基于小波变换与条件采样的涡度协方差法创新应用：光合与呼吸作用分离研究新范式

为解决传统涡度协方差(EC)技术中净生态系统交换(NEE)分区方法的局限性，法国研究人员开发了一种基于离散小波变换(DWT)和条件采样(DW-CS)的全新经验性分区方法。该研究通过分析法国ICOS站点(FR-Fon森林和FR-Gri农田)多年数据，证实该方法能有效分离CO2 通量的正负贡献，其分区结果与传统夜间法(NT)和日间法(DT)具有良好一致性，同时避免了NT方法中常见的虚假GPP估计。这项发表在《Agricultural and Forest Meteorology》的研究为碳通量监测提供了无需校准、基于物理传输机制的新工具。

　　

在全球气候变化背景下，准确量化陆地生态系统的碳收支已成为气候研究的核心课题。作为直接测量地表-大气温室气体交换的金标准，涡度协方差(Eddy Covariance, EC)技术却长期面临一个关键挑战：如何将测得的净生态系统交换(Net Ecosystem Exchange, NEE)准确分解为光合作用(Gross Primary Productivity, GPP)和生态系统呼吸(Ecosystem Respiration, R_eco
)这两个生理过程。传统基于夜间数据外推或光响应模型的方法存在理论缺陷，如忽略光抑制效应、依赖温度驱动假设等，导致碳循环模型校准存在系统性偏差。

法国农业科学院等机构的研究团队在《Agricultural and Forest Meteorology》发表创新成果，提出基于离散小波变换(Discrete Wavelet Transform, DWT)和条件采样(Conditional Sampling, CS)的全新分区方法DW-CS。研究人员选取法国ICOS网络的两个典型站点——落叶混交林FR-Fon和轮作农田FR-Gri，分别获取4年和2年的高频湍流数据。通过Daubechies小波(db6)将垂直风速(w)和CO₂
浓度(c)信号分解为不同尺度的波动成分，再依据水汽通量(wv)的符号条件进行象限分析，最终实现CO₂
通量在时间和频率维度的精准分离。

关键技术包括：(1)20Hz原始数据的离散小波分解；(2)基于水汽通量符号的象限条件采样(Q1-Q4)；(3)光合有效辐射(PPFD)阈值约束夜间F^-
归零；(4)对不合理象限Q3(负CO₂
与负水汽)的等分再分配策略；(5)与标准EC方法(EC_S
)的平行比对验证。

研究结果展现出多重突破性发现：

1. 方法验证：DW-EC与标准EC计算的NEE具有高度一致性(R²

0.97)，但小波法平均低估8-12%，这源于小波分解固有的去趋势特性。值得注意的是，DW-EC在非平稳条件下可获得额外10%的高质量数据。

1. 频谱特征：通过交叉尺度图分析发现，负通量成分F^-
   (代表光合主导过程)的频谱贡献集中在较低频段(FR-Fon<0.02Hz，FR-Gri<0.16Hz)，而正通量成分F⁺
   (呼吸主导)则更多体现在高频湍流。这种"低频光合-高频呼吸"的分离现象支持了"植被冠层过滤大涡，土壤释放小涡"的物理假说。

2. 分区比较：DW-CS与NT方法的日平均GPP和R_eco
   具有良好相关性(MAE=0.65-0.81μmol m^-2
   s^-1
   )，且显著优于DT方法。特别在农作物生长旺季，DW-CS捕获到NT方法忽略的日间自养呼吸增强现象，这与光合产物输送的生理过程相吻合。

3. 呼吸动态：最具启示性的发现是F⁺
   呈现独特的双峰日变化模式——夜间平稳、日出日落时骤降、日间呈倒U型。通过关联分析发现，Q1(正wv条件)组分与深层土壤温度(FR-Fon 16cm，FR-Gri 30cm)同步变化，可能反映异养呼吸(R_heterotroph
   )；而Q2(负wv条件)组分则与气温和辐射密切相关，可能表征植物呼吸(R_plant
   )。这与J?rveoja等(2020)的箱式观测结果高度一致。

讨论部分着重指出，DW-CS方法的三大革新价值在于：
(1) 理论突破：首次实现完全基于湍流物理特性的经验性分区，摆脱对温度/光响应模型的依赖；
(2) 技术优势：通过小波多尺度分析，自然规避非平稳性问题，较标准EC增加10%有效数据；
(3) 生理启示：双峰呼吸模式挑战了传统单温度驱动假设，为"土壤滞后-植物即时"的双源呼吸模型(Wohlfahrt和Galvagno,2017)提供直接证据。

这项研究为碳循环研究开辟了新路径，未来结合COS(羰基硫)、VOCs(挥发性有机物)等多示踪剂，有望实现更精细的生态系统源汇解析。其开发的Python库waveletec(DOI:10.5281/zenodo.13844043)为全球通量社区提供了即用工具，将推动从经验算法向物理机制研究的范式转变。正如作者强调，这种方法特别适合处理突发排放(如CH₄
、N₂
O)和非平稳通量，在实现"双碳"目标的科学征程中展现出独特价值。