淮河流域典型农田生态系统碳通量变化特征

为了准确评价农田生态系统在全球碳平衡中的作用,利用涡度相关技术对安徽省寿县冬小麦／水稻生态系统进行了碳通量的监测,并在数据校正、剔除和插补的基础上,研究生长季农田净生态系统碳交换（NEE）的变化特征。结果显示,2008年寿县农田生态系统CO2通量的日变化进程为单峰型,冬小麦和水稻最大的CO2吸收速率分别为2．45和2．48mg·m^-2·s^-1。从物候期的角度来看,冬小麦在抽穗期碳通量值最小,乳熟期最大;水稻拔节时期碳通量值最小,即固碳能力最强。冬小麦,水稻生态系统不同月份碳通量月均日变化也呈U型曲线,作物生命活动越旺盛,NEE峰值越高,夜间CO2排放则在8月份达到最高值。2008年冬小麦和水稻月平均最大日CO2吸收峰分别出现在4月和8月,分别为1．30和1．07mg·m^-2．s^-1。冬小麦生态系统NEE的日最大累积吸收量出现在4月16日．可达11．76gC·m^-2·d^-1,水稻生态系统的出现在8月3日,为10．40gC·m^-2·d^-1。冬小麦从拔节到成熟时间段内的固碳能力为326．87gC·m^-1,水稻从返青到成熟时间段内的固碳能力也达到了300．05gC·m^-2。     

复杂地形条件下涡度相关法通量测定修正方法分析

复杂地形条件下涡度相关法通量观测修正方法以及夜间净生态系统CO2交换通量（NEE）质量评价方法，是世界范围内通量观测研究中的重大技术问题。本文以鼎湖山南亚热带针阔叶混交林生态系统涡度相关法碳通量观测数据，探讨典型订正方法对CO2通量估算的影响。主要结论有：1）基于流线坐标系统的二次坐标旋转（DR）、三次坐标旋转（TR）和平面拟合坐标旋转（PF），均使得CO2通量（Fc）绝对值趋于变小，变化幅度依次为：DR〈PF〈TR。坐标转换对Fc影响程度白天小于夜间，冬季小于夏季，冠层上方小于冠层下方。2）冠层下方和冠层上方CO2通量合适的u^＊订正阈值分别为0．05、0．2ms^-1。3）对于涡度相关通量观测中普遍存在的夜间CO2涡度通量偏低问题，WPL订正没有帮助，坐标转换甚至起到反作用，冠层储存项订正在一定程度上减少夜间偏低程度，但效果不显著；u^＊订正可以明显减少夜间偏低幅度，但估算结果与箱式法相比依然偏低。夜间涡度通量观测数据最好能结合箱式法观测结果讲行校诈．     

大孔径闪烁仪与涡度相关系统对灌溉农田蒸散量的对比观测

蒸散是地表能量平衡的重要组成部分, 在土壤-植物-大气连续体的能量、质量、动量交换过程中起着重要作用。大孔径闪烁仪(LAS)是近时期兴起的观测跨像元尺度地表通量的地面仪器, 为验证其观测数据的可靠性, 本文把专家认可且在中国生态系统研究网络(CERN)中广泛应用的涡度相关仪(EC)的观测数据作为参考依据, 于2010 年8 月在中国科学院栾城农业生态系统试验站夏玉米田对大孔径闪烁仪计算结果进行验证。验证结果表明, 两种仪器测定的地表感热通量日变化和月变化观测结果基本一致。由于下垫面属性、环境因子及观测范围等因素的影响, 大孔径闪烁仪与涡度相关仪观测的蒸散量日变化之间有一定的差异,但日蒸散总量的测定基本一致。试验证明了大孔径闪烁仪观测数据的准确性。将大孔径闪烁仪计算的蒸散量与涡度相关仪观测值进行线性回归分析, 二者的吻合度较高(R²=0.800 4)。研究结果显示, 大孔径闪烁仪在地表水热通量的数据监测中具有很大的使用价值, 为日后用大孔径闪烁仪验证遥感估算蒸散值奠定了基础。     

