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碳通量及碳同位素通量連續觀測方法與技術 版權信息
- ISBN：9787030736994
- 條形碼：9787030736994 ; 978-7-03-073699-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
碳通量及碳同位素通量連續觀測方法與技術 本書特色
開展中國陸地生態系統碳源/匯時空分布格局、增匯潛力和技術途徑的綜合研究，是現階段解決環境問題和應對全球變化急迫而重大的科技命題。
碳通量及碳同位素通量連續觀測方法與技術 內容簡介
本書介紹并評述了生態系統CO2通量及其碳同位素通量連續觀測的技術方法與規范的研究進展與展望。主要內容包括：生態系統CO2及其碳同位素的濃度和通量的特征及其影響機制；CO2及其碳同位素的濃度與三維風速的測量技術和方法；渦度協方差通量、箱式通量和通量梯度連續觀測技術和方法的理論與實踐；通量技術和方法在生態系統和土壤碳通量組分拆分中的應用等。本書以近地邊界層大氣科學的基本理論為基礎，從標量物質守恒方程出發，系統論述了植被-大氣和土壤-大氣界面CO2通量及其碳同位素通量連續觀測所涉及的基本原理、系統設計、儀器安裝、數據質控及應用實踐等，可供生態學、地理學、土壤學、氣象學、大氣科學和全球變化等專業的科學、教學人員及大學、研究生閱讀參考。
碳通量及碳同位素通量連續觀測方法與技術 目錄
目錄
第1章 生態系統CO2及其碳同位素濃度與通量的連續觀測技術和方法 1
1.1 引言 2
1.2 基本概念及術語 3
1.2.1 CO2濃度與通量 3
1.2.2 CO2同位素比值與通量比值 6
1.3 生態系統CO2及其碳同位素濃度和通量 9
1.3.1 生態系統CO2濃度和通量的影響因素 9
1.3.2 生態系統CO2產生與轉化過程及其碳同位素效應 10
1.3.3 生態系統CO2及其碳同位素濃度和通量的變異特征 13
1.4 生態系統通量觀測技術和方法 15
1.4.1 通量觀測技術原理與應用 15
1.4.2 植被-大氣間通量觀測技術和方法 17
1.4.3 土壤-大氣間通量觀測技術和方法 19
參考文獻 21
第2章 植物光合與呼吸過程CO2及其δ13C變異特征與驅動機制 28
2.1 引言 28
2.2 植物碳過程及其同位素效應概述 30
2.2.1 植物光合與呼吸作用的碳過程概述 31
2.2.2 植物光合與呼吸過程的碳同位素效應概述 31
2.3 植物光合與呼吸作用的碳過程 32
2.3.1 植物葉片結構及其碳過程 32
2.3.2 植物莖干結構及其碳過程 34
2.3.3 植物根系結構及其碳過程 36
2.4 植物光合與呼吸過程的碳同位素效應 37
2.4.1 植物光合過程的同位素效應 38
2.4.2 植物后羧化過程的同位素效應 41
2.4.3 不同碳過程及其同位素效應下植物的δ13C特征 45
2.5 應用實踐與研究進展 46
2.5.1 碳分配模式與驅動機制 46
2.5.2 生態系統光合與呼吸組分拆分 47
2.6 結論與展望 48
參考文獻 49
第3章 土壤呼吸CO2的產生和遷移過程及其同位素效應 55
3.1 引言 56
3.2 土壤CO2產生過程及其同位素效應 57
3.2.1 植物源CO2及其同位素效應 58
3.2.2 土壤有機質源CO2及其同位素效應 60
3.2.3 非生物源CO2及其同位素效應 63
3.3土壤 CO2氣態遷移過程及其同位素效應 64
3.3.1 土壤有機碳積累與損失形式及其過程 64
3.3.2 氣體擴散遷移過程及其同位素效應 65
3.3.3 氣體非擴散遷移過程及其同位素效應 67
3.4 土壤CO2非氣態形式的遷移過程及其同位素效應 68
3.4.1 土壤溶解無機碳遷移過程 68
3.4.2 土壤CO2溶解與遷移過程的影響機制 70
3.4.3 土壤CO2溶解與遷移過程的同位素效應 74
參考文獻 76
第4章 同位素質譜技術測定CO2碳同位素組成的分析誤差校正與數據標準化 86
4.1 引言 87
