玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)研究范文

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摘要：

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，研究其CO2通量和水汽通量的變化特征對于探討整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳、水循環(huán)具有重要的意義。筆者采用渦度相關(guān)系統(tǒng)測定了晴天條件下夏玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)抽穗期的水碳通量，分析其日變化特征。研究結(jié)果表明（：1）農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2通量隨著光合有效輻射的增強(qiáng)而增大，用米氏方程擬合達(dá)到極顯著水平，最大潛在碳通量為3.63398mg/(m²•s)；（2）CO2通量上午和下午沒有明顯的差異，不存在氣孔抑制現(xiàn)象；（3）水汽通量隨著光合有效輻射的增強(qiáng)而增大，但下午的水汽通量顯著大于上午，其原因在于下午的飽和水汽壓差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上午，造成下午的蒸騰和蒸發(fā)更大；（4）冠層導(dǎo)度隨時(shí)間的推移基本呈減小的趨勢，到11:00左右基本保持恒定，到14:00左右隨著光合有效輻射越來越弱，冠層導(dǎo)度逐漸減小，造成這一結(jié)果的原因可能是露水蒸發(fā)引起上午冠層導(dǎo)度被高估。

關(guān)鍵詞：

玉米農(nóng)田；水汽通量；CO2通量；冠層導(dǎo)度；日變化

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)力水平的提高，人類對環(huán)境的影響范圍及力度迅速擴(kuò)大，大氣中CO2濃度的變化對全球氣候的影響以及全球性水資源短缺已成為當(dāng)前阻礙人類社會(huì)進(jìn)步的主要問題。為尋求地球生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)調(diào)控管理的有效途徑，對各種生態(tài)系統(tǒng)（海洋、陸地）水熱、CO2通量進(jìn)行了長期觀測研究。目前，陸地生態(tài)系統(tǒng)CO2循環(huán)和水循環(huán)已經(jīng)成為全球變化研究中關(guān)注的熱點(diǎn)問題[1-2]。國內(nèi)外研究學(xué)者正密切關(guān)注各種類型陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水通量的日變化、季節(jié)變化和年際變化規(guī)律及其環(huán)境控制機(jī)制，從而估計(jì)陸地生態(tài)系統(tǒng)水碳通量的時(shí)空變化[3-7]。研究表明，對于全球碳水平衡來說，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)起著重要的作用[8]。農(nóng)田作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)的重要組成部分[9]，受人類活動(dòng)的影響最大，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳水收支進(jìn)行深入研究，是全面探討整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)功能不可缺少的內(nèi)容。對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的水碳循環(huán)過程及其變化趨勢的進(jìn)行研究，將會(huì)幫助我們了解氣候變化對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳水循環(huán)對全球碳水循環(huán)的影響。渦度相關(guān)技術(shù)通過長期和連續(xù)的通量觀測直接測定植被與大氣間CO2、水熱通量[10-12]，為研究生態(tài)系統(tǒng)尺度CO2、水汽通量的變化規(guī)律及其對環(huán)境變化的響應(yīng)提供了可靠的途徑，渦度相關(guān)法已成為當(dāng)前地氣交換研究中最先進(jìn)的通量觀測方法。本研究采用渦度相關(guān)技術(shù)測定了夏玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2通量和水熱通量，分析其日變化規(guī)律及與環(huán)境因子的關(guān)系，定量闡述了玉米抽穗期的水碳通量變化特征，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持，為提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳積蓄能力和農(nóng)田作物生產(chǎn)力水平及水分利用效率提供理論依據(jù)[16]，對進(jìn)一步定量研究區(qū)域水碳循環(huán)及糧食安全應(yīng)對氣候變化的技術(shù)具有重要意義[17]。

1材料和方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況試驗(yàn)在位于青島農(nóng)業(yè)大學(xué)膠州現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園（東經(jīng)120.48°，北緯36.26°）內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)所在地氣候?qū)儆谂瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候，氣候溫和，四季分明，年平均氣溫為11~14℃，年平均日照時(shí)數(shù)為2229h，近10年的年平均降雨量為662mm。降雨主要集中在7月下旬和8月上旬。試驗(yàn)地土壤為砂漿黑土，pH6.78，屬半濕潤易旱區(qū)。觀測面積為150m×200m，除了觀測區(qū)域西面為果樹外，其他方向與觀測區(qū)內(nèi)種植種類相同，均為冬小麥、夏玉米一年兩熟輪作制度。夏玉米的生育期一般為6月中旬至10月上旬，冬小麥的生育期從10月上旬至次年6月上旬。在作物生長期水分供應(yīng)充足。2013年6月26日種植夏玉米，品種為‘鄭單958’，采取免耕帶肥種植方式，行距為0.65m，株距為0.22m，肥料為N-P2O5-K2O(22-10-10)，施肥量每公頃525kg，在小喇叭口期每公頃追施尿素225kg，10月10日收獲。

