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第1章 全球变化与陆地生态系统碳、氮和水循环1

1.1 引言2

1.2 全球气候变化与生态系统2

1.2.1 全球变化及其成因2

1.2.2 全球气候变暖的基本事实3

1.2.3 全球变暖的成因4

1.2.4 全球变化对生物圈结构和功能的影响4

1.2.5 应对全球变化的适应性管理对策4

1.3 全球变化与陆地生态系统碳、氮和水循环研究6

1.3.1 陆地生态系统碳循环及其对全球变化的响应与反馈6

1.3.2 陆地生态系统水循环及其对全球变化的响应与反馈7

1.3.3 陆地生态系统氮循环及其对全球变化的响应与反馈10

1.4 全球变化与陆地生态系统碳-氮-水耦合循环研究12

1.4.1 陆地生态系统碳-氮-水耦合循环研究的理论和实践意义12

1.4.2 陆地生态系统碳-氮-水耦合循环研究的基本科学问题14

1.4.3 陆地生态系统碳-氮-水耦合循环机制的逻辑框架17

参考文献20

第2章 陆地生态系统能量和物质的交换通量25

2.1 生态系统的能量传输与物质循环26

2.1.1 陆地生态系统的概念与分布格局26

2.1.2 陆地生态系统的能量传输和转化28

2.1.3 陆地生态系统的物质循环30

2.2 生态系统物质与能量通量的基本概念38

2.2.1 动量通量38

2.2.2 辐射通量38

2.2.3 显热和潜热通量38

2.2.4 物质通量39

2.2.5 H2O通量39

2.2.6 CO2通量40

2.3 生态系统生产力与碳通量40

2.3.1 总初级生产力（GPP）41

2.3.2 净初级生产力（NPP）41

2.3.3 净生态系统生产力（NEP）42

2.3.4 净生物群系生产力（NBP）42

2.3.5 净生态系统碳交换量（NEE）42

2.4 生态系统碳通量的生态学测定方法45

2.4.1 基于生物量变化的估算法45

2.4.2 基于碳平衡方程的估算法47

2.4.3 基于碳循环模型的估算法48

2.4.4 同化箱测定法49

2.5 生态系统水、碳与能量通量的微气象学测定法50

2.5.1 H2O和C02通量微气象学方法概论50

2.5.2 涡度相关法的特点及其应用50

2.5.3 拓宽湍涡累积法51

参考文献51

第3章 地球大气圈的垂直构造与大气成分55

3.1 地球的气候系统56

3.1.1 大气圈56

3.1.2 生物圈58

3.1.3 岩石圈与土壤圈59

3.1.4 水圈与冰雪圈60

3.2 大气圈的垂直构造60

3.2.1 地球大气圈的垂直分层现象60

3.2.2 对流层61

3.2.3 平流层63

3.2.4 中间层64

3.2.5 热层64

3.2.6 散逸层64

3.3 地球大气成分及其进化65

3.3.1 地球大气圈的成分65

3.3.2 行星和第一次原始大气65

3.3.3 第二次原始大气的生成与进化66

3.3.4 地球大气中氧的生成与进化68

3.4 大气层臭氧的生成与分解68

3.4.1 大气的臭氧与臭氧层68

3.4.2 大气中臭氧生成与分解的化学过程70

3.4.3 环境污染对大气臭氧层的影响70

3.5 大气中的CO2、CH4和N2O的浓度变化71

3.5.1 二氧化碳71

3.5.2 甲烷74

3.5.3 氧化亚氮74

3.6 大气圈的气象要素75

3.6.1 空气温度75

3.6.2 空气压力75

3.6.3 空气湿度75

3.6.4 风速与风向76

3.6.5 能见度、云与降水76

参考文献77

第4章 大气圈的辐射传输与地表辐射平衡79

4.1 辐射的基本概念与定义80

4.1.1 辐射的物理特性80

4.1.2 辐射与辐射能82

4.1.3 物体对辐射能的吸收、反射和透射83

4.1.4 物体的辐射源函数83

4.1.5 物体辐射的基本定律84

4.2 太阳辐射和地球辐射86

4.2.1 太阳辐射和地球辐射的特征86

