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)的熱點和核心問題。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)呼吸作用三個過程，其中光合作用通過植物的氣孔調(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)過程，它們的動態(tài)變化將對氣候系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是受人類活動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，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中碳、水循環(huán)機理過程、變化趨勢及其對環(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全球變化的貢獻，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象，利用LI-6400R光合-蒸騰測量系統(tǒng)、LI-6400-09土壤呼吸室和禹城生態(tài)試驗站渦度相關(guān)系統(tǒng)等高精度儀器設(shè)備，對2007年和2008年小麥拔節(jié)至乳熟期間涉及碳、水循環(huán)過程的葉片光合-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行了野外試驗測定和分析，在試驗觀測

3、基礎(chǔ)上提取了重要生理參數(shù)，建立了基于過程的農(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2008年試驗期間冠層上方碳通量特征進行了模擬，試驗分析和模擬的主要結(jié)論如下： 1.葉片水平光合-蒸騰過程的碳、水循環(huán)特征：不同生育期中測定的不同層次陰、陽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，蒸騰速率對由CO2濃度變化而引起的氣孔運動的響應(yīng)比凈光合速率快。 2.土壤呼吸過程的碳循環(huán)特征及根呼吸的貢獻：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土壤總呼吸的貢獻為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的基本單元，在生態(tài)系統(tǒng)尺度通過湍流交換等形式推動物質(zhì)(碳、水)

6、循環(huán)流動，并與系統(tǒng)中驅(qū)動物質(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)觀測技術(shù)相比存在低估趨勢。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行比較，前者較后者高，原因可能與研究時對不同尺度采用了不能直接可比的不同的測定方法

7、有關(guān)，也可能與渦度相關(guān)技術(shù)對能量通量的低估有關(guān)。 4.多層-雙葉模型對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，并通過葉片集聚指數(shù)計算陰、陽葉面積以區(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，對農(nóng)田冠層上方基于光合-呼吸的碳循環(huán)過程進行了模擬應(yīng)用研究。利用渦度相關(guān)碳通量觀測數(shù)據(jù)對模型模擬能力的檢驗結(jié)果表