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亚热带稻田生态系统CO_2通量研究

作　者: 朱咏莉
导　师: 吴金水
学　校: 中国科学院研究生院（教育部水土保持与生态环境研究中心）
专　业: 土壤学
关键词: 稻田生态系统 CO2通量 涡度相关法 静态箱法
分类号: S511
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要


稻田生态系统碳循环对大气温室气体的吸收/排放以及全球气候变化起着不可忽视的影响。该生态系统与大气间CO2交换特征及其影响因素是碳循环研究的重要内容,其不仅是碳循环过程机理和调控机制以及模型模拟的需要,而且可以为估算和评价稻田生态系统碳源/汇强度及其对大气CO2浓度变化的贡献提供科学依据。以我国亚热带丘陵区稻田生态系统为研究对象,采用涡度相关技术对该系统与大气间CO2交换通量进行了连续观测,通过分析能量平衡的闭合程度对涡度相关法观测稻田生态系统通量数据的可靠性进行了评价;分析了稻田生态系统CO2通量在不同时间尺度上（日、季节）的变化特征及其影响因素;估算出了稻田生态系统与大气间CO2的年交换通量;并对箱式法在稻田生态系统CO2吸收/排放通量观测中的应用作了初步的探讨。通过研究,取得的主要结论有以下几个方面:（1）采用涡度相关技术对亚热带丘陵区稻田生态系统CO2通量进行观测的过程中发现该系统能量平衡存在不闭合现象。在假定常规的有效能量（Rn-G）测定正确的前提下,涡度相关法测定的湍流通量（LE+H）结果偏低。能量平衡比率在5～8月份平均为0.85,表现为能量不闭合程度较高;1～4月份和9～12月份平均为0.92,表现为不闭合程度较低;年能量平衡比率为0.87,平均不闭合程度为13%。这表明该方法在稻田生态系统通量观测中的可靠性相对较高。（2）稻田生态系统与大气间CO2的交换（NEE）具有明显的日变化规律。在水稻生长季节,白天稻田生态系统以吸收CO2（为负值）为主,夜间则表现为排放CO2（为正值）。光辐射和温度是影响CO2通量日变化的主要环境因子。白天CO2通量对光量子通量密度（PPFD）变化的响应过程可以用直角双曲线方程进行描述。随PPFD的增加,CO2通量（绝对值）呈增加趋势,但当PPFD>1000μmol/m2/s时,CO2通量变化比较稳定。在水稻不同生育期,CO2通量对光强的响应存在较大差异,其中以水稻生长旺盛期的光能利用效率（a）和最大光合速率（Pmax）最高。早稻和晚稻生长期CO2通量对PPFD的响应存在较大差异,晚稻各生育期的a值明显高于早稻。（3）在摩擦风速（U*）大于0.1 m/s的情况下,稻田生态系统夜间呼吸（Reco,包括植株呼吸和土壤呼吸）速率随温度的升高呈指数增加。5 cm土层温度（T5）可以作为与Reco进行拟合的温度指标。早稻生长季Reco对温度变化的响应明显较晚稻生长季敏感。此外,排水对稻田CO2通量变化也产生影响,其导致稻田生态系统夜间排放CO2量增加,白天净吸收CO2量减少。土壤湿度是排水期稻田生态系统CO2通量变化的关键影响因素。（4）稻田生态系统CO2通量具有明显的季节变化动态。叶面积指数（LAI）是影响CO2通量季节变化的重要因素,其与水稻日光合吸收CO2总量（GPP）之间呈显著的正相关关系。水稻生长季净吸收的CO2总量与其生物量的变化趋势相一致。晚稻生长季稻田生态系统从大气中净吸收CO2量（NEE绝对值）约为319 g C/m2,明显高于早稻生长季的净吸收量（232 g C/m2）。（5）稻田生态系统CO2通量的年变化特征表现为6～9月份较高,1～5月和10～12月较低的对称分布。光合有效辐射（PAR）和日平均气温（Ta）是影响CO2通量年变化的主要环境因子,二者与CO2通量之间的关系可以用二元线性方程进行拟合。稻田生态系统年GPP、Reco和NEE分别为5861.3 g/m2、3385.8 g/m2和-2475.6 g/m2,表明亚热带区域稻田生态系统是大气CO2的汇,年净吸收CO2强度接近2.5 kg/m2。年NEE的计算结果明显受到U*临界值和与夜间呼吸通量进行拟合所选取的温度指标的影响。（6）提出了对透明箱法观测的CO2通量进行计算的指数一级动力学拟合方法（ER）。该方法可以有效地解决常用的线性拟合方法（LR）在植被同化速率较强的晴天条件下净吸收通量计算结果偏低的问题,这表明ER法可以作为箱式法观测包括植被同化过程在内的CO2通量的计算方法。（7）箱式法观测的稻田CO2排放通量与气温和土壤温度（0、5、10和15 cm）之间均存在显著的指数关系。CO2累计排放量与水稻地上生物量存在极显著的正相关关系,可以用幂函数表示。稻田生态系统CO2-C净收支随水稻移栽后天数呈幂函数关系增加。