4.2.2 太阳辐射在大气上界的分布87

4.2.3 太阳辐射在大气中的衰减90

4.3 大气圈的辐射平衡92

4.3.1 大气圈的辐射平衡概述92

4.3.2 辐射平衡与时间常数93

4.4 大气中辐射传输的基本法则93

4.4.1 比尔-布格-兰伯特法则95

4.4.2 施瓦西方程和灰色大气的辐射传输方程95

4.4.3 辐射平衡解95

4.5 辐射传输对大气温度的影响96

4.5.1 大气层的辐射平衡温度与气温分布96

4.5.2 辐射吸收的温室效应98

4.5.3 辐射冷却效应99

4.6 陆地表面的辐射平衡101

4.6.1 地表的太阳辐射平衡101

4.6.2 地表接受的光合有效辐射106

4.6.3 地表的长波辐射平衡107

4.6.4 地表的辐射能量平衡109

4.7 植物群落对地表辐射平衡的影响111

4.7.1 植物叶片的光反射率、透射率与吸收率111

4.7.2 植物群落的光反射率、透射率与吸收率112

4.7.3 植被指数、叶面积指数与植被光合作用的关系113

4.8 全球的能量平衡116

4.8.1 地面的热量平衡116

4.8.2 全球的热量平衡模式116

参考文献118

第5章 近地边界层特征与空气运动基本方程119

5.1 大气边界层的概念及其特征120

5.1.1 大气边界层的概念120

5.1.2 大气边界层的构造特征121

5.1.3 近地边界层的动力学特征122

5.2 边界层空气的状态方程123

5.2.1 理想气体的状态方程123

5.2.2 干空气的状态方程124

5.2.3 湿空气的状态方程124

5.3 边界层空气的运动方程125

5.3.1 连续方程（质量守恒方程）126

5.3.2 动量守恒方程128

5.3.3 能量守恒方程130

5.4 标量、热量与水汽的守恒方程132

5.4.1 标量守恒方程132

5.4.2 热量守恒方程132

5.4.3 水汽守恒方程133

5.5 空气动力学方程的简化、近似和尺度理论133

5.5.1 状态方程133

5.5.2 连续方程（质量守恒方程）134

5.5.3 平均运动方程——雷诺方程（动量守恒，牛顿第二定律）134

参考文献135

附录 矢量分析、张量简介136

第6章 近地边界层湍流运动特征与扩散通量139

6.1 边界层的湍流现象及其作用140

6.1.1 湍流现象140

6.1.2 湍流的作用141

6.1.3 湍流的发生、发展和维持141

6.2 湍流物理量的定量描述143

6.2.1 湍流描述的基本思想143

6.2.2 湍流谱144

6.2.3 湍流输送与涡度相关146

6.3 边界层湍流研究的理论基础147

6.3.1 π定理与莫宁-奥布霍夫相似理论148

6.3.2 湍流的半经验理论150

6.3.3 基于K理论的扩散通量152

6.4 湍流动能和稳定度153

6.4.1 湍流动能收支方程153

6.4.2 稳定度的概念156

6.4.3 理查孙数157

6.4.4 综合稳定度表158

6.5 植被冠层对近地边界层湍流的影响158

6.5.1 风速垂直分布的对数法则158

6.5.2 空气动力学粗糙度159

6.5.3 植被冠层对风速分布的影响160

6.5.4 植被冠层内的风速分布162

6.5.5 植被冠层对温度、湿度和CO2浓度垂直分布的影响163

参考文献164

第7章 基于空气动力学和热平衡的通量观测165

7.1 湍流运动的物质和热量输送167

7.1.1 物质和热量输送过程167

7.1.2 物质和热量输送通量168

7.2 梯度法的原理及其应用169

7.2.1 梯度法的基本原理169

7.2.2 莫宁-奥布霍夫相似理论在梯度法中的应用172

7.2.3 梯度法的通量计算174

7.2.4 梯度法的局限性及其改良175

7.2.5 梯度法通量观测仪器的设置、检验及结果修正177

7.3 整体法的原理及其应用177

7.3.1 整体法测定原理177