采伐对小兴安岭森林沼泽甲烷通量的影响

采伐干扰是森林湿地遭受的主要干扰类型之一。采伐引起的温度和水位条件的改变,会导致森林湿地甲烷通量发生变化。本文选择小兴安岭3种森林沼泽湿地为研究对象,利用静态暗箱-气相色谱法观测它们在择伐和皆伐干扰下甲烷通量的变化,探讨采伐对天然森林沼泽甲烷通量的影响及其影响机制。结果表明:采伐前3种森林沼泽都为大气甲烷的汇(-0.19～-1.85mgm-2d-1),择伐和皆伐都导致3个类型的森林沼泽作为大气甲烷汇的功能降低(-0.22～-1.29mgm-2d-1),或者由大气甲烷的汇转变为甲烷的源(0.50～157.37mgm-2d-1)。温度和水位的共同作用导致采伐后森林沼泽甲烷通量的变化。为减少甲烷气体的排放,在有必要对森林沼泽的树木资源进行利用时,采伐方式应该尽量避免皆伐,只能进行适当的择伐。     

基于涡度相关法的长江中下游稻田水分利用效率变化规律

揭示水稻生态系统水分利用效率（Water Use Efficiency,WUE）的变化规律,有助于动态评价稻田水碳循环过程和农业用水效益。该研究利用涡度相关法得到中国长江中下游双季稻田的3年通量数据,研究生态系统尺度的稻田WUE季节变化规律及其年际差异,揭示生态系统夜间呼吸消耗对稻田水分利用的影响,阐明WUE与净生态系统生产力（Net Ecosystem Productivity,NEP）和ET的关系。结果表明：双季稻WUE季节尺度变化特征与NEP基本一致,呈现出先增大、后减小的趋势,表明其季节变化由NEP主导,取决于作物自身以生育期为尺度的生长发育规律。早、晚稻日均WUE均在拔节孕穗期达到峰值,且在生长中期均维持较高水平,日均WUE分别达到5.8、5.5 g/kg。早、晚稻全生育期WUE均值分别为(3.3±0.3)、(3.4±0.4) g/kg,生态系统夜间呼吸消耗使WUE下降40%以上。不同稻季WUE的年际差异达到9.2%～12.4%,其中抽穗开花期差异最大。不同纬度的稻田WUE存在差异,该研究得到的中国长江中下游稻田WUE高于菲律宾、巴西等热带地区稻田,但低于中国东北辽河三角洲稻田,与小麦、玉米等农田生态系统相比,稻田WUE也较低。研究结果可为评价中国长江中下游稻作区农业用水效率以及优化水碳管理模式提供依据。     

