陇中黄土高原油松人工林林冠截留特征及模拟

以陇中黄土高原安家沟小流域的油松人工林为对象,于2011年生长季(5---9月)观测其林外降雨、穿透雨、树干茎流及林冠结构特征,采用修正的Gash解析模型模拟林冠截留,研究油松人工林的生态水文过程及影响机理.结果表明:研究期间共观测到19次降雨事件,总降雨量为215.80 mm,其中林冠截留48.27 mm,占总降雨量的22.4％;穿透雨165.24 mm,占同期林外降雨量的76.7％;树干茎流量2.29 mm,占同期降雨量的1.1％.模拟的林冠截留量为41.24 mm,比实测值低7.13 mm,相对误差为14.7％,其中,33.8％和60.0％截留分别在降雨期间和降雨之后蒸发.修正的Gash解析模型对林冠盖度、林冠持水能力、蒸发和雨强有较强的敏感性,而对树干茎流率和树干持水能力的敏感性不高.     

太湖地区不同轮作模式对稻田温室气体(CH4和N2O)排放的影响

通过田间试验,研究了太湖地区不同轮作模式下稻季温室气体排放规律.结果表明: 水稻生长季CH₄排放呈先升高后降低趋势,CH₄排放主要集中在水稻生育前期,烤田后至水稻收获期间CH₄排放量较低;N₂O的排放主要集中在3次施肥及烤田期.稻季排放的CH₄对全球增温潜势(GWP)的贡献远高于N₂O,各处理所占比例为94.7%～99.6%,是温室气体减排的主要对象.不同轮作模式下,稻季CH₄排放总量及其GWP存在显著差异,表现为小麦-水稻>紫云英-水稻>休闲-水稻轮作;稻季N₂O排放总量及其GWP没有显著性差异.与不施肥处理相比,紫云英-水稻轮作模式下施加氮肥显著降低了CH₄排放量和GWP,但不同氮肥用量下的CH₄排放量和GWP没有显著性差异,而紫云英还田稻季施氮240 kg·hm^-2下的水稻产量却最高.综合经济效益和环境效益,紫云英还田稻季施氮240 kg·hm^-2下的增产减排综合效果更好,是值得当地推广的耕作制度.     

湖南会同杉木人工林林冠截留特征

林冠对降水的截留是森林生态系统水分平衡的一个重要组成部分,在水分循环和水资源管理方面起着非常重要的作用。杉木是我国特有的速生商品材树种,研究杉木人工林各生长阶段的林冠截留,能更好的了解杉木各生长阶段的水循环过程以及涵养水源的能力。以湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站第Ⅲ集水区杉木人工林为研究对象,采用小集水区径流场综合试验法对1983年至2007年杉木人工林幼龄阶段、中龄阶段及近熟阶段3个不同生长阶段的林冠截留进行分析。结果表明:(1)杉木人工林不同生长阶段年均截留率分别为:幼龄阶段26%、中龄阶段27.86%和近熟阶段29.47%,3个阶段的截留率季节变化规律相似,但在降雨量较小的月份,近熟阶段的截留率明显高于幼龄阶段。(2)在雨量级小于1.0 mm时,3个阶段林冠截留率都较高且无明显差别,均在86%以上;在1.0—2.0mm雨量级时,3个阶段截留率与雨量级小于1.0 mm时均大幅降低,但3个阶段截留率物显著差异,幼龄阶段48.1%、中龄阶段48.7%和近熟阶段47.1%;在进入2.0—4.0 mm雨量级时,3个阶段截留率差异较大,幼龄阶段30.5%、中龄阶段38.4%和近熟阶段44.1%,近熟阶段的林冠能截留住更多的降雨;当降雨量大于100 mm时,3个阶段林冠截留率又无明显差异截留率均低于10%。(3)Fan模型对各阶段杉木人工林林冠截留的模拟较为理想。     

