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CO2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CO₂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CO₂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-360.15 g 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CO₂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 CO₂·μmol^-1,光饱和时的生态系统生产量平均值为1.53 mg CO₂·m^-2·s^-1,月平均生态系统呼吸为193.92 g 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.     

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。     

陆地生态系统碳水通量贡献区评价综述

综述了通量贡献区研究的基本理论、最新进展、研究热点与难点,旨在促进中国区域碳水通量数据空间代表性的定量评价.通量贡献区是通量观测点上风向的空间代表区域,能够反映代表区域对应下垫面的源区内每一点对观测点的通量贡献权重影响,主要受观测高度、空气动力学粗糙度和大气稳定度等因素的影响.通量贡献区通常随着观测高度的增加、空气动力学粗糙度的降低和大气稳定度的增加而变大,反之则变小.通量贡献区的评价模型包括解析模型、拉格朗日随机模型、大涡模拟和闭合模型四类.通量贡献区的评价结果可以广泛应用于通量数据质量评价、实验设计的指导、与遥感技术结合的区域尺度的总初级生产力的估算、城市CO2通量变化的评估以及能量闭合的评价等研究.最新研究表明,对流边界层的通量贡献区存在负的通量贡献区域;有裸地存在的情况下解析模型通常会低估裸地对观测通量的贡献;与水平地面处的通量贡献区相比,山谷处通量贡献区变小而山脊处的通量贡献区变大.通量贡献区模型研究应进一步考虑大气中的平流效应、湍流的非高斯扩散以及建立冠层内部的通量贡献区模型.解决森林冠层内流场的不均匀性、冠层重叠问题、冠层湍流的不稳定性是建立适合冠层内部通量贡献区模型的前提条件.在理想条件的气体释放验证试验的基础上,需要开展复杂条件下的相关试验.     

杨树人工林生态系统通量贡献区分析

采取通量源区模型FSAM(Flux Source Area Model)利用2009年北京大兴区杨树人工林生态系统碳水通量涡度相关观测资料,分析了不同大气条件下生态系统的通量贡献区分布特征。研究结果表明:(1)该站通量贡献区随大气稳定条件增强而增大。除326.25°—3.75°方向生长季不稳定条件下外,生长季的通量贡献区范围普遍大于非生长季的贡献区范围;(2)通量贡献区与观测高度、冠层高度、地表粗糙度、风向以及大气稳定度有关,当风速风频较大,大气不稳定时,湍流扩散作用强烈,贡献区范围较小;(3)该观测场在2009年以不稳定大气条件为主,通量信息主要来源于距离观测塔50—400 m范围,且69.3%的信息来源于通量塔偏北风与偏南风方向,其中42.56%的信息来自于偏南风方向;(4)随着大气稳定程度加强,通量来源最少区从塔偏西方转为偏东方,在大气稳定度条件和风向的共同作用下,生长季时主要通量贡献区在塔偏南方向,而非生长季时主要通量贡献区在塔偏北方向。     

农田生态系统CO2通量的转换计算

通过冬小麦单叶CO2通量与冠层CO2通量的同步测定,发展不同日期净光合速率（Pn)和冠层CO2通量（Fco2)变化趋势相同,但峰值出现的时间不一致。CO2浓度差与Fco2日变化趋势相反,CO2浓度差最小时FCO2达到最大值;空气动力学法计算的FCO2与采用积分法计算的冠层CO2通量（Ac)呈明显的倒“U”字型日变化趋势,而Ac日变化过程波动性小;采用积分法模拟的日同化量与空气动力学法计算日同化量有时相差很小,但有时误差大,由于模拟冠层通量Ac值只考虑了光强的变化,而实际上,温度,风速,土壤湿度等变化均对冠层CO2通量产生影响。     

农田生态系统CO_2通量的转换计算

通过冬小麦单叶CO2 通量与冠层CO2 通量的同步测定 ,发现不同日期净光合速率 (Pn)和冠层CO2 通量 (FCO2 )变化趋势相同 ,但峰值出现的时间不一致 .CO2 浓度差与FCO2 日变化趋势相反 ,CO2 浓度差最小时FCO2达到最大值 ;空气动力学法计算的FCO2 与采用积分法计算的冠层CO2 通量 (Ac)呈明显的倒“U”字型日变化趋势 ,而Ac日变化过程波动性小 ;采用积分法模拟的日同化量与空气动力学法计算日同化量有时相差很小 ,但有时误差大 ,由于模拟冠层通量Ac值只考虑了光强的变化 ,而实际上 ,温度、风速、土壤湿度等变化均对冠层CO2通量产生影响 .     