4.2 儀器原理、組成及分類 88
4.2.1 儀器工作與測定原理 88
4.2.2 儀器組成及其現狀 89
4.2.3 樣品測試與數據分析 90
4.3 儀器性能確認與維護 92
4.3.1 儀器性能確認 92
4.3.2 儀器日常維護 93
4.4 分析誤差來源及其校正方法 94
4.4.1 記憶效應和時間漂移及其校正方法 94
4.4.2 信號強度依賴性及其校正方法 95
4.5 標準物質及數據標準化 100
4.5.1 標準物質的選擇 100
4.5.2 數據標準化方法 103
4.5.3 降低標準化不確定性方法 104
4.6 存在問題及注意事項 104
4.6.1 樣品代表性與有效轉化 105
4.6.2 儀器信號強度與樣品進樣量的權衡 105
4.6.3 分析誤差校正與數據標準化方法 105
4.6.4 數據精度和準確度評價 106
4.6.5 儀器的常規維護 106
參考文獻 106
第5章 氣體濃度紅外光譜測量技術的原理與假設及其在通量觀測中的應用進展 109
5.1 引言 110
5.2 儀器原理、組成及應用分類 111
5.2.1 氣體選擇性吸收與比爾-朗伯定律 111
5.2.2 儀器結構組成及其應用分類 112
5.2.3 商業化儀器現狀. 115
5.3 儀器設計的理論要求及假設 116
5.3.1 保證紅外光譜選擇性吸收 116
5.3.2 保證氣體選擇性吸收信號強度 118
5.3.3 保證有效信號檢測與采集頻率 120
5.3.4 避免儀器零點和跨度漂移 122
5.4 儀器安裝、維護與性能評價 123
5.4.1 儀器安裝、調試與運行維護 123
5.4.2 儀器維護要點 127
5.4.3 儀器性能評價方法 129
5.5 應用實踐與研究進展 130
5.5.1 與渦度協方差通量技術結合 130
5.5.2 與通量梯度或箱式通量技術結合 132
5.6 存在問題與研究展望 134
5.6.1 氣體濃度觀測的注意事項 134
5.6.2 氣體通量觀測的注意事項 135
參考文獻 137
第6章 三維風速測量技術的原理與假設及其在通量觀測中的應用進展 142
6.1 引言 142
6.2 測量原理及應用分類 144
6.2.1 三維風速與坐標系 144
6.2.2 儀器原理及其分類 146
6.2.3 商業化風速儀器現狀 150
6.3 儀器設計的理論要求與假設 153
6.3.1 高頻三維風速儀器的理論要求與假設 153
6.3.2 低頻一維風速儀器的理論要求與假設 158
6.4 儀器安裝、維護與數據質量評價 159
6.4.1 儀器安裝注意事項 159
6.4.2 儀器維護注意事項 162
6.4.3 數據質量評價注意事項 163
6.5 應用實踐與研究進展 164
6.5.1 高頻風速測量及其應用進展 164
6.5.2 低頻風速測量及其應用進展 166
6.6 存在問題與研究展望 167
6.6.1 高頻風速測量設備 167
6.6.2 低頻風速測量設備 168
參考文獻 169
第7章 渦度協方差通量觀測技術和方法的理論、假設與應用進展 173
7.1 引言 174
7.2 基本原理、假設與系統分類 175
7.2.1 大氣邊界層及湍流運動 175
7.2.2 CO2湍流通量的理論推導與假設 176
7.2.3 開路和閉路渦度協方差系統 179
7.3 系統設計的理論要求與假設 180
7.3.1 有效捕捉湍流運動的高頻和低頻湍渦 180
7.3.2 通量測定準確性不受外界條件改變的干擾 182
7.4 系統安裝、維護與性能評價 184
7.4.1 儀器安裝與維護 184
7.4.2 儀器性能與數據質量評價 186
7.5 應用實踐與研究進展 188
7.5.1 通量觀測儀器、技術和方法 188
7.5.2 生態系統通量特征、過程與機理研究 190
7.6 存在問題與研究展望 195
7.6.1 標量物質守恒方程簡化假設導致的可能誤差 195
7.6.2 避免系統設計和安裝導致的誤差 196
7.6.3 通量觀測擴展應用與研究展望 197
參考文獻 198
第8章 大氣通量梯度觀測技術和方法的理論、假設與應用進展 205
