冬小麦农田生态系统碳、水循环特征及冠层上方碳通量的模拟

论文摘要

陆地生态系统的碳、水循环是全球变化科学的热点和核心问题。陆地生态系统碳循环包括植物的光合作用、自养呼吸作用及异养呼吸作用三个过程,其中光合作用通过植物的气孔调节行为,与控制水分散失的蒸腾作用相联系,构成了土壤—植物—大气系统中相互作用、互为反馈的碳、水循环过程,它们的动态变化将对气候系统产生重大影响。农田生态系统是受人类活动干扰最大的陆地生态系统,也是气候变化的主要承受者,对农田生态系统中碳、水循环机理过程、变化趋势及其对环境响应的综合研究,将有助于了解农田生态系统缓解全球CO2浓度上升的潜在可能性及其对全球变化的贡献,并为构建生态系统尺度碳、水循环模型奠定基础。本研究以冬小麦为研究对象,利用LI-6400R光合—蒸腾测量系统、LI-6400-09土壤呼吸室和禹城生态试验站涡度相关系统等高精度仪器设备,对2007年和2008年小麦拔节至乳熟期间涉及碳、水循环过程的叶片光合—蒸腾作用、土壤呼吸作用及相关农田气象要素和植被特征进行了野外试验测定和分析,在试验观测基础上提取了重要生理参数,建立了基于过程的农田与大气间物质输送和能量交换的多层—双叶模型,并对2008年试验期间冠层上方碳通量特征进行了模拟,试验分析和模拟的主要结论如下:1.叶片水平光合—蒸腾过程的碳、水循环特征:不同生育期中测定的不同层次阴、阳叶片具有各自明显的净光合速率、蒸腾速率和水分利用效率日变化特征,这是包括光合有效辐射、气孔导度、CO2浓度、温度等影响因子在内的综合作用的结果,进行气孔限制分析是解释日变化规律的有效方法;随光强增加,各层次叶片净光合速率均呈直角双曲线增加,蒸腾速率呈直线增加,在两者共同影响下,叶片水平水分利用效率亦呈直角双曲线增加,且存在“光饱和”特征;随CO2浓度增加,各层次叶片净光合速率呈直角双曲线形式增加,同时气孔导度下降导致蒸腾速率呈波浪式下降,两者共同使叶片水平水分利用效率提高,蒸腾速率对由CO2浓度变化而引起的气孔运动的响应比净光合速率快。2.土壤呼吸过程的碳循环特征及根呼吸的贡献:不同组分土壤呼吸存在明显日变化和季节变化特征,其中季节变化是以温度起重要作用并受根生物量协同影响的综合结果,5-10cm土壤温度大约可以解释不同组分土壤呼吸季节变化的49%～65%,土壤中根生物量大约可以解释土壤呼吸季节变化的44%;综合根去除法和根生物量外推法两种方法估算的研究期间根呼吸对土壤总呼吸的贡献为32%～45%。3.农田生态系统尺度的能量平衡与碳、水循环特征:植物以叶片为生命活动的基本单元,在生态系统尺度通过湍流交换等形式推动物质（碳、水）循环流动,并与系统中驱动物质循环的能量传输密不可分。本研究分析结果表明,利用涡度相关技术直接测定的农田生态系统尺度能量和物质通量,具有明显的日变化和季节变化特征,但涡度相关技术与常规观测技术相比存在低估趋势。利用生态系统水分利用效率（WUEe）可以衡量生态系统尺度碳、水循环关系,其日变化特征随生育期不同而不同。将生态系统水平与叶片水平的水分利用效率日均值进行比较,前者较后者高,原因可能与研究时对不同尺度采用了不能直接可比的不同的测定方法有关,也可能与涡度相关技术对能量通量的低估有关。4.多层—双叶模型对冠层上方碳通量的模拟:综合考虑农田水、热因子及叶片氮含量的非线性垂直分布对碳、水循环的影响,将农田按植株高度分为上、中、下三层,并通过叶片集聚指数计算阴、阳叶面积以区分叶片的空间分布受光状态,建立了均匀农田与大气间物质输送和能量交换的多层—双叶模型,对农田冠层上方基于光合—呼吸的碳循环过程进行了模拟应用研究。利用涡度相关碳通量观测数据对模型模拟能力的检验结果表明,模拟值大约可以解释实测值的78.5%,拟合程度较高,模拟的CO2通量日变化特征在晴天的日间比在阴雨天和夜间的效果好。在叶片非随机分布的密集农田中,阴叶对GPP的贡献率在35.7%左右,说明阴叶对生产力的贡献也很重要,分层模拟显示,作物最终产量的形成主要依赖上层叶片,对GPP贡献率占80%以上,模型估算的试验期间冬小麦NPP累计约为626.3gC·m-2。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 全球变化与陆地生态系统碳、水循环
