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。     

温带混交林碳水通量模拟及其对冠层分层方式的响应——耦合的气孔导度-光合作用-能量平衡模型

利用Leuning建立的耦合的光合作用、气孔导度和能量平衡方程,以将冠层分成多层的方式,包括Gaussian五点积分法、将冠层平均分为多层的方法,逐层计算温带混交林的碳水通量,最后累加至冠层尺度,以模拟CO2和H2O通量。该模型以常规气象观测数据作为驱动变量,计算出冠层与大气之间的碳水交换,与涡动相关系统的通量观测数据进行比较,分析了不同的冠层分层方式对多层模型模拟结果的影响。从3个温带混交林通量站涡动相关系统的能量平衡闭合度来看,中国长白山站CBS、韩国GDK和日本MMF站点的能量平衡比率(EBR)分别为0.76、0.66和1.07,居于国际同类观测范围(0.34—1.2)的中上水平,因此,涡动相关系统的观测数据较为可靠。从碳水通量的日变化来看,用Gaussian五点积分法将冠层分为五层的模型能较好的模拟碳水通量的"单峰形"日变化趋势。夜间Fc为负值且变化趋势较为平缓,表明生态系统进行呼吸作用释放CO2,从日出开始Fc逐渐变为正值,表明生态系统进行光合作用吸收CO2,Fc在中午时分达到最大值,下午Fc逐渐减小,日落之后又回复到夜间的负值。H2O通量的日变化曲线与CO2通量相似,且模拟值与涡动相关实测值具有较好的一致性。在多层模型中,对冠层采用不同的分层方法,对碳水通量模拟结果有一定的影响。以Gaussian五点积分法将冠层分为五层的方法作为对照,分别将冠层平均分为2、5、10、20层的方法得到的碳水通量与其进行比较。从平均值来看,分层越多,H2O通量模拟值越低,而CO2通量模拟值越高。不同的分层方法产生的差异,主要来自于不同层的辐射吸收、温湿度、风速等环境要素的垂直廓线差异,且叶片光合作用对光的响应是非线性的。     

黄河小浪底人工混交林冠层CO2储存通量变化特征

基于黄河小浪底人工混交林2008年的CO2浓度和碳通量数据,分析了不同天气条件下CO2浓度在时间和空间上的变化特征,对比了CO2浓度廓线法和涡度相关法估算的CO2储存通量,研究了CO2储存通量的日、季变化特征。结果表明:人工混交林冠层上方月平均CO2浓度具有明显的季节变化规律。月平均CO2浓度最大值出现在3月(370μmol/mol),最低值出现在8月(347μmol/mol)。涡度相关法估算的CO2储存通量比廓线法所得结果偏低9%。生长季,冠层CO2储存通量和净生态系统碳交换量(NEE)日平均值分别为-0.0004和-0.091 mg CO2m-2s-1,冠层CO2储存通量在NEE中仅占0.4%。2008年CO2储存通量和NEE分别为-46.1、-1133 g CO2m-2a-1。在年尺度上,CO2储存通量占NEE的4.1%。因此,在日和年尺度上计算黄河小浪底人工混交林NEE时,CO2储存通量可以忽略。     

气候变化对长白山阔叶红松林冠层蒸腾影响的模拟

应用基于过程的碳水耦合多层模型对长白山阔叶红松林冠层蒸腾量进行了模拟和模型验证,并模拟了冠层蒸腾量对未来气候变化的响应.结果表明:多层模型可以较好地模拟长白山阔叶红松林冠层蒸腾量,模拟值与涡动相关技术观测的实测值拟合较好.冠层蒸腾对气候变化响应的模拟显示,气温升高,潜热通量(LE)增加;土壤含水量减少,LE减少;大气CO2浓度增加,LE减少.在研究假定的气候变化情景下,LE对0～20 cm土壤含水量减少10%、CO2浓度增加190μmol·mol-1的联合变化的响应最敏感,对气温增加3.6℃、土壤含水量减少10%的联合变化的响应不敏感.     

