豫北平原冬小麦—夏玉米典型农田生态系统碳通量的研究

论文摘要

本试验于20052007连续三年在豫北平原冬小麦-夏玉米农田进行,通过涡度相关通量测定系统连续监测和土壤呼吸测定系统、光合作用测定系统等定期测定相结合的方法,研究了典型一年两熟农田生态系统的碳通量规律,研究结果如下:1.农田生态系统碳通量与显热、潜热通量的关系分析通过运用生态系统能量平衡原理对数据进行能量闭合分析,显示闭合程度十分理想;用涡度相关法和波纹比法进行潜热通量的数据对比,发现两种方法达极显著相关（r=0.86）,差异性分析表明无差异（P=0.0723）。碳通量、显热通量和潜热通量的三者的3D走势图发现,玉米季节比小麦季节的峰面突起多,且Fc随潜热和显热通量的增加而相应增加,不同的是玉米季节的峰面主要出现在潜热通量416MJ·m-2·S-1之间,而小麦季节在412MJ·m-2·S-1之间,显热通量则都在正值区域即向热量向大气流动。2.农田生态系统不同尺度光合与CO2通量的关系通过分析碳通量对风向的响应,发现在玉米和小麦盛期,对碳通量贡献区域主要在东北-西南走向的区域,小麦季节的西南方向区域较分散,散布于正南30°上下。以玉米农田生态系统为对象,进行不同生育期的单叶光合（Pn）、群体光合（CAP）、CO2通量（Fc ）不同尺度的测定分析发现:CAP与Fc有很好的拟合,相关系数平均达0.91;从白天7:0018:00的日累积量上看,抽穗期最大可达38.6g·m-2,之后开始降低;对Pn与LAI的乘积（Pn·LAI）和Fc进行曲线拟合,得到一个曲线方程与实测值的相关系数达0.79,呈极显著相关。不同因素对Fc的通径效应分析表明:除了大气中H2O的含量之外,Pn·LAI、PAR、CO2浓度对Fc的直接通径效应较大,可见光照、水分、植株的长势都对Fc的大小有明显的影响。3.农田生态系统土壤呼吸与土壤容积含水量和土壤温度的关系通过对农田不同时期土壤呼吸、容积含水量和土壤温度的测定分析表明:容积含水量30%是一个分界线,大于30%时土壤呼吸与含水量呈相反的走势,小于30%呈一致的走势;土壤温度方面由于测定的土层较深,在冬小麦季节土壤温度较低时（10℃以下）,两者走势相反,当土壤温度升高后（17℃以上）走势趋于一致;玉米季节的土壤温度与土壤呼吸的敏感系数Q10在3左右,两者的响应程度较好,主要是因为玉米季节土壤含水量较高（在30%左右）;总之,土壤呼吸受土壤温度和土壤含水量的综合影响。4.农田生态系统CO2通量与土壤呼吸的关系从CO2通量和土壤呼吸不同时期的日变化来看,CO2通量一般在12:00左右达到负值最大即固碳速率最大,小麦季节两者走势在9:0012:00呈现出“波形”对称,玉米季节则呈现出一致的走势。从不同生育时期看,玉米季节比小麦季节的土壤呼吸最高值高3μmol·s-1·m-2左右,CO2通量最高值高-0.2mg·s-1·m-2左右,且CO2通量和土壤呼吸都是随着作物的生长而变化,在苗期较低,随着生长逐渐升高,之后随之回落;具体是小麦季节在4月初开始回落,玉米季节则在8月10日至9月初开始回落。5.农田生态系统CO2通量累积量的变化以及碳源/汇的评价CO2通量积累量在小麦季节3月28日达到最高-22.2g·m-2·d-1,之后逐渐下降;玉米季节则在9月2日达到最高-19.5g·m-2·d-1。CO2通量的积累量与干物质积累之间关系密切,达到相互印证,小麦在生长天数221226天时两者的积累量达到最大,玉米季节则是一直增长的趋势。我们将三年半的CO2通量变化进行综合比较发现,整体上在小麦、玉米两季生长时期的CO2固定量较大,小麦季节由于生长周期长,固碳总量较大平均在1318.1g·m-2,玉米则相比较少平均在756.9g·m-2;并且从不同年份间的同种作物来看,固碳量和PAR总量以及产量成一定的正比例关系;在两作物的间隔期是CO2释放的主要时期。综合全年来说,农田主要作为固碳的碳汇存在,平均每年净固定CO2量在16002100g·m-2之间。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• 1 文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.2.1 陆地生态系统碳循环的调控机理和人为因素的驱动机制
• 1.2.2 陆地生态系统碳循环的生物过程对气候变化的适应机制
