陆地生态系统在全球尺度下的大气温室气体——二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N20)收支中扮演着十分重要的角色。伴随着大气CO2浓度和温度的逐步升高,全球气候变化对陆地生态系统C、N循环的影响不断凸显,同时也进一步加剧了陆地生态系统温室气体排放的风险。稻麦轮作生态系统是我国典型的农田生态系统之一,研究其在CO2浓度和温度升高条件下,温室气体(CH4和N2O)排放的响应规律,对我国有效开展未来气候变化情境下的农田温室气体增汇减排工作具有重要意义。本研究采用田间试验与数据分析相结合的方法,对CO2浓度和温度升高条件下的稻麦轮作生态系统温室气体排放响应进行研究。本研究的田间试验部分,主要依托开放式大气CO2浓度和温度同步升高的稻麦轮作生态系统试验观测平台(T-FACE平台),采用静态暗箱-气相色谱法对CH4和N2O排放进行田间原位同步观测,探讨CO2浓度升高和温度升高对稻麦轮作系统温室气体排放的影响。本研究的数据分析部分,主要通过文献资料的收集、整理和数据库建立,采用数据整合分析方法,探讨大气C02浓度升高对稻麦生产以及陆地生态系统温室气体排放的影响,以期进一步揭示陆地生态系统在未来气候变化情境下的温室气体排放规律。主要研究结果如下:(1)田间试验结果表明,C02浓度升高使水稻和小麦的生物量和产量均显著增加。C02浓度升高条件下,水稻和小麦的生物量分别增加9.66%和11.26%,产量分别增加5.64%和5.7%,C02浓度升高导致作物的根冠比显著增加。温度升高显著降低水稻和小麦的生物量和产量。温度升高使水稻生物量和产量分别显著降低21.O9%和31.6%,小麦生物量和产量分别降低17.97%和17.68%。CO2浓度和温度升高对稻麦生物量和产量均无显著交互作用;CO2浓度和温度协同升高条件下,水稻生物量和产量分别降低13.46%和26.05%,小麦生物量和产量分别降低8.71%和10.31%。(2)稻麦产量对CO2浓度升高响应的整合分析结果表明,CO2浓度升高导致稻麦产量分别显著增加19.8%和17.6%。促进稻麦增产的主要原因是稻麦籽粒数量、千粒重、有效穗数和结实率等产量构成因素在C02浓度升高条件下的显著增加。CO2浓度升高使稻麦总生物量分别显著增加24.0%和15.4%。其中,水稻地上部和地下部生物量分别显著增加27.9%和41.9%;小麦田上部生物量和地下部生物量分别显著增加18.4%和17.3%。水稻地上部生物量和地下部生物量对CO2浓度升高的响应差异,导致水稻根冠比显著增加,但CO2浓度升高并未对小麦根冠比产生显著影响。C02浓度升高条件下,稻麦光饱和点光合速率(Asat)、叶面积指数(LAI)、净同化速率(NAR)和水分利用效率(WUE)均不同程度增加,但C02浓度升高导致稻麦气孔导度(gs)均显著下降。C02浓度升高条件下,三种水稻类型——粳稻(Japanica)、籼稻(Indica)和杂交稻(Hybrid rice)的产量以及产量构成因素的响应存在显著差异。C02浓度升高条件下,籼稻的穗粒数、收获指数和Asat增幅最大;杂交稻的总生物量、地上部生物量、地下部生物量和株高增幅最大;粳稻在C02浓度升高条件下的分蘖数增幅显著高于籼稻和杂交稻。CO2浓度升高使水稻的N吸收量显著增加,但CO2浓度升高条件下小麦的N吸收量却具有下降的趋势。此外,CO2浓度升高也不同程度地降低了稻麦植株的N含量。不同CO2浓度升高处理方式对稻麦产量的影响存在差异,总体趋势表现为封闭式CO2浓度升高处理效应高于开放式CO2浓度升高处理效应。(3)田间试验结果表明,CO2浓度升高显著增加了稻麦轮作生态系统土壤有机质(SOM)的含量;温度升高显著增加了水稻季稻田SOM的含量,但未改变小麦季土壤的SOM含量。CO2浓度升高未改变稻麦轮作生态系统土壤中无机氮的浓度;温度升高显著增加了水稻季土壤NO3--N的浓度,但未改变稻田NH4+-N的浓度。(4)田间CH4原位观测试验结果表明,CO2浓度和温度升高对稻麦轮作生态系统CH4排放呈现显著的加和效应。从CH4排放的源和汇效应方面看,CO2浓度和温度升高都显著增加水稻季CH4排放量;CO2浓度和温度的升高对小麦季CH4源汇效应的影响较弱,总体上未改变小麦田CH4吸收汇的属性;水稻植株参与对稻田CH4排放具有促进作用,与无作物参与的对照土壤相比,水稻植株的存在显著增加了稻田CH4的排放。