农田尺度水碳通量观测与研究

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陆地生态系统水、碳循环的研究是目前全球变化研究领域的核心问题。农田生态系统是受人类活动干扰最大的陆地生态系统,也是气候变化的主要承受者。为了把握区域水资源的消耗规律和碳循环规律,需要研究农田尺度水分-能量-碳通量循环过程和机制。农田一直是通量观测的重点,但盐渍化农田相关研究甚少。  本研究对关中盐渍化农田具有典型代表性的富平卤泊滩进行水-能量-碳通量综合观测,提取一些重要的生理参数,为实现光合-呼吸过程共同影响的水碳循环模拟研究及预测未来气候等应用探索打下基础。本文主要从涡度相关技术的理论和方法,农田气象变量特征和土壤特征,基于涡度相关技术的水-能量-碳通量特征及影响因素,土壤呼吸碳通量的变化规律及影响因素等几个方面进行展开。通过试验分析和研究得到以下主要结论:  (1)在农田环境方面研究表明:相对湿度和温度变化呈反比,主风向为东北风和西南风,观测期平均风速为1.97m s-1,地下水埋深平均值为191.7cm。浅层土壤的温度、水势、含水率、电导率相比与深层变化幅度更大,受气象因素影响也更大,其中电导率主要随土壤含水率的变化而变化。因70~90cm形成潜育层,在垂向规律上80cm层各土壤要素表现出特异性。  (2)在能量通量方面研究表明:本站涡度相关系统能量平衡闭合度为67.2%。净辐射(Rn)、显然通量(H)、潜热通量(LE)和地表热通量(G)日变化均为单峰型,均在中午左右达到最大值。在白天,土壤是热汇,夜间土壤为热源。从冬小麦返青至收获,Rn、H、LE和G均成上升趋势,农田蒸散发消耗的热量占全部的76.4%。  (3)在水分通量(ET)方面研究表明: ET有较为显著的日变化规律,为倒“U”型曲线。从冬小麦返青期开始到乳熟期中期,ET呈上升趋势,而乳熟期后期至成熟期,ET又转而下降。温度、相对湿度、有效辐射对农田ET有较为直接的影响。农田ET不仅受气象要素和土壤要素影响,还受作物生长周期的影响。  (4)在冠层上方CO2通量(Fc)方面研究表明:Fc有较为显著的日变化规律,为“U”型曲线;白天时农田为CO2的汇,Fc为负值;夜间时农田变成了CO2的源,Fc为正值;在午间表现“光合午休”现象。Fc与各气象要素呈二次线性关系。Fc对有效辐射、冠层温度和相对湿度等气象要素存在滞回现象。从冬小麦返青期开始到抽穗期前期,CO2汇的能力呈上升趋势,而抽穗期中后期至成熟期,CO2汇的能力转而下降。Fc在季节变化上与各气象要素相关性均不高。  (5)在水碳通量耦合方面研究表明:水分利用效率(eWUE)在日出之后,迅速从负值升为正值,并在8:00~8:30达到最大值,随后在NEE和ET的共同作用下逐渐降低。eWUE的冬小麦季节变化过程是先增加后减少的变化趋势,并在DAY111达到最大值。  (6)在土壤呼吸方面研究表明:冬小麦和玉米不同生育期的土壤呼吸速率存在差异,日变化最大值出现在13:00至14:00之间。冬小麦土壤呼吸速率在抽穗期、乳熟期达到最大,随着作物进入成熟期,土壤呼吸速率下降。玉米的土壤呼吸速率先下降后升高,在抽雄期达到最高,成熟期后,呈下降趋势。玉米平均土壤呼吸速率为4.46μmol·s-1·m-2,冬小麦平均土壤呼吸速率为2.7μmol·s-1·m-2。土壤呼吸不仅与温度相关,还受作物生长状态和秸秆还田影响。冠层温度、空气温度和土壤温度分别可以解释土壤呼吸速率日变化的58%、48%和34%,土壤呼吸对三种温度的敏感系数Q10分别为为1.4,1.41和1.42。
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