一种基于箱式法和考虑降水影响的干旱区碳通量估算方法

技术领域

本发明涉及一种碳通量估算方案，具体来说是一种基于箱式法和考虑降水对碳通量波动影响的碳通量估算方法。

背景技术

碳通量估算是全球变化背景下研究碳循环和碳收支的关键技术环节。利用箱式法（静态箱法）进行碳通量观测，具有操作简单、成本低、可实现多种碳通量组分观测等优势，得到国际上普遍认可和广泛采用。然而，箱式法在估算季节或年际等相对较长时间尺度碳能量时，传统的方法多是将多次观测值采用数学平均值法方法进行估算，但这种估算方法存在两个不可回避的问题，一是需要在野外密集而繁重的观测工作；二是忽视了干旱区降水事件对碳通量具有显著波动影响这一客观事实。大量研究证明，干旱区的碳交换过程对降水事件极其敏感，如在5mm小降水事件发生后，生态系统碳吸收和碳释放速率会增加数倍并持续数天，特别是土壤呼吸在几小时内即可增加几十倍。由此可知，传统的数学平均值法对碳收支的估算具有观测工作量大，特别是估算结果且具有很大的不确定性的缺陷。若观测事件多在降水前则造成偏低估算；若观测事件多在降水事件刚刚发生后则造成偏高估算。因此，如何考虑降水事件对碳通量的波动影响，而提高箱式法对碳通量估算的合理性和准确性，是干旱区碳循环和碳收支相关研究亟待解决的重要技术问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种充分考虑降水波动影响的碳通量估算的方法，是一种基于箱式法的碳通量观测，能有效提高干旱区碳通量估算的准确性，且降低野外观测工作量的方法。

本发明的目的主要通过以下4个步骤实现（图1）：

1.碳通量对不同大小降水事件响应的敏感性观测

采用箱式法利用碳通量观测仪器（如Li-840、Li-6400或Li-8150），观测不同大小降水事件发生后碳通量日平均交换速率的动态变化，持续数日，直至日平均交换速率恢复到干旱状态水平。

上述的不同大小的降水事件可以是自然降水事件，亦可以是人工模拟降水事件。

2.降水事件的等级划分

根据干旱区降水事件大小分布频率特征（小于5mm的降水事件为体，占总体降水事件的60-80%），将降水事件由小至大依次划分为5个等级，即P₀、P₁、P₂、P₃和P₄。其中，P₀为无降水事件发生（零降水）；P₁、P₂和P₃为降水事件发生概率的主体，分别对应的降水事件发生频率分别为50%、30%和20%；P₄为极端大降水事件，发生概率较小。

3.构建响应模型及参数化

根据实地观测获得降水事件发生后碳通量监测数据以及国内外干旱区相关的数据资料的统计结果表明，碳通量交换速率对降水事件的理论响应过程是一种非线性过程，即降水事件发生后先迅速增加直至峰值，然后逐渐降低并恢复至干旱状态水平。上述碳通量交换速率对不同等级降水事件响应的动态过程论模型如图2所示。在上述步骤1和步骤2的数据基础上，利用专业数学软件Matlab7.0构建碳通量对降水事件的响应模型，其数学表达式为：

式中f(x)为碳通量的响应量；x为响应持续时间；y₀、x_c、w和A为模型的参数；π和e为常数，数值分别为3.142和2.718。

上述的响应模型适用于不同等级降水事件，模型的具体参数由降水事件等级和季节有关。

上述响应模型可通过观测事件对模型参数进行验证和校正，以提高模型模拟的精度。

4.碳通量估算

根据上述响应模型和研究区估算时间段内不同等级降水事件分布频率的统计结果，分别计算P₁、P₂、P₃和P₄相应等级降水事件碳通量的微积分，分别得到不同等级降水事件碳通量估算值；将干旱状态碳通量平均值与干旱时间步长（天数）乘积，得到无降水发生（P₀）时段的碳通量估算值；最后，将各等级降水事件碳通量估算值求和，得到估算时间段内的碳通量估算值。

上述计算过程的数学公式为：

式中，为碳通量估算值；为无降水事件发生时（P₀）碳通量平均值；d₀为无降水时间步长（无降水天数）；n₁、n₂、n₃和n₄分别为估算时间段内P₁、P₂、P₃和P₄降水事件发生的次数。

