长三角地区稻麦轮作生态系统净碳交换及其环境影响因子

采用涡度相关技术对我国长三角地区典型稻麦轮作农田生态系统(2011年11月—2012年10月)的CO2通量进行连续观测,分析了农田生态系统净碳交换(NEE)的变化特征及其环境影响因子。结果表明:长三角地区稻麦轮作生态系统NEE具有明显的日变化和季节变化特征,具有很强的固碳能力。NEE月平均日变化总体呈"U"型曲线,不同月份"U"型高度不同;NEE季节变化则呈显著的"W"型双峰特征,分别对应两季作物(小麦、水稻)的生长季节。小麦/水稻月平均最大碳吸收峰出现在4月/8月,分别达到-1.12 mg·m-2·s-1、-1.45 mg·m-2·s-1;日最大累积碳吸收量分别为-12.88 g(C)·m-2·d-1、-10.63 g(C)·m-2·d-1,长三角地区稻麦轮作生态系统年固碳量达到-769.61 g(C)·m-2·a-1。光合有效辐射是影响白天NEE的主要环境影响因子,Michaelis-Menten方程可以很好地表示作物生长季节两者之间的关系(R2=0.37~0.83);在同一光合有效辐射条件下,长三角地区稻麦轮作生态系统白天NEE随着气温的升高而增加,而当光合有效辐射大于1 800μmol·m-2·s-1时存在着一定程度的光抑制。温度是影响夜间农田生态系统呼吸特征的主要环境影响因子,长三角地区稻麦轮作生态系统夜间NEE与不同层次温度之间均存在显著的指数相关关系,但是不同作物夜间NEE的最适温度略有差异,小麦夜间NEE与土壤温度(10 cm)相关性最好(0.60),而水稻夜间NEE与气温相关系数最高(0.49)。     

克氏针茅草原生态系统生长季碳通量变化特征

植被和大气之间CO2通量的观测有助于理解陆地生态系统的碳循环及其控制机理。以中国北方典型草原克氏针茅草原为研究对象,以涡度相关法为主要技术手段,探讨了2008年生长季内克氏针茅草原净生态系统碳交换（NEE）的变化特征。结果表明,克氏针茅草原生态系统CO2通量的日变化进程可以依据高峰出现的时间分为两种,一种具有一个吸收高峰,出现在11：00左右,另一种则具有两个吸收高峰,在正午前后出现碳释放现象。2008年克氏针茅草原生态系统最大的CO2吸收速率为-0．4mg·m^-2·s^-1。克氏针茅草原在4月和10月的NEE昼夜变化比较平缓,在5—9月日间CO2吸收量和夜间CO2排放量都开始增大,出现了明显的CO2日吸收峰值,但各月的日动态格局差异较大。2008年生长季中7—9月白天碳吸收活动最强,6—9月夜间CO2释放量较大。克氏针茅草原碳通量日累积量在2008年出现了3个明显的碳吸收峰;NEE的日最大累积吸收量和最大累积释放量分别为-2．38和1．47gC·m^-2·d^-1,并且出现在植被生长最旺盛的7、8月份。研究表明,温度和水分是影响克氏针茅草原生态系统碳通量变化的重要因子。     

土壤温度和水分对克氏针茅草原生态系统碳通量的影响初探

草地和大气间碳通量的观测有助于理解草原生态系统的碳循环及其控制机理。利用涡度相关技术观测了克氏针茅草原生态系统与大气之间的净生态系统碳交换（NEE）、生态系统初级生产力（GEP）、生态系统呼吸（Rec）o的变化,探讨了2008年生长季内土壤温度和水分对克氏针茅草原生态系统NEE、GEP和Reco的影响。结果表明,2008年生长季内,克氏针茅草原日尺度上NEE和GEP都出现了3个峰,二者之间有极显著的相关性,Reco则呈现倒＂U＂型变化规律。克氏针茅草原土壤温度与NEE、GEP呈二次曲线的关系,而与Reco呈指数关系,土壤水分的增加会提高克氏针茅草原生态系统的固碳能力、初级生产力及呼吸作用。土壤温度和水分是影响克氏针茅草原生态系统碳收支的重要因子。     

