华北夏玉米农田生态系统生产力的变化特征及其对极端降水事件的响应

来源 :华中农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Norazhongli
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通过涡度相关通量观测系统对中国科学院禹城综合试验站的夏玉米农田的碳通量进行了11年(2003-2013年)的连续观测,分析了夏玉米农田生态系统碳通量的变化规律并对禹城站的碳汇进行了评估。根据11年内禹城站夏玉米生长季内的日降水情况确定了禹城站的极端降水阈值,并根据禹城站的极端降水条件,筛选出了11年间的两次极端降水事件并分析其对夏玉米农田生产力的影响表现。研究表明,11年间夏玉米农田生长季内碳通量的变化特征具有明显的规律性,并且这11年间夏玉米农田都是作为固定大气中CO2的碳汇存在的;非极端降水可以显著提高农田的净生态系统生产力(NEP)和总初级生产力(GPP),极端降水会显著降低农田的GPP与NEP。具体结果如下:1.夏玉米农田生长季内碳通量的变化特征夏玉米生长季内CO2通量(Fc)的月平均日变化(除6月份)与不同生育期的日变化(除VE)均呈“U”型,日最大值出现在中午12:00左右,上午6:00以后由CO2的释放变为CO2的吸收,下午18:00后由CO2的吸收转变为CO2的释放;生长盛期8月份CO2的吸收达到最大,吸收峰值达到-1.40 mgCO2·m-2·s-1;玉米VE、R5农田表现为碳排放,Fc为正值,V6-R3夏玉米农田表现为碳吸收,Fc为负值,且11年间最大碳吸收量的平均值可达1.33 mgCO2·m-2·s-1;R3的Fc积累量达到最大值,11年间不同生育时期Fc最大积累量的平均值为181.49gCO2·m-2·d-1。夏玉米农田Fc的年最大值在17.61-24.70 gCO2·m-2·d-1范围内。11年间夏玉米生长季内GPP与生态系统呼吸(Re)呈“n”型变化,7-8月份的温度较高且光照适宜,GPP达到最大,夏玉米农田GPP年最大值在17.61-24.70 gCO2·m-2·d-1范围内;GPP积累量的最大值出现在R3(2005年为R0),11年间不同生育时期GPP最大积累量的平均值为373.14gCO2·m-2·d-1。Re最大值出现在7月或8月,11年间的Re最大值在5.41-10.78gCO2·m-2·d-1范围内;Re积累量的最大值出现在V6或R3,11年间不同生育时期Re最大积累量的平均值为196.53gCO2·m-2·d-1。2.夏玉米农田的碳汇评价夏玉米农田11年间GPP、净生态系统碳交换量(NEE)、Re的年平均值分别为894.08、-238.34、654.68 gCO2·m-2。夏玉米农田的最大碳排放日期出现在6月中下旬或7月初,碳吸收一般是从7月中旬左右开始(2011年8月初),在9月下旬或十月初结束。夏玉米农田GPP的最大值出现的日期和农田最大碳吸收量出现的日期相吻合,夏玉米VT-R5时期的NEE受GPP的控制,其它时期受Re的影响大。11年间夏玉米农田都是作为固定大气中CO2的碳汇存在的。3.禹城站极端降水事件对禹城站近11年(2003-2013)间夏玉米生长季内的日降水量数据进行统计分析,采用第95百分位数作为极端降水阈值,确定禹城站的极端降水阈值为57.8 mm。在本文中以达到极端降水阈值57.8 mm的降水,并使土壤含水量(SWC)达到田间持水量的120%作为一次极端降水事件。分析2006年一次未达到极端降水条件的降水,发现降水后夏玉米农田的NEP和GPP较降水之前分别升高了70.81%和35.83%。4.极端降水事件对夏玉米灌浆期农田碳通量的影响根据禹城站的极端降水条件,对11年间的降水事件进行筛选,筛选出夏玉米两次极端降水事件,这两次极端降水均发生在灌浆期。两次极端降水事件,降水前后GPP的变化趋势与NEP相同,降水后的NEP和GPP较降水前有所下降,较降水前分别下降了38.47%、25.54%(2007)和15.02%、17.98%(2013)。根据SWC和PAR的变化情况分为了四个阶段:降水前(BR)、淹水I期(F1)、淹水II期(F2)和恢复期(R)。对两次极端降水事件分阶段的研究,F1、F2、R的NEP、GPP、Re较BR均有不同程度的下降,且2013年的下降幅度低于2007年的降幅。由于2013年的极端降水事件发生前已经发生过一次强降水事件,使土壤含水量升高并接近极端降水的条件,因此2013年的此次降水事件作为前一次强降水事件的结果。夏玉米农田的土壤水分状况会影响群体光饱和点的范围,较高的土壤相对含水量(SRWC=130%)会降低夏玉米群体光饱和点,并降低高光强下的光合能力。两次极端降水事件显示,在光合有效辐射(PAR)<1400 umol m-2s-1的时段内,极端降水后的叶片NEP均低于降水前;与降水前相比,淹水期的表观量子效率有所降低,随着SWC的逐渐恢复,恢复期的表观量子效率有所恢复;淹水期的最大净光合速率有所增加,随后降低;降水后的呼吸速率较降水前有所升高。同时,极端降水会降低夏玉米农田的光能利用率(RUE)。两次极端降水事件前后的空气温度与NEP并没有显著性的相关关系,而由于降水的影响相对湿度在F1(2013,p<0.05)、R(2007、2013,p<0.01)与NEP存在显著的相关关系。
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