全文目录


摘要  6-8
ABSTRACT  8-11
绪论  11-13
第一章 稻田生态系统碳循环过程与CO_2通量研究进展  13-31
  1.1 稻田生态系统碳循环过程  13-14
  1.2 稻田生态系统碳循环主要过程的影响因素  14-22
    1.2.1 光合作用－生态系统碳固定过程的环境影响因素  14-19
    1.2.2 呼吸作用－生态系统碳排放过程的环境影响因素  19-20
    1.2.3 土地利用方式和农田管理措施对碳循环过程的影响  20-22
  1.3 稻田生态系统碳收支与源汇功能  22
  1.4 生态系统碳通量的观测方法评价  22-24
    1.4.1 静态箱法  23
    1.4.2 涡度相关法  23-24
    1.4.3 箱式法与涡度相关法的结合  24
  1.5 涡度相关法观测数据的处理方法及评价  24-29
    1.5.1 涡度观测数据的处理方法  24-26
    1.5.2 涡度观测数据的评价  26-27
    1.5.3 涡度相关法观测通量的不确定性  27-29
  1.6 存在问题与展望  29-31
第二章 CO_2通量的观测方法  31-37
  2.1 涡度相关法观测试验  31-35
    2.1.1 试验地概况  31
    2.1.2 观测方法  31-32
    2.1.3 计算原理与方法  32-33
    2.1.4 数据处理方法  33-34
    2.1.5 通量各分量间的关系  34-35
  2.2 箱式法观测试验  35-37
    2.2.1 田间基本状况  35
    2.2.2 观测方法  35-36
    2.2.3 计算方法  36
    2.2.4 生物量测定  36-37
第三章 涡度相关法观测稻田通量数据的可靠性评价  37-44
  3.1 能量平衡的评价方法  37-38
  3.2 能量平衡状况分析  38-40
    3.2.1 能量平衡闭合的线性回归分析与能量平衡比率  38-39
    3.2.2 能量平衡相对残差的频率分布  39-40
    3.2.3 能量平衡闭合程度的季节变化  40
  3.3 湍流混合对能量闭合状况的影响  40-41
  3.4 讨论  41-43
  3.5 小结  43-44
第四章 基于涡度相关法观测的 CO_2通量的日/季节变化规律分析  44-69
  4.1 稻田生态系统CO_2 通量的变化特征  44-51
    4.1.1 稻田生态系统 CO_2 通量的日变化特征  44-51
    4.1.2 稻田生态系统 CO_2 通量的季节变化特征  51
  4.2 稻田生态系统CO_2 通量的环境影响因素  51-60
    4.2.1 白天CO_2 通量对光强与温度变化的响应  51-56
    4.2.2 夜间生态系统呼吸对温度变化的响应  56-58
    4.2.3 CO_2 通量季节变化与环境因子的关系  58-60
  4.3 稻田生态系统CO_2 通量变化与作物生长的关系  60-63
    4.3.1 GPP 与LAI 的关系  60-61
    4.3.2 GPP、NEE、Reco 累积量与生物量的关系  61-63
  4.4 排水对稻田生态系统 CO_2 通量的影响  63-67
    4.4.1 分蘖期排水对 CO_2 通量的影响  63-66
    4.4.2 成熟期排水对 CO_2 通量的影响  66-67
  4.5 小结  67-69
第五章 基于涡度相关法观测的 CO_2通量的年变化特征分析  69-81
  5.1 气象因子的变化  69-70
  5.2 稻田生态系统能量交换的年变化动态  70-73
  5.3 稻田生态系统CO_2 通量的年变化特征及影响因素  73-77
    5.3.1 稻田生态系统 CO_2 通量年变化趋势分析  73-76
    5.3.2 稻田生态系统 CO_2 通量年变化的影响因素  76
    5.3.3 稻田生态系统与其它生态系统的比较  76-77
  5.4 U*临界值的确定对年 NEE 估算的影响  77-79
  5.5 温度指标的选取对年 NEE 估算的影响  79-80
  5.6 小结  80-81
第六章 箱式法观测稻田生态系统 CO_2通量的计算方法研究  81-90
  6.1 CO_2 通量的计算方法  81-82
  6.2 试验结果与验证  82-89
    6.2.1 采样箱内CO_2浓度的变化  82-87
    6.2.2 两种拟合方法计算结果比较  87
    6.2.3 计算结果的验证  87-89
  6.3 小结  89-90
第七章 基于箱式法观测的稻田 CO_2排放及影响因素研究  90-97
  7.1 稻田CO_2 排放通量与温度因子的关系  90-92
  7.2 稻田CO_2 排放累计量与水稻生物量的关系  92-94
  7.3 稻田生态系统CO_2-C 收支  94-95
  7.4 两观测点CO_2-C 净收支与生物量关系比较  95-96
  7.5 小结  96-97
第八章 主要结论及有待进一步解决的问题  97-100
  8.1 主要结论  97-98
  8.2 有待进一步解决的问题  98-100
参考文献  100-114
符号表  114-117
作者简介  117-118
致谢  118

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中图分类: > 农业科学 > 农作物 > 禾谷类作物 > 稻
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