华北平原冬小麦农田生态系统CO_2通量特征及其影响因素

利用2014—2015年中国科学院封丘农业生态实验站涡度相关系统观测的冬小麦农田生态系统CO_2通量数据,结合试验地常规气象观测系统的气象数据,分析冬小麦4个生育期(分蘖期、越冬期、拔节期和灌浆期)内CO_2通量的日变化,研究净生态系统碳交换(NEE)的季节变化及其与气象要素的关系.结果表明:冬小麦整个生育期内NEE为-360.15g C·m^-2,总初级生产力总量为1920.01 g C·m^-2,冬小麦农田生态系统具有较强的固碳能力.冬小麦农田生态系统CO_2通量具有明显的日变化和季节变化特征,分蘖期表现为碳源,越冬期、拔节期和灌浆期表现为碳汇.表观初始光能利用率平均值为0.03 mg CO_2·μmol^-1,光饱和时的生态系统生产量平均值为1.53 mg CO_2·m^-2·s^-1,月平均生态系统呼吸为193.92g C·m^-2·month^-1.冬小麦农田生态系统4个生育期NEE与光合有效辐射的相关关系均达到极显著水平.分蘖期、拔节期和灌浆期NEE与饱和水汽压差的相关关系极显著,越冬期达显著水平.冬小麦分蘖期、越冬期和灌浆期NEE日总量与土壤温度呈正相关,拔节期呈负相关关系.     

华北平原冬小麦农田生态系统通量贡献区

利用2013—2014年涡度相关系统观测的华北平原冬小麦农田生态系统通量数据,结合通量贡献区模型FSAM,分析华北平原冬小麦农田生态系统通量贡献区的时空分布特点,对比研究不同大气稳定层结条件和生长期内通量贡献区的分布差异.结果表明: 在主风风向上,冬小麦整个生育期内大气稳定条件下的通量贡献区范围大于不稳定条件下的贡献区范围.在0°～90°主风风向上,生长初期稳定条件下通量贡献区范围比不稳定条件下大17.8 m左右,生长末期稳定条件下的通量贡献区范围比不稳定条件下大11 m左右.生长初期的通量贡献最大值点位置比生长末期距观测点位置远15 m(大气稳定条件)和12.4 m(大气不稳定条件);通量贡献最大值点在稳定条件下比不稳定条件下距观测点位置远5 m(生长初期)和2.4 m(生长末期).在非主风风向上,当风向为90°～180°时,生长初期和生长末期不同大气条件下的最大通量值分别位于距观测点的67.8、53.4和47.0、30.8 m.当风向为270°～360°时,生长初期和生长末期不同大气条件下的最大通量值位于距观测点的58.8、42和41.1、33.1 m.在整个生育期尺度上,观测塔的通量信息主要来自东北、西南和东南方向,其所占比例分别为35.4%、32.5%和19.4%.冬小麦整个生育期内通量贡献区的主要变化发生在观测点东北方向16.0～173.8 m和西南方向14.7～209 m,通量信息全部来源于农田生态系统.两个典型日期的通量贡献区日变化特征明显,通量贡献区范围随大气稳定条件和风向改变而发生变化.夜晚通量信息全部来源于农田生态系统,白天少部分通量信息来源于居民区和果园.本文的定量化结果可为农田生态系统通量贡献区的研究提供依据.     

珠三角城市绿地CO2通量的季节特征

城市绿地是城市碳循环的重要组成部分,利用长期定位观测资料估算珠三角典型城市绿地的CO2通量,可以为应对气候变化、评价区域碳源汇提供参考。应用2009、2010年,东莞市植物园内的涡度相关法CO2通量定位观测资料,分析了净生态系统交换量(NEE)的年变化及其与气象要素的关系,结果表明:(1)年平均NEE总量为-104.2 gC.m-.2a-1,表明城市绿地生态系统具有固碳能力。(2)NEE随光温条件变化呈现明显的季节动态,12至3月表现为碳源,其他月份表现为碳汇。(3)根据白天NEE与光合有效辐射(PAR)逐月拟合Michaelis-Menten方程,得到年平均表观初始光能利用率(α)为(0.00134±0.00035)mgCO.2μmol-1光子,年平均光饱和生态系统生产力(Pmax)为(1.006±0.283)mgCO.2m-.2s-1。(4)利用夜间呼吸(Reco)与5 cm土壤温度(Ts)拟合指数方程,得到年平均Reco总量为1378.1 gC.m-.2a-1。(5)NEE与PAR、气温(Ta)和饱和水压差(VPD)的相关性分析显示,NEE与PAR偏相关系数的绝对值大于Ta和VPD,表明PAR对NEE的影响最大。     