半干旱区农田生态系统通量贡献区分析

通量贡献区是指对湍流交换过程有贡献的有效源(汇)区域,它与生态系统和大气间的通量交换密切相关。在实际观测中复杂的下垫面增加了通量观测的难度和不确定性,对通量贡献区评价能有效解决通量空间代表性的问题。为了研究半干旱区农田生态系统在完整的作物生育期通量贡献区的变化特点,该文根据位于黄土高原丘陵沟壑区的兰州大学半干旱区农业生态系统试验站的通量观测塔2014年12个月连续的玉米农田通量观测资料,应用Schmid的FSAM模型对半干旱区玉米农田的通量贡献区进行了分析。结果表明:本研究区的主风向是90°~180°(东南方向),次主风方向是270°~360°(西北方向);在主风向上,迎风方向非生长季的通量信息最远点大于生长季,而在垂直于迎风方向上则相反;生长季内迎风向通量信息最远距离呈现出先减小后变大的趋势,其中在抽雄期最小,垂直于迎风方向最大宽度变化无明显规律。大气稳定条件下通量贡献区面积比不稳定条件下大,且大气稳定条件下90%的通量信息来源于迎风向8~92 m,垂直于迎风向?35~35 m;不稳定条件下则分别为7~83 m和?25~25 m。白天90%的通量源区分布在离观测塔9~86 m,夜晚源区分布在离观测塔10~100 m,垂直于迎风向由白天的?21~21 m增加到夜晚的?35~35 m。由FSAM模型测得的通量贡献区可以较准确地反映农田生态系统的通量信息。     

东亚森林、草地碳利用效率及碳通量空间变化的影响因素分析

森林和草地是陆地生态系统的重要组成部分,研究整合基于涡度相关法观测碳通量的已发表文献,共选取东亚地区40个拥有1年以上数据的通量站(森林26个,草地14个),分析碳利用效率(CUE)以及净生态系统生产力(NEP)、总生态系统生产力(GEP)、生态系统呼吸(RE)的空间变异特征及其影响因素。东亚地区的森林和草地为碳汇,且森林的碳汇显著高于草地(p0.001),其NEP分别为328.64±256.46gC/(m~2·a),63.43±42.99gC/(m~2·a)。森林和草地的CUE分别为0.21,0.20,影响森林CUE变化的因素主要是林龄,呈线性负相关关系(p0.001)。影响草地CUE的因素主要是年均降水量(MAP),呈线性负相关关系(p0.05)。森林和草地的GEP,RE均是随纬度的升高而线性降低,NEP与纬度呈现二次函数关系,随纬度升高而先升高后降低。森林和草地的GEP,RE都与MAP呈线性正相关关系,且NEP与MAP呈先升高后降低的二次函数关系,其中森林和草地的饱和降水量大约为1 300mm和390mm。森林的GEP,RE与年均温(MAT)呈现线性正相关关系。森林和草地的GEP,RE与增强型植被指数(EVI)呈线性正相关关系。     

华北平原典型冬小麦农田生态系统能量平衡与闭合研究

准确量化分析地气之间的物质和能量交换对于水资源管理和农业可持续发展是十分重要的。能量平衡闭合是评估观测数据准确性和分析地表能量平衡的一个重要的评价指数。本研究利用开路涡度相关系统和全要素自动气象站对华北平原典型冬小麦农田生态系统2013—2014年度的能量通量及常规气象要素进行了连续观测,分析了冬小麦农田各能量通量的日变化和年变化特征,计算冬小麦在4个生育时期(出苗期、越冬期、拔节期和灌浆期)的能量闭合和波文比。结果表明:在日尺度上,选取的4个生育时期净辐射和各能量分量的日变化趋势均为单峰二次曲线,净辐射、显热通量和潜热通量的峰值出现在12:00—13:00,土壤热通量的峰值出现在14:00—15:00。在年尺度上,净辐射和潜热通量的变化趋势较为一致,均在越冬期达到最低值114.51 W·m~(-2)和13.47 W·m~(-2),而在灌浆期达到最大值327.02 W·m~(-2)和116.56 W·m~(-2)。选取的4个生育时期的代表性观测日期能量闭合良好,能量闭合率分别为0.49、0.77、0.81和0.76。4个生育时期内波文比值日变化趋势均呈倒"U"型,出苗期波文比在14:00达到最大值2.12;越冬期、拔节期和灌浆期在10:00左右达到最大值,分别为1.48、0.31和0.58。本文的定量化结果可为华北平原农田生态系统水热通量等研究提供依据。     

生草免耕桃园生态系统的碳交换动态变化特征

植物固碳是减缓全球气候变暖的有效途径。然而,农田尺度果园固碳能力目前还不清楚。该文采用涡度相关技术,研究粗砂土立地条件下12a生树龄生草免耕桃园生态系统碳交换和能量平衡各分量的动态变化。结果表明,在盛花期存在明显的固碳能力,日峰值为-0.33mg/(m2·s)(以CO2计)。在旺盛生长期波文比值在0.3以下,日净固碳值最高为-25.1g/(m2·d)(以CO2计)。落叶期存在明显的高CO2排放,日峰值为0.60mg/(m2·s)(以CO2计)。监测期内桃园生态系统日平均波文比值和净固碳量分别为(1.22±1.56)和(-2.90±6.63)g/(m2·d)(以CO2计),年净生态系统碳交换量(net ecosystem exchange,NEE)为-1052g/(m2·a)(以CO2计)。以上结果揭示粗砂土12a生树龄生草免耕桃园生态系统有较强的固碳能力。该文为评价果园碳汇功能提供基础数据。     