1.2數(shù)據(jù)測定試驗(yàn)采用美國Campbell公司生產(chǎn)的渦度相關(guān)系統(tǒng)在膠州試驗(yàn)站對夏玉米農(nóng)田CO2通量、水汽通量進(jìn)行了連續(xù)的定位觀測。采用CSAT3型（Campbell公司）超聲風(fēng)速儀測定三維風(fēng)速；采用LI-7500型CO2/H2O開路紅外氣體分析儀測定潛熱、CO2和H2O的垂直通量，超聲風(fēng)速儀和紅外氣體分析儀安裝在在通量塔的同一高度（玉米生長前期及中期高度為2.5m，玉米季后期高度調(diào)整至3.5m）。本套儀器安裝于膠州示范園的東南部，面積為30000m2的農(nóng)田的中心位置，采用全自動(dòng)的氣象觀測系統(tǒng)同步測定氣溫、太陽輻射、大氣濕度、土壤濕度、冠層溫度等數(shù)據(jù)，通過CR3000采集器自動(dòng)采集觀測數(shù)據(jù)，每30min儲(chǔ)存數(shù)據(jù)一次。

1.3數(shù)據(jù)處理在夏玉米抽穗期選擇未進(jìn)行農(nóng)事操作的連續(xù)晴天（2013年9月13日至9月19日）進(jìn)行分析，期間太陽光合有效輻射如圖1所示。通過異常值剔除法剔除掉渦度相關(guān)系統(tǒng)測定的異常數(shù)據(jù)，并對渦度相關(guān)測定的潛熱通量和CO2通量進(jìn)行WPL校正[18]。用WPL校正后的潛熱通量(LE)經(jīng)過式(1)計(jì)算出水汽通量(ET)，式中ta為大氣溫度。

2結(jié)果與分析

2.1CO2通量、水汽通量及冠層導(dǎo)度的日變化特征將選取的夏玉米農(nóng)田的7個(gè)晴天數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，白天光合有效輻射(PAR)、CO2通量(Fc)、的日變化特征如圖2所示，水汽通量(ET)和冠層導(dǎo)度(Gc)的日變化如圖3所示，氣溫和飽和水汽壓的日變化如圖4所示。從圖2、3可以看出，上午隨光合有效輻射的增強(qiáng)，CO2通量和水汽通量增大；下午隨光合有效輻射的減弱，CO通量和水汽通量減小。而在中午前后11:00—14:00，CO2通量基本保持恒定，水汽通量有一定程度的降低，最值分別出現(xiàn)在12:30和14:00。圖4中，進(jìn)一步分析冠層導(dǎo)度的日變化發(fā)現(xiàn)，冠層導(dǎo)度也隨著光合有效輻射的變化而變化。日出后，冠層導(dǎo)度隨時(shí)間的推移基本呈減小的趨勢，到11:00左右基本保持恒定，到14:00左右冠層導(dǎo)度明顯減小。

2.2水分利用效率的日變化特征用CO2通量(Fc)和水汽通量的比值來計(jì)算出農(nóng)田水分利用效率，計(jì)算式如(2)所示，農(nóng)田水分利用效率(WUE)的日變化規(guī)律如圖5所示。由圖5顯示可知，農(nóng)田水分利用效率上午隨時(shí)間的推移越來越小，而在中午前后達(dá)到恒定，下午基本保持不變直至傍晚，隨著光合有效輻射的減小，光合的同化作用減弱，使得水分利用效率急劇減小。CO2通量和水汽通量的關(guān)系（圖6）表明，水汽通量與CO2通量之間存在著顯著的耦合響應(yīng)，這與王志強(qiáng)等[19]的研究結(jié)果一致。從圖中可以看出上午和下午水汽通量和CO2通量的關(guān)系存在著顯著差異，在一天中二者關(guān)系形成了一個(gè)“環(huán)狀”結(jié)構(gòu)。

2.3CO2通量對光合有效輻射的響應(yīng)白天生態(tài)系統(tǒng)CO2通量對光合有效輻射的響應(yīng)如圖7所示。從圖7可以看出，凈生態(tài)系統(tǒng)碳通量隨光合有效輻射的增強(qiáng)而增大，但隨著光合有效輻射的增強(qiáng)，碳通量增大的趨勢逐漸減弱。CO2通量(Fc)對光合有效輻射(PAR)的響應(yīng)可以用Michaelis-Menten方程式(3)進(jìn)行擬合（圖7）。

