玉米农田土壤呼吸作用动态与模拟研究

利用动态密闭气室法(Licor-6400-09)，对锦州玉米生长季(5～9月)农田土壤呼吸作用动态及其影响因子进行连续两年的野外动态观测，分析表明，在植株尺度上，玉米地土壤呼吸作用存在明显的空间异质性，较高的土壤呼吸速率通常出现在靠近玉米植株的地方。玉米地土壤呼吸作用的日变化为不对称的单峰型曲线，最小值和最大值分别出现在6:00～7:00和13:00左右。2005年玉米生长季土壤呼吸速率均值为3.16 µmol CO2 •m-2•s-1，最大值为4.77 µmol CO2 •m-2•s-1，出现在7月28日，最小值为1.31 µmol CO2 •m-2•s-1，出现在5月4日。 植物根系生物量的分布格局是影响土壤呼吸作用空间异质性的关键因素。土壤呼吸作用与根系生物量呈显著的线性关系，而土壤湿度、土壤有机质、全氮和碳氮比对土壤呼吸作用空间异质性的影响并不显著。在土壤呼吸作用日变化中，土壤呼吸速率(SR, µmol CO2 •m-2•s-1)与10 cm土壤温度(T, ℃)均呈显著的指数函数关系 。在季节尺度上，参数α和β是波动的，玉米净第一性生产力(NPP, g •m-2 •d-1)和生物量(B, g •m-2)分别为影响参数α和β季节性波动的主导因素。鉴于此，建立了方程 用以模拟土壤呼吸作用的季节变化。土壤温度、NPP和生物量共同影响着玉米生长季土壤呼吸作用的季节性变化，它们共同解释了土壤呼吸作用季节变化的93%。 小时尺度上，土环中的根系生物量是影响土壤呼吸速率空间变异的关键因子，土壤呼吸速率与根系生物量呈线性关系 ;日时间尺度上，土壤呼吸速率与根系生物量线性方程中的参数α和β是波动，土壤温度是影响α和β波动的主导因素，于是得到方程 。季节时间尺度上，土壤呼吸作用可表达为 ，土壤温度、土壤湿度和玉米NPP共同驱动着玉米生长季土壤呼吸作用的时间变化和空间变异，它们可以解释玉米生长季土壤呼吸作用时空变化的74%。 通过建立土壤呼吸作用与玉米根系生物量的回归方程，对根系呼吸作用占土壤呼吸作用的比例进行了间接估算。玉米生长季根系呼吸作用占土壤呼吸作用的比例在43.1～63.6%之间波动，均值为54.5%。假定玉米果实和秸杆中的碳在收获期间没有从农田中转移走，2005年整个生长季玉米生态系统的碳收支为–1127.0 gC•m-2，碳交换速率在 0.52～-18.05 g C•m-2 •d-1 之间波动。玉米生长初期，玉米生态系统表现为C的弱碳源;玉米播种后35天一直到收获，玉米生态系统表现为碳汇。

