地膜覆盖对旱作春玉米田水碳通量影响研究

摘要

陆地表面与大气之间的水、热、碳交换是生态学领域重点的研究对象之一。分析水、热、碳交换的变化特征和控制机理对理解农田生态系统物质和能量交换具有重要意义。本研究采用涡度相关技术、土壤呼吸测量系统和土壤蒸发测量仪器及环境因子监测设备，在2012-2014年对露地旱作春玉米田土壤呼吸（Rs）及其分量和净生态系统碳交换(NEE)进行观测;在2013-2014年对覆膜旱作春玉米田生态系统NEE进行观测;在2015-2016年对露地和覆膜旱作春玉米田蒸散(ET)及其分量进行观测，同时，对露地旱作春玉米田能量通量进行观测，试图揭示旱作春玉米田水、碳和能量交换规律，以及两种种植方式之间水碳通量的差异。本文主要结论如下:
　　1.覆膜提高了旱作春玉米田总初级生产力，降低了净生态系统碳交换，增加了农田固碳量
　　1.1 探明了旱作春玉米田生态系统碳平衡及其组份的环境和生物控制因子。露地旱作春玉米田生育期内，GLAI是控制总初级生产力(GPP)、NEE和生态系统呼吸(Re)季节变化最重要的因子，其次为总光合有效辐射(PARt)和空气温度(Ta);非生育期内Re的主要控制因素为Ta，且降水对Re有明显的激发作用。全年仅有大约60％的GPP以Re的形式排放，导致露地农田年均净碳吸收为509g Cm-2。考虑碳输入(C1)和碳输出(Ce)之后，2012、2013和2014年露地旱作春玉米田的碳汇强度分别为25、61和24g Cm-2。
　　1.2 揭示了覆膜早作春玉米田固碳增产效应。2013和2014年，与露地旱作春玉米田相比，覆膜旱作春玉米田总GPP高6.42％;总Re高3.27％;最终导致覆膜旱作春玉米田从空气中多固定121g Cm-2。考虑C1和Ce之后，2013和2014年覆膜旱作春玉米田的碳汇强度分别为76和41g Cm-2，高于露地旱作春玉米田中的相应数值。另外，2013和2014年，与露地旱作春玉米田相比，覆膜旱作春玉米田总干籽粒产量多1721kg ha-1。
　　2.覆膜调节了旱作春玉米田水循环，优化了蒸散结构，提高了旱作农田水的有效性和用水效率
　　2.1 探明了旱作春玉米田生态系统能量流动规律，及表面参数与GLAI之间的线性关系。露地旱作春玉米田向下长波辐射每年均可以抵消83％的向上长波辐射;2015和2016年分别有19％和18％的向下短波辐射被地表反射回大气。生育期内潜热通量是净辐射(Rn)最重要的分量，非生育期内感热通量是Rn最重要的分量。土壤热通量和未平衡能量均没有明显季节变化，且占Rn的比例较小。蒸发比例、作物系数、Priestley-Taylor参数和表面导度均随GLAI增长线性增加;而波文比随GLAI增长线性下降，说明作物生长控制表面参数的季节变化。
　　2.2 摸清了旱作春玉米田生态系统蒸散及其分量的环境和生物控制因子，及覆膜对蒸散及其分量的影响规律。两种种植方式下的旱作春玉米田，生育期内ET和作物蒸腾(T)的主要影响因子均为GLAI和Rn;生育期内土壤蒸发(E)的主要影响因素均为Rn和土壤含水量，说明覆膜不会改变ET及其分量的主要影响因子。但是，2015和2016年，与露地旱作春玉米田相比，覆膜旱作春玉米田生育期内总ET低37mm，总E低65mm，总T高28mm，说明覆膜明显抑制E，而一定程度上促进T，并且最终表现为可以降低耗水量。至此，覆膜种植方式不仅可以促进增产，也可以在水碳循环方面具有更好的生态效益，故推荐黄土高原东部旱作农业区采用覆膜模式种植春玉米。
　　3.云或气溶胶增多改变了旱作春玉米田能量输入特征，呈现出初级生产力降低而资源利用效率提高的趋势
　　探明了旱作春玉米田水分、光能利用效率(WUE、LUE)的动态变化规律，及云或气溶胶对它们的影响机制。旱作春玉米田生育期内WUE和LUE日动态过程的峰值分别出现在上午7:00左右和日落时;WUE和LUE季节变化总体上与GLAI一致。在作物快速生长期WUE和LUE随晴天指数上升而下降。可用能量与ET之间以及GPP与散射光合有效辐射(PARf)之间均为线性关系。但是，GPP只在直射光合有效辐射(PARr)小于5mol PARr m-2d-1时，随PARr增加快速增加。当空中云或气溶胶增多时，PARf占PARt的比例增加，产生对冠层更适宜的辐射条件，使GPP降低速度小于PARt和ET，导致LUE和WUE上升。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 水碳通量观测研究进展

1．2．2 农田碳通量研究进展

1．2．3 农田水热通量研究进展

1．3 研究目的

1．4 研究内容

1．5 技术路线

第二章材料与方法

2．1 研究地点

2．2．1 涡度相关系统

2．2．2 土壤呼吸测量系统

2．2．3 土壤蒸发测量

2．2．4 绿叶面积指数与收获干物质

2．3 数据处理与计算

2．2．1 涡度相关通量数据处理

2．2．2 碳通量数据计算

2．2．3 水热通量数据计算

2．2．3 其他数据计算

2．4 统计分析与作图

第三章 覆膜对旱作春玉米田碳通量的影响

3．1 旱作春玉米田生态系统呼吸及其分量

3．1．1 环境因子与总初级生产力

3．1．2 生态系统呼吸及其分量季节变化

3．1．3 生态系统呼吸及其分量驱动因子

3．1．4 生态系统呼吸、自养呼吸和土壤呼吸与其分量的关系

3．1．5 不确定分析

3．1．6 讨论

3．1．7 小结

3．2 露地旱作春玉米田碳预算

3．2．1 非生物因子与绿叶面积指数

3．2．2 碳通量及其成分的季节变化

3．2．3 旱作春玉米田碳预算

3．2．4 讨论

3．2．5 小结

3．3 覆膜旱作春玉米田碳交换

3．3．1 环境因子

3．3．2 碳通量

3．3．3 光合作用和呼吸作用参数

3．3．4 碳平衡

3．3．5 讨论

3．3．6 小结

第四章 覆膜对旱作春雨米田蒸散及其分量的影响

4．1 旱作春玉米田蒸散拆分和能量预算

4．1．1 非生物因子与绿叶面积指数

4．1．2 水汽通量

4．1．3 能量通量

4．1．4 表面参数

4．1．5 讨论

4．1．6 小结

4．2 覆膜旱作春玉米田蒸散及其分量

4．2．1 能量闭合分析

4．2．2 土壤湿度与绿叶面积指数

4．2．3 蒸散及其分量

4．2．4 非生物因子和绿叶面积指数对蒸散及其分量的影响

4．2．5 讨论

4．2．6 小结

第五章 覆膜旱作春玉米田资源利用率受云或气溶胶影响

5．1 光资源利用率和水资源利用率的日变化和季节变化

5．2 晴天指数对光资源利用率和水资源利用率的影响

5．3 晴天指数对光资源利用率和水资源利用率影响的机制

5．4 小结

9．1 研究结论

9．2 创新点

9．3 不足与展望

参考文献

致谢

作者简历