冬小麦农田暂时水分胁迫状况下水、热通量日变化

以冬小麦农田尺度为研究对象,采用涡度相关技术测定农田能茸平衡各分量,研究暂时水分胁迫状况下农田蒸散通量和蒸发比值（evaporative fraction）日变化特征。结果表明,冬小麦在农田郁闭（LAI≥3）且土壤含水量为田间持水量的55％-65％时,晴天日农田潜热通量日变化在正午前后存在明显的“蒸散高地（evapotranspiration plateau）”现象,持续时间达2．5—4h,表现为蒸散通量增量日变化突然极显著降低,即蒸散通量呈相对稳定、甚至下降的变化趋势;反映在蒸发比值日变化过程方面,夜间和日出日落前后时刻蒸发比值变化较大,7：00-18：00时段内蒸发比值曲线近似呈倒“s”型,9：00～16：00时段内蒸发比值比较稳定,正午前后蒸散高地出现时,蒸发比值有所下降大约在0．5—0．65范围内,12：00—13：30时段内蒸发比值平均值接近9：00—16：00时段内蒸发比值平均值。     

黄土高原半干旱区农田生态系统蒸散与作物系数特征

蒸散是地表能量平衡和水分平衡的重要组分,与水循环过程密切相关.采用涡度相关技术,对黄土高原半干旱区农田生态系统2010年生长季(4-9月)蒸散特征进行观测,分析了农田作物系数与环境因子的关系.结果表明： 在观测期间,研究区各月潜热通量(LE)日变化呈近似“单峰型”曲线特征,最大峰值出现在8月(151.4 W·m^-2);日间能量分配方式存在明显季节差异,4-6月的日间能量分配表现为LE/R_n＜H/R_n(R_n为净辐射,H为感热通量),7-9月的日间能量分配方式(LE/R_n＞H/R_n)与4-6月相反.黄土高原半干旱区农田日蒸散率存在显著季节变化特征,最大日蒸散率为4.69 mm·d^-1.风速(W_s)、空气相对湿度(RH)、土壤含水量(θ)和饱和水汽压差(D)是作物系数(K_c)的主要影响因子.K_c随W_s增加呈指数降低趋势,随RH、θ增加呈指数增长趋势,随D增加呈线性降低趋势.     

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。     

华北平原冬小麦-夏玉米生产灰水足迹及其县域尺度变化特征

华北平原是种植冬小麦和夏玉米的主要区域,农民为达高产而过量使用化肥对该区造成了严重的面源污染。"有河皆干,有水皆污"已经成为华北平原水资源与水环境现状的概语。灰水足迹理论与方法的提出为定量评价农业生产对水环境的影响提供了一条新的思路。因此,基于精细的县域尺度农业基础数据,运用灰水足迹评价方法,分析了华北平原1986—2010年的冬小麦-夏玉米灰水足迹及其时空变异特征。结果表明:华北平原冬小麦和夏玉米产品灰水足迹分别为0.55—2.97m3/kg和0.50—2.02m3/kg,均为美国、德国等地区的2—10倍;河北衡水、保定等地区灰水足迹较低,渤海湾等地区灰水足迹较高;冬小麦和夏玉米25a总灰水体积为2.67×1010—5.84×1010m3,平均值为3.90×1010m3,总体表现为随时间变化呈波动上升趋势。建议在华北平原要注意严格控制施肥量、提高肥效,积极推广测土配方施肥、缓释肥等养分资源管理技术,积极发展利用沼液、有机肥等化肥替代技术;要控制肥料地表流失和地下淋失,大力发展冬小麦-夏玉米轮作条件下的机械化喷灌、滴灌、微喷带等灌溉系统条件下的水肥一体化技术,全面实施秸秆、地膜等覆盖技术减少农田土壤流失以及深松等耕作技术实现土壤水库的增容扩蓄。     

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。     

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．     

三江平原农业生态系统露水凝结规律

露水是农业生态系统水分平衡、养分循环不可忽视的输入项。在对露水相关参数设定的基础上进一步探讨农田露水的凝结规律。选择杨木棒做为露水收集器,在三江平原于作物生长季(6月初—9月末)对水稻、玉米和大豆茎叶上的露水凝结进行了实地监测。结果表明:生长季农作物约70%的无雨夜间有露水凝结,年露日数约为70d;7、8月份作物露水强度最强,丰水年露水强度显著强于平水年(P0.05),水稻和大豆的露水强度基本持平,显著高于玉米露水强度(P0.05);垂直方向上各作物露水凝结规律一致,冠层露水强度强于顶层,底层露水强度最弱;农作物露水量较为可观,旱田作物年露水量保守值约为10—15mm,水田作物年露水量为旱田的2—3倍,叶面积指数(LAI)成为限制作物年露水量的关键因子。此外,露水对水田喷洒叶面肥等农业生产活动有指导意义,在旱田作物抗病虫害、集水抗旱方面具有重要生态意义。     

三江平原春小麦农田生态系统氧化亚氮通量特征

利用静态暗箱-气相色谱法对三江平原春小麦农田生态系统N2O排放通量进行连续2.5年的田间原位观测.结果表明:三江平原春小麦农田生态系统N2O排放通量具有较明显的季节变化和年际变化,并主要与年际间降水及田间水分管理差异有关;春小麦农田生态系统N2O排放日变化与气温及地下5 cm温度变化有关.生长期N2O的排放较强,休耕期N2O排放量显著下降,冰冻期N2O的排放较微弱,融冻时N2O排放缓慢增强.生长期N2O平均排放通量为0.190 mg.m-2.h-1,收割后到冰冻期间为0.077 mg.m-2.h-1,冻融期间为0.017 mg.m-2.h-1.