本书以近地边界层大气科学的基本理论为基础，从标量物质守恒方程出发，系统论述了植被-大气和土壤-大气界面CO2及其碳同位素通量连续观测所涉及的基本原理、系统设计、仪器安装、数据质控及应用实践等。主要内容包括：生态系统CO2及其碳同位素的浓度和通量特征及其影响机制，CO2及其碳同位素的浓度与三维风速的测量技术和方法，涡度协方差通量、箱式通量和通量梯度连续观测方法与技术的理论与实践，通量方法与技术在生态系统和土壤碳通量组分拆分中的应用等。
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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 1
1.1 引言 2
1.2 基本概念及术语 3
1.2.1 CO2浓度与通量 3
1.2.2 CO2同位素比值与通量比值 6
1.3 生态系统CO2及其碳同位素浓度和通量 9
1.3.1 生态系统CO2浓度和通量的影响因素 9
1.3.2 生态系统CO2产生与转化过程及其碳同位素效应 10
1.3.3 生态系统CO2及其碳同位素浓度和通量的变异特征 13
1.4 生态系统通量观测技术和方法 15
1.4.1 通量观测技术原理与应用 15
1.4.2 植被-大气间通量观测技术和方法 17
1.4.3 土壤-大气间通量观测技术和方法 19
参考文献 21
第2章 植物光合与呼吸过程CO2及其δ13C变异特征与驱动机制 28
2.1 引言 28
2.2 植物碳过程及其同位素效应概述 30
2.2.1 植物光合与呼吸作用的碳过程概述 31
2.2.2 植物光合与呼吸过程的碳同位素效应概述 31
2.3 植物光合与呼吸作用的碳过程 32
2.3.1 植物叶片结构及其碳过程 32
2.3.2 植物茎干结构及其碳过程 34
2.3.3 植物根系结构及其碳过程 36
2.4 植物光合与呼吸过程的碳同位素效应 37
2.4.1 植物光合过程的同位素效应 38
2.4.2 植物后羧化过程的同位素效应 41
2.4.3 不同碳过程及其同位素效应下植物的δ13C特征 45
2.5 应用实践与研究进展 46
2.5.1 碳分配模式与驱动机制 46
2.5.2 生态系统光合与呼吸组分拆分 47
2.6 结论与展望 48
参考文献 49
第3章 土壤呼吸CO2的产生和迁移过程及其同位素效应 55
3.1 引言 56
3.2 土壤CO2产生过程及其同位素效应 57
3.2.1 植物源CO2及其同位素效应 58
3.2.2 土壤有机质源CO2及其同位素效应 60
3.2.3 非生物源CO2及其同位素效应 63
3.3土壤 CO2气态迁移过程及其同位素效应 64
3.3.1 土壤有机碳积累与损失形式及其过程 64
3.3.2 气体扩散迁移过程及其同位素效应 65
3.3.3 气体非扩散迁移过程及其同位素效应 67
3.4 土壤CO2非气态形式的迁移过程及其同位素效应 68
3.4.1 土壤溶解无机碳迁移过程 68
3.4.2 土壤CO2溶解与迁移过程的影响机制 70
3.4.3 土壤CO2溶解与迁移过程的同位素效应 74
参考文献 76
第4章 同位素质谱技术测定CO2碳同位素组成的分析误差校正与数据标准化 86
4.1 引言 87
4.2 仪器原理、组成及分类 88
4.2.1 仪器工作与测定原理 88
4.2.2 仪器组成及其现状 89
4.2.3 样品测试与数据分析 90
4.3 仪器性能确认与维护 92
4.3.1 仪器性能确认 92
4.3.2 仪器日常维护 93
4.4 分析误差来源及其校正方法 94
4.4.1 记忆效应和时间漂移及其校正方法 94
4.4.2 信号强度依赖性及其校正方法 95
4.5 标准物质及数据标准化 100
4.5.1 标准物质的选择 100
4.5.2 数据标准化方法 103
4.5.3 降低标准化不确定性方法 104
4.6 存在问题及注意事项 104
4.6.1 样品代表性与有效转化 105
4.6.2 仪器信号强度与样品进样量的权衡 105
4.6.3 分析误差校正与数据标准化方法 105
4.6.4 数据精度和准确度评价 106
4.6.5 仪器的常规维护 106
参考文献 106
第5章 气体浓度红外光谱测量技术的原理与假设及其在通量观测中的应用进展 109
5.1 引言 110
5.2 仪器原理、组成及应用分类 111
5.2.1 气体选择性吸收与比尔-朗伯定律 111