森林生态系统涡度相关法碳通量长时间连续性缺失数据插补方法的比较

针对森林通量观测站涡度相关法碳通量观测普遍存在的长时间连续性数据缺失情景,为探究不同数据插补方法的有效性,以华北低丘山地栓皮栎人工混交林生态系统为例,以经EddyPro处理和质量控制的2017年3月1日-11月30日0.5h尺度净生态系统碳交换（NEE）数据为基准数据集,随机生成含有连续1、3、7、15和31d数据缺失的5类数据缺失集,重复10次,使用固定窗口平均昼夜变化法（MDV）、可变窗口平均昼夜变化法（MDC）、查表法（LUT）、非线性回归法（NLR）、边际分布采样法（MDS）、人工神经网络法（ANN）对缺失数据集进行插补,并将插补数据与实际观测数据进行对比,通过分析统计参数来评估不同方法的插补精度和稳定性,以评估不同方法的适用范围。结果表明：日间,当连续缺失少于15d时,ANN方法插补数据与实测数据间的R2（决定系数）相对较高,NLR方法的R2较低;LUT方法插补数据与实测数据间的相对均方根误差（RRMSE）较低,NLR方法的RRMSE较高。当缺失达到连续15d时,除NLR方法的R2显著较低（P＜0.05）外,其它方法间R2差异不显著;LUT方法的RRMSE显著（P＜0.05）较低,其它方法间RRMSE差异不显著。当缺失达到连续31d时,除NLR方法R2显著较低（P＜0.05）外,各方法间R2和RRMSE无显著差异;MDV方法的平均绝对误差（MAE）出现较多异常值,各方法间的MAE开始出现分化的趋势。随着缺失片段长度的增加,除MDV方法外,各方法的R2呈下降趋势,连续1d缺失与连续31d缺失情景下插补所得NEE与实测NEE的R2差异显著（P＜0.05）;MDV和MDS方法的RRMSE呈增大趋势,连续1d缺失与连续31d缺失情景下的RRMSE差异显著（P＜0.05）,其它方法的RRMSE差异相对不显著。夜间,在各缺失情景下,ANN方法的R2较高,LUT方法的R2较低,二者之间差异显著（P＜0.05）;LUT方法的RRMSE最高,与其它方法存在显著差异（P＜0.05）。在连续缺失大于31d的情景下,各方法的RRMSE差异均不显著。除LUT方法MAE显著（P＜0.05）较高外,其它方法的MAE无明显差异。随着缺失片段长度的增加,MDC、MDS和ANN方法插补数据的R2呈下降趋势,MDV和LUT的R2始终无显著差异;各方法的RRMSE差异无显著变化。在对典型晴天0.5h尺度上NEE日变化趋势的还原方面,MDC方法性能相对较优。综上,NLR方法适用于气象数据完备、NEE数据连续缺失少于7d的情景;MDV或MDC方法适用于气象数据不可用或缺失严重、NEE数据连续缺失少于15d的情景;LUT和MDS方法则适用于气象数据缺失较少、NEE数据连续缺失少于15d的情景;ANN方法适用性相对较广,可用于气象数据缺失较少、NEE数据连续缺失长达31d的情景。     

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。     

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。     

湖南岳阳杨树人工林涡度相关系统数据高频特征分析

气候变化和全球变暖使陆地生态的源/汇问题成为当前全球生态学研究的热点问题之一.植被和大气之间CO2通量的长期观测有助于理解陆地生态系统的碳循环_及其控制机理,评价生态系统碳循环及其对未来气候变化的响应.目前涡度相关技术已经成为这一领域的主要研究手段,对涡度相关系统观测的高频率数据进行谱分析可以确定仪器对于高频湍流信号的响应能力,以湖南岳阳杨树人工林生态系统为研究对象,其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可以满足该生态系统实际观测要求,涡度相关技术可以应用于杨树人工林生态系统碳通量的观测中.     

稻田温度与甲烷排放通量关系的研究

稻田温度与CH4 排放通量有密切关系 ,通过灰关联分析发现稻田 5cm深处温度与CH4 排放通量关系最密切 ,水稻抽穗期CH4 排放通量达极大值 ,而完熟期CH4 排放通量达极小值。温度对CH4 排放通量的增效应明显 ,减效应较弱。稻田温度与CH4排放通量的关系呈S型曲线相关关系。     

降雨和施肥对上海崇明岛小麦田N2O排放的影响 ——基于涡度协方差法的研究

在基于涡度协方差技术的小麦田N_2O通量观测基础上,分析了小麦田N_2O的排放动态以及不同时间尺度上降雨和施肥对小麦田N_2O排放的影响,同时以增强回归树的方法定量分析了降雨和施肥相关因子对小麦田N_2O通量的贡献率。结果表明:小麦田N_2O通量没有明显的昼夜和季节变化模式,研究期内N_2O平均日排放量为666.5μg/(m2·d)±669.4μg/(m2·d)(以N_2O-N量计);N_2O主要以脉冲的形式释放,其中降雨和施肥引发的脉冲占小麦田N_2O总排放量的比例分别为29.4%、19.2%;降雨促进小麦田N_2O排放,且N_2O通量对降雨事件的响应比较迅速(主要集中在雨后的几小时内),同时降雨的影响能持续1～2 d;相比降雨,施肥对小麦田N_2O排放的促进作用存在一周左右的时滞;综合考虑施肥和降雨的交互影响,在施肥后1～8 d内发生的降水事件对N_2O的排放有明显的促进作用。因此,二者的交互影响不容忽视。     