• 1.2.3 陆地生态系统碳汇/源空间格局形成的生物地理学机理
• 1.2.4 尺度转换、碳循环的动力学—遥感反演模型的耦合集成分析方法论
• 1.2.5 生态系统管理对碳汇功能的影响及其成本效益评价的理论与方法
• 1.3 生态系统通量的概念与内涵
• 1.3.1 物质通量
• 1.3.2 显热和潜热通量
• 1.3.3 辐射通量
• 1.3.4 动量通量
• 2O 通量'>1.3.5 H₂O 通量
• 1.4 生态系统碳循环的意义
• 1.4.1 碳循环的环境学意义
• 1.4.2 生态系统水碳循环的耦合关系
• 1.4.3 不同条件下陆地生态系统碳的循环
• 1.5 碳循环模型
• 1.5.1 经验模型
• 1.5.2 机理模型
• 1.6 碳通量的测定方法
• 1.6.1 微气象法
• 1.6.2 箱法
• 1.6.3 涡度相关法的特点及其应用
• 1.6.4 空气动力学方法
• 2 引言
• 3 材料与方法
• 3.1 试验设计及测定方法
• 3.2 试验地条件
• 3.3 试验仪器和测定原理
• 3.3.1 试验仪器
• 3.3.2 测定原理
• 3.3.3 数据处理
• 3.4 数据分析
• 4 结果与分析
• 4.1 农田生态系统数据质量评价
• 4.1.1 农田生态系统能量闭合状况分析
• 2 通量与潜热、显热通量的关系'>4.1.2 农田生态系统CO₂通量与潜热、显热通量的关系
• 4.1.3 涡度相关法与波纹比法测定结果的比较
• 2 通量的贡献'>4.1.4 农田生态系统风向对CO₂通量的贡献
• 2 通量的关系'>4.2 玉米不同尺度光合与CO₂通量的关系
• 2 通量的关系'>4.2.1 玉米不同时期群体光合与CO₂通量的关系
• 2 通量的比较'>4.2.2 玉米不同时期群体光合与CO₂通量的比较
• 2 通量的拟合分析'>4.2.3 单叶光合速率与CO₂通量的拟合分析
• 2 通量的影响分析'>4.3 农田生态系统中环境因素对CO₂通量的影响分析
• 2 通量的走势分析'>4.3.1 玉米全生育期各种环境因素与CO₂通量的走势分析
• 2 通量的通径效应分析'>4.3.2 不同环境因素对CO₂通量的通径效应分析
• 2 通量的关系'>4.4 土壤呼吸的影响因素及与CO₂通量的关系
• 4.4.1 土壤呼吸与土壤容积含水量的关系
• 4.4.2 土壤呼吸与土壤温度的关系
• 4.4.2.1 小麦季节土壤呼吸与土壤温度的关系
• 4.4.2.2 玉米季节土壤呼吸与土壤温度的关系
• 4.4.3 玉米季节土壤呼吸与土壤温度、土壤容积含水量的关系
• 2 通量与土壤呼吸的关系'>4.4.4 生态系统CO₂通量与土壤呼吸的关系
• 2 通量与土壤呼吸的关系'>4 4.4.1 小麦季节生态系统CO₂通量与土壤呼吸的关系
• 2 通量与土壤呼吸的关系'>4.4.4.2 玉米季节生态系统CO₂通量与土壤呼吸的关系
• 2 通量与土壤呼吸累积量的关系'>4.4.5 生态系统CO₂通量与土壤呼吸累积量的关系
• 2 通量与土壤呼吸累积量的关系'>4.4.5.1 小麦季节生态系统CO₂通量与土壤呼吸累积量的关系
• 2 通量与土壤呼吸累积量的关系'>4.4.5.2 玉米季节生态系统CO₂通量与土壤呼吸累积量的关系
• 2 通量积累量的变化'>4.5 农田生态系统CO₂通量积累量的变化
• 2 通量积累量的关系'>4.5.1 小麦季节干物质积累量与CO₂通量积累量的关系
• 2 通量积累量的关系'>4.5.2 玉米季节干物质积累量与CO₂通量积累量的关系
• 2 通量的变化及生态系统碳源/汇的评价'>4.6 不同年际间CO₂通量的变化及生态系统碳源/汇的评价
• 2 通量的变化'>4.6.1 不同年际间CO₂通量的变化
• 4.6.2 农田生态系统碳源/汇的评价
• 4.6.3 人工神经网络在农田生态系统中的应用
• 5 结语与讨论
• 5.1 农田生态系统能量平衡分析及数据评价
• 2 通量的关系'>5.2 农田生态系统不同尺度光合与CO₂通量的关系
• 5.3 农田生态系统土壤呼吸与土壤容积含水量和土壤温度的关系
• 2 通量与土壤呼吸'>5.4 农田生态系统CO₂通量与土壤呼吸
• 5.5 农田生态系统碳源/汇的评价
• 2 通量中的应用'>5.6 人工神经网络在预测农田生态系统CO₂通量中的应用
• 参考文献
• 英文摘要