• 1.1.2 生态系统尺度通量模型研究概况
• 1.2 研究目标和内容
• 1.2.1 研究目标
• 1.2.2 研究内容
• 1.3 研究可行性分析及技术路线
• 1.3.1 可行性分析
• 1.3.2 技术路线
• 第二章 农田试验观测内容与方法
• 2.1 试验地概况
• 2.2 试验观测目的
• 2.3 试验观测内容与方法
• 2.3.1 大气要素观测
• 2.3.1.1 碳通量/微气象要素观测
• 2.3.1.2 微气象多层梯度观测
• 2.3.2 植物要素观测
• 2.3.2.1 分层叶面积、地上部分生物量及氮含量
• 2.3.2.2 单张叶片的光合—蒸腾特性
• 2.3.3 土壤要素观测
• 2.3.3.1 土壤呼吸
• 2.3.3.2 土壤温度、湿度、与土壤呼吸有关的生物量
• 第三章 农田环境与植被特征分析
• 3.1 气象变量特征
• 3.2 农田近地层小气候特征
• 3.2.1 麦田中的温度
• 3.2.1.1 温度的时间变化
• 3.2.1.2 温度的垂直分布
• 3.2.2 麦田中的湿度
• 3.2.2.1 湿度的时间变化
• 3.2.2.2 湿度的垂直分布
• 2浓度'>3.2.3 麦田中CO₂浓度
• 2浓度的时间变化'>3.2.3.1 CO₂浓度的时间变化
• 2浓度的垂直分布'>3.2.3.2 CO₂浓度的垂直分布
• 3.3 叶片氮含量的垂直分布与模拟
• 3.4 农田土壤温、湿度特征
• 3.4.1 土壤温度
• 3.4.1.1 土壤温度的季节变化
• 3.4.1.2 土壤温度的日变化
• 3.4.2 土壤湿度
• 3.4.2.1 土壤湿度的季节变化
• 3.4.2.2 土壤湿度的日变化
• 3.5 本章小结
• 第四章 植物光合—蒸腾过程的碳、水循环特征
• 4.1 光合—蒸腾作用的测定
• 4.2 试验研究目的和观测内容
• 4.2.1 试验研究目的
• 4.2.2 试验观测的内容
• 4.2.2.1 光合—蒸腾作用的日变化测定
• 4.2.2.2 光响应曲线测定
• 2响应曲线测定'>4.2.2.3 CO₂响应曲线测定
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 日变化特征
• 4.3.1.1 光合有效辐射的日变化
• 4.3.1.2 净光合速率的日变化
• 4.3.1.3 蒸腾速率的日变化
• 4.3.1.4 水分利用效率的日变化
• 4.3.2 光合-蒸腾-水分利用效率的时空变异性分析
• 4.3.2.1 阴、阳叶的差异性分析
• 4.3.2.2 不同层位叶片的差异性分析
• 4.3.2.3 不同生育期叶片的差异性分析
• 4.3.3 日变化的影响因子
• 4.3.3.1 净光合速率日变化的影响因子
• 4.3.3.1.1 光合有效辐射对净光合速率的影响
• 4.3.3.1.2 气孔导度对净光合速率的影响
• 2浓度对净光合速率的影响'>4.3.3.1.3 胞间CO₂浓度对净光合速率的影响
• 4.3.3.1.4 叶温对净光合速率的影响
• 4.3.3.2 蒸腾速率日变化的影响因子
• 4.3.3.2.1 光合有效辐射对蒸腾速率的影响
• 4.3.3.2.2 气孔导度对蒸腾速率的影响
• 4.3.3.2.3 叶温对蒸腾速率的影响