我国农田生态系统碳蓄积及其变化特征研究

对我国近20年来农田生态系统C蓄积的时空变化特征进行估算分析结果表明,我国农田生态系统近20年来C蓄积总量持续增大,主要是由于单位面积C密度持续增大。农田C密度高值区主要分布在我国东部地区且多>3t/hm2,低值区主要分布在我国北方农牧交错带地区且普遍<1t/hm2。而科学管理作物残余物是增强农田生态系统C蓄积能力的关键。     

不同农田生态系统土壤微生物生物量碳的变化研究

试验研究不同农田生态系统土壤微生物生物量碳的变化结果表明,长期单施N、P肥处理对土壤有机碳和微生物生物量碳的影响不明显,施有机肥处理土壤微生物生物量碳及微生物生物量碳/有机碳值均高于其他施肥处理,轮作中引入豆科作物或豆科连作均对土壤微生物生物量碳的积累有显著作用。     

青藏高原农田生态系统碳平衡

为探讨青藏高原农田生态系统碳平衡规律及其影响因子 ,并揭示其对全球含碳温室气体源、汇变化的贡献与响应 ,1 998～ 1 999连续 2年在拉萨农业生态站农田用静态箱法和生物量取样法开展土壤—植被界面CO2 吸收与排放的试验研究。农作物生长季 ,以冬小麦为例 ,生长前期 (从播种到拔节 )土壤碳排放量高于植被碳固定 ,生长后期 (灌浆到成熟 )则是植被碳固定高于土壤碳排放量 ,从全年来看 ,土壤碳排放量略高于植被碳固定     

淮河流域不同量级降雨时空分布特征及其影响因素

采用淮河流域1965—2016年67个气象站点52 a的逐日降水资料,应用Mann-Kendall趋势检验法、反距离权重插值法和Morlet小波分析法,研究了不同量级降雨时空分布特征及其影响因素。结果表明:（1）淮河流域各量级降雨的年降水量均呈增大趋势,其中暴雨的年降水量年际变化波动相对较大。（2）整个淮河流域的降雨以中、大和暴雨为主,且比较集中。（3）淮河流域小雨和中雨的年降水量由南向北的递减较为平均,各级雨量带呈条带状分布,而大雨和暴雨的各级雨量带无条带状分布的规律。此外,不同量级降雨的降水日数和降水量空间分布一致,均具有“由南向北,依次递减”的特点。（4）1965—2016年,太阳黑子出现极值的年份与淮河流域各量级降雨的降水量极值年份并不完全对应。淮河流域暴雨的年降水量和太阳黑子数都在15 a左右尺度上震荡明显,虽然尺度上不能完全对应,但有交叉,说明暴雨的年降水量和太阳黑子数存在相似的振荡周期变化。     

淮河上游径流年内分配均匀度及变化规律

研究淮河上游径流量的年内分配均匀度及其变化周期,为防洪防汛,水资源的合理规划管理及区域社会经济可持续发展提供决策依据。选取1975—2014年淮河上游2个水文代表站点(大坡岭和长台关)实测逐日流量数据,计算各年平均流量基尼系数和洛伦兹不对称系数,采用线性倾向率、Mann-Kendall突变检验、R/S分析和小波分析等数理统计方法,分析了淮河上游流量的年内分配均匀度、变化趋势及周期特征。结果表明:(1)近40年淮河上游大坡岭和长台关水文站的逐年平均流量均呈微弱下降趋势,其线性倾向率分别为-1.68m~3/(s·10a)和-3.83m~3/(s·10a)。年均流量的基尼系数变化幅度不明显,年平均基尼系数分别为0.54和0.53。洛伦兹不对称系数呈不显著上升趋势,大于1的洛伦兹不对称系数的年份占总年份的比例分别约为65%和57.5%;(2)2个水文站的Hurst指数都略大于0.5,表明存在显著的Hurst现象,即该地区年径流时间序列大体上延续历史变化趋势,说明在未来一段时间内年径流量仍将微弱减少;(3)近40年淮河上游年径流变化主要存在3a,12a和28a的主周期。在气候变化、流域下垫面和人类活动的综合影响下,河川径流的年内分配均匀度发生着相应变化。     

