度时需同时测量空气温度、大气压力和水汽浓度（Webb et al.，1980；Baldocchi，2003，2008，2014)。
CO2通量是指在流体运动中，单位时间内通过某单位面积的CO2量，是表示CO2输送强度的物理量。CO2通量既有大小又有方向。根据CO2通量的定义，当生态系统CO2浓度发生变化时将产生CO2通量。由于空气温度、大气压力和水汽浓度的变化对CO2质量密度或摩尔浓度存在影响，因此当观测的CO2浓度为质量密度或摩尔浓度时，需要考虑空气中水热通量条件变化对CO2通量的影响（Burba，2013)。例如，假设在一个水泥地面上方某高度设置仪器观测CO]通量，当太阳辐射加热地表时，地表温度增加。根据理想气体定律，当地表温度增加时，气体需要扩散以维持压力不变，空气的扩散导致仪器观测到CO2的质量密度或摩尔浓度发生变化，进而观测到CO2通量，但这一通量并不是水泥地面自身产生的（水泥地面不产生CO2)，此CO2通量为虚假通量，在通量观测中需要进行校正；但在加热气体扩散过程中CO2质量混合比是不变的，是一个守恒量，因为其没有变化，所以可以真实地反映出水泥地面没有CO2通量产生（Massman and Lee，2002；Foken，2008；Lee，2018)。
1.2.1.2 CO2浓度单位转换方法
质量密度凡、摩尔浓度C。、质量混合比Sc和摩尔混合比Xc等表示CO2浓度的不同物理变量可以利用理想气体状态方程和道尔顿分压定律进行单位转换。
(1)理想气体状态方程和道尔顿分压定律
对于单一气体，理想气体状态方程表示为
PV=nRT (1-1)
式中，P表示气压，单位Pa；V表示体积，单位m3；n表示物质的量，单位mol；R表示普适气体常数8.314J/(mol.K)；T表示绝对温度，单位K。
理想气体状态方程可以进一步表示成气压、密度和温度相联系的形式（Lee，2018)，因此，干空气、水汽和CO2理想气体状态方程分别为
Pd=PdRdT (1-2)
Pv=PvRvT (l-3)
Pc=PcRcT (1-4)
式中，Pd、Pv和Pc分别为干空气、水汽和CO2的分压强。
干空气、水汽和CO2的理想气体常数分别为
(1-5)
(1-6)
(1-7)
式中，Md=29g/mol、Mv=18g/mol和Mc=44g/mol分别为干空气、水汽和C〇2的摩尔质量。
对于湿空气，需将混合的气体各组分视为理想气体，而各组分之间又无化学反应。根据道尔顿分压定律，每一种气体都均匀地分布
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