7.3.2 整体法测定通量的方法及注意事项178

7.4 热量平衡法的原理及其应用179

7.4.1 热量平衡方程179

7.4.2 波文比法（BREB）180

7.4.3 彭曼法181

7.5 拓宽湍涡累积法的原理及其应用182

7.5.1 拓宽湍涡累积法的原理182

7.5.2 拓宽湍涡累积法测定通量的传感器和采样器183

7.5.3 实验常数的确定184

参考文献186

第8章 涡度相关技术的原理及通量观测187

8.1 涡度相关通量观测的基本原理188

8.1.1 涡度相关技术的发展过程188

8.1.2 生态系统CO2通量的概念190

8.1.3 通量观测的基本假设192

8.1.4 物质守恒方程及影响CO2通量的各种效应192

8.2 通量观测系统及其仪器配置197

8.2.1 观测系统及其基本要求197

8.2.2 大气要素观测系统197

8.2.3 土壤要素观测系统201

8.2.4 植物要素观测系统201

8.2.5 观测场的选择与器材设置202

8.3 湍流变化与涡度通量的测定及其关键设备204

8.3.1 风速脉动测定204

8.3.2 CO2和水汽浓度与脉动测定205

8.3.3 CH4浓度与脉动测定208

8.3.4 其他痕量气体浓度与脉动测定209

8.3.5 温度脉动测定210

8.3.6 湿度脉动测定211

8.3.7 通量测定的开路与闭路系统211

8.4 通量数据的采集、计算与校正214

8.4.1 数据采集装置与方法214

8.4.2 数据处理、结果计算和校正的一般流程215

8.4.3 通量计算要求的采样频率与平均长度217

8.4.4 数据趋势去除运算217

8.4.5 坐标轴旋转219

8.4.6 WPL校正224

8.4.7 频率响应校正224

8.5 通量数据质量的分析与评价225

8.5.1 原始数据分析225

8.5.2 大气湍流谱分析226

8.5.3 湍流的稳态测试227

8.5.4 大气湍流统计特性分析229

8.5.5 湍流通量数据的总体评价230

8.5.6 能量平衡闭合评价230

8.6 闭路系统通量观测与数据处理231

8.6.1 开路和闭路系统观测和数据处理过程的差异231

8.6.2 闭路系统的WPL校正232

8.6.3 频率衰减校正234

8.6.4 延迟时间校正235

参考文献236

第9章 涡度相关通量观测中的若干理论和技术问题241

9.1 复杂条件下净生态系统碳交换量的评价242

9.1.1 涡度相关技术测定的优点及存在的问题242

9.1.2 复杂条件下净生态系统交换量评价的不确定性243

9.2 观测系统的误差与不确定性来源245

9.2.1 误差类型、成因与特征245

9.2.2 通量测定中不确定性的主要来源247

9.3 平均周期、坐标系统与低频湍流传输对通量的影响249

9.3.1 通量观测的平均周期与坐标系统249

9.3.2 低频湍流传输对通量的影响250

9.3.3 通量计算的平均周期对低频传输通量贡献的影响251

9.4 非理想观测条件下的通量评价与夜间通量数据校正254

9.4.1 非理想条件下的通量评价254

9.4.2 夜间通量观测存在的主要问题255

9.4.3 夜间通量观测值的校正方法257

9.5 缺失数据的插补263

9.5.1 缺失数据插补的必要性263

9.5.2 平均昼夜变化法263

9.5.3 半经验法264

9.5.4 人工神经网络法267

9.5.5 数据插补策略对年累积通量的影响269

9.6 CO2通量数据的拆分270

9.6.1 CO2通量数据拆分的原因270

9.6.2 基于夜间观测数据的CO2通量拆分途径270

9.6.3 基于白大观测数据的CO2通量拆分途径270

9.6.4 CO2通量拆分的有关问题271

9.7 观测系统的能量平衡闭合程度评价271

9.7.1 能量平衡闭合程度在数据质量评价中的作用271