黑河流域高山草甸湿地土壤CO_2通量日变化特征

采用Li-6400便携式光合作用测量系统连接Li-6400-09土壤呼吸室,在2013年生长季节对黑河流域高山草甸湿地土壤CO2通量进行了野外定位试验,统计分析了水热因子对高山草甸湿地土壤CO2通量特征的影响。结果表明,高山草甸湿地区不同层次土壤的日平均温度差值由土壤表层(0cm)的14.5℃骤降到土壤20cm层的5.8℃,对土壤呼吸有较大的影响;土壤CO2通量日变化特征明显,早晨8:00—10:00维持在较低水平,土壤CO2通量在0.81~1.10μmol/(m2·s),在11:00开始升高,13:00达到峰值,峰值为3.26μmol/(m2·s),18:00开始下降,整个过程呈单峰曲线;高山草甸湿地区土壤CO2通量与10cm土壤温度、土壤含水量存在不同程度的正相关关系,表明土壤CO2通量的变化受温度和水分所控制。     

三种长期定量降水产品在淮河流域干旱监测中的潜力

融合地面实测、卫星遥感等信息的定量降水产品能为干旱监测提供时空分布式降水数据源.为评估定量降水产品在淮河流域的干旱监测潜力,该研究利用淮河流域27个气象站点实测降水数据,检验多源集成降水(Multi-Source Weighted-Ensemble Precipitation,MSWEP)产品、气候灾害组融合站点的红外...     

淮河流域降雨-侵蚀背景及时空演变特征

当前全球气候正经历以变暖为主要特征的显著变化,为土壤侵蚀及水土流失的防治提出新的挑战。研究探索气候变化特别是降雨变化特征、时空演变及对侵蚀的潜在影响,是深刻认识气候变化与土壤侵蚀之间关联,减少未来水土流失防治不确定性的前提和基础。以降雨侵蚀力为指标,对淮河流域降雨—侵蚀背景及时空演变特征进行了计算分析。结果表明:1951—2008年间流域多年降雨的潜在侵蚀能力为5 269.12 MJ/(mm.hm2.h),峰值位于南部的大别山区。时间演变上,全流域多年降雨—侵蚀背景未呈现显著增减趋势。空间变化上,周口、大别山区及蚌埠附近三个地区潜在侵蚀背景的上升趋势最为显著,北部鲁中南低山丘陵沿脉区域也呈现一定上升趋势,以上区域应优先加强侵蚀防治对未来降雨变化的适应研究。     

气候变化背景下淮河流域干旱演变特征

[目的]淮河流域是我国主要的粮食生产基地,明晰流域内干旱演变特征及其极端性对科学开展旱灾防御治理具有重要作用。[方法]基于淮河流域1971—2015年降水数据,计算3个月时间尺度的标准化降水指数(SPI),结合反距离权重空间插值法、气候倾向率、游程理论对干旱时空演变特征及其特征变量进行了分析。[结果](1)四季中,春、秋季呈干旱化发展趋势,且秋季速率明显大于春季,夏、冬季呈湿润化趋势,夏季速率大于冬季。(2)全区各季平均干旱频率均在30%左右。空间上,春季流域北部湿润化,南部干旱化;夏季流域北部干旱化,南部湿润化;秋季大部分地区气候倾向率为负值,正值区仅在江苏北部出现;冬季大部分地区呈湿润化趋势。(3)干旱特征变量中,干旱历时与干旱次数的空间分布特征相反;烈度峰值高值区与干旱历时、干旱烈度在流域东北部空间分布较为一致;流域东南部烈度峰值高值区较干旱历时和干旱烈度向东南部略有偏移。[结论]流域内秋季干旱化趋势明显,冬季呈湿润化发展,春夏季干旱演变存在地区差异,区域内干旱呈现极端化发展趋势。     

淮河流域主汛期降水气候特征及“旱涝急转”现象

淮河流域地处南北气候的过渡地带,主汛期降水变率大,旱涝灾害频繁。利用淮河流域126个地面气象站降水资料,采用EOF分解、线性变化趋势、Mann-Kendall突变检验等方法,对主汛期降水的时空分布特征、典型旱涝年降水特征以及“旱涝急转”气候特征进行了分析。结果表明：淮河流域主汛期的降水量空间分布呈现南部多于北部、山区多于平原、近海多于内陆的特征,并且旱、涝均主要是以南部为主发生;降水量有明显的年际变化特点,尤其是最近10a的年际变率在增大,集中强降水主要出现在7月上旬;淮河流域“旱涝急转”现象频繁发生,尤其是2000年以来频次显著增多,对农业生产造成严重不利影响。