8.1 引言 206
8.2 基本原理及假設 207
8.2.1 近地邊界層結構和CO2傳輸特征 207
8.2.2 通量計算原理與假設 207
8.3 系統組成和設計的理論要求與假設 211
8.3.1 濃度梯度觀測的基本原則和計算方法 211
8.3.2 湍流擴散系數參數化的基本理論和方法 212
8.4 系統安裝、維護與性能評價 215
8.4.1 系統安裝的原則與要點 215
8.4.2 系統維護的原則與要點 219
8.4.3 系統性能與數據質量評價 220
8.5 應用實踐與研究進展 223
8.5.1 CO2通量觀測研究 223
8.5.2 δ13C通量觀測研究 224
8.6 存在問題與研究展望 225
8.6.1 存在問題 225
8.6.2 研究展望 228
參考文獻 228
第9章 箱式通量觀測技術和方法的理論假設及其應用進展 233
9.1 引言 233
9.2 系統組成、分類及原理 234
9.2.1 系統組成及分類 235
9.2.2 非穩態系統特征及通量計算原理 236
9.2.3 穩態系統特征及通量計算原理 239
9.3 系統設計的理論要求與假設 240
9.3.1 系統氣密性及氣體混合良好 240
9.3.2 箱體內外氣體濃度保持一致 240
9.3.3 箱體內外氣體壓力保持一致 241
9.3.4 待測氣體的產生與傳輸不受影響 242
9.4 系統安裝、維護與性能評價 243
9.4.1 儀器安裝與維護 243
9.4.2 儀器性能和數據質量評價 245
9.5 應用實踐與研究進展 247
9.5.1 土壤CO2及其δ13C通量觀測系統 247
9.5.2 植物CO2及其δ13C通量觀測系統 248
9.5.3 土壤和植物CO2及其δ13C通量協同觀測系統 251
9.5.4 生態系統CO2及其δ13C通量觀測系統 251
9.6 應用建議與展望 252
9.6.1 氣體分析儀精度和準確度的校正 252
9.6.2 系統測定數據精度和準確度的評價 253
9.6.3 系統測定數據代表性的評價 253
參考文獻 254
第10章 土壤通量梯度觀測技術和方法的理論、假設與應用進展 259
10.1 引言 260
10.2 基本原理及假設 261
10.2.1 從基巖到地表的土壤結構及氣體傳輸 261
10.2.2 系統組成與分類 263
10.2.3 通量計算原理及假設 263
10.3 系統設計的理論要求與假設 265
10.3.1 濃度梯度的觀測理論和方法 265
10.3.2 擴散系數的估算方法 268
10.4 系統安裝、維護與性能評價 271
10.4.1 系統安裝與維護 271
10.4.2 系統性能與數據質量評價 273
10.5 應用實踐與研究進展 274
10.5.1 與箱式通量法的比對研究 274
10.5.2 區分不同深度CO2排放貢獻 275
10.5.3 區分土壤呼吸不同來源貢獻 276
10.5.4 評價土壤呼吸的調控機制 276
10.6 存在問題與研究展望 277
10.6.1 標量物質守恒和菲克**定律假設導致的誤差 277
10.6.2 避免系統設計和安裝導致的誤差 278
第1章 生態系統CO2及其碳同位素濃度與通量的連續觀測技術和方法 1
1.1 引言 2
1.2 基本概念及術語 3
1.2.1 CO2濃度與通量 3
1.2.2 CO2同位素比值與通量比值 6
1.3 生態系統CO2及其碳同位素濃度和通量 9
1.3.1 生態系統CO2濃度和通量的影響因素 9
1.3.2 生態系統CO2產生與轉化過程及其碳同位素效應 10
1.3.3 生態系統CO2及其碳同位素濃度和通量的變異特征 13
1.4 生態系統通量觀測技術和方法 15
1.4.1 通量觀測技術原理與應用 15
1.4.2 植被-大氣間通量觀測技術和方法 17
1.4.3 土壤-大氣間通量觀測技術和方法 19
參考文獻 21
第2章 植物光合與呼吸過程CO2及其δ13C變異特征與驅動機制 28
2.1 引言 28
2.2 植物碳過程及其同位素效應概述 30
2.2.1 植物光合與呼吸作用的碳過程概述 31
