淮河流域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳通量變化特征

摘 要：利用渦度相關(guān)技術(shù)對安徽壽縣冬小麥/水稻農(nóng)田碳通量進行連續(xù)觀測，結(jié)果顯示：日變化呈典型的U型曲線，峰值均出現(xiàn)在11∶00左右；CO2的月均日變化差異顯著，6、10月以正值為主，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為碳源，4、8月對CO2的吸收最為強烈；春、夏季CO2通量的日變化也呈現(xiàn)出典型的U型曲線，但是秋、冬季的碳通量日較差較小。CO2通量各季的日總量表現(xiàn)為春季>夏季>冬季>秋季，四季均為碳匯，春夏兩季的碳匯能力明顯強于秋冬季。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)；CO2通量；渦度相關(guān)

中圖分類號 S181 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）22-82-03

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)由于人為干擾以及環(huán)境條件等因素影響，在整個生物圈較為活躍，它作為一種碳庫對維持全球碳平衡具有很重要的作用[1]。我國是農(nóng)業(yè)大國，深入研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2的排放規(guī)律、機制以及如何減少CO2的排放和增加農(nóng)田碳儲量，對我國控制碳排放有著重要的意義。

渦度相關(guān)法是微氣象法中典型的測量氣體通量的技術(shù)，其破壞性較小、測量范圍較廣且可進行長時間的連續(xù)觀測，因而被廣泛應(yīng)用于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量的測定中[2]。本文利用壽縣國家基準(zhǔn)站2007年7月至2010年7月的通量觀測數(shù)據(jù)進行分析，研究淮河流域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳通量特征，以期為淮河流域的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支狀況研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗區(qū)域概括和研究方法

1.1 試驗區(qū)概況 壽縣地處江淮丘陵與淮北平原之間，屬淮河流域，主要作物以水稻、小麥、油菜為主。該地區(qū)代表了東亞季風(fēng)區(qū)的主要氣候條件和生態(tài)環(huán)境狀況，是我國主要商品糧基地。壽縣國家觀象臺位于城區(qū)中心以南9km處，下墊面平坦、開闊，是水稻、小麥的種植區(qū)，周邊無污染源。它所在的淮河流域代表了我國東部半濕潤半干旱季風(fēng)區(qū)中關(guān)鍵地區(qū)的下墊面特征。

1.2 研究方法 本文選取2007年7月-2010年7月份的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，剔除系統(tǒng)故障、降雨等干擾數(shù)據(jù)，同時以夜間摩擦風(fēng)速>0.15m/s為標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)進行篩選[3]。經(jīng)過剔除和篩選異常點后，對白天缺失數(shù)據(jù)利用光響應(yīng)曲線進行插補[4]，夜間缺失數(shù)據(jù)用指數(shù)關(guān)系插補[3]，對系統(tǒng)監(jiān)測的半小時通量數(shù)據(jù)進行3次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和WPL密度效應(yīng)修正[5]。根據(jù)選取數(shù)據(jù)進行生態(tài)系統(tǒng)碳交換計算。CO2通量公式如下：

[Fc=ρω'C']（mg·m-2·s-1）

式中：空氣密度[ρ]（kg.m-3），[ω']為垂直風(fēng)速脈動，[C']為CO2脈動值。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2通量的日變化特征 圖1是根據(jù)該生態(tài)系統(tǒng)作物生長期不同月份連續(xù)7d的數(shù)值進行分析，將2008年和2009年4月11～17日、8月1～7日2a相應(yīng)日期的數(shù)據(jù)平均，以此反映作物生長期內(nèi)CO2通量的日變化特征。

由圖1可知，作物生長期內(nèi)CO2通量日變化呈現(xiàn)典型的U型曲線。夜晚作物進行呼吸作用，釋放CO2，CO2通量為正值；白天作物同時進行呼吸作用和光合作用，但光合作用大大強于呼吸作用，作物吸收CO2，CO2通量表現(xiàn)為負值。壽縣農(nóng)田冬小麥/水稻生態(tài)系統(tǒng)均是在早上7：00左右開始吸收CO2，隨著時間的推移CO2的吸收強度增加，在10∶00～12∶00之間達到一個峰值，4月份冬小麥的CO2最大吸收峰值為

-0.6872mg·m-2·s-1，8月份水稻的吸收峰值要稍微高點，為

-0.7088mg.m-2.s-1。

2.2 CO2通量的月均日變化特征 由圖2分析可知，壽縣冬小麥/水稻農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的CO2通量的月均日變化顯著不同，CO2通量在6、10月以正值為主，體現(xiàn)出碳源的功能。6月是小麥?zhǔn)崭钇谝约八镜囊浦财?，?0月份是水稻的收割期以及冬小麥的種植期，期間農(nóng)田下墊面以裸地為主，土壤的呼吸強度較大，作物的生命活動不夠活躍，光合作用弱，導(dǎo)致該生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為碳源。

11月至次年2月冬小麥出苗、三葉、返青和分蘗期，CO2通量表現(xiàn)為負值，CO2通量在0mg·m-2·s-1附近，總體變化趨勢較為平緩。此外，冬季溫度較低，相關(guān)酶的活性受抑制，冬小麥呼吸作用與光合作用都較弱，CO2通量較小，變化緩慢。

