玉米农田生态系统研究范文

摘要：

农田生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分，研究其CO2通量和水汽通量的变化特征对于探讨整个陆地生态系统的碳、水循环具有重要的意义。笔者采用涡度相关系统测定了晴天条件下夏玉米农田生态系统抽穗期的水碳通量，分析其日变化特征。研究结果表明（：1）农田生态系统CO2通量随着光合有效辐射的增强而增大，用米氏方程拟合达到极显著水平，最大潜在碳通量为3.63398mg/(m²•s)；（2）CO2通量上午和下午没有明显的差异，不存在气孔抑制现象；（3）水汽通量随着光合有效辐射的增强而增大，但下午的水汽通量显著大于上午，其原因在于下午的饱和水汽压差远远大于上午，造成下午的蒸腾和蒸发更大；（4）冠层导度随时间的推移基本呈减小的趋势，到11:00左右基本保持恒定，到14:00左右随着光合有效辐射越来越弱，冠层导度逐渐减小，造成这一结果的原因可能是露水蒸发引起上午冠层导度被高估。

关键词：

玉米农田；水汽通量；CO2通量；冠层导度；日变化

随着科学技术的进步和生产力水平的提高，人类对环境的影响范围及力度迅速扩大，大气中CO2浓度的变化对全球气候的影响以及全球性水资源短缺已成为当前阻碍人类社会进步的主要问题。为寻求地球生态系统碳水循环调控管理的有效途径，对各种生态系统（海洋、陆地）水热、CO2通量进行了长期观测研究。目前，陆地生态系统CO2循环和水循环已经成为全球变化研究中关注的热点问题[1-2]。国内外研究学者正密切关注各种类型陆地生态系统碳水通量的日变化、季节变化和年际变化规律及其环境控制机制，从而估计陆地生态系统水碳通量的时空变化[3-7]。研究表明，对于全球碳水平衡来说，陆地生态系统碳水循环起着重要的作用[8]。农田作为陆地生态系统碳水循环的重要组成部分[9]，受人类活动的影响最大，对农田生态系统碳水收支进行深入研究，是全面探讨整个陆地生态系统功能不可缺少的内容。对农田生态系统中的水碳循环过程及其变化趋势的进行研究，将会帮助我们了解气候变化对农田生态系统的影响及农田生态系统的碳水循环对全球碳水循环的影响。涡度相关技术通过长期和连续的通量观测直接测定植被与大气间CO2、水热通量[10-12]，为研究生态系统尺度CO2、水汽通量的变化规律及其对环境变化的响应提供了可靠的途径，涡度相关法已成为当前地气交换研究中最先进的通量观测方法。本研究采用涡度相关技术测定了夏玉米农田生态系统CO2通量和水热通量，分析其日变化规律及与环境因子的关系，定量阐述了玉米抽穗期的水碳通量变化特征，为农业生产提供科学的数据支持，为提高农田生态系统碳积蓄能力和农田作物生产力水平及水分利用效率提供理论依据[16]，对进一步定量研究区域水碳循环及粮食安全应对气候变化的技术具有重要意义[17]。

1材料和方法

1.1试验区概况试验在位于青岛农业大学胶州现代农业科技示范园（东经120.48°，北纬36.26°）内进行，试验所在地气候属于暖温带季风气候，气候温和，四季分明，年平均气温为11~14℃，年平均日照时数为2229h，近10年的年平均降雨量为662mm。降雨主要集中在7月下旬和8月上旬。试验地土壤为砂浆黑土，pH6.78，属半湿润易旱区。观测面积为150m×200m，除了观测区域西面为果树外，其他方向与观测区内种植种类相同，均为冬小麦、夏玉米一年两熟轮作制度。夏玉米的生育期一般为6月中旬至10月上旬，冬小麦的生育期从10月上旬至次年6月上旬。在作物生长期水分供应充足。2013年6月26日种植夏玉米，品种为‘郑单958’，采取免耕带肥种植方式，行距为0.65m，株距为0.22m，肥料为N-P2O5-K2O(22-10-10)，施肥量每公顷525kg，在小喇叭口期每公顷追施尿素225kg，10月10日收获。

1.2数据测定试验采用美国Campbell公司生产的涡度相关系统在胶州试验站对夏玉米农田CO2通量、水汽通量进行了连续的定位观测。采用CSAT3型（Campbell公司）超声风速仪测定三维风速；采用LI-7500型CO2/H2O开路红外气体分析仪测定潜热、CO2和H2O的垂直通量，超声风速仪和红外气体分析仪安装在在通量塔的同一高度（玉米生长前期及中期高度为2.5m，玉米季后期高度调整至3.5m）。本套仪器安装于胶州示范园的东南部，面积为30000m2的农田的中心位置，采用全自动的气象观测系统同步测定气温、太阳辐射、大气湿度、土壤湿度、冠层温度等数据，通过CR3000采集器自动采集观测数据，每30min储存数据一次。

1.3数据处理在夏玉米抽穗期选择未进行农事操作的连续晴天（2013年9月13日至9月19日）进行分析，期间太阳光合有效辐射如图1所示。通过异常值剔除法剔除掉涡度相关系统测定的异常数据，并对涡度相关测定的潜热通量和CO2通量进行WPL校正[18]。用WPL校正后的潜热通量(LE)经过式(1)计算出水汽通量(ET)，式中ta为大气温度。

