人类活动干扰下草原温室气体地-气交换特征及碳平衡研究

放牧和开垦目前是内蒙古草原最主要的两种人类生产活动，采用静态箱一气象色谱法对这两种土地利用方式下草原主要温室气体(CH4、N20和C02)地-气交换通量进行了原位观测，同时结合草原生态系统碳循环特征对放牧生态系统碳素收支状况进行了初步探讨，首次对开垦前后内蒙古草原CH4吸收和NzO排放的季节、昼夜变化特征进行了分析研究，对不同牧压梯度下内蒙古草原碳的损失进行了估算。主要研究结果包括以下4个方面： 1．内蒙古草甸草原开垦是大气CH4的汇，开垦为农田后，土壤．植物系统吸收大气CH4的能力增强。测定期间，农田与邻近的天然草原CH4平均吸收通量为23.38和24.57 ugCm'2h．1;尽管农业活动改变了草原CH4地．气交换通量，但是通量的量级仍是由当地季节性变化的气候条件决定的，其CH4吸收通量具有强烈的季节变化规律，表现为“春秋季高，夏季低”的特点;耕作使得土壤-植物系统CH4吸收通量的季节变化趋于平缓。 2．内蒙古天然草甸草原是大气N20的源。测定期间的平均排放通量为1.922ugNm'2h．1，通量范围为-0.484~7.425 ugNm.2h．1;天然草原N20排放具有明显的昼夜变化规律和季节变化特征，排放通量出现两个高峰期，整个生长季表现为高(5月中旬)一低（5月下旬至7月中下旬）一高（7月下旬至8月中旬）一低（8月下旬至9月）的趋势;农垦增强了土壤．植物系统排放N2O的能力。观测期间平均排放通量为2.914 ugNm'2h-l，比天然草原高52%，排放通量的季节规律性减弱，整个生长季呈现波动性变化，通量变化与天然草原相比趋于平缓。 3．内蒙古冷蒿小禾草草原与天然草甸草原一样，起着CH4汇、NzO源的功 能。主要温室气体CH4、N2O和C02的地．气交换通量受水热因子控制，与温度之间存在显著相关关系，具有季节变化特征：时间尺度对于讨论不同放牧压力下甲烷通量具有重要意义，不同放牧率处理9年后，土壤吸收甲烷的能力在当地自然气候条件下没有显著变化;放牧对草原N20排放通量影响显著，依次是轻度放牧<围栏封育<中度放牧<重度放牧;放牧增大了C02排放通量，观测期间四种处理间C02通量差异显著，C02排放通量四种处理依次为：围栏封育<轻牧<重牧<中牧。 4．对内蒙古草原放牧条件下碳收支状况的研究表明，冷蒿-小禾草草原受自然条件和人为因素双重作用存在由碳库（积累碳）向碳源（释放碳）转化的可能性。