2.2.2 植物光合與呼吸過程的碳同位素效應概述 31
2.3 植物光合與呼吸作用的碳過程 32
2.3.1 植物葉片結構及其碳過程 32
2.3.2 植物莖干結構及其碳過程 34
2.3.3 植物根系結構及其碳過程 36
2.4 植物光合與呼吸過程的碳同位素效應 37
2.4.1 植物光合過程的同位素效應 38
2.4.2 植物后羧化過程的同位素效應 41
2.4.3 不同碳過程及其同位素效應下植物的δ13C特征 45
2.5 應用實踐與研究進展 46
2.5.1 碳分配模式與驅動機制 46
2.5.2 生態系統光合與呼吸組分拆分 47
2.6 結論與展望 48
參考文獻 49
第3章 土壤呼吸CO2的產生和遷移過程及其同位素效應 55
3.1 引言 56
3.2 土壤CO2產生過程及其同位素效應 57
3.2.1 植物源CO2及其同位素效應 58
3.2.2 土壤有機質源CO2及其同位素效應 60
3.2.3 非生物源CO2及其同位素效應 63
3.3土壤 CO2氣態遷移過程及其同位素效應 64
3.3.1 土壤有機碳積累與損失形式及其過程 64
3.3.2 氣體擴散遷移過程及其同位素效應 65
3.3.3 氣體非擴散遷移過程及其同位素效應 67
3.4 土壤CO2非氣態形式的遷移過程及其同位素效應 68
3.4.1 土壤溶解無機碳遷移過程 68
3.4.2 土壤CO2溶解與遷移過程的影響機制 70
3.4.3 土壤CO2溶解與遷移過程的同位素效應 74
參考文獻 76
第4章 同位素質譜技術測定CO2碳同位素組成的分析誤差校正與數據標準化 86
4.1 引言 87
4.2 儀器原理、組成及分類 88
4.2.1 儀器工作與測定原理 88
4.2.2 儀器組成及其現狀 89
4.2.3 樣品測試與數據分析 90
4.3 儀器性能確認與維護 92
4.3.1 儀器性能確認 92
4.3.2 儀器日常維護 93
4.4 分析誤差來源及其校正方法 94
4.4.1 記憶效應和時間漂移及其校正方法 94
4.4.2 信號強度依賴性及其校正方法 95
4.5 標準物質及數據標準化 100
4.5.1 標準物質的選擇 100
4.5.2 數據標準化方法 103
4.5.3 降低標準化不確定性方法 104
4.6 存在問題及注意事項 104
4.6.1 樣品代表性與有效轉化 105
4.6.2 儀器信號強度與樣品進樣量的權衡 105
4.6.3 分析誤差校正與數據標準化方法 105
4.6.4 數據精度和準確度評價 106
4.6.5 儀器的常規維護 106
參考文獻 106
第5章 氣體濃度紅外光譜測量技術的原理與假設及其在通量觀測中的應用進展 109
5.1 引言 110
5.2 儀器原理、組成及應用分類 111
5.2.1 氣體選擇性吸收與比爾-朗伯定律 111
5.2.2 儀器結構組成及其應用分類 112
5.2.3 商業化儀器現狀. 115
5.3 儀器設計的理論要求及假設 116
5.3.1 保證紅外光譜選擇性吸收 116
5.3.2 保證氣體選擇性吸收信號強度 118
5.3.3 保證有效信號檢測與采集頻率 120
5.3.4 避免儀器零點和跨度漂移 122
5.4 儀器安裝、維護與性能評價 123
5.4.1 儀器安裝、調試與運行維護 123
5.4.2 儀器維護要點 127
5.4.3 儀器性能評價方法 129
5.5 應用實踐與研究進展 130
5.5.1 與渦度協方差通量技術結合 130
5.5.2 與通量梯度或箱式通量技術結合 132
5.6 存在問題與研究展望 134
5.6.1 氣體濃度觀測的注意事項 134
5.6.2 氣體通量觀測的注意事項 135
參考文獻 137
第6章 三維風速測量技術的原理與假設及其在通量觀測中的應用進展 142
6.1 引言 142
6.2 測量原理及應用分類 144
6.2.1 三維風速與坐標系 144
6.2.2 儀器原理及其分類 146
6.2.3 商業化風速儀器現狀 150
6.3 儀器設計的理論要求與假設 153
6.3.1 高頻三維風速儀器的理論要求與假設 153