5.2.2 仪器结构组成及其应用分类 112
5.2.3 商业化仪器现状. 115
5.3 仪器设计的理论要求及假设 116
5.3.1 保证红外光谱选择性吸收 116
5.3.2 保证气体选择性吸收信号强度 118
5.3.3 保证有效信号检测与采集频率 120
5.3.4 避免仪器零点和跨度漂移 122
5.4 仪器安装、维护与性能评价 123
5.4.1 仪器安装、调试与运行维护 123
5.4.2 仪器维护要点 127
5.4.3 仪器性能评价方法 129
5.5 应用实践与研究进展 130
5.5.1 与涡度协方差通量技术结合 130
5.5.2 与通量梯度或箱式通量技术结合 132
5.6 存在问题与研究展望 134
5.6.1 气体浓度观测的注意事项 134
5.6.2 气体通量观测的注意事项 135
参考文献 137
第6章 三维风速测量技术的原理与假设及其在通量观测中的应用进展 142
6.1 引言 142
6.2 测量原理及应用分类 144
6.2.1 三维风速与坐标系 144
6.2.2 仪器原理及其分类 146
6.2.3 商业化风速仪器现状 150
6.3 仪器设计的理论要求与假设 153
6.3.1 高频三维风速仪器的理论要求与假设 153
6.3.2 低频一维风速仪器的理论要求与假设 158
6.4 仪器安装、维护与数据质量评价 159
6.4.1 仪器安装注意事项 159
6.4.2 仪器维护注意事项 162
6.4.3 数据质量评价注意事项 163
6.5 应用实践与研究进展 164
6.5.1 高频风速测量及其应用进展 164
6.5.2 低频风速测量及其应用进展 166
6.6 存在问题与研究展望 167
6.6.1 高频风速测量设备 167
6.6.2 低频风速测量设备 168
参考文献 169
第7章 涡度协方差通量观测技术和方法的理论、假设与应用进展 173
7.1 引言 174
7.2 基本原理、假设与系统分类 175
7.2.1 大气边界层及湍流运动 175
7.2.2 CO2湍流通量的理论推导与假设 176
7.2.3 开路和闭路涡度协方差系统 179
7.3 系统设计的理论要求与假设 180
7.3.1 有效捕捉湍流运动的高频和低频湍涡 180
7.3.2 通量测定准确性不受外界条件改变的干扰 182
7.4 系统安装、维护与性能评价 184
7.4.1 仪器安装与维护 184
7.4.2 仪器性能与数据质量评价 186
7.5 应用实践与研究进展 188
7.5.1 通量观测仪器、技术和方法 188
7.5.2 生态系统通量特征、过程与机理研究 190
7.6 存在问题与研究展望 195
7.6.1 标量物质守恒方程简化假设导致的可能误差 195
7.6.2 避免系统设计和安装导致的误差 196
7.6.3 通量观测扩展应用与研究展望 197
参考文献 198
第8章 大气通量梯度观测技术和方法的理论、假设与应用进展 205
8.1 引言 206
8.2 基本原理及假设 207
8.2.1 近地边界层结构和CO2传输特征 207
8.2.2 通量计算原理与假设 207
8.3 系统组成和设计的理论要求与假设 211
8.3.1 浓度梯度观测的基本原则和计算方法 211
8.3.2 湍流扩散系数参数化的基本理论和方法 212
8.4 系统安装、维护与性能评价 215
8.4.1 系统安装的原则与要点 215
8.4.2 系统维护的原则与要点 219
8.4.3 系统性能与数据质量评价 220
8.5 应用实践与研究进展 223
8.5.1 CO2通量观测研究 223
8.5.2 δ13C通量观测研究 224
8.6 存在问题与研究展望 225
8.6.1 存在问题 225
8.6.2 研究展望 228
参考文献 228
第9章 箱式通量观测技术和方法的理论假设及其应用进展 233
9.1 引言 233
9.2 系统组成、分类及原理 234
9.2.1 系统组成及分类 235
9.2.2 非稳态系统特征及通量计算原理 236
9.2.3 稳态系统特征及通量计算原理 239
9.3 系统设计的理论要求与假设 240
9.3.1 系统气密性及气体混合良好 240
9.3.2 箱体内外气体浓度保持一致 240
9.3.3 箱体内外气体压力保持一致 241
9.3.4 待测气体的产生与传输不受影响 242
9.4 系统安装、维护与性能评价 243
9.4.1 仪器安装与维护 243
9.4.2 仪器性能和数据质量评价 245