• 4.3.3.3 水分利用效率的影响因子
• 4.3.3.3.1 气孔导度对水分利用效率的影响
• 4.3.3.3.2 光合、蒸腾速率的耦合关系对水分利用效率的影响
• 4.3.3.4 讨论
• 4.3.4 光响应特征
• 4.3.4.1 不同层位叶片净光合速率对光的响应
• 4.3.4.2 不同层位叶片蒸腾速率、水分利用效率对光的响应
• 4.3.4.3 讨论
• 2响应特征'>4.3.5 CO₂响应特征
• 2的响应'>4.3.5.1 不同层位叶片净光合速率对CO₂的响应
• 2的响应'>4.3.5.2 不同层位叶片蒸腾速率、水分利用效率对CO₂的响应
• 2的响应'>4.3.5.3 不同层位叶片气孔导度对CO₂的响应
• 4.3.5.4 讨论
• 4.4 本章小结
• 4.4.1 日变化特征
• 4.4.2 光响应特征
• 2响应特征'>4.4.3 CO₂响应特征
• 第五章 土壤呼吸过程的碳循环特征及根呼吸贡献
• 5.1 土壤呼吸的测定
• 5.2 原位区分根呼吸的试验研究方法
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 土壤呼吸、温度的日变化
• 5.3.2 土壤呼吸、温度、湿度及地上、根生物量的季节变化
• 5.3.3 温度对土壤呼吸速率的影响
• 5.3.4 生长季内根呼吸对土壤总呼吸的贡献
• 5.4 讨论
• 5.5 本章小结
• 第六章 农田生态系统能量传输及碳、水循环特征
• 6.1 生态系统基本能量和碳、水循环的相互联系
• 6.2 生态系统尺度能量传输特征
• 6.2.1 辐射收支
• 6.2.2 能量分配
• 6.2.3 能量闭合评价
• 6.2.4 能量传输的日变化特征
• 6.2.5 能量传输的季节变化特征
• 6.3 生态系统尺度碳、水循环特征
• 2通量'>6.3.1 冠层上方CO₂通量
• 6.3.2 农田蒸散量
• 6.3.3 生态系统水分利用效率
• 6.4 本章小结
• 2通量多层模拟中的应用研究'>第七章 双叶模型在冬麦田冠层CO₂通量多层模拟中的应用研究
• 7.1 模拟研究的意义
• 7.2 通量数据处理
• 7.3 模型描述
• 7.3.1 光合作用
• 7.3.2 阳叶和阴叶面积指数
• 7.3.3 阳叶和阴叶的辐射能量
• 7.3.4 气孔导度
• 7.3.5 呼吸作用
• 7.3.5.1 植物自养呼吸
• 7.3.5.2 土壤异养呼吸
• 7.4 模型运行和有关参数
• 7.4 模拟结果与分析
• 7.4.1 光合作用日变化特征
• 7.4.2 光合作用的光响应特征
• 7.4.3 冠层上方碳通量特征
• 7.4.3.1 光合有效辐射（PPFD）
• 7.4.3.2 生态系统呼吸
• 2通量（NEP/NEE）'>7.4.3.3 CO₂通量（NEP/NEE）
• 7.4.4 各层阴、阳叶GPP贡献率及NPP估算
• 7.5 参数的确定
• max)'>7.5.1 最大气孔导度(g_max)
• m25)'>7.5.2 在25℃时的最大羧化速率(V_m25)
• 7.6 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 主要结论
• 2浓度的垂直分布'>8.1.1 农田空气温度、湿度及CO₂浓度的垂直分布
• 8.1.2 叶片氮含量的垂直分布
• 8.1.3 植物叶片水平光合—蒸腾过程的碳、水循环特征
• 8.1.4 土壤呼吸过程的碳循环特征及根呼吸的贡献
• 8.1.5 农田生态系统能量传输及碳、水循环特征
• 8.1.6 生态系统尺度多层—双叶模型对冠层上方碳通量的模拟
• 8.2 研究创新之处
• 8.3 未来工作展望
• 参考文献
• 参与科研项目及论文发表情况
• 致谢