我国亚热带毛竹林CO2通量的变异特征

2010年12月至2011年11月,利用涡度相关技术研究了我国亚热带(浙江)毛竹林生态系统的CO₂通量,分析了毛竹林净生态系统交换量(NEE)、生态系统呼吸量(RE)和生态系统总交换量(GEE)的变化.结果表明: 研究期间,毛竹林各月的NEE均为负值,7月最大,为-99.33 g C·m^-2,11月最小,仅-23.49 g C·m^-2,其变化曲线呈双峰型.各月CO₂通量平均日变化差异明显,9月最大,为-0.60 g CO₂·m^-2·s^-1,1月最小,为-0.30 g CO₂·m^-2·s^-1,且在NEE正负转换的时间点上呈明显的季节变化特征;全年RE呈单峰型变化,夏季最高、冬季最低,夜间RE与土壤温度呈极显著正相关.全年NEE、RE和GEE分别为-668.40、932.55和-1600.95 g C·m^-2·a^-1,NEE占GEE的41.8%.与其他生态系统相比,毛竹林的固碳能力极强.     

华北平原农田CO2浓度变化特征

旨在了解农田CO2浓度长期动态变化特征、趋势、浓度增量分布模式等,收集了2007—2018年中国气象局固城生态与农业气象试验站开路式涡相关CO2浓度观测数据。研究了华北平原农田CO2浓度的年际、年内、昼夜和CO2通量等动态变化特征,对比分析了华北平原农田CO2浓度与城市站和大气本底站CO2浓度变化趋势及差异。结果表明,近十多年来华北平原农田CO2年平均浓度显著升高31.0 μmol/mol（r=0.263, P<0.01）,年均增幅(2.58 μmol/mol)与全球和瓦里关本底站大气CO2浓度增幅接近,但农田CO2浓度年际和年内季节变化波动巨大,日平均浓度和逐时平均浓度标准差分别为33.7和33.5 μmol/mol。夜间CO2平均浓度395.8 μmol/mol,比白天高36.2 μmol/mol（10.1%）,8月最高差值达到74.4 μmol/mol（20.6%）。在作物生长季节,5月和8—9月白天CO2浓度出现的两个谷值准确地对应了CO2通量动态变化的两个峰值,表明4—9月昼间CO2浓度和通量动态变化很好地反映了华北平原冬小麦和夏玉米生长过程、农事活动和农田碳交换的关系。农田CO2浓度动态变化与城市、湿地和大气本底站的变化特征不同,表明其动态变化的形成机制有差异。农田CO2浓度昼夜及季节变化特征为研究和评估CO2浓度升高影响作物生长和产量提供指导依据。     

西双版纳热带季节雨林干热季林冠上小气候特征及CO2通量的观测

热带森林在陆地生态系统中起着重要的作用,但是人们对它在碳循环中的作用却了解不多;近年来,为了对其进行深入研究,热带森林的CO2通量成为了研究的热点。应用微气象法中的开路系统涡度相关法,使用设置在西双版纳一片成熟的热带季节雨林中观测铁塔上的观测仪器所得的干热季7个晴好天气的CO2通量及小气候观测数据,对冠层的CO2通量及小气候特征进行了分析研究。研究结果表明:(1)热带季节雨林林冠上风速及摩擦风速在中午和上半夜较大,而后半夜和上午较小;风向有显著的昼、夜交替特征,昼间多为偏东风(45~135°),而夜间多为偏西风(250~280)°;(2)林冠上方气温和树冠面表温具有显著的日变化特征,树冠表温日变化幅度大于气温,热量由空气传向树冠中,在观测的7d中,气温有着较明显的升高趋势;(3)干热季林冠上湿度变化范围为26.5%~97.2%,饱和水汽压差数值大小介于0.3~30.5 hPa之间;(4)CO2浓度在364.5~408.5m l/m3之间变化,夜间浓度升高,而昼间CO2浓度降低;(5)地下5cm土壤温度与气温一样日变化规律明显,土壤含水量的变化幅度很小,在7d内其变化幅度维持在19.9%~23.3%之间,日变化幅度更小;(6)总体上讲林冠上方显热通量小于潜热通量,上午显热通量和潜热通量的数值基本相同,但是在中午和下午,潜热通量远大于显热通量,充分显示了西双版纳干热季热带雨林森林的热量支出主要是蒸腾耗热;(7)观测期间,生态系统净CO2交换(NEE)在-20.9~17.6μm o l/(m2.s)之间浮动,每天最大净CO2吸收速率在-20.9~-12.9μm o l/(m2.s)范围内。从生态系统净CO2交换的平均日变化看,昼间最大的净CO2吸收速率为-12.4μm o l/(m2.s),夜间最大的净释放速率为6.6μm o l/(m2.s)。净CO2交换的日累积量在-0.0665~0.0448m o l/m2范围内变化,7d的累积量为-0.0140 m o l/m2,表明在西双版纳干热季的7 d观测时间段里,热带季节雨林呈现弱的碳汇效应。     