9.7.2 能量平衡不闭合状况的变化特征273

9.7.3 能量平衡不闭合的主要原因274

9.8 通量贡献区与净生态系统CO2交换量评价276

9.8.1 通量贡献区与净生态系统CO2交换量276

9.8.2 通量贡献区概念及其评价模型276

9.8.3 观测高度、空气动力学粗糙度与大气稳定度对通量贡献区的影响277

9.8.4 冠层上部与下部通量贡献区的评价278

9.8.5 通量贡献区评价的研究重点279

9.9 通量观测在估算区域碳平衡中的应用281

9.9.1 站点通量观测数据在估算区域碳平衡中的作用281

9.9.2 站点通量观测与过程模型模拟的结合281

9.9.3 站点通量观测与遥感观测的结合283

参考文献284

第10章 稳定同位素技术在通量观测中的应用293

10.1 同位素技术的基本概况294

10.1.1 同位素的基本概念294

10.1.2 同位素技术的应用296

10.2 生态系统碳和水交换过程中的稳定同位素分馏效应298

10.2.1 光合和呼吸作用过程碳同位素的分馏效应298

10.2.2 生态系统光合和呼吸过程对氧同位素的分馏效应302

10.2.3 生态系统蒸散过程对氢、氧同位素的分馏效应303

10.3 生态系统碳水通量中不同组分的区分305

10.3.1 稳定同位素通量的组成和来源305

10.3.2 生态系统光合和呼吸通量组分的区分306

10.3.3 生态系统植物蒸腾和土壤蒸发组分的区分308

10.4 生态系统同位素通量的观测技术与方法309

10.4.1 同位素质谱（IRMS）技术309

10.4.2 同位素红外光谱（IRIS）技术310

10.4.3 通量测定过程中应注意的问题313

参考文献313

第11章 陆地生态系统不同界面碳氮水交换通量观测方法319

11.1 大气-陆地界面大气氮沉降观测技术320

11.1.1 大气含氮气体与主要反应途径320

11.1.2 大气氮沉降观测与网络构建320

11.1.3 大气湿沉降观测技术321

11.1.4 大气干沉降观测技术323

11.2 土壤-大气界面CO2/CH4/N2O交换通量箱式法观测方法324

11.2.1 土壤CO2、CH4和N2O产生与消耗过程及耦合关系324

11.2.2 土壤-大气界面CO2、CH4和N2O交换通量观测方法进展325

11.2.3 静态箱-气相色谱法原理与方法327

11.2.4 静（动）态箱-红外仪连续测定原理与方法329

11.2.5 动态箱-激光法连续测定原理与方法330

11.3 根系-土壤界面养分和水分通量观测技术333

11.3.1 根际碳、氮、水循环原理333

11.3.2 根系-土壤溶液的养分循环过程334

11.3.3 土壤溶液采集方法与观测技术335

11.3.4 树干液流观测技术338

11.4 生态系统水-陆界面通量观测技术340

11.4.1 水-陆界面C、N、H2O输移过程及原理340

11.4.2 土壤壤中流监测技术340

11.4.3 小流域观测原理与技术342

11.4.4 大流域观测原理与技术342

参考文献343

第12章 陆地生态系统碳循环与碳通量评价模型349

12.1 陆地生态系统碳循环与碳通量351

12.1.1 碳循环过程概述351

12.1.2 植被-大气间的碳交换过程351

12.1.3 土壤-大气间的碳交换通量353

12.2 植被光合作用的环境响应与过程机理模型354

12.2.1 光合作用的生物化学机理模型354

12.2.2 光合作用的光响应355

12.2.3 光合作用的温度响应356

12.2.4 光合作用的水分响应357

12.3 土壤呼吸的环境响应与过程机理模型358

12.3.1 全球变化对土壤呼吸的影响358

12.3.2 土壤呼吸对温度变化的响应及其模拟360

12.3.3 土壤呼吸对土壤水分变化的响应及其模拟363

12.4 陆地生态系统碳循环和碳交换量的评价模型概要365

12.4.1 生态系统碳循环模型概要365

