太行山南麓人工林生态系统光合作用与土壤呼吸的耦合机制

Ecosystem photosynthesis and soil respiration are the main components of carbon cycle in the terrestrial ecosystem. A small change of soil respiration may result in a large effect on global carbon cycle. In addition to the influence of abiotic factors (e.g. soil temperature, water content), soil respiration is controlled by plant physiological activity (e.g. photosynthesis). In this study, CO2 flux, vegetation indices, soil respiration, soil autotrophic respiration and heterotrophic respiration will be measured in a plantation in the south of the Taihang Mountain. The biophysical drivers controlling ecosystem photosynthesis and soil respiration at the different temporal scales will be analyzed. The influence of photosynthesis-related vegetation indices on soil respiration will be examined. The responses of the base rate of soil respiration and temperature sensitivity to ecosystem photosynthesis will be established. The transfer ratio of photosynthates to soil respiration and its components will be estimated. Based on time series analysis, the time lags between soil respiration and photosynthesis will be investigated. The coupling between soil respiration and photosynthesis will be explored to provide guidelines for future studies on accurately evaluating carbon budget of the plantation in North China and the response of forestry to climate change.

生态系统光合作用和土壤呼吸是陆地生态系统碳平衡的主要组成部分。土壤呼吸较小的变化会对全球碳循环产生大的影响。土壤呼吸的季节变化除与非生物因子（如土壤温度、水分）的变化有关外，还受植物生理活动（如光合作用）等生物因素的影响。本项目以太行山南麓人工林为研究对象，对生态系统碳通量、土壤呼吸、土壤自养和异养呼吸、植被指数等进行综合观测，在不同时间尺度研究控制生态系统光合作用和土壤呼吸的主要生物/物理因子；分析与光合作用有关的植被指数对土壤呼吸的影响；建立基础土壤呼吸和温度敏感系数（Q10）对生态系统总光合作用（GPP）的响应关系；估算人工林生态系统光合产物转化为土壤呼吸及其组分的比率；基于时间序列分析研究土壤呼吸对光合作用的滞后效应，揭示不同时间尺度人工林土壤呼吸与生态系统光合作用的耦合机制，为华北地区人工林碳收支评估、林业应对气候变化研究提供理论依据。

生态系统光合作用和土壤呼吸是陆地生态系统碳平衡的主要组成部分。基于生态系统碳通量、土壤呼吸(Rs)、根呼吸(Rr)、植物生理生态等数据，采用MOD17和RTL-LUE模型量化了人工林总初级生产力(GPP)对天空条件变化的响应，比较了植被指数和日光诱导叶绿素荧光(SIF)提取物候的能力及对GPP的影响，解析了生物物理因子对生态系统光合作用、Rs和Rr的驱动机制，明确了Rs对光合作用的滞后效应，揭示了Rs与生态系统光合作用的耦合机制。在气温(Ta)较低和饱和水汽压差(VPD)较小时，多云天空条件明显促进了冠层光合作用。在中等至高光照时，散射辐射比例(DF)则是影响GPP变化的主要因子。中等辐射条件时，人工林GPP最大。在低Ta和VPD条件下，DF对GPP的直接影响比在高Ta和VPD条件下大。与NDVI和EVI相比，NIRv和SIF能更有效地获取人工林的物候信息。生长季开始期提前显著增加了阔叶林春季GPP，生长季推后分别提高了针叶林和阔叶林秋季GPP。生长季长度和植被指数最大值可以有效地捕捉GPP的年际变化特征。在不同DF条件下，RT-LUE模型对GPP估算更接近实测值。在水分和温度胁迫环境下，与MOD17模型相比，RTL-LUE模型模拟GPP的能力更强。刺槐、栓皮栎人工林土壤呼吸温度敏感系数（Q10）分别为2.18-2.65、2.23~2.53。土壤呼吸对降雨事件明显具有时滞效应，滞后时间为2h左右。在日尺度上，刺槐林土壤呼吸与土壤温度存在时间上的滞后。栓皮栎人工林生态系统光合作用对土壤呼吸的影响存在2-5天的滞后时间。在较长时间尺度上，土壤湿度通过土壤温度和光合作用间接调控土壤呼吸。在年尺度上，Rs和Rr分别占生态系统光合作用的47%和20%。在日尺度上，生态系统光合作用可以解释Rs和Rr变异的44%和40%。叶面积指数(LAI)对生态系统光合作用的直接影响最大，其次为Ta。LAI、Ta、生态系统光合作用直接影响Rs，其中LAI影响最大，Ta影响次之。Ta对Rr的直接影响最大，生态系统光合作用和LAI次之。研究结果为准确评估人工林在碳中和中的作用提供科学依据。