2.4水汽通量和冠層導(dǎo)度對光合有效輻射的響應(yīng)白天水汽通量對光合有效輻射的響應(yīng)如圖8所示。從圖8可以看出，水汽通量與光合有效輻射之間存在極顯著的線性關(guān)系。無論是上午還是下午，水汽通量都會(huì)隨著光合有效輻射的增大而增大，在相同的光合有效輻射下，上午的水汽通量明顯小于下午。冠層導(dǎo)度對光合有效輻射的響應(yīng)如圖9所示。從圖9可以看出，在上午10:00之前，冠層導(dǎo)度與光合有效輻射之間沒有明顯的響應(yīng)關(guān)系；而從10:00以后到傍晚，冠層導(dǎo)度都會(huì)隨著光合有效輻射的減小而減小，具有顯著的線性關(guān)系。

3結(jié)論

在玉米抽穗期晴天條件下，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2通量隨著光合有效輻射的增強(qiáng)而增大，用米氏方程擬合達(dá)到極顯著水平，上午和下午沒有明顯的差異，不存在氣孔抑制現(xiàn)象；水汽通量隨著光合有效輻射的增強(qiáng)而增大，但下午的水汽通量顯著大于上午，其原因在于下午的飽和水汽壓差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上午，造成下午的蒸騰和蒸發(fā)更大；冠層導(dǎo)度隨時(shí)間的推移基本呈減小的趨勢，到11:00左右基本保持恒定，到14:00左右隨著光合有效輻射越來越弱冠層導(dǎo)度逐漸減小，造成這一結(jié)果的原因可能是露水蒸發(fā)引起上午冠層導(dǎo)度被高估。

4討論

4.1上午冠層導(dǎo)度偏大的原因圖9顯示，上午8:00—10:00冠層導(dǎo)度偏大。導(dǎo)致上午冠層導(dǎo)度偏大的原因可能與露水有關(guān)。在夏玉米抽穗期的9月中旬，田間高濕和較大的晝夜溫差會(huì)形成大量露水，而這些露水會(huì)隨著太陽升起、氣溫升高而開始蒸發(fā)，露水蒸發(fā)加大了農(nóng)田冠層水汽擴(kuò)散的強(qiáng)度，但由于渦度相關(guān)系統(tǒng)無法區(qū)分地表蒸發(fā)、露水蒸發(fā)以及氣孔蒸騰，因此，會(huì)因?yàn)槁端舭l(fā)造成冠層導(dǎo)度高估。到10:00前后，隨著露水蒸發(fā)完成，冠層導(dǎo)度主要由地表蒸發(fā)和氣孔蒸騰引起，冠層導(dǎo)度被高估的現(xiàn)象消除。

4.2上午和下午碳通量對稱響應(yīng)的原因碳通量主要反應(yīng)光合作用對碳的同化作用，而光合作用主要受光合有效輻射的影響，由圖2可知，一天中光合有效輻射隨時(shí)間基本呈正弦分布，上午的光合有效輻射和下午保持對稱，使得上午的CO2通量和下午也出現(xiàn)對稱。由碳通量的對稱響應(yīng)，也反證了C4作物玉米田不存在氣孔抑制現(xiàn)象。假如存在氣孔抑制現(xiàn)象，必然造成碳通量的非對稱響應(yīng)[20]。

4.3上午和下午水汽通量非對稱響應(yīng)的原因水汽通量由田間蒸發(fā)和氣孔蒸騰組成。蒸騰主要由氣孔控制，氣孔導(dǎo)度對光合有效輻射呈米氏響應(yīng)[21]，在上午和下午的光合有效輻射差異不大（圖2）且不存在氣孔抑制現(xiàn)象的情況下，氣孔導(dǎo)度在上午和下午差異并不明顯。但蒸騰同時(shí)又會(huì)受到飽和水汽壓差的控制，氣孔導(dǎo)度相同的情況下，飽和水汽壓差越大，蒸騰越強(qiáng)；對于蒸發(fā)而言，蒸發(fā)速率主要受飽和水汽壓差的控制，飽和水汽壓差越大，蒸發(fā)越大。由于下午的飽和水汽壓差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上午（圖4），這就必然造成下午的蒸騰和蒸發(fā)更大。因此，下午的水汽通量明顯大于上午。

作者：曹元元 王娟 王建林 單位：青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與植物保護(hù)學(xué)院 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院