亚马逊雨林昼夜水碳交换的垂直分层特征及其对生态系统通量的影响机制

研究人员针对热带雨林水汽和CO2 交换的垂直分异机制这一关键科学问题，通过CloudRoots-Amazon22野外观测与三层陆地表面模型相结合，揭示了亚马逊雨林在浅对流日条件下各冠层（林下层、中层和顶层）对净生态系统交换量(NEE)和蒸散发(ET)的差异化贡献。研究发现顶层冠层主导通量交换，且温度逆温现象阻碍了冠层内部空气混合，尤其在早晨过渡期(7:30-9:00 LT)观测与模型间存在CO2 释放差异。该研究为热带森林垂直通量建模提供了关键参数化方案，发表于《Agricultural and Forest Meteorology》。

　　

热带雨林作为地球最大的陆地碳汇，其水碳交换过程深刻影响着全球气候系统。然而，传统"大叶模型"将茂密的热带森林简化为单层植被，无法捕捉冠层内显著的垂直异质性——从林下阴暗潮湿的环境到阳光充沛的冠顶层，光强可相差百倍，温度、湿度和CO₂
浓度均呈现剧烈梯度。这种简化导致模型难以准确模拟关键生理过程，特别是在亚马逊旱季频繁出现的浅对流天气条件下，云层扰动与冠层动力学的相互作用机制尚不明确。

为解决这一难题，荷兰瓦赫宁根大学领衔的国际团队在亚马逊高塔观测站(ATTO)开展了CloudRoots-Amazon22综合观测实验。研究选取2022年8月旱季典型的6个浅对流日（以9-10时出现浅积云为特征），采用垂直剖面观测与三层模型耦合的创新方法，首次同步量化了光合有效辐射(PAR)、叶片性状（如最大羧化速率V_c,max
和电子传递速率J_max
）和微气象要素的垂直分异及其对通量的调控作用。

研究团队运用了三大关键技术：1) 塔基立体观测系统，通过量子传感器、红外气体分析仪和三维超声风速仪获取冠层内5-81米共6个高度的PAR、CO₂
浓度和湍流数据；2) 叶片尺度气体交换测量，采用LI-6400XT便携式光合仪测定各层叶片A-C_i
响应曲线；3) 基于A-g_s
模型的三层高斯积分方案，整合观测的垂直剖面数据模拟各层通量贡献。

3.1 微气候与叶片性状的垂直剖面
辐射衰减呈现非线性特征，顶层接收的PAR为林下的142倍（25m vs 5m），且正午中层出现短暂"光斑"使辐射突增7倍。温度剖面显示持续的冠层逆温现象，顶层与林下温差达4°C，形成阻碍湍流混合的稳定层结。CO₂
浓度在林下始终高出冠层30-40ppm，尤其在早晨积累显著。叶片性状垂直梯度鲜明，顶层V_c,max
(58.5 μmol m^-2
s^-1
)比林下高2倍，δ¹³
C同位素组成显示顶层C_i
/C_a
比值(0.72)显著低于林下(0.85)，反映光合效率的层间差异。

3.2 叶片与生态系统通量
模型成功再现了观测的C_i
/C_a
日变化（r²
=0.75），但低估了林下清晨比值。气孔导度模拟显示顶层对总蒸散的贡献达78%，其水分利用效率(9.99 g CO₂
kg^-1
H₂
O)是林下层的15倍。值得注意的是，林下层在日间表现为净CO₂
源，呼吸释放占植被总通量的6%。

3.3 模型-观测通量对比
尽管ET模拟与涡动相关观测高度吻合(r²
=0.95)，但NEE在早晨过渡期存在显著差异：模型预测7:30 LT即转为净吸收，而观测显示CO₂
释放持续至8:00 LT。这揭示冠层存储效应未被完全捕捉——夜间积累的高浓度CO₂
（林下达450ppm）在晨间湍流增强时被垂直输送，暂时抵