浙江天目山老龄森林生态系统CO2通量特征

物种丰富的异龄老龄森林对陆地生态系统动态模型及全球碳收支具有十分重要的意义.目前,我国关于老龄森林碳通量的研究很少,亚热带地区的老龄林更鲜有报道.本研究利用涡度相关技术观测了我国中亚热带地区的浙江天目山一个老龄常绿落叶阔叶混交林生态系统的CO₂通量.以2013年7月到2014年6月的观测数据为依据,分析了此老龄林净生态系统碳交换量(NEE)、生态系统呼吸量(R_e)、生态系统总交换量(GEE)的变化.结果表明: 研究期间,老龄林常绿落叶阔叶混交林生态系统NEE月总量除12、2月为正值外(表现为碳源),其余月份均为负值(表现为碳汇).NEE月总量平均为-61.52 g C·m^-2,各月碳吸收量以6月(-149.40 g C·m^-2)最高,10月次之,呈双峰变化;最大碳源出现在2月(23.45 g C·m^-2).各月NEE平均日变化差异明显,6月的平均通量峰值最大,达到-0.98 mg·m^-2·s^-1,12月最小,为-0.35 mg·m^-2·s^-1;NEE符号改变的时间也呈明显的季节变化特征;全年NEE、R_e、GEE分别为-738.18、931.05、-1669.23 g C·m^-2.与相近纬度相近林型的其他森林生态系统相比,由于其复层结构和多种幼龄更新树木的存在,其测定的固碳量较大.表明我国中亚热带天目山地区的老龄森林生态系统不是处于碳收支稳定状态,而是具有相对较高的固碳能力.     

珠三角城市绿地CO2通量的环境响应特征

城市绿地的净生态系统CO2交换量(NEE)受多种环境因素控制,定量分析NEE的环境响应机制对评估绿地生态系统固碳效益、优化城市绿地布局有重要意义。本文应用2009、2010年位于东莞市植物园内的涡度相关CO2通量定位观测资料,分析了光合有效辐射(PAR)、土壤温度(Ts)、饱和水汽压差(VPD)、降水及周边不同下垫面类型对NEE的影响。结果表明:NEE绝对值随PAR的升高而增加,PAR超过光饱和点(约为1500μmol photons·m-2·s-1)后,NEE绝对值呈回落趋势;生态系统呼吸(Reco)随Ts升高而增加,在温度较低时,Reco对Ts的敏感性较强(10℃时,Lloyd-Taylor方程的Q10=1.8),随着温度升高,敏感性下降(30℃时,Q10=1.43);VPD通过影响植物气孔导度对CO2交换产生作用,相同温度下,随着VPD升高,气孔导度增大,呼吸释放与光合固定的CO2量均增加;降水能增加土壤湿度进而使Reco增大,25℃时,降水后的Reco比降水前增加15.8%;测站东北和西南方的绿地范围较大,当东北和西南部是主要贡献区时,NEE绝对值较大,表明增加城市绿地能有效提高城市固碳效益。     

