淮河流域農田生態系統碳通量變化特征

摘 要：利用渦度相關技術對安徽壽縣冬小麥/水稻農田碳通量進行連續觀測，結果顯示：日變化呈典型的U型曲線，峰值均出現在11∶00左右；CO2的月均日變化差異顯著，6、10月以正值為主，農田生態系統表現為碳源，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。

關鍵詞：農田生態系統；CO2通量；渦度相關

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

農田生態系統由于人為干擾以及環境條件等因素影響，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]。我國是農業大國，深入研究農田生態系統CO2的排放規律、機制以及如何減少CO2的排放和增加農田碳儲量，對我國控制碳排放有著重要的意義。

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

1 試驗區域概括和研究方法

1.1 試驗區概況 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。該地區代表了東亞季風區的主要氣候條件和生態環境狀況，是我國主要商品糧基地。壽縣國家觀象臺位于城區中心以南9km處，下墊面平坦、開闊，是水稻、小麥的種植區，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區中關鍵地區的下墊面特征。

1.2 研究方法 本文選取2007年7月-2010年7月份的數據進行預處理，剔除系統故障、降雨等干擾數據，同時以夜間摩擦風速>0.15m/s為標準對數據進行篩選[3]。經過剔除和篩選異常點后，對白天缺失數據利用光響應曲線進行插補[4]，夜間缺失數據用指數關系插補[3]，對系統監測的半小時通量數據進行3次坐標旋轉和WPL密度效應修正[5]。根據選取數據進行生態系統碳交換計算。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']為垂直風速脈動，[C']為CO2脈動值。

2 結果與分析

2.1 CO2通量的日變化特征 圖1是根據該生態系統作物生長期不同月份連續7d的數值進行分析，將2008年和2009年4月11～17日、8月1～7日2a相應日期的數據平均，以此反映作物生長期內CO2通量的日變化特征。

由圖1可知，作物生長期內CO2通量日變化呈現典型的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通量表現為負值。壽縣農田冬小麥/水稻生態系統均是在早上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/水稻農田生態系統的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，體現出碳源的功能。6月是小麥收割期以及水稻的移植期，而10月份是水稻的收割期以及冬小麥的種植期，期間農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，導致該生態系統表現為碳源。

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通量的變化呈現顯著的U型曲線，但仍然有區別。以冬小麥為例，3月份是冬小麥拔節期，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通量的季節變化特征

2.3.1 CO2通量的季節日變化 圖3是2008年和2009年不同季節相應月份的CO2通量均值，據此可知壽縣冬小麥/水稻生態系統的CO2通量不同季節的日變化差異顯著。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關系。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生“午休”現象，一系列原因導致白天春季CO2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，夏季夜間壽縣農田生態系統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通量的季節日累量值 將各季節每日各時段數據進行積分求和，得出不同季節碳通量的平均日總量。所研究的2008和2009年四季均表現為碳匯，其中春季和夏季表現為顯著的碳匯，秋季和冬季的碳匯能力較弱。且不同年份相同季節的碳通量不同，春季的碳通量的日總量最大，秋季最小。

3 結論

本文通過對壽縣2007年7月至2010年7月近3a的數據進行分析，得出如下結果：

（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，表現為碳源；白天CO2通量為負值，表現為強烈的碳匯。

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

（3）不同季節的CO2通量的日變化均呈現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，各季節碳通量的日總量表現為春季>夏季>冬季>秋季，且均為負值，表現為碳匯的功能，但春夏兩季的碳匯功能較強，秋冬季的碳匯功能較弱。

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

參考文獻

[1]于瑞貴，孫曉敏.中國陸地生態系統碳通量觀測技術及其時空變化特征[M]. 北京：科學出版社，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.華北平原農田生態系統碳交換及其環境調控機制[J].中國科學D輯地球科學，2006，36（增刊I）：210-223.

（責編：施婷婷）