農(nóng)田CO2通量研究的實驗與方法

經(jīng)典word整理文檔，僅參考，轉(zhuǎn)Word此處可刪除頁眉頁腳。本資料屬于網(wǎng)絡(luò)整理，如有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除，謝謝！農(nóng)田CO通量研究的實驗與方法2摘要由于人類的活動而引發(fā)的“溫室效應(yīng)”已成為影響全球氣候變化的一個重要而不可忽視的因素，估計到21世紀中葉，大氣中的CO濃度將比工業(yè)化前增加一倍，而農(nóng)業(yè)生2了發(fā)展和重視。因此在此基礎(chǔ)上進行科學的農(nóng)田CO2通量研究就顯得十分重要。因此，在這里本文將對農(nóng)田CO通量研究的實驗與方法進行詳細的介紹。2關(guān)鍵詞：農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，CO通量，研究方法21農(nóng)田CO通量的研究現(xiàn)狀2在現(xiàn)階段，農(nóng)田CO通量的研究屬于熱門學科，各位學者對此關(guān)注都較大。這種現(xiàn)2在是現(xiàn)實需要的體現(xiàn)。因為當今社會，人們對環(huán)保與溫室效應(yīng)等這些當前熱門話題都非常關(guān)注。因此，誰能更好地研究這一領(lǐng)域才更有可能對社會做出貢獻。在過去的30使得農(nóng)田產(chǎn)量增大。但是它卻不能使凈生態(tài)系統(tǒng)交換量達到最優(yōu)。認為生長季節(jié)灌溉可以增加生物量的累積，但是也會使微生物和根呼吸有變大的趨勢。[1]根據(jù)現(xiàn)有的資料，可以推測目前所排放的CO有約25%來自土地利用的變化。由于290年代初全球土地面積近乎40%轉(zhuǎn)化為耕地或永久牧場，從而導致生態(tài)系統(tǒng)的退化，使其COCOCO的排放222源。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是碳循環(huán)的一個重要組成部分，李克讓等對中國主要農(nóng)作物類型變[2]化CO引起的凈排放進行了較為系統(tǒng)的論述。但相對于森林生態(tài)系統(tǒng)來說Baldocch[3~5]2發(fā)現(xiàn)在通量觀測網(wǎng)絡(luò)中對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO通量研究相對較少，通常對農(nóng)田的CO通量22測定是在有作物的季節(jié)測定，在休閑時期CO的排放觀測較少。[6]2現(xiàn)對這一現(xiàn)實，現(xiàn)階段可行的溫室氣體減源增匯的農(nóng)業(yè)對策主要包括3個方面：減少化肥用量、增加有機肥；作物品種的選育與推廣；退耕還林還草和農(nóng)業(yè)新技術(shù)推廣。有研究表明：與施化肥的農(nóng)田相比，不施化肥農(nóng)田的溫室氣體綜合排放效應(yīng)下降[7]15.99%，少施化肥則下降5.9%，不施化肥或少施化肥是減少溫室氣體排放的最佳措施。通過選育高產(chǎn)的優(yōu)良作物品種，貯備和培育一批高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病蟲害的作物品種，提高碳利用率，減少碳損失，進而實現(xiàn)減少溫室氣體排放的目的。1．實驗區(qū)的選擇條件試驗布區(qū)的設(shè)制要有代表性，其中擅及到許多相關(guān)的條件的選擇。本文以布設(shè)在中國科學院長武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站的試驗區(qū)為例，將詳細介紹其所需要的相關(guān)條件。此站位于黃土高原中南部，陜甘交界處的陜西省長武縣洪家鎮(zhèn)王東村。1．1具代表性的氣候由于實驗區(qū)不可能涉及到每個地區(qū)，因此所選擇實驗區(qū)的氣候必須具有代表性。而布設(shè)在中國科學院長武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站的試驗區(qū)的氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫰荡箨懶约撅L氣候。這可使得所觀測的實驗數(shù)據(jù)更有代表性。