基于涡度相关法的农田生态系统碳通量研究进展

涡度相关法作为国际上公认的碳通量测定的标准方法,在农田生态系统碳通量研究领域具有广阔的空间。本研究旨在总结涡度相关法的农田生态系统碳通量最新研究成果,为涡度相关法与农田生态系统碳通量研究提供参考。文章综述了国内外基于涡度相关技术的农田生态系统碳通量研究现状,重点总结了其在时间变化、驱动因子、生产力模型、数据处理等方面的最新研究成果。经了解发现涡度相关技术对农田生态系统碳通量的时间变化特征研究较多,且众多研究结果表明在单一种植模式下农田碳通量的日变化和季节变化呈显著单峰"U"型趋势,在多熟种植模式下季变化呈"W"型,但对种植模式的碳通量研究缺乏区域代表性;同时驱动因子研究集中在温度、光照、水分等环境因素对农田碳通量的影响方面,对环境因子与农艺措施之间的关系研究较少;且对于通量夜间数据的处理和无效、缺失数据的剔除与插补缺乏统一的标准。因此本文认为区域典型种植模式的长期定位监测、多因子协同分析、数据质量监控等方面具有较大研究空间。     

开放式空气CO2浓度增高影响稻田大气CO2净交换的静态暗箱法观测研究

首先介绍静态暗箱法气相色谱法观测确定陆地生态系统地气CO₂净交换通量的基本原理和方法,然后讨论在开放式空气CO₂增加(FACE)试验中应用该原理和方法观测研究大气CO₂浓度升高对稻田生态系统大气CO₂净交换通量的影响.因缺乏必要参数的实际观测值,本文只能根据暗箱观测值计算CO₂净交换通量的最小取值NEE_min.NEE_min计算结果表明,在插秧1个月之后的水稻生长期内,大气CO₂浓度升高200±40μmol·mol^-1使稻田生态系统对大气CO₂的净吸收约为对照的3倍.为根据暗箱观测准确确定NEE,还必须在FACE和对照条件下观测水稻植株的暗维持呼吸系数、地上生物量及根冠比动态.     

Seasonal and interannual variations in carbon dioxide exchange over a cropland in the North China Plain

In China, croplands account for a relatively large form of vegetation cover. Quantifying carbon dioxide exchange and understanding the environmental controls on carbon fluxes over croplands are critical in understanding regional carbon budgets and ecosystem behaviors. In this study, the net ecosystem exchange (NEE) at a winter wheat/summer maize rotation cropping site, representative of the main cropping system in the North China Plain, was continuously measured using the eddy covariance technique from 2005 to 2009. In order to interpret the abiotic factors regulating NEE, NEE was partitioned into gross primary production (GPP) and ecosystem respiration (R_eco). Daytime R_eco was extrapolated from the relationship between nighttime NEE and soil temperature under high turbulent conditions. GPP was then estimated by subtracting daytime NEE from the daytime estimates of R_eco. Results show that the seasonal patterns of the temperature responses of R_eco and light‐response parameters are closely related to the crop phenology. Daily R_eco was highly dependent on both daily GPP and air temperature. Interannual variability showed that GPP and R_eco were mainly controlled by temperature. Water availability also exerted a limit on R_eco. The annual NEE was ?585 and ?533 g C m^?2 for two seasons of 2006–2007 and 2007–2008, respectively, and the wheat field absorbed more carbon than the maize field. Thus, we concluded that this cropland was a strong carbon sink. However, when the grain harvest was taken into account, the wheat field was diminished into a weak carbon sink, whereas the maize field was converted into a weak carbon source. The observations showed that severe drought occurring during winter did not reduce wheat yield (or integrated NEE) when sufficient irrigation was carried out during spring.     

华北平原冬小麦田土壤胞外/内酶活性对长期CO2浓度升高的响应

针对农田胞外和胞内酶活性响应CO₂浓度升高认识不足的现状,依托华北平原冬小麦种植区北京昌平试验站长期开放式CO₂富集平台,设置常规和升高两组CO₂浓度处理,研究冬小麦田土壤胞外和胞内酶活性的变化及影响因素。结果表明:CO₂浓度升高促进胞外碳获取酶活性,不影响胞外氮获取酶活性以及全部胞内酶活性。通过量化碳、氮获取酶的胞外胞内比发现,CO₂浓度升高在冬小麦成熟期增强了碳获取酶胞外胞内比,但降低了氮获取酶胞外胞内比。胞外碳、氮获取酶活性都与土壤pH值呈负相关;而胞内碳获取酶活性与土壤含水量正相关,胞内氮获取酶活性与微生物生物量负相关。CO₂浓度升高导致上述大部分酶活性变化驱动因素的作用消失,仅存在土壤全氮与胞内碳获取酶活性负相关。研究结果强调了对胞内酶开展研究的重要性,为理解土壤过程对全球变化因素的响应提供了新见解。     