开垦和放牧对内蒙古草原土壤碳库和温室气体通量的影响

本文采用野外观测和室内测定相结合的方法，研究了内蒙古草原两种主要的土地利用方式（开垦和放牧）对土壤碳库和温室气体通量的影响，结果如下： 1．内蒙古草甸草原开垦后30年后，与天然草原相比，在休闲年份0～20 cm土壤有机碳和土壤微生物量碳含量均没有显著下降，但开垦导致土壤易分解碳下降了24%。土壤易氧化碳受季节性水热因子的驱动，表现出明显的季节变化动态。因此，土壤易分解碳的较土壤碳库的其他组分对开垦更敏感，是表征土壤管理措施引起有机质变化的一个重要指标。 草原开垦后，土壤-植物系统氧化大气甲烷的能力明显提高，农田和天然草原CH4平均吸收通量分别是48.9 和 29.0 μg C m-2 h-1，开垦后增加了1.7倍。开垦没有改变CH4吸收通量 “夏季高秋季低” 的季节变化规律（由降水决定）;开垦使N2O的平均释放通量增加了47%，农田和天然草原N2O平均吸收通量分别是56.6 和 38.6 ugN m-2 h-1;开垦同时也增大了通量的变异幅度;但没有改变N2O季节变化规律，只是出现高峰的时间较天然草原推后约10天左右。 2．开垦后的农田土壤在模拟添加厩肥后，刺激了土壤微生物的呼吸代谢，使CO2的释放量增加了5-7倍。试验期间总体排放的CO2中，约60%来源于羊粪，40% 来源于土壤。两种土壤即羊草顶级草原土壤（高碳高氮）和冷蒿－小禾草退化草原土壤（低碳低氮），在CO2的释放总量和释放比例上都没有显著性差异。添加厩肥均造成两种土壤碳库的净碳损失，并且退化草原土壤（7.0%）的土壤净碳损失要大于羊草草原（2.6%）。说明与开垦后的高C土壤相比，在已经退化草原的低C土壤上施厩肥将趋向于土壤更大的净碳损失。 3．自由放牧22年后，羊草草原0～10 cm土壤有机碳、微生物量碳和易分解碳分别下降了14.1%、27.9%和22.0%;大针茅草原0～5 cm土壤有机碳和微生物量碳分别下降了27.6%和38.2%。两类草原土壤碳组分的季节变化受水热因子的驱动，大针茅草原季节波动出现高峰的时间较羊草草原迟。土壤微生物量碳在表征羊草草原和大针茅草原土壤碳素的动态变化时，要敏感于土壤总有机碳。放牧对冷蒿-小禾草草原土壤各碳素组分影响不明显。在表征放牧对冷蒿-小禾草草原土壤的影响指示上，MB-C/ Org-C和Lab-C/ Org-C要比MB-C和Lab-C更加敏感。这说明在研究放牧对草原土壤碳库影响时，不同的草原类型应使用不同的指标来表征其变化。 内蒙古羊草草原是大气CH4的汇，自由放牧增加土壤对CH4的吸收。CH4平均吸收通量增加了27%，但CH4吸收的季节变化形式没有改变;放牧使。自由放牧还增大了N2O的排放通量，将原来N2O源、汇的双重功能改变为单一的源功能;放牧使N2O平均释放通量增加了1倍;放牧显著增加了羊草草原向大气排放CO2的量（p<0.05），并且年度排放量范围也有所增大。 4．草原羊尿斑土壤的pH和NH4+浓度在施后显著升高，但土壤微生物C和N没有明显变化，尿斑N素会发生大量的流失。粪斑和厩肥斑中各有46%和27%的N素分解后转移到植物中。羊草种群斑块上粪尿斑引起CO2和N2O通量的变化，要大于星毛委陵菜种群斑块。与植被类型的影响相比，羊粪尿斑尤其是尿斑对温室气体通量的影响更大。尿斑既降低了土壤对CH4的吸收，又增加了CO2和N2O的释放，使粪尿斑上相当于CO2的净排放量比对照土壤增加了15%。 在内蒙古草原中等放牧条件下，家畜粪尿斑在放牧草地上的覆盖面积约只有2%，与未被家畜排泄物覆盖的草原土壤 相比，粪尿斑对内蒙古草原温室气体总体收支产生的影响可以忽略不计。因此内蒙古草原地区温室气体减排措施的重点，应放在家畜的食性食量对温室气体的影响以及厩肥的科学利用上。但随放牧强度的加大，家畜排泄物覆盖草地的面积将大大增加，加之放牧生态系统中家畜瘤胃代谢产生的的大量温室气体，其对草原温室气体的核算将会产生的影响也是不容忽视的。