12.4.2 生态系统与气候系统相互作用模型的发展366

12.4.3 我国生态系统碳循环和碳通量模型研究进展368

12.4.4 陆地生态系统碳循环模型的不确定性369

12.5 生态系统尺度的通量模型370

12.5.1 基于气孔行为的光合-蒸腾耦合模型370

12.5.2 土壤-植物-大气系统的通量模型373

12.5.3 景观尺度的过程模型374

12.6 区域尺度生态系统碳交换过程模型375

12.6.1 区域尺度生态系统碳交换过程模型概述375

12.6.2 CEVSA模型376

12.6.3 lnTEC模型379

12.7 区域尺度碳通量评价的过程-遥感模型381

12.7.1 区域尺度碳通量评价过程-遥感模型概述381

12.7.2 光能利用率模型381

12.7.3 BEPS模型386

参考文献388

第13章 陆地生态系统的水循环及水通量的评价模拟399

13.1 水的概念及性质401

13.1.1 水的生态学意义401

13.1.2 水的化学结构402

13.1.3 水的物理和化学特性403

13.1.4 自然界水溶液的化学组成405

13.1.5 水的能量状态405

13.2 水的相变与水循环406

13.2.1 水的状态与相变406

13.2.2 水的凝结407

13.2.3 地球的水资源与水循环409

13.3 陆地生态系统的蒸散通量评价模型410

13.3.1 陆地生态系统植被冠层类型410

13.3.2 单涌源模型413

13.3.3 双涌源模型415

13.3.4 多涌源模型416

13.3.5 数值模拟模型417

13.4 植被的表面阻力418

13.4.1 植被表面阻力的各种表现418

13.4.2 植被总气孔阻力和单叶气孔阻力的关系419

13.4.3 植被总气孔导度的测定方法419

13.4.4 植被总气孔导度的推测方法420

13.5 蒸散模型中其他各种阻力的估算方法420

13.5.1 封闭冠层的空气动力学阻力420

13.5.2 疏松冠层的空气动力学阻力421

13.5.3 土壤表面阻力422

13.5.4 植被总叶面边界层阻力423

13.6 区域尺度蒸散的遥感评估模拟423

13.6.1 基于经验关系的回归方程法424

13.6.2 基于能量平衡的余项法424

13.6.3 基于PM类方程的过程模型法424

参考文献425

第14章 陆地生态系统碳-氮-水耦合循环及模拟模型429

14.1 陆地生态系统碳-氮-水耦合循环过程431

14.1.1 光合作用过程中的碳-氮-水耦合431

14.1.2 自养呼吸过程中的碳-氮耦合431

14.1.3 异养呼吸过程中的碳-氮-水耦合431

14.2 生态系统尺度的陆地碳-氮-水耦合模型432

14.2.1 CEVSA2模型432

14.2.2 DLEM模型433

14.3 地球系统模式框架下的陆地碳-氮-水耦合模型434

14.3.1 光合作用434

14.3.2 植被碳库和氮库436

14.3.3 碳、氮分配过程437

14.3.4 自养呼吸438

14.3.5 土壤碳库和氮库以及土壤有机质分解438

14.3.6 氮限制对凋落物及土壤有机质分解的影响439

14.3.7 外部氮循环过程439

14.4 流域尺度碳-氮-水耦合模型分类及评价440

14.4.1 模型分类及比较441

14.4.2 生物地球化学模型与非点源模型耦合441

参考文献443

第15章 全球陆地生态系统的通量观测及其实例447

15.1 全球陆地生态系统通量观测概况448

15.1.1 全球通量观测的发展448

15.1.2 通量观测站分布不均衡的原因及未来发展方向449

15.2 全球农田生态系统通量观测451

15.2.1 农田生态系统在全球碳蓄积中的作用451

15.2.2 农田生态系统通量观测的特点452

15.3 全球草地和湿地生态系统通量观测452

15.3.1 全球草地和湿地生态系统概况452