华北地区冬小麦灌溉制度及其环境效应研究进展

充分利用有限的灌溉水资源确保冬小麦安全生产是华北地区冬小麦稳产高产面临的严峻挑战,解决这一问题的关键在于如何基于环境效应科学地进行灌溉管理。综述了国内外有关冬小麦的灌溉管理制度,即充分灌溉与非充分灌溉管理制度以及冬小麦关键灌溉期的环境效应,在此基础上提出了华北地区冬小麦科学灌溉拟重点关注的研究任务:(1)冬小麦生长发育需水时间与需水量的控制机制研究;(2)冬小麦干旱发生发展过程与致灾临界气象条件研究;(3)气候变化背景下极端干旱事件的冬小麦脆弱性诊断与适应性管理,以为华北地区冬小麦安全生产措施制定提供依据。     

太湖流域典型稻麦轮作农田生态系统碳交换及影响因素

利用涡度相关技术观测太湖流域典型稻麦轮作农田生态系统2a净生态系统碳交换(NEE)变化过程,分析其碳交换特征及影响机理,结果表明:太湖流域典型稻麦轮作农田年NEE为-749.49—-785.38 g C m-2a-1,考虑作物籽粒碳和秸秆还田后净吸收88.12 g C m-2a-1,为弱碳汇;稻/麦季日均NEE和白天NEE季节变化直接受作物植被生长影响;麦季夜间NEE与10 cm土壤温度呈显著指数关系,2012/2013年温度敏感系数(Q10)分别为3.03和2.67;当土壤水分低于田间持水量时,麦季夜间NEE主要受土壤温度影响,反之,夜间NEE受土壤温度和水分双重影响;降水对麦季夜间NEE有短时的激发效应;稻季淹水对土壤呼吸产生较明显的阻滞效应,降低了夜间NEE对土壤温度的敏感性,2012和2013年分别为1.88和1.39,稻季淹水与烤田交替变化对土壤呼吸产生明显的抑制或激发的短时效应。     

不同耕作措施对华北地区麦田CH4吸收通量的影响

华北地区作为我国重要的粮食产区,其农田土壤CH4的吸收与排放对我国准确合理的估算农业温室气体的排放量、制定合理的农业减排和适应措施具有重要意义。研究利用静态箱-气相色谱法研究了华北地区麦田5种不同耕作模式在不同生育时期土壤CH4通量的动态变化和日变化,试验结果表明:5种不同耕作模式在不同生育时期土壤CH4通量具有明显的动态变化。不同的耕作处理都表现为CH4的净吸收汇。整个生育期,常规耕作无秸秆还田处理≈常规耕作秸秆还田处理耙耕≈旋耕深松耕免耕。CH4吸收通量具有明显的日变化,吸收通量白天高夜晚低。处理间比较,常规耕作无秸秆还田处理常规耕作秸秆还田处理免耕。结论:常规耕作无秸秆还田处理CH4的吸收通量较高,但此种耕作方式不利于土壤耕层的保护,而耙耕、旋耕这两种保护性耕作方式使表层土壤具有较好的保墒保肥能力,对土壤扰动小,且只比常规无秸秆还田的CH4吸收值低5.35%和6.31%,较有利于农业减排,所以从环境效益和土壤保护这两个方面来看,耙耕和旋耕这两种保护性耕作处理较为理想。     

华北平原麦田土壤呼吸特征

采用静态箱／气相色谱(GC)法测定了华北平原典型冬小麦田的土壤呼吸速率、结果表明,土壤呼吸速率日变化呈单峰曲线,最高峰出现在13：00左右,最低点在凌晨4：00左右;冬小麦生长季土壤呼吸速率平均冬季较低,夏季较高,与地温的季节变化趋势基本一致;随氮肥用量增加土壤呼吸增强,但增幅不大．秸秆还田处理的土壤呼吸作用明显高于秸秆不还田处理和氮肥处理;土壤呼吸同地温存在着显著的指数关系,其中5cm地温同土壤呼吸相关性最好．不同处理、不同深度土层具有不同的Q10值,Q10值随土壤的性状、地温测量的深度和微生物活动的土层深度变化而改变,其本身是温度的函数,随着温度的升高,Q10值呈下降趋势;土壤呼吸与土壤水分的关系较弱,未表现出明显的规律性;冬小麦平均净光合速率与土壤呼吸速率呈相似的变化趋势。从小麦返青到腊熟,冬小麦田表现为CO2的汇．