增温与土地利用变化对青藏高原高寒草甸生态系统温室气体通量影响的研究

随着青藏高原气候变暖进程及放牧压力与开垦面积的逐年加大，非常有必要评价青藏高原高寒草甸生态系统温室气体通量对气候变暖、放牧（包括粪尿斑）和开垦的响应和反馈。与此同时，我们进行了粪尿斑及开垦对土壤理化性质影响研究。本研究对于青藏高原高寒草甸C、N循环关键过程对全球变化响应的认识具有重要意义。 本文通过2年（2006-2007）增温（白天+1.2℃，晚上+1.7℃）与放牧耦合试验，在生长季观测了增温与放牧对高寒草甸生态系统温室气体通量的影响。研究初步表明，增温试验显著增加10 cm土壤温度1℃左右；在放牧频度相对较高的2007年，放牧也显著增加了土壤温度1℃左右。总体上，增温对土壤湿度的影响不显著。 增温可以促进土壤对CH4的吸收，而放牧对CH4通量影响不大或起到一定程度抑制作用。在较低放牧频度的2006年，放牧显著降低了植物-土壤系统CO2总释放量，增温促进了CO2的释放。而在放牧频度相对较高的2007年生长季，没有发现增温及放牧对土壤-植被系统CO2释放显著的影响。2006年放牧后，增温促进了高寒草甸土壤N2O的释放；2007年，增温不放牧小区N2O总通量较对照增加了24.6%，同时放牧处理也促进了N2O释放。基于土壤温度和土壤湿度的线性回归模型可以解释55%-89%的CH4通量变异，而土壤湿度较土壤温度对CH4通量影响更大。土壤温度是影响CO2和N2O通量的主要因子，通过拟合的指数型曲线，土壤温度可以分别解释43%-63%CO2通量变异与65%-81%N2O通量变异。 在2005年与2006年夏季放牧期间，对牦牛粪尿斑处理对高寒草甸CH4、CO2和N2O通量进行了观测。牛粪小区2年观测期内CH4平均通量为687 μg m-2 h-1，而尿斑和对照土壤吸收CH4（平均通量分别为-34 μg m-2 h-1和-39 μg m-2 h-1）。牛粪小区CO2在2005年和2006年观测期内累积释放量较对照分别增加了35.8%和49.7%，而牛尿小区与对照累积释放量差异不显著。牛尿与牛粪小区N2O累积释放量显著高于对照，在2005年牛尿与牛粪小区N2O累积释放量较对照分别增加了3.7和3.5倍，而在2006年分别增加了2.1和1.8倍。因此，在估算放牧高寒草甸生态系统N2O释放时，来自牛粪斑释放量是不能被忽略的。但在中等放牧强度下（1.45头ha-1 y-1），有粪尿斑覆盖的高寒草甸在观测期内全球变暖潜势较相同面积没有粪尿斑覆盖的草甸仅增加了1%。土壤水分孔隙度（WFPS）可以解释牛尿小区35%和对照小区36%CH4通量变异。土壤温度是控制CO2释放的主要因子之一，它可以解释所有处理40-75% CO2的变异。牛尿处理（34%）、牛粪处理（48%）及对照（56%）N2O时间变异则同时受土壤温度和WFPS的驱动。在观测期内，牛尿可以显著提高土壤的pH值。粪尿斑对土壤微生物量碳氮没有产生显著性影响，但在一定时段内能显著增加土壤无机氮含量。 通过在青藏高原高寒草甸开展的人工草地试验，初步探讨了不同土地利用方式（种植燕麦、开垦后闲置及自然恢复）对CO2、CH4和N2O通量，以及土壤无机氮和微生物量氮的影响。燕麦地、自然恢复草地及开垦闲置地与天然草地相比，吸收CH4的能力均表现为增强（CH4的吸收总量分别增加了31.9%、57.2%和71.0%）。由于燕麦地生物量低于天然草地与恢复草地，造成了燕麦地土壤-植被CO2释放量低于天然草地和恢复草地。而闲置地几乎没有植被覆盖，其CO2释放量显著低于天然草地。草地恢复8年后，CO2释放基本恢复到天然草地的水平。闲置地N2O总通量显著高于天然草地，较天然草地增加了60.5%。观测期内燕麦地与天然草地相比，N2O总通量增加了24.3%，但没有达到显著性水平。开垦及种植燕麦，增加了土壤硝态氮的含量，而自然恢复地、燕麦地、天然草地和闲置地在观测期内土壤铵态氮平均含量没有观察到显著性差异。燕麦地土壤微生物量氮平均含量最低（119.7 mg N kg-1），而自然恢复草地、天然草地和闲置地土壤微生物量氮差异不大。

Estimates of the surface heat fluxes in Antarctic waters

The authors have attempted to compute the heat balance terms on the basis of formulas by Budyoko (1974). Some of the meteorological and oceanographic data were collected during the Trans Antarctic Expedition (1989-90). These data were supplemented by the data (1956-1988) made available by the national climatic center of NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). Monthly means of sea surface temperature in Antarctic waters and meteorological data at a station (77°51'S; 166°39'E) 33m above sea level are given.

A 5-step reduced mechanism for combustion of CO/H2/H2O/CH4/CO2 mixtures with low hydrogen/methane and high H2O content

In this study a 5-step reduced chemical kinetic mechanism involving nine species is developed for combustion of Blast Furnace Gas (BFG), a multi-component fuel containing CO/H2/CH4/CO2, typically with low hydrogen, methane and high water fractions, for conditions relevant for stationary gas-turbine combustion. This reduced mechanism is obtained from a 49-reaction skeletal mechanism which is a modified subset of GRI Mech 3.0. The skeletal and reduced mechanisms are validated for laminar flame speeds, ignition delay times and flame structure with available experimental data, and using computational results with a comprehensive set of elementary reactions. Overall, both the skeletal and reduced mechanisms show a very good agreement over a wide range of pressure, reactant temperature and fuel mixture composition. © 2012 The Combustion Institute..