1．2充足的日照的問題。例如布設(shè)在中國科學院長武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站的試驗區(qū)的年日照時數(shù)2226.5小時，日照百分率51％，年總輻射483700J/cm。其適宜的光照將有利于農(nóng)田作物地生長。31．3合適的溫度況。因此試驗區(qū)的溫度也是一個必須考慮的因素。例如布設(shè)在中國科學院長武農(nóng)業(yè)生態(tài)1月份平均氣溫--7月份平均氣溫22.1℃，極端最高溫36.9℃。塬面全年≥0℃活動積溫3688℃，≥10℃活動積溫3029℃，多年平均無霜期171天。1．4適宜降水量水作為生命之源，在農(nóng)田作物的生長階段必須為它們提供充足的水，而這又與降水量的大小有著直接的關(guān)系。因此實驗區(qū)的選擇必須充分考慮到這一點。例如布設(shè)在中國科學院長武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站的試驗區(qū)的多年平均降水量為584.1mm，2003年為特大降雨年，降雨量超過800mm。2觀測儀器農(nóng)田CO2CO2風速溫度計(ultra-sonicanemometer-thermometer.1210R3,GillInstruments,Ltd.,UK)CO/HO氣體分析儀(infraredCO2/H2Ogasanalyzer.Li-7500,Li-cor,USA)22和氣壓計(barometer)等。而所獲得的湍流數(shù)據(jù)又必須依靠其它儀器幫助傳輸。例如湍CR5000,CampbellScientific,Inc.,USA）CO2CO/HO安裝在1m長的支臂上，并盡可能22垂直于長武站盛行風的方向CO通量研究必須依靠各儀器的[8]2使用，才能保證研究的正常進行。3觀測方法儀器還有波文比和閃爍通量儀。3.1微氣象法的誤差，同時大大改善了觀測結(jié)果的代表性，實驗裝置及觀測活動不會干擾被測區(qū)域的自然環(huán)境狀況，觀測持續(xù)時間較長，能得到被測區(qū)域微氣象要素的時間變化，進而獲得空氣動力學法，在中國微氣象法仍處于研究階段。[7]其中渦度相關(guān)技術(shù)(EddyCovarianceTechnique)是通過測定垂直風速和CO密度脈2動而直接獲得植被/大氣間的CO通量，被認為是當前最好的微氣象學方法，因為它不要2統(tǒng)CO凈交換(NEE)提供了一種可靠的方法。渦度相關(guān)技術(shù)的優(yōu)點就是能通過測量各種[9]2屬性的湍流脈動值來直接測量它們通量，和其它方法相比，它是一種直接測量亂流通量的方法，不受平流條件限制，是各種方法中較精密而可靠的方法。3.2箱法根據(jù)箱內(nèi)氣體與外界有無氣體交換的關(guān)系，箱法可以分為動態(tài)箱法和靜態(tài)箱法。靜10余年的歷史，已經(jīng)趨于成熟。研究人員通過試驗發(fā)現(xiàn)對測量地點自然環(huán)境的擾動，對光合有效輻射、溫度、濕度以及氣體組成等產(chǎn)生的干擾可能會在一定程度上改變箱內(nèi)土壤和植物與空氣間的氣體交換過程。為了降低環(huán)境因子的變化影響而采用暗箱進行的測定，僅能直接測定土壤作物系統(tǒng)的CO呼吸量，不能反映農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的CO凈交換量。透明箱法能夠22直接觀測農(nóng)作物對大氣CO2一定的誤差。PickeringandLeadley研究表明罩箱后明箱內(nèi)太陽輻射一般較箱外低[10]l0%~20%，并且衰減程度還受箱體的材料、厚度、透光度的影響。4數(shù)據(jù)處理方法4．1渦度相關(guān)技術(shù)基本假設(shè)在進行農(nóng)田CO2CO通量隨高度不發(fā)生變化的內(nèi)邊2界層即常通量層內(nèi)。對于常通量層的明確理解,可以通過CO的物質(zhì)守恒方程得到。2常通量層假設(shè)要求滿足3個條件：①穩(wěn)態(tài)；②測定下墊面與儀器之間沒有任何的源或匯(S=0)；③在足夠長的風浪區(qū)內(nèi)具有水平均勻的下墊面。4．