冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳、水循環(huán)特征及冠層上方碳通量的模擬.pdf

1、陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳、水循環(huán)是全球變化科學(xué)的熱點(diǎn)和核心問(wèn)題。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)包括植物的光合作用、自養(yǎng)呼吸作用及異養(yǎng)呼吸作用三個(gè)過(guò)程，其中光合作用通過(guò)植物的氣孔調(diào)節(jié)行為，與控制水分散失的蒸騰作用相聯(lián)系，構(gòu)成了土壤-植物-大氣系統(tǒng)中相互作用、互為反饋的碳、水循環(huán)過(guò)程，它們的動(dòng)態(tài)變化將對(duì)氣候系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是受人類(lèi)活動(dòng)干擾最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，也是氣候變化的主要承受者，對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中碳、水循環(huán)機(jī)理過(guò)程、變化趨勢(shì)及其對(duì)環(huán)境響應(yīng)的綜合

2、研究，將有助于了解農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)緩解全球CO2濃度上升的潛在可能性及其對(duì)全球變化的貢獻(xiàn)，并為構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)尺度碳、水循環(huán)模型奠定基礎(chǔ)。 本研究以冬小麥為研究對(duì)象，利用LI-6400R光合-蒸騰測(cè)量系統(tǒng)、LI-6400-09土壤呼吸室和禹城生態(tài)試驗(yàn)站渦度相關(guān)系統(tǒng)等高精度儀器設(shè)備，對(duì)2007年和2008年小麥拔節(jié)至乳熟期間涉及碳、水循環(huán)過(guò)程的葉片光合-蒸騰作用、土壤呼吸作用及相關(guān)農(nóng)田氣象要素和植被特征進(jìn)行了野外試驗(yàn)測(cè)定和分析，在試驗(yàn)觀測(cè)

3、基礎(chǔ)上提取了重要生理參數(shù)，建立了基于過(guò)程的農(nóng)田與大氣間物質(zhì)輸送和能量交換的多層-雙葉模型，并對(duì)2008年試驗(yàn)期間冠層上方碳通量特征進(jìn)行了模擬，試驗(yàn)分析和模擬的主要結(jié)論如下： 1.葉片水平光合-蒸騰過(guò)程的碳、水循環(huán)特征：不同生育期中測(cè)定的不同層次陰、陽(yáng)葉片具有各自明顯的猙光合速率、蒸騰速率和水分利用效率日變化特征，這是包括光合有效輻射、氣孔導(dǎo)度、CO2濃度、溫度等影響因子在內(nèi)的綜合作用的結(jié)果，進(jìn)行氣孔限制分析是解釋日變化規(guī)律的有效

4、方法；隨光強(qiáng)增加，各層次葉片凈光合速率均呈直角雙曲線增加，蒸騰速率呈直線增加，在兩者共同影響下，葉片水平水分利用效率亦呈直角雙曲線增加，且存在“光飽和”特征；隨CO2濃度增加，各層次葉片凈光合速率呈直角雙曲線形式增加，同時(shí)氣孔導(dǎo)度下降導(dǎo)致蒸騰速率呈波浪式下降，兩者共同使葉片水平水分利用效率提高，蒸騰速率對(duì)由CO2濃度變化而引起的氣孔運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)比凈光合速率快。 2.土壤呼吸過(guò)程的碳循環(huán)特征及根呼吸的貢獻(xiàn)：不同組分土壤呼吸存在明顯日

5、變化和季節(jié)變化特征，其中季節(jié)變化是以溫度起重要作用并受根生物量協(xié)同影響的綜合結(jié)果，5-10cm土壤溫度大約可以解釋不同組分土壤呼吸季節(jié)變化的49％～65％，土壤中根生物量大約可以解釋土壤呼吸季節(jié)變化的44％；綜合根去除法和根生物量外推法兩種方法估算的研究期間根呼吸對(duì)土壤總呼吸的貢獻(xiàn)為32％-45％。 3.農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)尺度的能量平衡與碳、水循環(huán)特征：植物以葉片為生命活動(dòng)的基本單元，在生態(tài)系統(tǒng)尺度通過(guò)湍流交換等形式推動(dòng)物質(zhì)(碳、水)

6、循環(huán)流動(dòng)，并與系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)物質(zhì)循環(huán)的能量傳輸密不可分。本研究分析結(jié)果表明，利用渦度相關(guān)技術(shù)直接測(cè)定的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)尺度能量和物質(zhì)通量，具有明顯的日變化和季節(jié)變化特征，但渦度相關(guān)技術(shù)與常規(guī)觀測(cè)技術(shù)相比存在低估趨勢(shì)。利用生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率(WUEe)可以衡量生態(tài)系統(tǒng)尺度碳、水循環(huán)關(guān)系，其日變化特征隨生育期不同而不同。將生態(tài)系統(tǒng)水平與葉片水平的水分利用效率日均值進(jìn)行比較，前者較后者高，原因可能與研究時(shí)對(duì)不同尺度采用了不能直接可比的不同的測(cè)定方法

7、有關(guān)，也可能與渦度相關(guān)技術(shù)對(duì)能量通量的低估有關(guān)。 4.多層-雙葉模型對(duì)冠層上方碳通量的模擬：綜合考慮農(nóng)田水、熱因子及葉片氮含量的非線性垂直分布對(duì)碳、水循環(huán)的影響，將農(nóng)田按植株高度分為上、中、下三層，并通過(guò)葉片集聚指數(shù)計(jì)算陰、陽(yáng)葉面積以區(qū)分葉片的空間分布受光狀態(tài)，建立了均勻農(nóng)田與大氣間物質(zhì)輸送和能量交換的多層-雙葉模型，對(duì)農(nóng)田冠層上方基于光合-呼吸的碳循環(huán)過(guò)程進(jìn)行了模擬應(yīng)用研究。利用渦度相關(guān)碳通量觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型模擬能力的檢驗(yàn)結(jié)果表