本方案在非典型地点应用涡度协方差法，适用于波兰一处正在重新造林的风倒区，该方法可推广至所有面积有限的短冠层生态系统。文中详细描述了观测站点的布设规则、通量计算与质量控制方法，以及最终结果的分析过程。
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本文内容
摘要
摘要
本方案示例了在波兰一处正在重新造林的风倒区——一种非典型生态系统中，利用涡度协方差（EC）技术研究空间和时间上平均的净CO2通量（即净生态系统生产力，NEP）。在龙卷风事件之后，幸存林分内部形成了一条相对狭窄的“走廊”，这使得此类实验的开展变得复杂。在该环境下，应用其他测量技术（如箱式法）更为困难，尤其是在初期，倒伏的树木以及整体上极高的地表异质性，为通量测量的实施以及后续结果的合理升尺度带来了挑战。与在未受干扰森林中进行的标准EC测量相比，风倒区的测量在站点选址和数据分析方面需要特别考虑，以确保数据的代表性。因此，本文提供了一套针对动态变化、非理想EC站点的实时连续CO2通量测量方案，内容包括：（1）站点选址与仪器布设，（2）通量计算，（3）严格的数据筛选与质量控制，以及（4）数据空缺填补和将净通量分解为CO2呼吸与吸收通量。该方法的主要优势在于，从零开始详细描述了实验设置与测量过程，可适用于其他空间受限的生态系统。此外，该方案也可作为处理非常规站点操作的一系列建议，为非专业人员提供清晰的操作说明。最终，经过质量控制和空缺填补后的半小时净CO2通量数据，以及吸收和呼吸通量数据，可进一步整合为日、月、季节或年度总量。
引言
目前，大气-陆地生态系统二氧化碳（CO2）交换研究中最常用的技术是涡动协方差（eddy covariance, EC）技术1。EC 方法已应用数十年，有关其方法学、技术和实际操作等各方面问题的全面论述已有大量发表2,3,4。与其他用于类似目的的技术相比，EC 方法能够通过自动化的点位测量，获得具有空间和时间平均意义的净 CO2 通量，该方法综合考虑了复杂生态系统中所有组分的贡献，而无需依赖费时费力的人工测量（例如，箱式法）或大量采样工作1。
在陆地生态系统中，森林在碳循环中发挥着最重要的作用，许多科学研究活动都致力于探究其二氧化碳2 碳循环、木本生物质中的碳储存及其与气候变化条件之间相互关系的直接测量或模型研究5许多通量观测站，包括一个拥有最长通量记录的站点6，设置在不同类型的森林上方7通常在测量开始前会仔细选择观测点位置，以尽可能选取最均一且面积最大的区域。然而，在受干扰的森林区域（如风倒....
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方案
1. 地点选择与仪器设备设置
- 选择地形相对均一且平坦的测量地点，以满足涡度协方差（EC）方法的基本要求。避免选择具有复杂地貌（如洼地、坡地）或靠近空气动力学障碍物（例如残留的树木群落）的地点，因为这些因素会扰乱气流。
- 检查物种组成和植被覆盖情况。选择主要植被类型在年龄和高度上特征最相似的地点。
- 如有可能，进行一些额外的土壤调查，以帮助选择均质区域。在多个地点比较土壤类型（土壤剖面）、土壤碳氮含量以及水分状况（例如，采用规则网格进行土壤采样）。避免选择与土壤调查平均值相比具有显著差异的地点。
- 在确定仪器安装位置之前，调查主导风向（理想情况下在站点布设前一年内进行），或分析最近气象站的数据。如果研究区域范围存在某些限制，则应选择位于主导风向扇区（上风方向）内的位置。
注：在波兰风倒木样地的情况下，由于龙卷风路径呈特定形状，决定将观测塔设置在其宽度方向的中部（约400−500 m），并在东西方向上尽可能远离邻近的数年生松树人工林（观测塔距其边缘约200 m），因为主导风向为从西北至西南以及从东北至东（图1）。 - 确定使用哪种EC系统：开放式路径或闭路式路径（封闭路径 = 带短进气管的闭路式）红外气体分析仪（如条件允许，可使用两台）。每种系统各有优缺点，但总体而言，两者均可靠地用于野外。使用三维（3D）正交超声风速仪。为应用EC方法，需....