(5)田间N2O原位观测试验结果表明,CO2浓度和温度升高均显著影响稻麦轮作生态系统N2O排放,但未改变稻麦轮作农田生态系统N2O的季节排放动态。CO2浓度升高条件下,水稻季和小麦季N2O排放平均分别增加15.25%和39.92%,其中后者达显著水平;温度升高未显著影响水稻季N2O排放,但显著增加小麦季N2O排放20.47%;CO2浓度和温度协同升高对水稻季N2O排放的影响存在较大的年际差异,但总体上有促进N20排放的趋势;CO2浓度和温度协同升高导致三年小麦季N2O排放平均增加45.99%,并达极显著水平。对稻麦轮作不同阶段的N2O排放进行分析后表明,水稻季N2O排放主要受灌溉方式影响。在稻田长期淹水条件下,CO2浓度和温度升高对稻田N2O排放的影响较小,而非淹水期(烤田期+湿润灌溉期)N2O排放对CO2浓度和温度处理较为敏感;小麦季N20排放与小麦生物量密切相关,在CO2浓度和温度升高条件下,小麦季N20排放与小麦田下部生物量具有显著的正相关关系。(6)两个完整稻麦轮作周年的田间原位观测试验结果表明,CO2浓度升高、温度升高和两者的协同作用导致稻麦轮作生态系统CH4和N2O排放引起的综合温室效应分别显著增加52.14%、33.29%和68.85%。从不同轮作阶段来看,C02浓度升高条件下,CH4累积排放量的增加是水稻季GWP增加的主要因素;N2O累积排放量的增加是导致小麦季GWP增加的主要因素。从不同处理因素来看,CO2浓度升高条件下,稻麦轮作生态系统ΔGWP由水稻季CH4和小麦季N2O累积排放的增量所共同决定;温度升高条件下,稻麦轮作生态系统的ΔGWP主要由水稻季CH4累积排放量的响应所产生;CO2浓度和温度协同升高条件下,稻麦轮作生态系统ΔGWP由CH4和N2O累计排放量的响应所共同决定,但与单纯CO2浓度升高处理相比,水稻季CH4累积排放量的响应对CO2浓度和温度协同升高条件下稻麦轮作生态系统ΔGWP的贡献率显著增加。CO2浓度升高、温度升高以及两者的协同作用均显著增加稻麦单位产量的温室气体排放强度(GHGI)。其中,CO2浓度升高处理使水稻和小麦的GHGI分别增加46.43%和43.59%;温度升高处理使水稻和小麦GHGI分别增加98.21%和66.67%;CO2浓度和温度升高的交互处理使水稻和小麦GHGI分别增加137.47%和87.18%。(7)对陆地生态系统温室气体排放的整合分析结果表明:CO2浓度升高使陆地生态系统土壤CO2排放量显著增加24%,水稻田和自然湿地生态系统的CH4排放分别显著增加34%和12%,并且还导致旱地土壤作为CH4吸收汇的效应下降了 3.8%。此外,CO2浓度升高也导致土壤的N2O排放量增加4.6%,土壤有机C、N库的含量分别增加4.3%和2.5%。CO2浓度升高导致的土壤CH4和N2O排放的增量,可分别抵消土壤碳库增加产生的减排效应的78.5%(1.90/2.42 Pg CO2-eq yr-1),或抵消生态系统净生产量(NEP)增加所带来的减排效应的47.6%(1.90/3.99 Pg CO2-eq yr-1)。综上所述,CO2浓度升高可显著增加稻麦的生物量和产量;温度升高使稻麦生物量和产量均显著下降;CO2浓度升高对稻麦生物量和产量的正效应,不足以抵消由于温度升高所产生的负效应,在CO2浓度和温度协同升高条件下,稻麦生物量和产量均有不同程度下降。大气CO2浓度升高可通过增加作物光合产物向地下部的输入量,进而显著增加稻麦轮作生态系统土壤SOM的含量;在CO2浓度升高条件下,土壤SOM含量与作物地下部生物量的增加呈显著正相关关系。CO2浓度升高、温度升高对稻田CH4排放的作用表现为加和效应,两者均显著增加稻田CH4的排放;水稻植株是稻田CH4排放的重要通道,与无植株稻田土壤相比,水稻植株参与下的稻田CH4排放显著增加。CO2浓度和温度升高条件下,CO2浓度升高导致稻麦轮作生态系统N2O排放显著增加。温度升高显著增加小麦季N2O排放,但未改变水稻季N2O排放。CO2浓度和温度协同升高显著增加稻麦轮作生态系统N2O排放,但与单纯C02浓度升高处理相比,两者对稻麦轮作生态系统N20的影响无显著差异。CO2浓度升高可显著增加陆地生态系统土壤C库和NEP,但同时CO2浓度升高也增加了陆地生态系统CH4和N2O的排放量;CH4和N2O排放量的增加部分抵消土壤C库和NEP增加带来的温室气体增汇减排效应。