【摘 要】
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我国西北干旱区脆弱的生态环境使得该区生态系统碳收支过程对自然和人类活动干扰极为敏感,尤其是绿洲农田受人类生产活动影响强烈。因此,深入认识该区葡萄农田生态系统生产力和各呼吸过程动态,对于准确评估我国干旱绿洲区农田碳收支过程具有重要意义。本研究以敦煌南湖绿洲葡萄农田为研究对象,采用涡度相关系统与土壤碳通量测量系统结合的方法,于2019年测定葡萄农田生态系统CO_2通量与土壤呼吸(R_t),其中通过生态
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我国西北干旱区脆弱的生态环境使得该区生态系统碳收支过程对自然和人类活动干扰极为敏感,尤其是绿洲农田受人类生产活动影响强烈。因此,深入认识该区葡萄农田生态系统生产力和各呼吸过程动态,对于准确评估我国干旱绿洲区农田碳收支过程具有重要意义。本研究以敦煌南湖绿洲葡萄农田为研究对象,采用涡度相关系统与土壤碳通量测量系统结合的方法,于2019年测定葡萄农田生态系统CO2通量与土壤呼吸(Rt),其中通过生态系统CO2通量获得总初级生产力(GPP)、净生态系统生产力(NEP)和生态系统呼吸(Re),采用根排除法将土壤呼吸区分为地下部分自养呼吸(Rab)和异养呼吸(Rh),并计算地上部分自养呼吸(Raa)和总自养呼吸(Ra)。基于此,探究干旱绿洲区葡萄农田生产力和各呼吸过程动态,采用相关分析和结构方程模型确定各影响因素对生产力和呼吸作用的综合影响,最后定量评估葡萄农田碳收支过程。主要结果如下:(1)葡萄农田GPP和NEP的日、季变化均表现为单峰特征,但受不同天气状况的影响存在一定波动。相关分析表明GPP、NEP的主要影响因子为叶面积指数(LAI)、空气温度(Ta)、光合有效辐射(PAR)、土壤含水量(SWC)、饱和水汽压亏缺(VPD)等,进一步建立二者与各环境因子的结构方程模型来量化各因素的直接和间接作用,最终模型可以解释二者变化的67%和60%。模型表明:VPD是GPP和NEP的主要影响因子,对二者的标准化总效应系数分别为-0.63和-0.71;其次,Ta和PAR的增强会在一定程度上促进光合作用,提高农田生产力;SWC对于GPP、NEP的总效应较低,效应系数仅为0.15和0.22,但是它会通过对VPD的负效应来影响GPP和NEP。最后,着重探究NEP对主要环境因子的响应,其中PAR作为光合作用的直接驱动力,它与NEP的直角双曲线模型可以解释NEP变化的27~54%,但同时高Ta、高VPD和低SWC均会减弱NEP对于PAR的响应。(2)从各呼吸过程来看,Re的季节变化与LAI、Ta变化趋势较一致,其最大值出现在7月,为9.20 g C m-2day-1;Rt和Ra在观测期间的6—9月波动变化强烈,10—12月稳定减少。该区土壤呼吸中以异养呼吸为主,植物自养呼吸中以地上部分自养呼吸为主。采用结构方程模型确定了Re、Rt和Ra的首要影响因素分别为Ta、Ts、PAR,而VPD对三者的标准化总效应较小,可见生产力和各呼吸作用过程的主要控制因素存在差异。另外,SWC对于Rt和Ra分别表现为微弱的负效应和正效应,效应系数分别为-0.15和0.36,因此,该区充足的灌溉会对土壤呼吸和植物自养呼吸产生不同的影响。综上,精确认识碳收支各过程的驱动机制可为碳循环模型校正提供一定参考。此外,Re、Rt和Ra的结构方程模型拟合优度分别为62%、28%和43%,模型对土壤呼吸过程解释能力较低,这与土壤和地下过程的复杂性有关。(3)2019年葡萄农田GPP、NEP和Re的年累积量分别为1520、429和1091g C m-2,年碳消耗强度(Re/GPP)约为72%,而生长季碳消耗强度仅为55%。与其他旱区生态系统(主要包括棉田、荒漠灌丛和草原等)相比,葡萄农田具有强烈的光合作用和呼吸作用,固碳能力强。观测期6—12月,Rt、Rh、Rab、Raa和Ra的累积量分别为475、311、164、228和392 g C m-2,它们对于生态系统呼吸的贡献率则分别为68%、44%、24%、32%和56%,表明葡萄农田Rt是Re的主要组成部分。
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