安吉毛竹林生长季CO_2浓度的时空特征

试验采用7层CO2廓线系统对安吉毛竹林生长季(5—10月)CO2浓度进行连续监测,同时结合同步CO2通量和气象资料,分析安吉毛竹林CO2浓度的时空动态和CO2储存通量的变化特征。结果表明:安吉毛竹林生长季CO2浓度表现出明显的日变化、季节变化和垂直梯度。日尺度上,CO2浓度在日出前后达到最大,随后出现一段快速释放过程,午后达到全天最低值;整个生长季尺度上,7月份林间CO2浓度最低(368.1μmol·mol-1),10月份最高(402.6μmol·mol-1);垂直梯度方面,林冠上层CO2垂直梯度明显小于林冠层和林冠下层;林冠层和林冠上层垂直梯度变化趋势较为一致,白天均为正值,呈现为碳汇,夜间为负值,呈现为碳源,林冠下层CO2梯度全天均为负值。利用廓线系统计算毛竹林CO2储存通量,半小时和日尺度上,CO2储存通量分别占净生态系统CO2交换量(NEE)的25.5%和8.9%,而在月尺度上仅占NEE的0.22%。因此,在半小时及日尺度上计算NEE时不可忽略CO2储存通量,而在计算月尺度及更长时间尺度NEE时可以忽略CO2储存通量。     

开放式空气C02浓度增高对水稻冠层能量平衡的影响

大气CO2浓度升高对植物冠层能量平衡的影响是导致植物生长发育和水分利用率发生变化的环境物理原因．利用位于江苏省无锡市安镇的农田自由开放式空气CO2浓度增高(FACE)系统平台,进行水稻冠层微气候和土壤热通量的连续观测,并结合能量平衡分析,研究了FACE对水稻冠层能量平衡的影响．结果表明,水稻冠层显热和潜热通量FACE与对照的差异日最大值出现在14：00左右,与空气相对湿度日最低值出现时间一致;潜热通量FACE与对照的差异日最大值变化在—15-—65J·m^-2·s^-1之间,显热通量FACE与对照的差异最低值变化在12—55J·m^-2·s^-1之间;显热和潜热通量FACE与对照的差异日最大值随冠层上方辐射平衡增加而增大．水稻冠层白天总显热通量FACE均高于对照,而总潜热通量FACE均低于对照．白天总显热和潜热通量FACE与对照的差异在同一生育期内随冠层上方净辐射增强而增大,在不同生育期随生育期推进而减少．开花期至蜡熟期,水稻冠层白天总潜热通量FACE比对照平均低6．7％．FACE使水稻冠层白天总显热通量及其占冠层上方辐射平衡的比例减少,而使总潜热通量及其占冠层上方辐射平衡的比例增大,但对土壤热通量及夜间显热和潜热通量的影响不大．开花期至蜡熟期水稻冠层白天总显热、潜热通量占冠层上方净辐射总量的比例FACE与对照之差平均为5．5％．     

用光合-蒸散耦合模型模拟冬小麦CO2通量的日变化

根据 SPAC理论建立了一个冬小麦光合和蒸散的耦合模型。冬小麦 CO2 通量包括冠层光合、呼吸和土壤呼吸。冠层光合采用了 Farquhar光合作用生化模型 ,并通过冠层阻力的参数化将光合作用与蒸腾作用耦合起来。用涡度相关方法观测了 CO2通量 ,对模型进行了验证 ,结果显示模型可以较好地模拟 CO2 通量日变化过程。对模型的敏感性分析发现日间 CO2 通量最敏感的参数是初始量子效率。其次 ,CO2 通量对光响应曲线凸度、CO2 补偿点、凋萎点和叶面积指数的变化也有着较强的敏感性 ;夜间 CO2 通量敏感的参数是最适温度下 Rubisco催化能力和暗呼吸参数     

用光合-蒸散耦合模型模拟冬小麦CO2通量的日变化

根据SPAC理论建立了一个冬小麦光合和蒸散的耦合模型.冬小麦CO2通量包括冠层光合、呼吸和土壤呼吸.冠层光合采用了Farquhar光合作用生化模型,并通过冠层阻力的参数化将光合作用与蒸腾作用耦合起来.用涡度相关方法观测了CO2通量,对模型进行了验证,结果显示模型可以较好地模拟CO2通量日变化过程.对模型的敏感性分析发现日间CO2通量最敏感的参数是初始量子效率.其次,CO2通量对光响应曲线凸度、CO2补偿点、凋萎点和叶面积指数的变化也有着较强的敏感性;夜间CO2通量敏感的参数是最适温度下Rubisco催化能力和暗呼吸参数.     