Gash模型在黄土区人工刺槐林冠降雨截留研究中的应用

为了验证Gash林冠截留解析模型在黄土高原人工林中的适用性,基于2009年黄土丘陵沟壑区吕梁市王家沟小流域刺槐林样地降雨观测数据,采用Gash模型对林冠截留进行了模拟。所选刺槐林分为人工纯林,林龄约30a,阴坡,坡度24°,密度为990株/hm2,平均树高10.8 m,平均胸径12.4 cm,郁闭度0.76。根据回归方法确定了Gash模型中的主要参数,包括饱和林冠的平均蒸发速率(E珔)、林冠枝叶部分的持水能力(S)、自由穿透降雨系数(p)、树干持水能力(St)和树干茎流系数(Pt)。结果显示,2009年5月至10月人工刺槐林样地实测降雨量为366.9 mm,穿透降雨量为317.5 mm,树干茎流为10.2 mm,林冠截留量为39.2 mm。模型模拟的林冠截留量为42.4 mm,高于实测值3.2 mm,相对误差为8.2%。敏感性分析表明,S、E珔、St和pt每增加10%,林冠截留量分别增加4.7%,3.1%,1.7%和0.5%;p增加10%,林冠截留量则减少2.6%。说明树干持水能力(St)和树干茎流系数(pt)两个参数对黄土高原人工刺槐林冠截留量的预测值影响程度较小。模拟值与实测值有较好的一致性,显示Gash模型适用于黄土高原人工刺槐林冠的截留计算。     

应用修正的Gash解析模型对岷江上游亚高山川滇 高山栎林林冠截留的模拟

修正的Gash解析模型具有较好的物理基础,是目前估算和预测林冠截留的有效工具。基于2007年6月到9月的降雨数据、气象和林分结构资料,采用修正的Gash解析模型对岷江上游川滇高山栎林冠截留进行了模拟。结果表明,林冠持水能力为0.23mm,树干持水能力为0.041mm,树干茎流系数为0.013,使林冠饱和的降雨为0.3mm;研究期间实测的林冠截留量为80.2mm,占总降雨量的16.5%,应用模型模拟的林冠截留总量为81.8mm,高于实测值1.6mm(高于实测值2.0%),林冠截留和树干茎流周累积量模拟值均与实测值有很好的一致性,敏感性分析结果显示,应用修正的Gash解析模型进行岷江上游川滇高山栎林冠截留模拟研究中,模型最易受林冠持水能力影响,其次为郁闭度、树干持水能力,影响最小的林分参数为树干茎流系数。     

模拟增温及隔离降雨对中亚热带杉木人工林土壤可溶性有机质的数量及其结构的影响

温度和水分影响森林生态系统的结构与功能,而全球变暖和降雨格局的改变是未来气候变化的趋势。我国中亚热带地区森林覆盖率大,碳库丰富,可溶性有机质(DOM)作为森林生态系统的重要组成部分,气候变化对它的数量和组成具有重要的影响。本文对我国湿润亚热带地区杉木人工林土壤进行模拟增温以及隔离50%的降雨试验,利用光谱技术手段研究增温及隔离降雨对土壤可溶性有机质(DOM)的数量及其结构的影响。试验设对照(CK)、增温(W)、隔离降雨(P)、增温与隔离降雨的交互作用(WP)4种处理。结果表明,与对照相比,土壤增温后,0—10cm和10—20cm土层的土壤可溶性有机碳(DOC)和可溶性有机氮(DON)增加,但其芳香性指数和腐殖化程度降低,增温加速DOM的流失,不利于土壤有机质的稳定。季节变化影响土壤的环境,导致隔离降雨有使DOM的数量增加或减少的趋势;在旱季(2014年10月和2015年1月),隔离降雨降低了土壤DOM的数量,但其芳香性指数和腐殖化程度增加,而进入雨季(2015年4月),隔离降雨有使DOM增加的趋势,但其组分中的芳香化合物较少。增温和隔离降雨的交互作用在一定程度上促进DOM的产生,其结构比对照简单。温度和降雨对DOM的影响较为复杂,在全球气候变化背景下,只有长期对其进行观测并探讨其他因素带来的影响才能深入了解气候变暖和降雨格局的变化对土壤碳、氮的影响。     