15.3.2 草地和湿地生态系统通量观测的特点454

15.4 全球森林生态系统的通量观测455

15.4.1 全球森林生态系统通量观测概况455

15.4.2 森林生态系统通量观测的特点457

15.5 几种具代表性的通量观测实例458

15.5.1 开路系统通量观测458

15.5.2 闭路系统通量观测460

15.5.3 开路和闭路系统的对比观测461

15.5.4 应用REA法的长期通量观测462

15.5.5 应用改良梯度法的通量观测464

15.5.6 复杂地形下的通量观测466

15.6 不同尺度的通量观测实例472

15.6.1 农业景观尺度的通量观测472

15.6.2 流域尺度的通量与水文过程的联合观测475

15.6.3 大区域的航空通量观测479

参考文献484

第16章 全球陆地大气边界层观测试验/生态系统通量观测网络与相关研究计划487

16.1 大气边界层气象的综合观测试验488

16.1.1 国际水文和大气先行性试验488

16.1.2 国际卫星地表气候研究计划489

16.1.3 全球能量和水循环试验490

16.1.4 平流层过程及其在气候中的作用试验491

16.1.5 国际全球大气化学计划492

16.1.6 全球海洋通量联合研究计划492

16.1.7 亚马孙河流域大尺度生物圈-大气圈试验493

16.1.8 北美北方生态系统-大气研究495

16.1.9 加拿大麦哥泽河流域水热研究495

16.1.10 中国黑河流域遥感地面观测联合试验496

16.1.11 大气边界层气象综合观测试验的发展趋势497

16.2 FLUXNET的发展与合作机制498

16.2.1 FLUXNET的创建与发展498

16.2.2 FLUXNET的合作机制500

16.3 世界主要区域的通量观测研究网络501

16.3.1 美洲区域的通量观测研究网络501

16.3.2 欧洲区域的通量观测研究网络502

16.3.3 亚洲区域的通量观测研究网络502

16.3.4 非洲区域的通量观测研究网络504

16.3.5 澳洲区域的通量观测研究网络505

16.4 全球通量观测研究关注的主要科学问题505

16.4.1 通量与边界层506

16.4.2 通量测定的新技术506

16.4.3 通量与全球碳模拟508

16.4.4 通量与遥感观测509

16.4.5 通量水文学510

16.4.6 通量生物地理学511

16.4.7 区域碳平衡及其对全球变化的响应与适应511

16.5 全球碳观测研究计划512

16.5.1 集成性全球观测战略512

16.5.2 集成性全球碳观测研究计划513

16.5.3 国际上其他与通量观测相关的研究计划516

参考文献518

第17章 中国通量观测研究网络建设、研究进展及发展方向521

17.1 ChinaFLUX的建设背景522

17.2 ChinaFLUX的研究内容、目的和设计思路522

17.2.1 科学目标522

17.2.2 设计思路523

17.2.3 研究主题与重点523

17.3 ChinaFLUX的观测台站、主要仪器设备及观测项目524

17.3.1 观测站点的发展与空间布局524

17.3.2 主要仪器设备524

17.3.3 观测内容与方法526

17.4 ChinaFLUX观测研究的主要进展527

17.4.1 陆地生态系统碳-水-通量协同观测技术系统的设计及其关键技术研究527

17.4.2 陆地生态系统碳、氮、水通量时空格局及环境影响机制研究530

17.5 全球通量观测研究网络的新使命及ChinaFLUX的发展展望535

17.5.1 全球尺度通量观测研究网络的历史使命535

17.5.2 ChinaFLUX的发展展望535

参考文献536

附录Ⅰ 国际单位制（SI）：常用单位及其换算表543

附录Ⅱ 饱和水汽压与温度的微分方程547

附录Ⅲ 大气科学中常用的参数549

附录Ⅳ 重要术语的中英文名称对照表551

名词索引555