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结果
在非理想涡动相关（EC）站点进行通量筛选和质量控制的关键步骤之一，是评估所测通量的空间代表性。鉴于计算是使用商业化的、广泛应用的软件完成的，执行此类分析最简单的方法是根据风向和足迹范围估算结果（见第3.7节），仅纳入目标区域的测量数据。因此，此处展示了结合卫星影像的风向玫瑰图，图中以阴影多边形标示了选定的风向范围及通量足迹的最大可接受扩展范围，用以直观呈现分析结果（图1）。
原则上，涡动协方差系统通过测量风速和痕量气体浓度，进而计算净 CO2 交换通量（NEP）。原始通量数据随后需要经过后期处理，以剔除误差和低质量数据。图2 展示了对 Tlen I 风倒区站点一年的 NEP 通量测量数据进行筛选处理的结果。
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讨论
本方案介绍了在非理想地点（此处为一处重新造林的风倒区）应用的涡度协方差（EC）方法：包括站点位置与测量基础设施的布设、净CO2通量的计算与后处理，以及有关数据缺口填补和通量分割方法的一些问题。
尽管涡度协方差（EC）技术在全球许多观测站点被广泛使用，但大多数站点位于未受干扰的生态系统中，其设计和后续数据处理可依据标准方案进行（例如FLUXNET或ICOS网络协议）。然而，在风倒木区等条件复杂且空间常受限制的区域，此类实验需特别谨慎地规划与实施。此外，对于动态演替中的生态系统，长期观测可能需要在未来随着植被的生长和发育而调整EC系统的安装高度。因此，我们建议采用一种独特的基础结构——一种配备电动可伸缩桅杆的创新“微型塔”。该技术方案能够满足该方法本身的基本要求之一：将EC系统置于混合边界层中，而无需重建结构或拆卸仪器，从而避免在本已有限的数据集中造成进一步的数据丢失。此外，电动可移动桅杆也大大方便了现场传感器的维护工作（例如，当需要清洁分析仪的光学路径时，可将整个EC系统降至所需且便于操作的高度）。然而必须指出，提高仪器安装高度将导致影响区域（通量足迹）范围的扩.......
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披露
作者希望指出，本方案主要是对已知且广泛描述的关于涡度协方差（EC）测量问题的简化。在需要时，已提供所有必要的参考文献。我们的主要目的是向非专业人员推广该方法的应用，以及我们新开发的、独特的、可调节的电动EC测量桅杆，并采用逐步指导的方式进行介绍。我们希望这能更便于人们理解并认识到，尽管EC技术需要满足严格的要求，但它同样可以有效地应用于非典型且空间受限的生态系统中。鉴于目前关于EC理论与方法的文献已相当丰富，本方案或许也能激励读者进一步深入学习这一领域的知识。
致谢
本研究得到了波兰华沙国家森林局（项目LAS，编号OR-2717/27/11）的资助。我们谨向波兰波兹南生命科学大学气象系参与本实验方案实施并在制作其可视化版本过程中提供帮助的全体研究人员表示感谢。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 带金属导轨和电动机（24 V）的可调节桅杆 | maszty.net | - | 替代性基础结构。需由专业人员设计和制作 |
| EddyPro | LI-COR, Inc. | ver. 6.2.0. | 用于通量计算的免费商业软件。可通过网站 https://www.licor.com/env/products/eddy_covariance/software.html 申请获取 |
| 封闭式红外气体分析仪 | LI-COR, Inc. | LI-7200 | 涡动协方差系统（EC）中用于测量 CO2 通量的两种仪器之一。也可使用其他类型的快速分析仪（>10 Hz 采样频率） |
| REddyProc | - | - | 用于涡动协方差通量数据填补和分割的免费软件。可在马克斯·普朗克生物地球化学研究所获取：https://www.bgc-jena.mpg.de/bgi/index.php/Services/REddyProcWeb。提供在线工具和 R 软件包 |
| 带混凝土基础的短铝塔底座 | maszty.net | - | 替代性基础结构（创新性方案）。需由专业人员设计和制作 |
| 超声风速仪 | Gill Instruments | Gill Windmaster | 涡动协方差系统（EC）中用于风速测量的两种仪器之一。也可使用其他类型的三维超声风速仪 |
| 不锈钢三脚架 | Campbel Scientific, Inc. | CM110 10 ft | 涡动协方差（EC）系统的基本结构。可自行搭建——材料可在五金店获取 |
| 日照传感器 | Delta-T Devices Ltd. | BF5 | 用于光合光子通量密度（PPFD）测量的代表性仪器之一。可从多家商业公司购买。请注意将其安装在冠层上方，远离反光表面 |
| 热敏电阻 | Campbel Scientific, Inc. | T107 | 用于土壤温度测量的代表性仪器之一。可从多家商业公司购买。建议建立土壤温度剖面 |
| 温湿度计 | Vaisala Oyj | HMP155 | 用于空气温度和湿度测量的代表性仪器之一。可从多家商业公司购买。请注意将其置于辐射防护罩内，安装高度应与涡动协方差系统相近 |
参考文献
- Baldocchi, D. Measuring fluxes of trace gases and energy between ecosystems and the atmosphere - the state and future of the eddy covariance method. Global Change Biology. 20, 3600-3609 (2014).
- Aubinet, M., et al.
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