夜间土壤CO2通量观测及其在大气边界层中的累积机制研究

本研究通过田纳西州农业区两年期边界层观测，创新性地采用无腔室法量化土壤CO2通量，揭示夜间稳定层结下CO2累积高度可达10米，发现微生物激活温度阈值为12-15°C，夏季通量峰值超10 μmol m-2 s-1，为农业碳排放评估提供新方法。

　　

在气候变化与农业可持续发展的交叉领域，土壤碳排放的精确量化始终是科学界面临的难题。传统腔室法会干扰自然通量，而涡度协方差(EC)技术又受限于理想化场地要求。美国田纳西大学农业研究所的B.B. Hicks团队在《Agricultural and Forest Meteorology》发表的研究，通过两年田间实验破解了这一困局。

研究团队在田纳西州劳登市20公顷玉米田布设边界层观测系统，利用夜间稳定边界层(SBL)的独特物理特性，通过垂直浓度梯度法计算CO₂通量。关键技术包括：(1)多高度CO₂浓度连续监测（0.4米至冠层上方）；(2)基于Obukhov长度(L)的稳定性筛选；(3)线性浓度剖面模型计算累积量。

【Site and instrumentation】
实验场地位于田纳西河谷（35.71°N），采用无耕作玉米轮作模式。仪器阵列包含温湿度、三维风速及CO₂分析仪，重点监测近地层0.4-2米范围的浓度梯度。

【Pooling observations】
数据显示夜间CO₂池发展呈三阶段特征：初始滞后（约2小时）、线性增长（斜率b_z=0.12 ppm/m）和间歇性衰减。成熟玉米季观测到最大累积高度10.3米，浓度差ΔC达243 ppm。

【Analysis】
采用Galmiche-Hunt边界层理论模型，证明强稳定层结下(z/L>5)浓度剖面呈线性。通过ΔC与Z_lin的时变关系，推导出通量计算公式F_CO2=b_t·ΔC/b_z+b_t·Z_m1。

【Efflux rates】
发现微生物激活温度阈值为12-15°C，Q10≈2.5。夏季峰值通量10.2 μmol m^-2 s^-1，冬季降至0.4 μmol m^-2 s^-1。玉米快速生长期通量对温度敏感性升高37%。

【Discussion】
该方法规避了EC技术在高植被区的"足迹"问题，证实传统传感器部署高度（>2米）会漏检50%冬季通量。研究首次验证了Verduin 1944年提出的"冠层截留效应"。

【Conclusions】
建立的无腔室通量测算体系为复杂地形农业碳排放研究提供新范式，揭示夜间CO₂池对作物生长的反馈机制。成果对全球碳循环模型中的农田参数化具有重要启示，尤其适用于发展中国家的小农户地块监测。