翻耕对冬闲农田CH4和CO2排放通量的影响初探

通过连续观测，比较了冬闲农田翻耕和不翻耕情况下甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)的排放通量。结果表明：翻耕能显著增加CO2的排放通量，但这种影响只在翻耕后的4d内较明显；翻耕对CH4排放通量的影响在翻耕后的3d内比较明显，表现为翻耕初期导致CH4的峰值排放，而在6～8h后，则对降低CH4的排放有一定的作用。且CH4和CO2排放通量与气温呈显著正相关。     

绿洲荒漠过渡带涡动相关仪和大孔径闪烁仪的通量源区特征

以甘肃民勤绿洲荒漠过渡带涡动相关仪（EC）和大孔径闪烁仪（LAS）的同步观测数据为基础,借助通量足迹模型,分析生长季和非生长季通量源区的分布与变化特征,比较了源区在不同风向下,足迹权重比的变化对二者观测值之间差异的影响。结果表明：（1）研究区在非生长季盛行西北风,在生长季则盛行东风,EC和LAS源区的空间分布与盛行风向一致,二者在非生长季源区的面积均大于生长季。（2）大气稳定条件下EC和LAS的源区面积普遍大于不稳定条件下。随着源区贡献率的增加（由50%增至90%）,EC和LAS源区的重叠面积和足迹权重比也增加,并且非生长季的源区重叠程度优于生长季。在生长季和非生长季,EC和LAS源区都呈现不规则分布的特点。（3）相比于东西风向,生长季南北风向下的足迹权重比更高,二者所观测显热通量值更为接近,决定系数（R2）也更高。说明源区的足迹权重比在一定程度上可以解释EC和LAS在观测结果上的差异,这为地表通量的尺度扩展提供了方法学上的参考。     

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)。     

沼泽垦殖前后土壤呼吸与CH_4通量变化

湿地是陆地生态系统的重要组成部分,在碳的储存中起着重要作用。湿地垦殖后,在相同季节根层土壤温度明显高于沼泽湿地土壤,但垦殖后土壤有机碳、氮素含量明显降低,C:N比值减小,土壤呼吸通量增大,且具有季节性变化。垦殖8年的农田土壤,呼吸通量大于垦殖15年的农田土壤,弃耕后土壤有机碳含量及土壤呼吸强度有所增加,土壤呼吸通量与土壤温度呈显著正相关关系。沼泽湿地土壤为大气CH4的重要源,通量季节性变化明显,沼泽垦殖后农田土壤成为CH4的汇,不同垦殖年限土壤间CH4通量差异性不大。     

添加生物炭对华南早稻田CH4和N2O排放的影响

通过田间试验,采用静态箱-气象色谱法研究生物炭添加对华南早稻田甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)排放的影响.试验设对照(CK),BC1、BC2、BC3(土壤中分别混入5、10、20t·hm-2生物炭)、RS(稻草直接还田)和RI(稻草加腐熟剂还田)6个处理.结果表明,与CK、RS和RI相比,生物炭处理能降低稻田CH4和N2O排放量及排放强度,综合排放强度最低的为BC3处理,值为0.98 kgCO2-eq· kg-1.在本实验的处理范围内,生物炭添加量越高,CH4平均排放通量及其季节排放总量越低,最低值分别为22.11mg·m-2·h-1和93.21kg·hm-2;N2O排放通量和季节排放总量则随生物炭添加量的增加呈上升趋势,最高值分别为285.65 μg·m-2·h-1和1.07kg·hm-2,但依然小于对照处理(368.13μg·m-2 ·h-1和1.13kg·hm-2).此外,试验发现高用量的生物炭(即BC3)处理水稻产量最高,值为7152.58kg·hm-2.综合分析各处理,BC3对减缓温室效应和稳定水稻生产贡献最大.