6.3.2 低頻一維風速儀器的理論要求與假設 158
6.4 儀器安裝、維護與數據質量評價 159
6.4.1 儀器安裝注意事項 159
6.4.2 儀器維護注意事項 162
6.4.3 數據質量評價注意事項 163
6.5 應用實踐與研究進展 164
6.5.1 高頻風速測量及其應用進展 164
6.5.2 低頻風速測量及其應用進展 166
6.6 存在問題與研究展望 167
6.6.1 高頻風速測量設備 167
6.6.2 低頻風速測量設備 168
參考文獻 169
第7章 渦度協方差通量觀測技術和方法的理論、假設與應用進展 173
7.1 引言 174
7.2 基本原理、假設與系統分類 175
7.2.1 大氣邊界層及湍流運動 175
7.2.2 CO2湍流通量的理論推導與假設 176
7.2.3 開路和閉路渦度協方差系統 179
7.3 系統設計的理論要求與假設 180
7.3.1 有效捕捉湍流運動的高頻和低頻湍渦 180
7.3.2 通量測定準確性不受外界條件改變的干擾 182
7.4 系統安裝、維護與性能評價 184
7.4.1 儀器安裝與維護 184
7.4.2 儀器性能與數據質量評價 186
7.5 應用實踐與研究進展 188
7.5.1 通量觀測儀器、技術和方法 188
7.5.2 生態系統通量特征、過程與機理研究 190
7.6 存在問題與研究展望 195
7.6.1 標量物質守恒方程簡化假設導致的可能誤差 195
7.6.2 避免系統設計和安裝導致的誤差 196
7.6.3 通量觀測擴展應用與研究展望 197
參考文獻 198
第8章 大氣通量梯度觀測技術和方法的理論、假設與應用進展 205
8.1 引言 206
8.2 基本原理及假設 207
8.2.1 近地邊界層結構和CO2傳輸特征 207
8.2.2 通量計算原理與假設 207
8.3 系統組成和設計的理論要求與假設 211
8.3.1 濃度梯度觀測的基本原則和計算方法 211
8.3.2 湍流擴散系數參數化的基本理論和方法 212
8.4 系統安裝、維護與性能評價 215
8.4.1 系統安裝的原則與要點 215
8.4.2 系統維護的原則與要點 219
8.4.3 系統性能與數據質量評價 220
8.5 應用實踐與研究進展 223
8.5.1 CO2通量觀測研究 223
8.5.2 δ13C通量觀測研究 224
8.6 存在問題與研究展望 225
8.6.1 存在問題 225
8.6.2 研究展望 228
參考文獻 228
第9章 箱式通量觀測技術和方法的理論假設及其應用進展 233
9.1 引言 233
9.2 系統組成、分類及原理 234
9.2.1 系統組成及分類 235
9.2.2 非穩態系統特征及通量計算原理 236
9.2.3 穩態系統特征及通量計算原理 239
9.3 系統設計的理論要求與假設 240
9.3.1 系統氣密性及氣體混合良好 240
9.3.2 箱體內外氣體濃度保持一致 240
9.3.3 箱體內外氣體壓力保持一致 241
9.3.4 待測氣體的產生與傳輸不受影響 242
9.4 系統安裝、維護與性能評價 243
9.4.1 儀器安裝與維護 243
9.4.2 儀器性能和數據質量評價 245
9.5 應用實踐與研究進展 247
9.5.1 土壤CO2及其δ13C通量觀測系統 247
9.5.2 植物CO2及其δ13C通量觀測系統 248
9.5.3 土壤和植物CO2及其δ13C通量協同觀測系統 251
9.5.4 生態系統CO2及其δ13C通量觀測系統 251
9.6 應用建議與展望 252
9.6.1 氣體分析儀精度和準確度的校正 252
9.6.2 系統測定數據精度和準確度的評價 253
9.6.3 系統測定數據代表性的評價 253
參考文獻 254
第10章 土壤通量梯度觀測技術和方法的理論、假設與應用進展 259
10.1 引言 260
10.2 基本原理及假設 261
10.2.1 從基巖到地表的土壤結構及氣體傳輸 261
10.2.2 系統組成與分類 263
10.2.3 通量計算原理及假設 263
10.3 系統設計的理論要求與假設 265