9.5 应用实践与研究进展 247
9.5.1 土壤CO2及其δ13C通量观测系统 247
9.5.2 植物CO2及其δ13C通量观测系统 248
9.5.3 土壤和植物CO2及其δ13C通量协同观测系统 251
9.5.4 生态系统CO2及其δ13C通量观测系统 251
9.6 应用建议与展望 252
9.6.1 气体分析仪精度和准确度的校正 252
9.6.2 系统测定数据精度和准确度的评价 253
9.6.3 系统测定数据代表性的评价 253
参考文献 254
第10章 土壤通量梯度观测技术和方法的理论、假设与应用进展 259
10.1 引言 260
10.2 基本原理及假设 261
10.2.1 从基岩到地表的土壤结构及气体传输 261
10.2.2 系统组成与分类 263
10.2.3 通量计算原理及假设 263
10.3 系统设计的理论要求与假设 265
10.3.1 浓度梯度的观测理论和方法 265
10.3.2 扩散系数的估算方法 268
10.4 系统安装、维护与性能评价 271
10.4.1 系统安装与维护 271
10.4.2 系统性能与数据质量评价 273
10.5 应用实践与研究进展 274
10.5.1 与箱式通量法的比对研究 274
10.5.2 区分不同深度CO2排放贡献 275
10.5.3 区分土壤呼吸不同来源贡献 276
10.5.4 评价土壤呼吸的调控机制 276
10.6 存在问题与研究展望 277
10.6.1 标量物质守恒和菲克第一定律假设导致的误差 277
10.6.2 避免系统设计和安装导致的误差 278
10.6.3 通量观测的扩展应用与展望 278
参考文献 278
第11章 生态系统光合与呼吸拆分的同位素理论、方法与应用进展 286
11.1 引言287
11.2 光合与呼吸拆分的同位素理论与假设 288
11.2.1 光合与呼吸的同位素通量拆分方法 288
11.2.2 光合包含叶片暗呼吸的IFP理论 289
11.2.3 光合不包含叶片暗呼吸的IFP理论 290
11.3 同位素观测技术及其应用 291
11.3.1 气瓶采样同位素质谱离散测定 291
11.3.2 同位素红外光谱低频连续观测 292
11.3.3 同位素红外光谱高频连续观测 293
11.4 同位素通量拆分的关键参数 293
11.4.1 生态系统呼吸δR模型和回归方法 294
11.4.2 同位素通量项Isoflux的计算 297
11.4.3 冠层光合判别及气孔和叶肉导度的估算 298
11.5 生态系统光合与呼吸的调控机制 302
11.5.1 温度和水分的调控作用 302
11.5.2 生态系统光抑制Kok效应 303
11.5.3 生态系统Suess效应评价 304
11.6 存在问题与研究展望 305
11.6.1 同位素拆分的不确定性 305
11.6.2 IFP拆分与其他方法的综合比较 307
参考文献 308
第12章 植物源和土壤有机质源土壤呼吸组分拆分原理、方法与应用进展 315
12.1 引言 315
12.2 土壤呼吸组分拆分原理及其方法分类 316
12.2.1 土壤呼吸组分划分及其拆分原理 317
12.2.2 土壤呼吸组分拆分方法分类 319
12.3 基于植物源CO2测定的差分拆分方法 320
12.3.1 基本原理 320
12.3.2 根系呼吸拆分方法 320
12.3.3 根源呼吸拆分方法 321
12.3.4 凋落物分解拆分方法 322
12.4 基于土壤有机质源CO2测定的差分拆分方法 322
12.4.1 基本原理 323
12.4.2 物理去除根系方法 323
12.4.3 生物去除根系方法 324
12.5 基于同位素技术的拆分方法 325
12.5.1 基本原理 325
12.5.2 基于自然条件的同位素比值或通量比值拆分方法 326
12.5.3 基于人工条件的同位素比值或通量比值拆分方法 327
12.6 应用实践与研究进展 328
12.6.1 多种拆分方法的综合比较 328
12.6.2 不同土壤呼吸组分对环境变化的响应机制 329
12.6.3 植物光合碳输入对土壤呼吸组分的影响机制 331
12.6.4 土壤呼吸组分变化对土壤碳库周转的影响机制 331
12.7 存在问题与研究展望 332
12.7.1 拆分原理和方法 332
12.7.2 观测技术和方法 333
12.7.3 潜在的误差来源 334
参考文献 334
京公网安备 11010102004214号