华北低丘山区栓皮栎人工林冠层CO2浓度和δ13C变化及其影响因素

采用离轴积分腔输出光谱技术测定华北低丘山区栓皮栎人工林冠层上缘(11 m)和下部(6 m)大气CO2浓度和δ13C值,在小时尺度上分析冠层CO2浓度和δ13C变化及其影响因素.结果表明:冠层CO2浓度呈先高后低再升高的日变化趋势,而δ13C值没有明显一致的日变化规律.白天大气不稳定状态出现的频率为70.2%,在光合作用和林内湍流的共同作用下,栓皮栎冠层下部CO2浓度高于冠层上缘约1.70μmol·mol-1,而δ13C值低于冠层上缘约0.81‰.晚上大气稳定状态出现的频率为76.2%,湍流弱,冠层叶片呼出的CO2不易流动,导致冠层下部CO2浓度高于上缘约1.24μmol·mol-1,δ13C值低于冠层上缘约0.58‰.白天和晚上冠层上下缘的CO2浓度差值与δ13C差值均呈显著的相关关系.逐步回归分析表明,白天太阳辐射和相对湿度是影响冠层CO2浓度和δ13C值差异的主要环境因子,晚上温度显著影响冠层下部与上缘δ13C值的变化,这些环境因子通过增强或减弱光合和呼吸作用来影响冠层大气中CO2浓度和δ13C值的变化.     

海南尖峰岭热带山地雨林近冠层CO2及通量特征研究

采用梯度法及CI-301PS CO2系统,实现了海南尖峰岭热带山地雨林近冠层CO 2、微气象因子梯度观测研究,结果表明雨季晴、晴间少云及多云天气,900～1800CO 2浓度平均值分别在349～350ml/m3(冠上2.8m)、346～348ml/m3(冠上0.8m)、345～349ml/m3(林内16m)、352～357ml/m3(林内5m),较旱季相应天气分别小14～17.5、10.1～23.7、1 6.4～35.7和18.1～36.1ml/m3;100～800,则雨季CO2浓度大于旱季;梯度浓度廓变量和实时动力计算反映出,800～1800CO2通量由大气向林冠层,旱、雨季平均CO2通量分别为(0.61×10-6kg/(m2·s)和0.71×10-6kg/(m 2·s),1900通量甚微,2000～700CO2通量则由林冠向大气,平均CO2通量分别为0.36×10-6kg/(m2·s)和0.32×10-6kg/(m2·s);雨季昼夜大气流向冠层的净CO2通量是相应旱季的1.56倍.总辐射、冠顶净辐射通量以1300～1 500为最大时域,相对林内21m,80%的辐射热能被冠层吸收,与CO2通量正相关;晴天冠上潜热、感热最高值分别在1300～1400和900,反映热带山地雨林近冠层的汇、源即白昼光合固定CO2大于夜间呼吸排放CO2效应,且雨季高于旱季.     

不同栽培基质下碧玉兰光合指标日变化研究

探讨5种不同栽培基质对碧玉兰光合指标日变化的影响。结果表明：5种基质栽培的碧玉兰,其净光合速率、蒸腾速率、胞间CO₂浓度及气孔导度的日变化趋势基本呈“双峰”曲线。在基质Ⅳ（1/4树皮+1/4泥炭+1/4水苔+1/4陶粒）中栽培的碧玉兰净光合速率、胞间CO₂浓度及气孔导度变化值相对较大,其次是基质Ⅲ（1/2树皮+1/4泥炭+1/4水苔）,两者与对照差异显著（p<0.05）。综合来看,基质Ⅳ最适宜碧玉兰的生长。     

热带季节雨林冠层树种绒毛番龙眼的光合生理生态特性

采用Li-6400便携式光合作用测定仪,对西双版纳热带季节雨林冠层树种绒毛番龙眼成树树冠上、中、下3层叶片进行了测定,分析西双版纳热带季节雨林冠层树木的光合作用.结果表明,绒毛番龙眼成树具有喜光的光合特性,光饱和点较高(1 000～1 500 μmol·m^-2·s^-1),而光补偿点较低(7.7～15.3 μmol·m^-2·s^-1),对光环境有较强的适应和调节能力,光合有效辐射是影响绒毛番龙眼光合日进程的关键因子;12月,叶片处于成熟期,生长良好,光合能力较强,树冠上层净光合速率（P_n）日变化为单峰型,最大净光合速率（A_max）约为8.9 μmol CO₂·m^-2·s^-1;4月处于新老树叶更替期,光合能力下降,树冠上层P_n日变化为双峰型,中午出现“午休”现象,树冠上层A_max约为4.3 μmol CO₂·m^-2·s^-1;7月上、中层叶片P_n为单峰型,下层出现“午休”.如人为使CO₂浓度在短期内迅速升高,则绒毛番龙眼的P_n会增加,而气孔导度和蒸腾速率降低;CO₂浓度从400 μmol·mol^-1升高到800 μmol·mol^-1时,干季水分利用效率（WUE）提高约50%～100％,雨季WUE较低.     