10.3.1 濃度梯度的觀測理論和方法 265
10.3.2 擴散系數的估算方法 268
10.4 系統安裝、維護與性能評價 271
10.4.1 系統安裝與維護 271
10.4.2 系統性能與數據質量評價 273
10.5 應用實踐與研究進展 274
10.5.1 與箱式通量法的比對研究 274
10.5.2 區分不同深度CO2排放貢獻 275
10.5.3 區分土壤呼吸不同來源貢獻 276
10.5.4 評價土壤呼吸的調控機制 276
10.6 存在問題與研究展望 277
10.6.1 標量物質守恒和菲克**定律假設導致的誤差 277
10.6.2 避免系統設計和安裝導致的誤差 278
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碳通量及碳同位素通量連續觀測方法與技術 節選
第1章生態系統CO2及其碳同位素濃度與通量的連續觀測技術和方法 摘要：碳生物地球化學循環是地球系統物質和能量循環的核心，是巖石圈-土壤圈-生物圈-大氣圈-水圈相互作用的紐帶。生態系統大氣C〇2及其13C〇2和12C〇2(J13C)濃度和通量變化主要受到光合、呼吸過程以及湍流混合的共同作用。白天光合作用對13CO2的判別造成冠層大氣CO2的J13C相對富集；而生態系統呼吸過程中發生的后羧化分餾效應、微生物代謝分餾效應以及土壤CO2擴散分餾效應則造成林下大氣CO2的J13C更為貧化；生態系統內部CO2的光合再循環過程將相對貧化的CO2作為光合作用底物。湍流混合是生態系統與大氣間進行CO2交換的主要渠道，白天近地面熱空氣上升加速了湍流混合，進而影響這些過程的相對貢獻比例及其與外界大氣的CO2交換。 目前，紅外光譜技術可以實現對CO2濃度及其13CO2和12CO2U13c)濃度的連續觀測。生態系統CO2通量及其J13C通量觀測技術和方法均必須通過觀測CO2濃度或12C〇2和13C〇2濃度來計算CO2通量和J13C通量。濃度是標量，而通量是矢量。現有CO2通量觀測技術和方法均需要從標量物質守恒方程出發，通過確定虛擬或現實的邊界條件求解CO2通量。 渦度協方差通量技術和大氣通量梯度技術是測定生態系統植被-大氣界面CO2及其J13C通量的核心手段。渦度協方差技術需要采用快速響應的傳感器來觀測CO2濃度和垂直風速脈動，并直接計算二者的協方差，得到垂直湍流通量。在沒有高頻氣體分析儀或下墊面風浪區較小的情況下，大氣通量梯度技術則可以有效觀測生態系統（或土壤）與大氣之間的CO2及其J13C通量，同時也可以作為渦度協方差技術的配套觀測方法和有益補充。 箱式通量技術和土壤通量梯度技術是測定土壤-大氣界面的CO2及其J13C通量的核心手段。根據箱體內CO2濃度變化特征，通常可以分為非穩態（也稱為閉路）和穩態（也稱為開路）箱式通量觀測系統。箱式通量技術可測土壤CO2釋放量（或植物器官或整體乃至整個生態系統的CO2通量），而土壤通量梯度技術可測土壤CO2釋放量和儲存量。土壤通量梯度技術可以有效觀測土壤不同深度以及土壤與大氣之間的CO2及其J13C通量，同時也可以作為箱式通量技術的配套觀測方法和有益補充。 1.1引言 生態系統是地球表層的重要組成部分，是人類生存和發展的物質基礎（方精云等，2018)。地球關鍵帶是生態系統的載體，強調從基巖到冠層重新認識整個生態系統的結構和功能（Richter and Billings，2015；溫學發等，2019)。CO2、CH4、N2O等是地球大氣中重要的溫室氣體，人類活動大量排放這些溫室氣體導致增溫效應，進而造成全球氣候變暖。而陸地生態系統碳（C〇2、CH4)、氮（凡〇）和水（^O)交換通量是表征生態系統碳-氮-水稱合循環及其變異的重要指標（Baldocchi，2008；Yu et al.，2012)。生態系統碳、氮和水交換主要發生在植被-大氣和土壤-大氣界面，主要通過生物（植物葉片、根系、土壤微生物等）的生理活動和代謝活動將生態系統復雜的碳-氮-水耦合循環過程聯結起來。通過對生態系統植被-大氣、土壤-大氣界面碳氮水通量的監測，可厘清生態系統這兩大界面的碳-氮-水交換通量的計量平衡關系及其制約機制（Ainsworth and Rogers，2007)。 