再生稻田温室气体排放特征及碳足迹

研究中国东南区域不同稻作方式对水稻生产过程中稻田温室气体排放特征及其碳足迹的影响,对促进水稻可持续生产有重要意义。本研究以当前推广的常规稻‘佳辐占'和杂交中稻‘甬优2640'为材料,构建4种适合福建不同生态类型区的稻作模式: 1) 双季稻,早稻和晚稻均种植佳辐占(D-J);2) 早熟再生稻,头季稻和再生季稻均种植佳辐占(R-J);3) 中熟再生稻,头季稻和再生季稻均种植甬优2640(R-Y);4) 单季晚稻,与中熟再生季稻同期抽穗的单季晚稻,种植甬优2640(S-Y)。采用密闭静态暗箱观测法和气相色谱法分别收集并检测稻田土壤温室气体排放量,借用生命周期法对不同稻作方式产生的直接和间接温室气体排放总量(即碳足迹)进行数据采集与比较分析。结果表明: 不同稻作方式稻田温室气体排放特征均表现为生育前期排放量较低,到孕穗期前后达到高峰后又下降,即全生育期呈前高后低的双峰曲线,其中早稻或头季稻达到的第1个峰值较相应晚稻或再生季稻的第2个峰值高。不同稻作模式稻田温室气体排放总量差异显著。各种植模式全球增温潜势(GWP)表现为:R-Y>D-J>S-Y>R-J,温室气体排放强度(GHGI)表现为:D-J>S-Y>R-Y>R-J;与双季稻模式相比,佳辐占再生稻模式GWP和GHGI分别降低26.1%和14.1%;与同期抽穗的单季晚稻相比,甬优2640再生季稻稻田GWP和GHGI分别降低74.3%和56.7%。不同稻作模式下水稻单位产量碳足迹为0.38~1.08 kg CO₂-eq.·kg^-1,其中双季稻模式下最高,再生稻模式下甬优2640的单位产量碳足迹最低。不同稻作模式产生的碳足迹主要来源于CH₄,其贡献率高达44.2%~71.5%。可见,再生稻种植模式能显著降低水稻全球增温潜势和碳排放强度。选用高产低碳排放的水稻优良品种并配套科学栽培技术,是有效降低稻田CH₄排放量和碳足迹、促进再生稻生产可持续发展的关键。     

珍稀濒危植物金花茶的点格局分析

金花茶(Camellia nitidissima Chi)是一种珍稀濒危的观赏植物,为林下常绿灌木或小乔木,分布区非常狭小.基于广西防城金花茶自然保护区1 hm2次生林固定样地的调查数据,采用单变量和双变量成对相关函数分析了金花茶的空间分布格局及其与样地25个主要树种之间的空间关联性.结果表明:金花茶种群径级结构呈现倒“J”型分布,有小径级个体储备,种群较稳定;金花茶在空间上呈聚集分布,随着尺度的增大,聚集强度逐渐减小;金花茶对资源的利用和生境的适应性与群落中的其他主要树种差异较大;金花茶与样地25个主要树种之间的空间关联性达88％,其中与金花茶呈负相关的树种占60％,明显多于呈正相关的树种;25个主要树种中的6个群落中上层物种,在空间格局上与金花茶呈显著性正相关,恰好为金花茶的生存创造了适宜的林下环境.     