2结果与分析

2.1CO2通量、水汽通量及冠层导度的日变化特征将选取的夏玉米农田的7个晴天数据进行平均，白天光合有效辐射(PAR)、CO2通量(Fc)、的日变化特征如图2所示，水汽通量(ET)和冠层导度(Gc)的日变化如图3所示，气温和饱和水汽压的日变化如图4所示。从图2、3可以看出，上午随光合有效辐射的增强，CO2通量和水汽通量增大；下午随光合有效辐射的减弱，CO通量和水汽通量减小。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，最值分别出现在12:30和14:00。图4中，进一步分析冠层导度的日变化发现，冠层导度也随着光合有效辐射的变化而变化。日出后，冠层导度随时间的推移基本呈减小的趋势，到11:00左右基本保持恒定，到14:00左右冠层导度明显减小。

2.2水分利用效率的日变化特征用CO2通量(Fc)和水汽通量的比值来计算出农田水分利用效率，计算式如(2)所示，农田水分利用效率(WUE)的日变化规律如图5所示。由图5显示可知，农田水分利用效率上午随时间的推移越来越小，而在中午前后达到恒定，下午基本保持不变直至傍晚，随着光合有效辐射的减小，光合的同化作用减弱，使得水分利用效率急剧减小。CO2通量和水汽通量的关系（图6）表明，水汽通量与CO2通量之间存在着显著的耦合响应，这与王志强等[19]的研究结果一致。从图中可以看出上午和下午水汽通量和CO2通量的关系存在着显著差异，在一天中二者关系形成了一个“环状”结构。

2.3CO2通量对光合有效辐射的响应白天生态系统CO2通量对光合有效辐射的响应如图7所示。从图7可以看出，净生态系统碳通量随光合有效辐射的增强而增大，但随着光合有效辐射的增强，碳通量增大的趋势逐渐减弱。CO2通量(Fc)对光合有效辐射(PAR)的响应可以用Michaelis-Menten方程式(3)进行拟合（图7）。

2.4水汽通量和冠层导度对光合有效辐射的响应白天水汽通量对光合有效辐射的响应如图8所示。从图8可以看出，水汽通量与光合有效辐射之间存在极显著的线性关系。无论是上午还是下午，水汽通量都会随着光合有效辐射的增大而增大，在相同的光合有效辐射下，上午的水汽通量明显小于下午。冠层导度对光合有效辐射的响应如图9所示。从图9可以看出，在上午10:00之前，冠层导度与光合有效辐射之间没有明显的响应关系；而从10:00以后到傍晚，冠层导度都会随着光合有效辐射的减小而减小，具有显著的线性关系。

3结论

在玉米抽穗期晴天条件下，农田生态系统CO2通量随着光合有效辐射的增强而增大，用米氏方程拟合达到极显著水平，上午和下午没有明显的差异，不存在气孔抑制现象；水汽通量随着光合有效辐射的增强而增大，但下午的水汽通量显著大于上午，其原因在于下午的饱和水汽压差远远大于上午，造成下午的蒸腾和蒸发更大；冠层导度随时间的推移基本呈减小的趋势，到11:00左右基本保持恒定，到14:00左右随着光合有效辐射越来越弱冠层导度逐渐减小，造成这一结果的原因可能是露水蒸发引起上午冠层导度被高估。

4讨论

4.1上午冠层导度偏大的原因图9显示，上午8:00—10:00冠层导度偏大。导致上午冠层导度偏大的原因可能与露水有关。在夏玉米抽穗期的9月中旬，田间高湿和较大的昼夜温差会形成大量露水，而这些露水会随着太阳升起、气温升高而开始蒸发，露水蒸发加大了农田冠层水汽扩散的强度，但由于涡度相关系统无法区分地表蒸发、露水蒸发以及气孔蒸腾，因此，会因为露水蒸发造成冠层导度高估。到10:00前后，随着露水蒸发完成，冠层导度主要由地表蒸发和气孔蒸腾引起，冠层导度被高估的现象消除。

4.2上午和下午碳通量对称响应的原因碳通量主要反应光合作用对碳的同化作用，而光合作用主要受光合有效辐射的影响，由图2可知，一天中光合有效辐射随时间基本呈正弦分布，上午的光合有效辐射和下午保持对称，使得上午的CO2通量和下午也出现对称。由碳通量的对称响应，也反证了C4作物玉米田不存在气孔抑制现象。假如存在气孔抑制现象，必然造成碳通量的非对称响应[20]。

4.3上午和下午水汽通量非对称响应的原因水汽通量由田间蒸发和气孔蒸腾组成。蒸腾主要由气孔控制，气孔导度对光合有效辐射呈米氏响应[21]，在上午和下午的光合有效辐射差异不大（图2）且不存在气孔抑制现象的情况下，气孔导度在上午和下午差异并不明显。但蒸腾同时又会受到饱和水汽压差的控制，气孔导度相同的情况下，饱和水汽压差越大，蒸腾越强；对于蒸发而言，蒸发速率主要受饱和水汽压差的控制，饱和水汽压差越大，蒸发越大。由于下午的饱和水汽压差远远大于上午（图4），这就必然造成下午的蒸腾和蒸发更大。因此，下午的水汽通量明显大于上午。

作者：曹元元 王娟 王建林 单位：青岛农业大学农学与植物保护学院 青岛农业大学理学与信息科学学院