由于同位素分餾效應的存在，生態系統各碳氮水庫以及各庫之間碳氮水交換通量的同位素組成是有差異的，根據這些差異可以建立它們之間的聯系，并明確植被-大氣和土壤-大氣界面碳氮水的交換過程與機制（Bowling et al.，2008；Werner and Gessler，2011;林光輝，2013;Sullivan et al.，2017)。紅外光譜技術的發展使得大氣溫室氣體（如CO2、CH4、N2O和H2O)及其同位素和的高時間分辨率和高精度的原位連續觀測成為可能（Wingate et al.，2010a;Tanaka et al.，2013;Wen et al.，2013)。 溫室氣體由于在全球氣候變化中的主導地位更是受到特別關注（Forster et al.，2007)。目前，禍度協方差（eddy covariance，EC)通量技術（Baldocchi et al.，1988;Massman and Lee，2002)、箱式通量技術（Lundegardh，1927;Davidson et al.，2002)、大氣或土壤通量梯度技術（Baldocchi et al.，1988;Schack-Kirchneretal.，2001)是常用的植被-大氣和土壤-大氣界面溫室氣體通量觀測技術和方法。然而，上述這些方法在基本原理、科學假設和應用限制等方面具有明顯的區別與聯系（溫學發，2020)。 碳循環是地球系統物質和能量循環的核心，是地圈-生物圈-大氣圈相互作用的紐帶。紅外光譜技術可以實現CO2濃度或12CO2和濃度的連續觀測（Wen et al.，2013;Chen et al.，2017)，其與渦度協方差通量技術、大氣通量梯度技術結合，或與箱式通量觀測技術、土壤通量梯度技術結合，可以分別實現植被-大氣界面和土壤-大氣界面CO2通量及其J13C通量的長期連續觀測。目前，研究者已經利用渦度協方差通量技術對全球陸地生態系統碳通量的時空格局及其環境驅動機制開展了大量的研究工作（于貴瑞等，2006;Baldocchi，2008)。雖然單個站點的生態系統碳交換過程及其控制因素存在較大差異，但在區域尺度上植被-大氣界面碳通量的時空格局主要受溫度和降水的控制（Yu et al.，2012)。近年來，科學家已經將植被類型、群落演替、葉面積指數、物種組成、物候過程、冠層和葉片結構等生物學參數用于解析生態系統碳通量的變異(Duursma et al.，2009;Prescher et al.，2010;Zenone et al.，2011)。 生態系統植被-大氣、土壤-大氣界面CO2通量及其J13C通量的長期連續觀測是研究生態系統碳過程及其與大氣碳交互作用的重要手段（Flanagan and Ehleringer，1998)。目前CO2通量及其通量的長期連續觀測數據被廣泛用于凈生態系統碳交換量（net ecosystem exchange，NEE)(又稱生態系統凈交換）的組分拆分（Zhang et al.，2006；Wehr et al.，2016;Chen et al.，2019)、夜間生態系統呼吸估算、生態系統內部CO2的光合再循環比例確定（Sternberg，1989;Sternberg et al.，1997)以及水分利用有效性評價（Giammarchi et al.，2016;Rosa et al.，2019)等方面。 本章系統綜述了生態系統CO2及其碳同位素的濃度與通量的連續觀測技術和方法。重點概述了生態系統通量觀測技術和方法所涉及的CO2濃度與通量、CO2同位素比值與通量比值的基本概念及術語，闡述了生態系統CO2及其碳同位素的濃度和通量特征及其影響因素，綜述了生態系統通量觀測技術和方法的現狀及其應用進展，為支撐生態系統溫室氣體通量及其循環過程研究提供了有效的技術支持。 1.2基本概念及術語 生態系統通量觀測技術和方法均需通過觀測CO2濃度或12CO2和13CO2濃度計算得到CO2通量及其J13C通量。需要客觀理解CO2濃度與CO2通量、CO2同位素比值與CO2同位素通量比值之間的區別與聯系。 