生物炭施用3年后对稻麦轮作系统CH4和N2O综合温室效应的影响

本试验对比观测研究了在稻田土壤中经3年陈化后的生物炭(B_3)和新施入生物炭(B_0)对稻麦轮作系统CH_4和N_2O综合温室效应和温室气体强度的影响,旨在明确生物炭对土壤温室气体排放的长期效应.田间试验设置4个处理,分别为对照(CK)、施用氮肥不施用生物炭(N)、施用氮肥和新生物炭(NB_0)以及施用氮肥和陈化生物炭(NB_3)处理.结果表明:NB_0和NB_3处理均显著提高了稻田土壤pH值、有机碳和全氮含量,并且显著影响与温室气体排放相关的微生物潜在活性.与N处理相比,NB_3处理显著增加了作物产量,增幅14.1%,并且显著降低了CH_4和N_2O排放,降幅分别为9.0%和34.0%;而NB_0处理显著增加作物产量,增幅9.3%,显著降低N_2O排放,降幅38.6%,但增加了CH_4排放,增幅4.7%;同时NB_0和NB_3处理均能降低稻麦轮作系统的综合温室效应和温室气体强度,且NB_3处理能更有效地减少温室气体的排放并提高作物产量.在土壤中经3年陈化后的生物炭仍然具有固碳减排能力,因此,施用生物炭对稻麦轮作系统固碳减排和改善作物生产具有长期效应.     

生物炭施用3年后对稻麦轮作系统CH4和N2O综合温室效应的影响

本试验对比观测研究了在稻田土壤中经3年陈化后的生物炭(B₃)和新施入生物炭(B₀)对稻麦轮作系统CH₄和N₂O综合温室效应和温室气体强度的影响,旨在明确生物炭对土壤温室气体排放的长期效应.田间试验设置4个处理,分别为对照(CK)、施用氮肥不施用生物炭(N)、施用氮肥和新生物炭(NB₀)以及施用氮肥和陈化生物炭(NB₃)处理.结果表明: NB₀和NB₃处理均显著提高了稻田土壤pH值、有机碳和全氮含量,并且显著影响与温室气体排放相关的微生物潜在活性.与N处理相比,NB₃处理显著增加了作物产量,增幅14.1%,并且显著降低了CH₄和N₂O排放,降幅分别为9.0%和34.0%;而NB₀处理显著增加作物产量,增幅9.3%,显著降低N₂O排放,降幅38.6%,但增加了CH₄排放,增幅4.7%;同时NB₀和NB₃处理均能降低稻麦轮作系统的综合温室效应和温室气体强度,且NB₃处理能更有效地减少温室气体的排放并提高作物产量.在土壤中经3年陈化后的生物炭仍然具有固碳减排能力,因此,施用生物炭对稻麦轮作系统固碳减排和改善作物生产具有长期效应.     

Bioenergy crop productivity and potential climate change mitigation from marginal lands in the United States: An ecosystem modeling perspective

Growing biomass feedstocks from marginal lands is becoming an increasingly attractive choice for producing biofuel as an alternative energy to fossil fuels. Here, we used a biogeochemical model at ecosystem scale to estimate crop productivity and greenhouse gas (GHG) emissions from bioenergy crops grown on marginal lands in the United States. Two broadly tested cellulosic crops, switchgrass, and Miscanthus, were assumed to be grown on the abandoned land and mixed crop‐vegetation land with marginal productivity. Production of biomass and biofuel as well as net carbon exchange and nitrous oxide emissions were estimated in a spatially explicit manner. We found that, cellulosic crops, especially Miscanthus could produce a considerable amount of biomass, and the effective ethanol yield is high on these marginal lands. For every hectare of marginal land, switchgrass and Miscanthus could produce 1.0–2.3 kl and 2.9–6.9 kl ethanol, respectively, depending on nitrogen fertilization rate and biofuel conversion efficiency. Nationally, both crop systems act as net GHG sources. Switchgrass has high global warming intensity (100–390 g CO₂eq l^?1 ethanol), in terms of GHG emissions per unit ethanol produced. Miscanthus, however, emits only 21–36 g CO₂eq to produce every liter of ethanol. To reach the mandated cellulosic ethanol target in the United States, growing Miscanthus on the marginal lands could potentially save land and reduce GHG emissions in comparison to growing switchgrass. However, the ecosystem modeling is still limited by data availability and model deficiencies, further efforts should be made to classify crop‐specific marginal land availability, improve model structure, and better integrate ecosystem modeling into life cycle assessment.