遮荫条件下绞股蓝光合作用特点的研究

在夏季遮荫条件下栽培绞股蓝的净光合速率日变化呈现不典型的双峰曲线,第1峰值出现在11：00时,达13．8μmolCO2·m^-2·S^-1日净光合速率达到176．97μmol CO2·m^-2,是强光下栽培的3．1倍;净光合速率和光量子通量密度呈正相关,相对湿度对净光合速率的影响小．强光下栽培绞股蓝。光合作用“午休”现象明显,净光合速率日变化呈现双峰曲线,第1峰值出现在10：00时,为3．0μmol CO2·m^-2·s^-1．第2峰值出现在14：00时,为1．25μmol CO2·m^-2·s^-1;相对湿度与净光合速率成正相关,对净光合速率的影响大．当光量子通量超过700μmol·m^-2·s^-1时,净光合速率与光量子通量密度呈负相关．在影响该植物蒸腾速率的诸多因子中,蒸腾速率和气孔导度之间的相关性最为显著．因此绞股蓝属于高度耐荫而怕光的植物．人工栽培应重点考虑光照因子．     

Using continuous stable isotope measurements to partition net ecosystem CO2 exchange

Ecosystem-scale estimation of photosynthesis and respiration using micrometeorological techniques remains an important, yet difficult, challenge. In this study, we combined micrometeorological and stable isotope methods to partition net ecosystem CO2 exchange (FN) into photosynthesis (F(A)) and respiration (F(R)) in a corn-soybean rotation ecosystem during the summer 2003 corn phase. Mixing ratios of (12)CO2 and (13)CO2 were measured continuously using tunable diode laser (TDL) absorption spectroscopy. The dynamics of the isotope ratio of ecosystem respiration (R), net ecosystem CO2 exchange (deltaN) and photosynthetic discrimination at the canopy scale (delta canopy) were examined. During the period of full canopy closure, F(N) was partitioned into photosynthesis and respiration using both the isotopic approach and the conventional night-time-derived regression methodology. Results showed that deltaR had significant seasonal variation (-32 to -11% per hundred) corresponding closely with canopy phenology. Daytime deltaN typically varied from -12 to -4% per hundred, while delta canopy remained relatively constant in the vicinity of 3% per hundred. Compared with the regression approach, the isotopic flux partitioning showed more short-term variations and was considerably more symmetric about F(N). In this experiment, the isotopic partitioning resulted in larger uncertainties, most of which were caused by the uncertainties in deltaN. and the daytime estimate of deltaR. By sufficiently reducing these uncertainties, the tunable diode laser (TDL)-micrometeorological technique should yield a better understanding of the processes controlling photosynthesis, respiration and ecosystem-scale discrimination.     

黄土旱塬区冬小麦不同施肥处理的土壤呼吸及土壤碳动态

依据黄土旱塬区黑垆土上中国科学院长武站长期定位试验 (始于1984年),于2008年3月到6月,测定了冬小麦连作系统中返青期、拔节期、抽穗期、灌浆期和收获期土壤呼吸日变化、生育期变化以及土壤可溶性有机碳(Dissolved organic C, DOC)和微生物量碳(Soil microbial biomass C, MBC),研究了施肥措施对土壤呼吸、DOC和MBC的影响以及土壤呼吸与碳组分之间的关系.研究涉及6个处理:休闲地(F)、不施肥(CK)、有机肥(M)、氮肥(N)、氮磷肥(NP)和氮磷有机肥(NPM).结果表明,冬小麦连作系统中土壤呼吸的日变化格局呈单峰曲线,最高值出现在12:00左右(拔节期)和14:30左右(成熟期),最小值出现在0:00～3:00之间或6:00左右;冬小麦土壤呼吸速率拔节期最高,其次是灌浆后期,抽穗期最低;不同施肥条件下,各生育期土壤呼吸速率大小顺序:NPM＞M＞NP＞N＞CK＞F.土壤水分亏缺是导致抽穗期和灌浆期土壤呼吸速率降低的重要原因.各施肥处理DOC含量高低顺序为灌浆期＞抽穗期＞成熟期＞返青期＞拔节期;除M,NPM处理MBC含量拔节期＞灌浆期外,各施肥处理MBC含量高低顺序为成熟期＞抽穗期＞灌浆期＞拔节期＞返青期.同一处理不同生育期土壤呼吸速率与DOC,MBC的相关性较低,但同生育期不同施肥处理土壤呼吸与土壤有机碳组分间存在显著的相关性.以F处理土壤呼吸为基础,估算CK、N和NP处理生育期根系对土壤呼吸的平均贡献率依次为36%、45%和54%.     