1.2.1CO2濃度與通量 CO2通量需要通過計算CO2濃度的變化量確定，CO2濃度只有數值大小而沒有方向，CO2通量具有數值大小和方向。質量密度、摩爾濃度、質量混合比和摩爾混合比等是表示CO2濃度的不同物理變量，其單位間可以進行相互轉換。 1.2.1.1 CO2濃度與通量的關系 CO2濃度只有數值大小，而沒有方向。CO2在大氣中的濃度可以用質量密度、摩爾濃度、質量混合比和摩爾混合比這四種方式表示（Aubinet et al.，2012)。質量密度/p是指在一定的溫度和壓力下，CO2在單位體積空氣中的質量，常用單位mg/m3;摩爾濃度cc是指在一定的溫度和壓力下，CO2在單位體積空氣中的摩爾數，常用單位^mol/m3;質量混合比兄是指CO2質量與干空氣質量之比，常用單位mg/kg;摩爾混合比x是指CO2的摩爾數與干空氣摩爾數之比（也等于CO2分壓與干空氣分壓的比值)，常用單位。變量間的單位轉換與理想氣體定律、道爾頓分壓定律相關聯（Lee，2018)。 這些變量中只有質量混合比和摩爾混合比在溫度、氣壓和水汽含量發生變化時是守恒量（Foken，2008;Burba，2013;Lee，2018)。目前，紅外光譜技術是測定CO2濃度及其12CO2和13CO2濃度的核心技術，紅外光譜氣體濃度分析儀直接測量的CO2濃度是質量密度或摩爾濃度，該變量在熱傳導、空氣壓縮/擴張和水汽蒸發擴散過程中是非守恒量，會隨著溫度、氣壓和水汽等環境條件的變化而變化，所以在實際測量CO2質量密度或摩爾濃度時需同時測量空氣溫度、大氣壓力和水汽濃度（Webb et al.，1980；Baldocchi，2003，2008，2014)。 CO2通量是指在流體運動中，單位時間內通過某單位面積的CO2量，是表示CO2輸送強度的物理量。CO2通量既有大小又有方向。根據CO2通量的定義，當生態系統CO2濃度發生變化時將產生CO2通量。由于空氣溫度、大氣壓力和水汽濃度的變化對CO2質量密度或摩爾濃度存在影響，因此當觀測的CO2濃度為質量密度或摩爾濃度時，需要考慮空氣中水熱通量條件變化對CO2通量的影響（Burba，2013)。例如，假設在一個水泥地面上方某高度設置儀器觀測CO]通量，當太陽輻射加熱地表時，地表溫度增加。根據理想氣體定律，當地表溫度增加時，氣體需要擴散以維持壓力不變，空氣的擴散導致儀器觀測到CO2的質量密度或摩爾濃度發生變化，進而觀測到CO2通量，但這一通量并不是水泥地面自身產生的（水泥地面不產生CO2)，此CO2通量為虛假通量，在通量觀測中需要進行校正；但在加熱氣體擴散過程中CO2質量混合比是不變的，是一個守恒量，因為其沒有變化，所以可以真實地反映出水泥地面沒有CO2通量產生（Massman and Lee，2002；Foken，2008；Lee，2018)。 1.2.1.2 CO2濃度單位轉換方法 質量密度凡、摩爾濃度C。、質量混合比Sc和摩爾混合比Xc等表示CO2濃度的不同物理變量可以利用理想氣體狀態方程和道爾頓分壓定律進行單位轉換。 (1)理想氣體狀態方程和道爾頓分壓定律 對于單一氣體，理想氣體狀態方程表示為 PV=nRT (1-1) 式中，P表示氣壓，單位Pa；V表示體積，單位m3；n表示物質的量，單位mol；R表示普適氣體常數8.314J/(mol.K)；T表示絕對溫度，單位K。 理想氣體狀態方程可以進一步表示成氣壓、密度和溫度相聯系的形式（Lee，2018)，因此，干空氣、水汽和CO2理想氣體狀態方程分別為 Pd=PdRdT (1-2) Pv=PvRvT (l-3) Pc=PcRcT (1-4) 式中，Pd、Pv和Pc分別為干空氣、水汽和CO2的分壓強。 干空氣、水汽和CO2的理想氣體常數分別為 (1-5) (1-6) (1-7) 式中，Md=29g/mol、Mv=18g/mol和Mc=44g/mol分別為干空氣、水汽和C〇2的摩爾質量。 對于濕空氣，需將混合的氣體各組分視為理想氣體，而各組分之間又無化學反應。根據道爾頓分壓定律，每一種氣體都均勻地分布
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