黄土塬区农田生态系统水、热、碳通量研究

摘要

本研究利用长武农业生态站大气边界层观测系统2005～2006年通量与辐射数据，分析评价了涡度相关源数据的质量；对生态系统在小麦整个生育期内的碳收支时间格局进行了分析；然后系统分析了农田生态系统呼吸作用、光合作用的季节和年际变化特征，探讨了它们对气象环境和植被/土壤环境的响应；论述了能量分配和蒸散的时间变异及其环境响应，并对比蒸渗仪法和涡度相关法测量蒸散的异同；最后，分析了麦田辐射光谱的变化特征及其与CO2通量的关系。主要得到以下几方面的结论： （1）数据的质量分析与评价。对数据进行稳态测试表明，质量好的数据和较好的分别占65％和30％，质量差的数据为全年的3.9％，1.2～1.3％的数据需要剔除，质量差的数据主要集中在夜间。对湍流脉动量的功率谱和协谱分析表明，开路涡度相关系统对高频湍流信号的响应能力基本满足通量观测的实际要求。能量平衡分析表明，长武农田生态系统2005～2006两年间湍流通量占有效能量的56~62％，存在能量平衡不闭合的情况。 （2）农田生态系统CO2交换特征。分析得到夜间摩擦风速阈值（0.15·m·s-1）以控制夜间的通量观测数据。夜间CO2通量与2cm和10cm土壤温度呈指数关系，都达到0.01显著水平，两个土壤温度的拟合效果相当。在冬小麦的生长旺盛期4～5月和11月，农田生态系统CO2净交换（NEE）日较差较大，约为0.31～0.67mgCO2·m-2·s-1。小麦CO2通量日变化与生育期、光合有效辐射、土壤温度密切相关。整个生长季小麦地逐日碳收支的变化主要受小麦的生育期影响，降雨的影响因生育期的不同而有所差异。两年度NEE总量分别为-131.5和-223.0gC·m-2。农田生态系统呼吸（ecR）最小值出现在1月，最大值出现在7月，与温度的季节变化相符。2005年和2006年最大ecR分别为12.34和10.18gC·m-2·d-1，分别出现在7月中旬和上旬。2005年和2006年最大日平均总初级生产力（GPP）分别为6.44和6.64gC·m-2·d-1。 （3）生态系统呼吸的时间变异及其环境响应。ecR具有明显的季节变化，与2m气温和2cm、10cm土壤温度都有较好的相关性，与2m气温的相关性最强。参考温度（10℃）下的生态系统呼吸在2006年较大，而生态系统呼吸的温度敏感性Q10在2005年大于2006年，这可能与2005年温度高且土壤水分状况较好有关。Lloyd & Tayor 方程与Van’t Hoff方程和Arrhenius方程相比，该方程能够更好地描述不同年份农田生态系统呼吸的变异。土壤水分对农田生态系统呼吸有显著影响，尤其在干旱胁迫严重的年份。模型分析表明在干旱条件下，Q10模型对水分状况的响应能力比连乘模型更加敏感，能更好地描述生态系统呼吸对温度和湿度季节波动的响应。降雨不同程度的增加了农田生态系统的呼吸。 （4）生态系统CO2净交换的季节变化及其环境响应。农田生态系统净交换年际变化表现出明显的双峰，且与小麦的生育期、温度相吻合。除小麦成熟、收割后的6～9月外，白天生态系统CO2净交换量与光合有效辐射的回归方程都很显著，并且回归效果（R2）随小麦的生长状况而变化。在小麦生长最旺盛的11月、3～5月回归效果最好，6月和10月回归曲线和回归效果变化剧烈。温度的升高使得小麦生长旺季农田生态系统白天净交换有下降的趋势。CO2通量随着饱和水汽压差的升高而下降，饱和水汽压差在不同的时刻通过影响回归方程的不同参数而改变生态系统的收支。光合有效辐射利用效率的日变化呈不对称M型，一年中光合有效辐射利用效率出现了两个高峰期，分别为4月下旬到5月上旬和11月上旬。 （5）能量分配和蒸散的时间变异与环境响应。小麦整个生育期间出现了日均感热通量（Hs）连续高于潜热通量（LE）的2个阶段，分别为11月至次年3月初和6月，其余时间LE均大于Hs，叶面积指数对能量各分量的季节变化及能量的分配具有深远的影响。2005～2006整个生育期内LE占净辐射(Rn)的比值为25.6％，略低于Hs所占的比例（27.2％）。土壤热通量占净辐射仅仅为4％。冬小麦整个生育期波文比在越冬期最大，平均为3.1，5月份最低，平均为0.39。蒸渗仪与涡度相关测得日蒸散达到显著相关的程度。蒸渗仪逐日或更长时间间隔蒸散量的测定比较稳定，涡度相关法可以较稳定的反映逐时、逐刻的潜热通量变化。 （6）光谱特征变化及其与CO2通量的关系。不同波长光谱反射率随冬小麦生育期变化。同一天内，反射率随太阳高度角的变化而变化，变化最大的波段为波峰。不同生育期的同一时刻，可见光反射率变化不大，近红外出现较大差异。归一化植被指数（NDVI）的日变化呈现U型，13点左右最低，16点之后出现较大的波动。11:00反射率及NDVI以小麦播种后140天为中心对称，整个生长季NDVI的变化表现为M型，可用四次多项式拟合。在出苗分蘖期红边位置向长波方向红移，越冬期前后分别出现向短波方向的蓝移和向长波方向红移现象，但成熟期蓝移现象不明显，表现为突变。在整个小麦的生育期中NDVI与碳的日收支呈极显著负相关，正午左右的相关性比其他时间稍差。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

第一章前言

第二章研究区域概况与观测系统

第三章通量观测系统数据质量的分析评价

第四章农田生态系统CO2通量特征

第五章呼吸作用的时间变异及其环境响应

第六章生态系统CO2净交换的季节变化及其环境响应

第七章能量分配和蒸散的时间变异及环境响应

第八章光谱特征变化及其与CO2通量的关系

第九章结论与展望

参考文献

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