玉米農田生態系統研究范文

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摘要：

農田生態系統作為陸地生態系統的重要組成部分，研究其CO2通量和水汽通量的變化特征對于探討整個陸地生態系統的碳、水循環具有重要的意義。筆者采用渦度相關系統測定了晴天條件下夏玉米農田生態系統抽穗期的水碳通量，分析其日變化特征。研究結果表明（：1）農田生態系統CO2通量隨著光合有效輻射的增強而增大，用米氏方程擬合達到極顯著水平，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，不存在氣孔抑制現象；（3）水汽通量隨著光合有效輻射的增強而增大，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遠大于上午，造成下午的蒸騰和蒸發更大；（4）冠層導度隨時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，冠層導度逐漸減小，造成這一結果的原因可能是露水蒸發引起上午冠層導度被高估。

關鍵詞：

玉米農田；水汽通量；CO2通量；冠層導度；日變化

隨著科學技術的進步和生產力水平的提高，人類對環境的影響范圍及力度迅速擴大，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前阻礙人類社會進步的主要問題。為尋求地球生態系統碳水循環調控管理的有效途徑，對各種生態系統（海洋、陸地）水熱、CO2通量進行了長期觀測研究。目前，陸地生態系統CO2循環和水循環已經成為全球變化研究中關注的熱點問題[1-2]。國內外研究學者正密切關注各種類型陸地生態系統碳水通量的日變化、季節變化和年際變化規律及其環境控制機制，從而估計陸地生態系統水碳通量的時空變化[3-7]。研究表明，對于全球碳水平衡來說，陸地生態系統碳水循環起著重要的作用[8]。農田作為陸地生態系統碳水循環的重要組成部分[9]，受人類活動的影響最大，對農田生態系統碳水收支進行深入研究，是全面探討整個陸地生態系統功能不可缺少的內容。對農田生態系統中的水碳循環過程及其變化趨勢的進行研究，將會幫助我們了解氣候變化對農田生態系統的影響及農田生態系統的碳水循環對全球碳水循環的影響。渦度相關技術通過長期和連續的通量觀測直接測定植被與大氣間CO2、水熱通量[10-12]，為研究生態系統尺度CO2、水汽通量的變化規律及其對環境變化的響應提供了可靠的途徑，渦度相關法已成為當前地氣交換研究中最先進的通量觀測方法。本研究采用渦度相關技術測定了夏玉米農田生態系統CO2通量和水熱通量，分析其日變化規律及與環境因子的關系，定量闡述了玉米抽穗期的水碳通量變化特征，為農業生產提供科學的數據支持，為提高農田生態系統碳積蓄能力和農田作物生產力水平及水分利用效率提供理論依據[16]，對進一步定量研究區域水碳循環及糧食安全應對氣候變化的技術具有重要意義[17]。

1材料和方法

1.1試驗區概況試驗在位于青島農業大學膠州現代農業科技示范園（東經120.48°，北緯36.26°）內進行，試驗所在地氣候屬于暖溫帶季風氣候，氣候溫和，四季分明，年平均氣溫為11~14℃，年平均日照時數為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。試驗地土壤為砂漿黑土，pH6.78，屬半濕潤易旱區。觀測面積為150m×200m，除了觀測區域西面為果樹外，其他方向與觀測區內種植種類相同，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數據測定試驗采用美國Campbell公司生產的渦度相關系統在膠州試驗站對夏玉米農田CO2通量、水汽通量進行了連續的定位觀測。采用CSAT3型（Campbell公司）超聲風速儀測定三維風速；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的農田的中心位置，采用全自動的氣象觀測系統同步測定氣溫、太陽輻射、大氣濕度、土壤濕度、冠層溫度等數據，通過CR3000采集器自動采集觀測數據，每30min儲存數據一次。

1.3數據處理在夏玉米抽穗期選擇未進行農事操作的連續晴天（2013年9月13日至9月19日）進行分析，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系統測定的異常數據，并對渦度相關測定的潛熱通量和CO2通量進行WPL校正[18]。用WPL校正后的潛熱通量(LE)經過式(1)計算出水汽通量(ET)，式中ta為大氣溫度。

2結果與分析

2.1CO2通量、水汽通量及冠層導度的日變化特征將選取的夏玉米農田的7個晴天數據進行平均，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，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，最值分別出現在12:30和14:00。圖4中，進一步分析冠層導度的日變化發現，冠層導度也隨著光合有效輻射的變化而變化。日出后，冠層導度隨時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算出農田水分利用效率，計算式如(2)所示，農田水分利用效率(WUE)的日變化規律如圖5所示。由圖5顯示可知，農田水分利用效率上午隨時間的推移越來越小，而在中午前后達到恒定，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，這與王志強等[19]的研究結果一致。從圖中可以看出上午和下午水汽通量和CO2通量的關系存在著顯著差異，在一天中二者關系形成了一個“環狀”結構。

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

2.4水汽通量和冠層導度對光合有效輻射的響應白天水汽通量對光合有效輻射的響應如圖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系。無論是上午還是下午，水汽通量都會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。冠層導度對光合有效輻射的響應如圖9所示。從圖9可以看出，在上午10:00之前，冠層導度與光合有效輻射之間沒有明顯的響應關系；而從10:00以后到傍晚，冠層導度都會隨著光合有效輻射的減小而減小，具有顯著的線性關系。

3結論

在玉米抽穗期晴天條件下，農田生態系統CO2通量隨著光合有效輻射的增強而增大，用米氏方程擬合達到極顯著水平，上午和下午沒有明顯的差異，不存在氣孔抑制現象；水汽通量隨著光合有效輻射的增強而增大，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遠大于上午，造成下午的蒸騰和蒸發更大；冠層導度隨時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度逐漸減小，造成這一結果的原因可能是露水蒸發引起上午冠層導度被高估。

4討論

4.1上午冠層導度偏大的原因圖9顯示，上午8:00—10:00冠層導度偏大。導致上午冠層導度偏大的原因可能與露水有關。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形成大量露水，而這些露水會隨著太陽升起、氣溫升高而開始蒸發，露水蒸發加大了農田冠層水汽擴散的強度，但由于渦度相關系統無法區分地表蒸發、露水蒸發以及氣孔蒸騰，因此，會因為露水蒸發造成冠層導度高估。到10:00前后，隨著露水蒸發完成，冠層導度主要由地表蒸發和氣孔蒸騰引起，冠層導度被高估的現象消除。

4.2上午和下午碳通量對稱響應的原因碳通量主要反應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通量和下午也出現對稱。由碳通量的對稱響應，也反證了C4作物玉米田不存在氣孔抑制現象。假如存在氣孔抑制現象，必然造成碳通量的非對稱響應[20]。

4.3上午和下午水汽通量非對稱響應的原因水汽通量由田間蒸發和氣孔蒸騰組成。蒸騰主要由氣孔控制，氣孔導度對光合有效輻射呈米氏響應[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象的情況下，氣孔導度在上午和下午差異并不明顯。但蒸騰同時又會受到飽和水汽壓差的控制，氣孔導度相同的情況下，飽和水汽壓差越大，蒸騰越強；對于蒸發而言，蒸發速率主要受飽和水汽壓差的控制，飽和水汽壓差越大，蒸發越大。由于下午的飽和水汽壓差遠遠大于上午（圖4），這就必然造成下午的蒸騰和蒸發更大。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：青島農業大學農學與植物保護學院 青島農業大學理學與信息科學學院