Experimental investigation of dynamic response of acoustically forced turbulent premixed CH4/CO2/air flames

Increasing demand for energy and continuing increase in environmental as well as financial cost of use of fossil fuels drive the need for utilization of fuels from sustainable sources for power generation. Development of fuel-flexible combustion systems is vital in enabling the use of sustainable fuels. It is also important that these sustainable combustion systems meet the strict governmental emission legislations. Biogas is considered as one of the viable sustainable fuels that can be used to power modern gas turbines: However, the change in chemical, thermal and transport properties as well as change in Wobbe index due to the variation of the fuel constituents can have a significant effect on the performance of the combustor. It is known that the fuel properties have strong influence on the dynamic flame response; however there is a lack of detailed information regarding the effect of fuel compositions on the sensitivity of the flames subjected to flow perturbations. In this study, we describe an experimental effort investigating the response of premixed biogas-air turbulent flames with varying proportions of CH4 and CO2 to velocity perturbations. The flame was stabilized using a centrally placed conical bluff body. Acoustic perturbations were imposed to the flow using loud speakers. The flame dynamics and the local heat release rate of these acoustically excited biogas flames were studied using simultaneous measurements of OH and H2CO planar laser induced fluorescence. OH* chemiluminescence along with acoustic pressure measurements were also recorded to estimate the total flame heat release modulation and the velocity fluctuations. The measurements were carried out by keeping the theoretical laminar flame speed constant while varying the bulk velocity and the fuel composition. The results indicate that the flame sensitivity to perturbations increased with increased dilution of CH4 by CO2 at low amplitude forcing, while at high amplitude forcing conditions the magnitude of the flame response was independent of dilution.

Scaling arguments for the fluxes in turbulent miscible fountains

For established axisymmetric turbulent miscible Boussinesq fountains in quiescent uniform environments, expressions are developed for the fluxes of volume, momentum and buoyancy at the outflow from the fountain: the outflow referring to the counterflow at the horizontal plane of the source. The fluxes are expressed in terms of the fountain source conditions and two dimensionless functions of the source Froude number, Fr0: a radial function (relating a horizontal scale of the outflow to the source radius) and a volume flux function (relating the outflow and source volume fluxes). The forms taken by these two functions at low Fr0 and high Fr0 are deduced, thereby providing the outflow fluxes and outflow Froude number solely in terms of the source conditions. For high Fr0, the outflow Froude number, Frout, is shown to be invariant, indicating (by analogy with plumes for which the 'far-field' Froude number is invariant with source Froude number) that the outflow may be regarded as 'far-field' since the fluxes within the fountain have adjusted to attain a balance which is independent of the source conditions. Based on Frout, the fluxes in the plume that forms beyond the fountain outflow are deduced. Finally, from the results of previously published studies, we show that the scalings deduced for fountains are valid for 0.0025 ≲ Fr0 ≲ 1.0 for low Fr0 and Fr0≳ 3.0 for high Fr0. © 2014 Cambridge University Press.

潮棕壤不同土地利用方式甲烷和氧化亚氮排放研究

本文以下辽河平原潮棕壤农田生态系统（水稻、玉米、大豆、小麦、撂荒地和人工林）为对象，应用静态箱／气相色谱法对主要温室气体在作物生长季和非生长季节的CH4和N2O通量动态变化进行了观测研究，同时测定了相关土壤因子的变化。结果表明：在土壤融化期间，农田土壤是大气N2O的一个重要源以及大气CH4的汇。在农田生态系统的生长季中，水稻、玉米、大豆、小麦的三种处理（常规、无氮和无作物）的植物一土壤系统均为大气N2O的源。水稻植株的参与使得稻田CH4排放量增加了109％。当土壤Eh降到-150mv以下时，稻田土壤CH4排放剧烈。土壤湿度也是制约旱田N2O释放的关键因素。土壤温度不是影响温室气体排放的主要因子；氮肥（150kg／hm2N）的施用使得稻田、玉米田和春小麦田N2O的排放增加了49％、288％和10％。在全年范围内，撂荒地和人工林的土壤一植物系统是大气NZO的源。撂荒地是大气CH4的源，而人工林则是大气CH4的汇。当土壤含水量在20％以上时，其与CH4气体排放具有显著正相关关系。水稻三种处理的土壤植物系统是大气CH4的显著源，除了人工林的土壤系统是大气CH4的微弱汇，其他生态类型的土壤均为大气CH4的微弱源。农田生态系统的几种作物土壤系统均为大气N2O的源，但年排放量差异不明显，相对来说，不施肥的撂荒地和人工林的N2O年排放量很小。