森林生态系统碳循环是全球碳循环的重要环节,研究其碳通量变化有助于我们理解森林生态系统运行过程与机制。在全球通量观测中,涡度相关技术已成为公认的标准观测方法,它可以在高时间精度上快速捕捉大气、陆地界面碳通量变化信号,但是其也有应用的局限性:如在山区等复杂地貌条件下,大气湍流活动不规律、在夜间,大气稳定度较高,湍流活动较弱时,均会导致通量的测量的误差。因此目前对于复杂地形生态系统碳通量过程的模拟与研究较少,十分有必要提出一种长期连续观测碳通量的技术手段,作为通量研究在复杂地形条件及大气稳定条件下的补充。本研究选取北京山区典型侧柏林为研究对象,通过使用稳定同位素技术,系统的研究了北京山区侧柏生态系统中CO2通量的拆分与模拟过程。本研究对森林生态系统大气CO2浓度及其δ13C值的观测,描述了其变化特征以及与环境因子之间的关系,同时利用二元混合模型得到北京山区侧柏生态系统对大气δ13C值影响的量化关系。通过分析森林生态系统不同组分的同位素特征,得到了不同通量之间的比例关系,并结合土壤呼吸通量,完成了对森林生态系统各碳通量的拆分与定量解析,获得了山区森林系统在2017年度的光合通量、呼吸通量以及净碳通量。同时,对研究所使用同位素方法进行了不确定分析与模型比较验证。主要研究结果如下:(1)2017年北京山区林内CO2浓度变化范围为366.07～720.04μmol mol-1,其垂直分布从地面到冠层呈下降趋势;林内δ13C值变化范围为-19.78～-3.48‰,其垂直分布从地面到冠层呈上升趋势,与CO2浓度变化规律相反。CO2浓度(y)和 δ13C 值(x)的关系式为:y=-0.0365x+5.1462,R2=0.554(p<0.001),Keeling Plot 关系式为:y=7643.6x-28.394,R2=0.563,得到北京山区 2017 年度同位素值对林内大气的添加值约为-28.394‰。(2)大气稳定度具有明显的昼夜变化,在夜间大气稳定、湍流活动弱,在日间,大气不稳定,湍流活动强。在夜间,使用大气稳定度作为筛选条件,可以有效提高森林生态系统夜间呼吸同位素值的精度,为准确表达森林生态系统通量拆分与模拟提供了基础。而在日间,使用大气稳定度作为筛选条件后,由于数据剔除过多,反而会使森林生态系统日间净碳通量同位素值的不确定性增大。(3)研究通过构建拟合方程与使用生长季均值,克服了 Keeling截距在生长季变化中离散的问题:两种方法获得的△canopy值在生长季内整体变化过程均表现出先增高,后降低的趋势,且结果十分接近,但是通过其与环境因子的相关性分析可以发现使用方程模拟的△canopy值相比于使用均值定值求出的△canopy值,对环境因子的响应更敏感。(4)通量拆分法(FP法)所获得的森林生态系统地下部分(土壤)呼吸通量在年内呈单峰变化,其生长季内均值为:2.93μmol·m-2·s-1,生态系统地上部分呼吸通量均值为1.61μmol·m-2·s-1,生态系统呼吸通量均值4.29μmol·m-2·s-1,日间光合通量均值为-8.76μmol·m-2·s-1,日间净碳通量均值为-4.23μmol·m-2·s-1,生长季内整体净碳通量-0.12μmol·m-2·s-1。(5)通过对通量解析过程的不确定分析可得:对于净碳通量:大气C02浓度误差每增加1Oμmolμmol-1,会高估净碳通量2.7%;大气δ13C值误差每增加1‰,会低估净碳通量8.59%;土壤呼吸通量对净碳通量的误差是非线性的,土壤呼吸通量增加0.2和0.5 μmol·m·-2·s-1,会低估净碳通量8.64%和46%;C02冠层气孔导度误差增加0.01 mol·m·-2·s-1,会高估净碳通量17.66%;δ13Cn_ec。误差增加1‰,会高估净碳通量3.45%;δ13Cd-net误差增加1‰,会高估净碳通量8.21%;△canopy误差增加1‰,会低估净碳通量8.735%。对于光合通量:大气CO2浓度误差每增加1Oμmol·mol-1,会高估光合通量2.5%;大气δ13C值误差每增加1‰,会低估光合通量8.09%;土壤呼吸通量增加0.5μmol·m·-2s-1,会高估光合通量0.38%;CO2冠层气孔导度误差增加0.01 mol·m·-2·s-1,会高估光合通量16.3%;δ13Cn-eco误差增加1‰,会高估光合通量0.84%;δ13Cd-net误差增加1‰,会高估光合通量7.62%;△canopy对光合通量的误差是非线性的,△canopy误差增加1‰,会低估净碳通量8.10%。对于呼吸通量:大气C02浓度、大气δ13C值、CO2冠层气孔导度、δ13Cd-net、和△canopy不会对呼吸通量的模拟造成影响;土壤呼吸通量增加0.5μmol·m·-2·s-1,会高估呼吸通量19%;δ13Cn_eco对呼吸通量的误差是非线性的,δ13Cn-eco误差增加1‰和2‰,会低估呼吸通量27.1和44%。(6)对于整个生长季来说,可溶性糖水碳耦合法(CWC-S法)和叶片水碳耦合法(CWC-L法)在冠层气孔导度的应用中:ACWC-L与△CWc-s差值的均值为0.45‰;ACWC-L与ACwc-s差异百分比的均值为2.67%,ACWC-L值整体上要高于△cwc-s 值,二者线性相关:y=0.6581x+6.5016,R2=0.6478;CWC-S 法和 CWC-L法在光合通量的应用中:Fp-CWC-L与Fp-cwc-s差值的均值为0.27‰;Fp-CWC-L与Fp-cwC-s差异百分比的均值为-3.77%,二者样点基本分布于1:1线上,具有非常好的线性关系:y=0.9971x+0.2435,R2 = 0.9883。(7)FP法、CWC-S法以及CWC-L法获得的冠层光合判别在日变化规律中的变化趋势比较统一,叶片可溶性糖的日内变化与大气CO2中δ13C值的日内变化相比不足以影响日变化趋势。FP法、CWC-S法以及CWC-L法获得的光合通量在日变化规律中的变化趋势比较统一,三种不同方法求得的冠层光合判别的差异对光合通量日变化趋势影响较小。FP法、CWC-S法以及CWC-L法,三种方法之间,相互验证结果较好,光合通量之间无明显差异:y=0.9941x1-0.0901,R2=0.9872,y=0.9961x2-0.3417,R2=0.997,其中 y 为 Fp-Fp(μmol·m-2·s-]),x1 为 Fp-cwC-s(μmol·m-2.s-1),X2为 Fp-CWC-L(μmol·m-2.s-1)。说明这三种方法所获得的光合判别之间的差异不会对光合通量产生显著影响,验证了本研究中,FP法的模拟结果。