玉米农田水热碳通量动态及其环境控制机理研究

陆地生态系统与大气之间的水热碳交换是物质、能量循环的关键过程，一直以来都为研究者们所关注。进入20 世纪以来，特别是随着人们对全球气候变暖的逐步认识，气候变化对水热碳交换过程的影响及其对气候变化的响应研究更加备受关注。本研究以2004~2006 年近三年的涡度相关系统连续观测数据为依托，分析了雨养玉米农田水热碳通量的动态及其影响因子。研究表明，玉米农田水热通量(WHF) 呈显著的单峰型日变化， 日最大值出现在正午12:00~13:00，WHF 变化同步。潜热通量(LE)的季节变化规律与日变化相似，冬季小夏季大，年最大值与最小值分别出现在7 月和1 月。显热通量(Hs) 季节变化也呈单峰型，但年最大值出现在5 月，这主要与降水以及作物生长有关。半小时尺度上，WHF 主要受辐射控制，而日峰值受辐射峰值以及植被生长的双重影响；日尺度上，只要有降水过程，Hs 就会随土壤水分的增大而减小，降水停止后逐渐恢复。而降水对LE 的影响受到可用能量(AE)的干扰，表现出复杂的变化趋势。总的来说，降水持续时间越长AE 越少，对LE 的抑制越大；季节尺度上，WHF 受热量与水分的双重制约。Hs 随着天气回暖后第一次较大降水过程的出现呈现明显下降，而LE 则呈现相反的变化趋势。随着雨季到来和作物的生长，Hs 在7 月出现低谷，而LE 呈现相反的趋势随着降水量的增加而增大；年际间WHF 的分布规律大体一致，但因气象条件等的差异，特别是降水的差异造成年际间WHF 略有不同。在不同水文年型下，水分因子的影响作用有显著差异，且WHF 对热量与水分条件变化的敏感程度也不相同。欠水年，水分因子的作用更显著，是制约WHF 变化的主要控制因子，WHF 对水分的变化更敏感；而丰水年，水分因子的影响减弱，热量的盈亏决定着WHF 变化的主要方向。在不同水文年型下，水热碳通量对水热条件的变化表现出不同的响应方式，为研究生态系统对气候变化的响应提供了参考。 净碳(C)吸收期，玉米农田净碳交换(NEE)呈显著的日变化，在日出以后由CO2 释放转变为CO2 吸收，12:30 左右达到一天中的吸收峰值，日落前出现相反的转换。而净C 释放期内，NEE 均为正值且无明显日变化。NEE 季节变化也呈单峰型二次曲线，在7 月下旬或8 月上旬达到年最大吸收率。根据NEE 的正负，一年分为三个阶段：两个C 排放期与一个C 吸收期。一般C 吸收期从6月开始到9 月结束，此前此后均为C 排放期。在半小时、日时间尺度上，光通量密度(PPFD)与NEE 有着相似的变化规律，是控制NEE 的主要因子；在日、季节尺度上，叶面积指数(LAI)和气孔导度(gs)是影响NEE 的主要生物因子，且gs 的影响程度随着发育期的变化而变化，而不同年份间LAI 对NEE 的影响没有显著的差异。几乎在所有时间步长上，土壤温度(Ts)均为生态系统呼吸(Re)的主要控制因子，时间尺度愈短，二者的相关性愈好。总的来说，在较短时间尺度上，高PPFD 与夏季低温将会促进C 的吸收，有利于C 累积。 玉米农田日最大净C 吸收速率(NEEmax, daily)以及吸收释放转换点(NEE=0)均受PPFD 控制。NEEmax, daily 出现时间与PPFDmax, daily 出现时间几乎完全一致，当PPFD 达到1 日内极大值时，净C 吸收也相应达到了日最大值。但NEEmax, daily的量值还受到其它因子的影响。当水分条件充足时，还将受到LAI、gs 等生物因子的控制。NEE 由正转为负的转换点也是由PPFD 决定。当PPFD 稳定大于PPFD*( PPFD*=100 μmol•m-2s -1)时，净C 吸收开始；当PPFD 稳定小于PPFD*时，净C 吸收由此结束。1 日内，PPFD 稳定通过PPFD*之间的时间间隔决定了日净C 吸收的时间长度。日净C 吸收的时间越长，吸收量也越大，且有明显的季节变化，7 月最长9 月最短。 按照热量水分状况将三年分组，分为I 组(水分状况相似，热量条件不同)与II 组(热量条件相似，水分状况不同)。 I 组年际间PPFD 波动是造成C 交换格局变化的关键原因。而II 组年际间C 交换格局不同是由降水量及其不同分布引起的土壤含水量(SWC)变化是造成。SWC 可以解释年际间NEE 变异的97%，而大气水汽压亏缺(VPD)可以解释30.7%；温度因子通过影响C 收支中的呼吸项，间接影响着生态系统的NEE，它可以解释年际间NEE 变异的73.9%，也是造成年际间C 交换格局不同的原因之一；另外，PPFD 和发育期早晚以及净C吸收期长度等也同样影响着C 交换格局的变化。综合两组情况来看，由水分条件年际变化引起的NEE 的波动大于能量年际变化引起的波动。总之，在较长时间尺度上，NEE 对SWC 变化比其对PPFD 变化更敏感，说明在半干旱地区土壤水分条件仍然是决定C 交换格局的主导因子。 NEE 与LE 呈线性相关，它们之间的相关性主要受温度和NEE 的控制，温度越高，二者的相关性越弱，而NEE 越大二者相关性越好。同时，作物蒸腾与土壤蒸发的比例也是影响NEE 与LE 之间关系的主要因素。蒸腾作用所占的比例越大，二者的线性关系越显著，而土壤蒸发比例越大，二者的相关性越弱。总的来说，NEE 与LE 之间的线性关系有明显的季节变化，生长季好于非生长季，夏天好于冬天。 总之，雨养玉米农田水热碳通量既具有其它农田生态系统共有的动态特征，也具有其特有特征。

黄土丘陵区农业生态系统和经济系统的互动关系——以安塞县纸坊沟小流域为例

基于1938—2007年黄土丘陵区纸坊沟流域的调查资料,利用生态系统服务价值评估方法和生态足迹理论对该流域生态系统服务价值与生态足迹进行了测算,并分析了研究区农业生态系统与经济系统的互动关系.结果表明:1938—2007年,纸坊沟流域经历了3个阶段,即生态环境破坏-经济发展落后阶段(1938—1975年)、生态环境恢复-经济迅速发展阶段(1975—2000年)和生态环境保持良好-经济稳定增长阶段(2000—2007年);该区生态经济系统的互动关系表现为"生态恶化-生态、经济相互调节、适应-生态、经济良性互动"的过程.

半湿润农田生态系统长期施肥对土壤团聚体中有机氮组分的影响

通过对黄土高原半湿润农田生态系统25年的田间肥料定位试验,研究了长期不同施肥模式对土壤有机氮组分及其在各级团聚体中分布的影响.结果表明:长期施肥对水解氨态氮、水解未知氮在土壤各级团聚体中分布的影响最大,对氨基酸态氮的分布有一定影响,而对氨基糖态氮分布的影响较小.长期施用化肥和有机肥能有效地影响水解氨态氮和水解未知氮与团聚体的结合作用,而氨基糖态氮在土壤氮循环转化过程中具有较强的稳定性.长期施肥条件下土壤水解全氮与有机碳、全氮以及团聚体分形维数均呈极显著正相关,其r分别为0.942,0.981,0.910(P<0.001),说明土壤有机氮组分对土壤团聚体的形成和性质具有显著影响.相关分析表明,土壤全氮或有机质对1～2mm和0.25～1mm土壤团聚体中各有机氮组分的影响较大