3～5月和7～9月分別是冬小麥和水稻的主要生長期。作物白天對CO2的吸收較強烈，CO2通量的變化呈現(xiàn)顯著的U型曲線，但仍然有區(qū)別。以冬小麥為例，3月份是冬小麥拔節(jié)期，溫度較高，土壤水分含量適宜，小麥的呼吸作用和光合作用強度逐漸提高，4月份是冬小麥孕穗、抽穗以及開花期，生命活動最為活躍，對CO2的吸收達到最大值，5月份冬小麥進入乳熟期，光合作用強度較前有所減弱，對CO2的吸收逐漸減少。7～9月為水稻主要生長期，CO2通量變化原因與冬小麥相似。

2.3 CO2通量的季節(jié)變化特征

2.3.1 CO2通量的季節(jié)日變化 圖3是2008年和2009年不同季節(jié)相應(yīng)月份的CO2通量均值，據(jù)此可知壽縣冬小麥/水稻生態(tài)系統(tǒng)的CO2通量不同季節(jié)的日變化差異顯著。秋季和冬季CO2通量的日變化較平緩，白天對CO2的吸收速率較小，夜晚秋季CO2通量變化比冬季大，主要是由于秋季溫度較冬季高，土壤呼吸以及植物呼吸作用都較強。李俊[6]等研究也表明夜間NEE與地溫有著顯著的正指數(shù)關(guān)系。春夏季的CO2通量日變化呈U型曲線，夜晚作物的呼吸作用比秋冬季大。白天CO2通量在春季較夏季較大一些，主要由于春夏季作物生長速率均較大，但夏季溫度較高，作物呼吸作用和土壤呼吸作用均比春季大，加上夏季的高溫會使植物產(chǎn)生“午休”現(xiàn)象，一系列原因?qū)е掳滋齑杭綜O2通量大于夏季CO2通量。而晚上夏季地面溫度最高，土壤呼吸作用最強，同時氣溫相對最高，作物呼吸作用也最強，夏季夜間壽縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2量最大。春季是冬小麥主要生長階段，植物呼吸作用較為強烈，加上溫度適宜，土壤呼吸作用也強，夜間CO2通量比夏季小，比秋冬季大。

2.3.2 CO2通量的季節(jié)日累量值 將各季節(jié)每日各時段數(shù)據(jù)進行積分求和，得出不同季節(jié)碳通量的平均日總量。所研究的2008和2009年四季均表現(xiàn)為碳匯，其中春季和夏季表現(xiàn)為顯著的碳匯，秋季和冬季的碳匯能力較弱。且不同年份相同季節(jié)的碳通量不同，春季的碳通量的日總量最大，秋季最小。

3 結(jié)論

本文通過對壽縣2007年7月至2010年7月近3a的數(shù)據(jù)進行分析，得出如下結(jié)果：

（1）作物生長季中CO2通量的日變化呈U型曲線，夜晚為正值且波動較小，表現(xiàn)為碳源；白天CO2通量為負值，表現(xiàn)為強烈的碳匯。

（2）CO2通量的月均日變化在各月表現(xiàn)不同。6月和10月的碳通量以正值為主，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為碳源。4月和8月為冬小麥和水稻生長最活躍時期，作物對CO2的月均吸收出現(xiàn)最大峰值。

（3）不同季節(jié)的CO2通量的日變化均呈現(xiàn)U型曲線，但春夏季的U型曲線較典型，秋冬季的曲線不太明顯。此外，各季節(jié)碳通量的日總量表現(xiàn)為春季>夏季>冬季>秋季，且均為負值，表現(xiàn)為碳匯的功能，但春夏兩季的碳匯功能較強，秋冬季的碳匯功能較弱。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在作物生長季表現(xiàn)為較強的碳匯功能，但由于不同地區(qū)的耕作制度、作物品種、氣象要素以及人為干擾等因素，使該系統(tǒng)不同年份的固碳能力不同。各年產(chǎn)生的碳通量為何不同將在后續(xù)研究中進行探討。

參考文獻

[1]于瑞貴，孫曉敏.中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測技術(shù)及其時空變化特征[M]. 北京：科學(xué)出版社，2008.

[2]Gilmanov T G，Soussana J F，Aires L，et al. Partitioning European grassland net ecosystem CO2 exchange into gross primary productivity and ecosystem respiration using light response function analysis[J]. Agriculture，Ecosystems and Environment，2007，121：93-120.

[3]Xu L K，Baldocchi D B. Seasonal variation in carbon dioxide exchange over a Mediterranean annual grassland in California [J]. Agricultural and Forest Meteorology，2004，123：79-96.

[4]Falge E，Baldocchi D，Olson R，et al. Gap filling strategies for defensible annual sums of net ecosystem exchange[J]. Agricultural and Forest Meteorology，2001，107：43-69.

[5]Webb E K，Pearman G I，Leuning R. Correction of flux measurements for density effects due to heat and water vapor transfer[J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society，1980，106：85-100.

[6]李俊，于強，孫曉敏等.華北平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳交換及其環(huán)境調(diào)控機制[J].中國科學(xué)D輯地球科學(xué)，2006，36（增刊I）：210-223.

（責(zé)編：施婷婷）