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《中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心)》 2005年
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亚热带稻田生态系统CO_2通量研究

朱咏莉  
【摘要】: 稻田生态系统碳循环对大气温室气体的吸收/排放以及全球气候变化起着不可忽视的影响。该生态系统与大气间CO_2交换特征及其影响因素是碳循环研究的重要内容,其不仅是碳循环过程机理和调控机制以及模型模拟的需要,而且可以为估算和评价稻田生态系统碳源/汇强度及其对大气CO_2浓度变化的贡献提供科学依据。 以我国亚热带丘陵区稻田生态系统为研究对象,采用涡度相关技术对该系统与大气间CO_2交换通量进行了连续观测,通过分析能量平衡的闭合程度对涡度相关法观测稻田生态系统通量数据的可靠性进行了评价;分析了稻田生态系统CO_2通量在不同时间尺度上(日、季节)的变化特征及其影响因素;估算出了稻田生态系统与大气间CO_2的年交换通量;并对箱式法在稻田生态系统CO_2吸收/排放通量观测中的应用作了初步的探讨。 通过研究,取得的主要结论有以下几个方面: (1)采用涡度相关技术对亚热带丘陵区稻田生态系统CO_2通量进行观测的过程中发现该系统能量平衡存在不闭合现象。在假定常规的有效能量(Rn-G)测定正确的前提下,涡度相关法测定的湍流通量(LE+H)结果偏低。能量平衡比率在5~8月份平均为0.85,表现为能量不闭合程度较高;1~4月份和9~12月份平均为0.92,表现为不闭合程度较低;年能量平衡比率为0.87,平均不闭合程度为13%。这表明该方法在稻田生态系统通量观测中的可靠性相对较高。 (2)稻田生态系统与大气间CO_2的交换(NEE)具有明显的日变化规律。在水稻生长季节,白天稻田生态系统以吸收CO_2(为负值)为主,夜间则表现为排放CO_2(为正值)。光辐射和温度是影响CO_2通量日变化的主要环境因子。白天CO_2通量对光量子通量密度(PPFD)变化的响应过程可以用直角双曲线方程进行描述。随PPFD的增加,CO_2通量(绝对值)呈增加趋势,但当PPFD1000μmol/m~2/s时,CO_2通量变化比较稳定。在水稻不同生育期,CO_2通量对光强的响应存在较大差异,其中以水稻生长旺盛期的光能利用效率(a)和最大光合速率(Pmax)最高。早稻和晚稻生长期CO_2通量对PPFD的响应存在较大差异,晚稻各生育期的a值明显高于早稻。 (3)在摩擦风速(U*)大于0.1 m/s的情况下,稻田生态系统夜间呼吸(Reco,包括植株呼吸和土壤呼吸)速率随温度的升高呈指数增加。5 cm土层温度(T5)可以作为与Reco进行拟合的温度指标。早稻生长季Reco对温度变化的响应明显较晚稻生长季敏感。此外,排水对稻田CO_2通量变化也产生影响,其导致稻田生态系统夜间排放CO_2量增加,白天净吸收CO_2量减少。土壤湿度是排水期稻田生态系统CO_2通量变化的关键影响因素。 (4)稻田生态系统CO_2通量具有明显的季节变化动态。叶面积指数(LAI)是影响CO_2通量季节变化的重要因素,其与水稻日光合吸收CO_2总量(GPP)之间呈显著的正相关关系。水稻生长季净吸收的CO_2总量与其生物量的变化趋势相一致。晚稻生长季稻田生态系统从大气中净吸收CO_2量(NEE绝对值)约为319 g C/m~2,明显高于早稻生长季的净吸收量(232 g C/m~2)。 (5)稻田生态系统CO_2通量的年变化特征表现为6~9月份较高,1~5月和10~12月较低的对称分布。光合有效辐射(PAR)和日平均气温(Ta)是影响CO_2通量年变化的主要环境因子,二者与CO_2通量之间的关系可以用二元线性方程进行拟合。稻田生态系统年GPP、Reco和NEE分别为5861.3 g/m~2、3385.8 g/m~2和-2475.6 g/m~2,表明亚热带区域稻田生态系统是大气CO_2的汇,年净吸收CO_2强度接近2.5 kg/m~2。年NEE的计算结果明显受到U*临界值和与夜间呼吸通量进行拟合所选取的温度指标的影响。 (6)提出了对透明箱法观测的CO_2通量进行计算的指数一级动力学拟合方法(ER)。该方法可以有效地解决常用的线性拟合方法(LR)在植被同化速率较强的晴天条件下净吸收通量计算结果偏低的问题,这表明ER法可以作为箱式法观测包括植被同化过程在内的CO_2通量的计算方法。 (7)箱式法观测的稻田CO_2排放通量与气温和土壤温度(0、5、10和15 cm)之间均存在显著的指数关系。CO_2累计排放量与水稻地上生物量存在极显著的正相关关系,可以用幂函数表示。稻田生态系统CO_2-C净收支随水稻移栽后天数呈幂函数关系增加。
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