上述计算公式中的d₀、n₁、n₂、n₃和n₄是由估算时间段研究区降水资料统计获得。

上述计算的具体过程可通过编程实现或专业数学软件Matlab7.0实现。

本发明的优点及有益效果：

1）本发明所建立的响应模型为一种数学统计模型，模型的构建过程和参数简单，具体应用时不需要输入气象、植被、土壤等复杂的参数。

2）本发明的估算方法，充分考虑了干旱区碳通量对降水事件的响应极其敏感这一客观现实。避免传统数学平均值法忽视了降水事件对碳通量的波动影响而导致估算结果不可靠性，有效提高了相对长时间尺度对碳通量估算的准确性和合理性。

3）传统方法在估算长时间尺度碳通量时，需要在野外进行密集而繁重的观测工作，本发明的估算方法仅需要对典型等级的降水事件进行碳通量观测，显著降低了野外观测工作量。

4）本发明的估算方法可根据研究区降水资料和响应模型，可实现对观测空白的碳通量可靠估算。一定程度上避免了箱式法难以实现连续观测的缺陷，拓展了箱式法可应用性。

5）本发明的估算方法在干旱区的适用性具有普遍性，在应用时仅需要根据实地观测数据对模型参数进行校正即可。

附图说明

图1是本发明碳通量估算方法的步骤流程图。

图2是碳通量对不同等级降水事件响应的理论模型示意图。

图中：P₀、P₁、P₂、P₃和P₄为按降水事件由大至小划分的5个降水事件等级，其中P₀表示无降水事件发生。

具体实施方式

下面结合对典型干旱区腾格里沙漠东南缘（37°29′N,104°25′E）碳通量的估算，对本发明进一步详细说明。

本发明的估算方法通过以下步骤实现：

1.碳通量对降水事件响应的敏感性观测

采用箱式法利用CO₂/H₂O气体分析仪（LI-840A,Li-Cor,USA），于2012-2014年7-9月份植物生长旺季，在野外观测了不同大小自然降水事件发生后净碳通量（NEE）和生态系统总呼吸（RE）日交换速率的动态变化，每次观测持续数日，直至碳通量日交换速率恢复到干旱状态常值。

2.降水事件的等级划分

根据腾格里沙漠东南缘多年降水资料的统计分析，将降水事件由小至大依次划分为5个等级，即P₀、P₁、P₂、P₃和P₄。其中，P₀为无降水事件发生；P₁、P₂和P₃为降水事件发生概率的主体，分别对应的降水事件发生频率为50%、30%和20%；P₄为极端大降水事件，发生概率较小。按上述降水事件的等级划分方法，本研究区P₁、P₂、P₃和P₄代表的具体降水事件范围分别为0mm<P<3mm、3mm≤P<5mm、5mm≤P<10mm和P≥10mm。

3.构建响应模型及参数化

根据对本研究区持续3年的碳通量观测资料，将碳通量对降水事件的理论响应过程（图2）进行量化。在上述步骤1和步骤2的数据基础上，利用专业数学软件Matlab7.0构建碳通量对降水事件的响应模型，其数学表达式为：

式中f(x)为碳通量的响应量；x为响应持续时间；y₀、x_c、w、A和为模型的参数；π和e为常数，数值分别为3.142和2.718。

根据后续观测数据对模型进行了验证和参数校正，具体参数如下表：

腾格里沙漠东南缘碳通量对降水事件的响应模型参数表：

4.碳通量估算

根据上述响应模型和本研究区植物生长季不同等级降水事件分布频率的统计数据，分别计算P₁、P₂、P₃和P₄各等级降水事件碳通量的微积分，得到不同等级降水事件碳通量估算值；干旱状态均值与干旱时间步长（天数）之乘积，得到无降水发生（P₀）时段的碳通量估算值；最后，将各等级降水事件碳通量估算值求和，得到估算时间段内的碳通量估算值。

上述计算过程的数学公式为：

式中，为估算时间段内的碳通量估算值；为无降水事件发生时碳通量平均值，即干旱状态平均值；d₀为无降水时间步长（无降水天数）n₁、n₂、n₃和n₄分别为估算时间段内P₁、P₂、P₃和P₄降水事件发生的次数。

上述计算公式中的d₀、n₁、n₂、n₃和n₄由估算时间段内的本研究区降水资料统计获得。

上述计算的具体过程通过专业数学软件Matlab7.0实现。

根据上述计算方法，将相应模型参数和降水事件统计结果代入响应模型，最终得到本研究区2012年、2013年和2014年7-9月份的净碳交换量速率（NEE）分别为-49.46gm^-2、-37.34gm^-2和-41.99gm^-2，相应的生态系统总呼吸速率（RE）分别为106.25gm^-2、81.66gm^-2和110.22gm^-2。

以上内容是对本发明优选的实施例的说明，可以帮助本领域技术人员更充分地理解本发明的技术方案。但这些实施例仅仅是举例说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于这些实施例的说明。