黃土塬區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水、熱、碳通量研究.pdf

1、本研究利用長武農(nóng)業(yè)生態(tài)站大氣邊界層觀測系統(tǒng)2005～2006年通量與輻射數(shù)據(jù)，分析評價了渦度相關(guān)源數(shù)據(jù)的質(zhì)量；對生態(tài)系統(tǒng)在小麥整個生育期內(nèi)的碳收支時間格局進(jìn)行了分析；然后系統(tǒng)分析了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用、光合作用的季節(jié)和年際變化特征，探討了它們對氣象環(huán)境和植被/土壤環(huán)境的響應(yīng)；論述了能量分配和蒸散的時間變異及其環(huán)境響應(yīng)，并對比蒸滲儀法和渦度相關(guān)法測量蒸散的異同；最后，分析了麥田輻射光譜的變化特征及其與CO2通量的關(guān)系。主要得到以下幾方面的

2、結(jié)論： （1）數(shù)據(jù)的質(zhì)量分析與評價。對數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)測試表明，質(zhì)量好的數(shù)據(jù)和較好的分別占65％和30％，質(zhì)量差的數(shù)據(jù)為全年的3.9％，1.2～1.3％的數(shù)據(jù)需要剔除，質(zhì)量差的數(shù)據(jù)主要集中在夜間。對湍流脈動量的功率譜和協(xié)譜分析表明，開路渦度相關(guān)系統(tǒng)對高頻湍流信號的響應(yīng)能力基本滿足通量觀測的實際要求。能量平衡分析表明，長武農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)2005～2006兩年間湍流通量占有效能量的56~62％，存在能量平衡不閉合的情況。 （2）農(nóng)

3、田生態(tài)系統(tǒng)CO2交換特征。分析得到夜間摩擦風(fēng)速閾值（0.15·m·s-1）以控制夜間的通量觀測數(shù)據(jù)。夜間CO2通量與2cm和10cm土壤溫度呈指數(shù)關(guān)系，都達(dá)到0.01顯著水平，兩個土壤溫度的擬合效果相當(dāng)。在冬小麥的生長旺盛期4～5月和11月，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2凈交換（NEE）日較差較大，約為0.31～0.67mgCO2·m-2·s-1。小麥CO2通量日變化與生育期、光合有效輻射、土壤溫度密切相關(guān)。整個生長季小麥地逐日碳收支的變化主要受小

4、麥的生育期影響，降雨的影響因生育期的不同而有所差異。兩年度NEE總量分別為-131.5和-223.0gC·m-2。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)呼吸（ecR）最小值出現(xiàn)在1月，最大值出現(xiàn)在7月，與溫度的季節(jié)變化相符。2005年和2006年最大ecR分別為12.34和10.18gC·m-2·d-1，分別出現(xiàn)在7月中旬和上旬。2005年和2006年最大日平均總初級生產(chǎn)力（GPP）分別為6.44和6.64gC·m-2·d-1。 （3）生態(tài)系統(tǒng)呼吸的時間

5、變異及其環(huán)境響應(yīng)。ecR具有明顯的季節(jié)變化，與2m氣溫和2cm、10cm土壤溫度都有較好的相關(guān)性，與2m氣溫的相關(guān)性最強(qiáng)。參考溫度（10℃）下的生態(tài)系統(tǒng)呼吸在2006年較大，而生態(tài)系統(tǒng)呼吸的溫度敏感性Q10在2005年大于2006年，這可能與2005年溫度高且土壤水分狀況較好有關(guān)。Lloyd & Tayor 方程與Van’t Hoff方程和Arrhenius方程相比，該方程能夠更好地描述不同年份農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)呼吸的變異。土壤水分對農(nóng)田生態(tài)

6、系統(tǒng)呼吸有顯著影響，尤其在干旱脅迫嚴(yán)重的年份。模型分析表明在干旱條件下，Q10模型對水分狀況的響應(yīng)能力比連乘模型更加敏感，能更好地描述生態(tài)系統(tǒng)呼吸對溫度和濕度季節(jié)波動的響應(yīng)。降雨不同程度的增加了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的呼吸。 （4）生態(tài)系統(tǒng)CO2凈交換的季節(jié)變化及其環(huán)境響應(yīng)。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈交換年際變化表現(xiàn)出明顯的雙峰，且與小麥的生育期、溫度相吻合。除小麥成熟、收割后的6～9月外，白天生態(tài)系統(tǒng)CO2凈交換量與光合有效輻射的回歸方程都很顯著，

7、并且回歸效果（R2）隨小麥的生長狀況而變化。在小麥生長最旺盛的11月、3～5月回歸效果最好，6月和10月回歸曲線和回歸效果變化劇烈。溫度的升高使得小麥生長旺季農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)白天凈交換有下降的趨勢。CO2通量隨著飽和水汽壓差的升高而下降，飽和水汽壓差在不同的時刻通過影響回歸方程的不同參數(shù)而改變生態(tài)系統(tǒng)的收支。光合有效輻射利用效率的日變化呈不對稱M型，一年中光合有效輻射利用效率出現(xiàn)了兩個高峰期，分別為4月下旬到5月上旬和11月上旬。

8、（5）能量分配和蒸散的時間變異與環(huán)境響應(yīng)。小麥整個生育期間出現(xiàn)了日均感熱通量（Hs）連續(xù)高于潛熱通量（LE）的2個階段，分別為11月至次年3月初和6月，其余時間LE均大于Hs，葉面積指數(shù)對能量各分量的季節(jié)變化及能量的分配具有深遠(yuǎn)的影響。2005～2006整個生育期內(nèi)LE占凈輻射(Rn)的比值為25.6％，略低于Hs所占的比例（27.2％）。土壤熱通量占凈輻射僅僅為4％。冬小麥整個生育期波文比在越冬期最大，平均為3.1，5月份最低，平均為

9、0.39。蒸滲儀與渦度相關(guān)測得日蒸散達(dá)到顯著相關(guān)的程度。蒸滲儀逐日或更長時間間隔蒸散量的測定比較穩(wěn)定，渦度相關(guān)法可以較穩(wěn)定的反映逐時、逐刻的潛熱通量變化。 （6）光譜特征變化及其與CO2通量的關(guān)系。不同波長光譜反射率隨冬小麥生育期變化。同一天內(nèi)，反射率隨太陽高度角的變化而變化，變化最大的波段為波峰。不同生育期的同一時刻，可見光反射率變化不大，近紅外出現(xiàn)較大差異。歸一化植被指數(shù)（NDVI）的日變化呈現(xiàn)U型，13點左右最低，16點之