华北平原冬小麦农田蒸散量

以华北平原冬小麦农田为研究对象,采用涡度相关技术和热红外遥感技术,研究了不同环境条件下土壤含水量与农田蒸散量及作物冠层温度的关系.结果表明,冬小麦在农田郁闭(LAI≥3)、晴天和土壤相对含水量低于田间持水量65%的情况下,蒸发比值日变化正午前后出现相对较低且平稳的变化趋势.在晴天情况下,农田潜热通量与作物冠层温度日变化和季节变化均呈极显著的非线性相关关系,而冠气温差、农田相对蒸散量则与0～100 cm土层的土壤相对含水量密切相关.以13:30～14:00的平均冠层温度值T_c、日最高气温T_{a max}和日净辐射总量Rn_d为统计数据,确立了冬小麦农田日蒸散量ET_d （mm）估算简化模式参数.     

日光温室CO2浓度变化规律研究

研究了日光温室内CO2浓度的时空变化规律。结果表明,日光温室CO2浓度日变化曲线通常呈不规则"U"形,有时呈不规则"W"形。冬春栽培过程中日最高CO2浓度逐渐减小,日最低浓度和昼平均浓度先降后升,CO2亏缺时间逐渐延长,温室内CO2空间分布特点通常是早晨和傍晚为前部>中部>后部,近地面层>作物冠层>顶层;中午前后为前部<中部<后部,近地面层>顶层>作物冠层。影响日光温室CO2浓度变化的主要环境因素是光照度,通风不能阻止温室内高浓度CO2外逸和避免CO2亏缺。幼苗期群体光合较弱、土壤呼吸旺盛,温室CO2浓度较高;结果期群体光合旺盛、土壤呼吸衰竭,CO2亏缺严重。     

转Bt基因棉花杀虫晶体蛋白的表达及光合特性的研究

转Bt基因棉花(GK、ZK)及非Bt基因棉花(CZ)杀虫晶体蛋白表达及光合特性的研究表明,杀虫晶体蛋白在转Bt基因棉花GK与ZK中的表达总量及在各器官中的分配均有所不同．转Bt基因棉花叶片的净光合速率的光响应与常规棉有所不同．转Bt基因棉花GK与ZK叶片的叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率的日变化有明显的不同,而胞间二氧化碳浓度、气孔限制值、叶温的日变化趋势则基本一致．胞间二氧化碳浓度的日平均值在两转Bt基因棉花间的差异达显著水平,而其它各指标在不同处理间的差异均未达显著．     

不同供水条件下冬小麦叶与非叶绿色 器官光合日变化特征

为揭示小麦叶片与非叶绿色器官的光合活性在一日中的变化特性及其在器官间的差异性,探讨群体及不同器官光合日变化对不同供水条件的响应特征,在田间设置生育期不灌水(I0)、灌2水(I2,拔节水＋开花水)和灌4水(I4,起身水+孕穗水+开花水+灌浆水)3个处理,于灌浆期测定了群体光合与呼吸速率的日变化, 旗叶片、叶鞘、穗、穗下节间各器官光合速率、蒸腾速率、气孔导度及叶绿素荧光参数的日变化。结果表明,灌浆期小麦穗和穗下节间光合速率日变化呈单峰曲线,而旗叶叶片与旗叶鞘光合速率均呈双峰型,表现出不同程度的午休。随着灌水次数减少,各器官光合速率降低,叶片对严重水分亏缺的反应大于各非叶器官。器官光合速率的日变化与F_v/F_m变化相一致,而与气孔导度日变化有较大差异。各器官上午的累积光合量均高于下午,上午光合量占日总光合量的比例为51％-62％,随着灌水次数减少而增大。不同灌水处理群体光合速率、呼吸速率日变化均未出现午休现象。春季浇2水处理与春浇4水处理相比,灌浆期群体光合速率及日光合积累量没有显著差异。综合研究认为,小麦叶与非叶器官光合性能及其日变化特征有较大不同,非叶光合对水分亏缺的敏感性低于叶片,生育期浇2水可以获得与浇4水相似的群体日光合积累量。