在全球变化背景下,地球系统碳、水、能量通量越来越受重视。生态系统尺度碳通量观测方法有多种,其中涡动协方差(EC,又译作涡度相关)法是微气象学方法的代表,它可以直接估算陆地生态系统与大气之间的净CO2交换,还可以同时测量水和能量通量,因而是研究碳、水、能量通量最重要的方法。森林是最为复杂的陆地生态系统,丰富的树种组成、高大的冠层和明显的空间变异等特点导致了其碳水能量收支测定的困难和不确定性较大。EC方法测定森林碳水能量通量是对生态学、林学与微气象学等学科的交叉应用,其理论与技术问题的研究深度明显滞后于实践应用的需求。因此,解决EC方法测定中的理论和实践应用中的关键问题,对于充分发挥通量观测网络在全球碳水循环以及气候变化等领域的作用具有重要的意义。黑龙江省帽儿山通量塔以监测和研究温带落叶阔叶林生态系统碳水能量通量为主要功能,研究区气候(大陆性温带季风气候)、地形(山谷坡面)和森林类型(温带落叶阔叶林)等方面在东北东部山区有很强的代表性。本文以帽儿山站通量塔为基础,采用连续定点实测与模型模拟相结合的方法,利用2008～2017年不同时间段的数据,研究了 EC通量观测的4个相对独立又交叉联系的关键问题:单一廓线估计CO2储存通量(Fs)估算误差、坐标旋转(超声风速仪倾斜校正)对碳水能量通量造成的误差、开路分析仪表面加热效应对碳通量造成的误差、坡面地形辐射测量方法及其对辐射和能量平衡造成的误差。主要研究结果如下:(1)利用8层CO2/H2O干摩尔分数廓线数据,定量评价了廓线采样点垂直分布和CO2干摩尔分数平均时间窗口大小对Fs造成的误差。结果表明:单位高度的Fs一般随高度增加而降低,表明林冠下采样点应该适当加密,这大体上是由冠层垂直结构决定的。如果利用EC单点法计算Fs,低估可达33%。Fs的不确定性(标准差)随计算CO2干摩尔分数平均值的时间窗口的增大而降低。但CO2干摩尔分数时间平均导致系统低估Fs,因此造成30 min尺度白天吸收CO2和夜间释放CO2均被低估,生长季黎明低估碳吸收最大可达 5.4 μmol m-2 s-1(6:30),傍晚低估 CO2释放约 3.9 μmol m-2 s-1(19:30)。本研究证实考虑空间分辨率与时间分辨率(一轮廓线测量的时间)对提高Fs估计精度至关重要。(2)采用标准主轴法(斜率表示差异的百分比,而截距表达绝对差异)探讨了山谷坡面地形条件下6种倾斜校正方法对感热通量(H)、潜热通量(LE)、CO2湍流通量(Fc)、能量平衡的影响。与校正前的通量相比,二次旋转(DR)、平面拟合(PF)、垂直速度无偏平面拟合(NBPF)、月尺度平面拟合(MPF)、三次旋转(TR)和月尺度分风向区平面拟合(MSWPF)得到的H变幅依次为+1.5%、+3.8%、+3.1%、+3.3%、-1.3%和-7.1%。对LE而言,NBPF和DR分别升高1.0%和0.4%;PF也增加0.671 W m-2;MPF降低0.4%,但截距增加0.747 W m-2;MSWPF和TR则分别降低4.5%和15.1%。坐标旋转后Fc降低幅度波动在6.0%(DR)～12.1%(TR)之间。不同倾斜校正方法中,PF使能量平衡闭合平均提高约2%,而TR却降低约6%。从摩擦风速和垂直风速的稳定性来看,TR和NBPF不宜用于风速仪倾斜校正。考虑到EC观测的准确度和实际应用,山谷较均一的坡面地形下坐标系统应优先选择PF,其次为DR。(3)利用单根裸丝线径0.127 mm的T型热电偶直接测定LI-7500表面(底部镜头、顶部镜头和支杆)温度,同时采用单根裸丝线径0.079 mm的K型热电偶同步测定LI-7500 光路中部和环境空气温度,探讨了 LI-7500 表面加热的评估和校正方法。帽儿山站LI-7500表面加热因昼夜、季节和部位而异,白天大于夜间,冬季大于夏季,底部镜头>支杆>顶部镜头,其中冬季底部镜头加热可达5℃以上。不同方法估计的表面加热导致的感热通量增量和CO2湍流通量增量(FcHC)格局差异较大。表面加热导致的Fc误差夏季一般可达1.0 μmol m-2 s-1,冬季一般最大约2.0 μmol m-2 s-1。以T型热电偶实测表面温度结合Nobel方程(TS)法为参考,Burba一元和多元方程模拟均偏高,夏季本文建立的一元线性模型、细丝热电偶感热通量的模拟模型与TS法较一致,冬季本文建立的一元线性模型与TS法较接近,细丝热电偶测定感热通法的敏感性高但噪音大,而细丝热电偶感热通量的模拟模型不能很好的反映微气象因子的影响。(4)量化了生长季(5月初到10月初)坡面地形辐射表安装方式对净辐射(Rn)各分量:短波辐射(Rs)、光合有效辐射(PAR)和近红外辐射(NIR)及其反照率的影响,评估了辐射表安装方式对EC系统的能量平衡闭合度的影响。辐射表安装方式对入射辐射日变化的影响大于反射辐射,对Rs的影响大于长波辐射(L)。与倾斜安装的辐射表相比,水平安装的辐射表高估入射Rs7%、NIR10%和PAR2%,但低估反射Rso4%和NIR5%,水平安装的辐射表低估净长波辐射(Ln)8%。所有辐射分量汇总的结果为水平安装辐射表高估Rn9%。用简单经验模型将水平测量的辐射转换到坡面后,入射Rsi和Rn的偏差减小了大约1/4。水平安装辐射表通常会低估反照率的日平均值,尤其是NIR反照率。倾斜测量Rn将能量平衡闭合比率(EBR)提高8.3%,而将水平测量的Rs校正到坡面仅提高1.4%。整合全球10个站点发现,水平辐射表低估东坡上午辐射、高估下午辐射,西坡相反;水平安装辐射表低估南坡、高估北坡入射和净辐射;水平安装辐射表在北坡低估EBR,在南坡则高估EBR。辐射表水平安装导致的EBR误差的坡度敏感性约1.1%o-1。NEE的光响应参数估计也受到辐射表安装方式的影响。本文虽然集中于帽儿山站的1个通量塔,但大量的数据积累减小了随机误差,与国际上标配通量塔一致。而且该站的地形、植被和气候在我国东北地区均有很强的代表性,而且在与其他站点研究结果的对比中发现了一些普遍性规律,因此,研究结论对认识EC的不确定性,促进相关理论与技术的完善具有一定的指导意义。未来的研究中,开展彼此独立的EC方法、测树学方法和箱式法在C02收支、水量平衡观测和研究中的综合应用,将有助于提高森林生态系统水平EC通量估计的准确性。