2渦度相關(guān)技術(shù)基本理論公式4.2.1CO湍流通量2CO2湍流通量對農(nóng)田CO2直通量時，CO湍流通量可定義為：[11]2sF（1）c這里ρ是干空氣密度，sCO混合比率的脈動，w2利用坐標軸系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)迫使w為0，從而可以消除平均垂直通量。由于大多數(shù)傳感器不能直接測量CO混合比率，而是測定CO的密度，因此由于水氣和熱量對密度脈動效應(yīng)的存22在，必須對測定結(jié)果進行WPL校正。4.2.2凈生態(tài)系統(tǒng)CO交換2凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換的計算在農(nóng)田CO通量計算中有著重要的作用。它是其研究中一2個重要參數(shù)，以下是對其的簡單介紹。CO2也就不能傳輸?shù)綔y定儀器的高度。在這種條件下觀測高度以下的儲存項不為零，因此只有在渦度相關(guān)測定結(jié)果中加入儲存項，才能真正評價土壤和植被與大氣間交換的CO通2量。凈生態(tài)系統(tǒng)CO交換定義為：[11]2N(w)z（2）dzctecr02。25農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO通量研究影響因素2農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2溫度的響應(yīng)。它們能從不同的方面所映出農(nóng)田CO通量的研究結(jié)果好壞，對實驗有著至2關(guān)重要的作用。5.1摩擦風速臨界值摩擦風速臨界值之所以作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2通量影響因素，是因為它與渦度有一CO2CO2的精確性降低導致夜間COu與CO通量的關(guān)系可確定一個臨*22界u,，在u>0.15ms時，CO通量隨u的增加而趨于穩(wěn)定，這些值可以認為是正確的，而1***2在u<0.15ms所觀測的CO通量將舍去。它可以幫助研究人選擇對面實驗更有用的數(shù)據(jù)。1*25.2生態(tài)系統(tǒng)呼吸生態(tài)系統(tǒng)呼吸在一定程度可以反映CO2通量的變化情況，它與整個研究過程有著重要的聯(lián)系。5．2．1生態(tài)系統(tǒng)呼吸人們通常用生態(tài)系統(tǒng)呼吸來說明一個生態(tài)系統(tǒng)的CO2和植物地上部分呼吸，而土壤呼吸又包括土壤微生物呼吸和植物根系呼吸。影響土壤微生物呼吸的因子主要有：溫度、含水率和有機質(zhì)。溫度影響微生物分解過程，通過研究發(fā)現(xiàn)較高溫度下的微生物優(yōu)勢種群能夠分解較低溫度下微生物種群所不能利用的有機物，且證實了微生物種群組成和結(jié)構(gòu)確是隨著溫度的變化而改變。研究表明，微生物呼吸速率一般在接近土壤田間持水量(或體積含水量占總孔隙的60%)的情況下最大，含水量在此之下時，呼吸速率與含水量正相關(guān)，反之負相關(guān)。有機質(zhì)中易降解部分是土壤呼CO2子有溫度和水分，研究證明細根呼吸與土壤溫度呈顯著的指數(shù)相關(guān)關(guān)系。5.2．2生態(tài)系統(tǒng)呼吸對溫度的響應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)呼吸對溫度的響應(yīng)特征通?？梢杂肔loyd&Taylor方程，Van’tHoff方程，Arrhenius方程描述，這些呼吸方程已得到廣泛的認可和應(yīng)用。6農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO通量研究影響重要性2農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2通量研究對現(xiàn)今的溫室效應(yīng)及農(nóng)田作物生態(tài)頭部有著重要的意義。它可以幫助人們了解農(nóng)田作用對溫室效應(yīng)的貢獻情況，同時人們也可以根據(jù)作物不同生態(tài)時期CO2通量的變化情況來判斷作物的生態(tài)情況，以此來保證農(nóng)作物健康的生長和高產(chǎn)量的生產(chǎn)。環(huán)境變化的響應(yīng)/入的研究工作。農(nóng)田作物作為中國農(nóng)業(yè)的重要板塊在溫室氣體排放量上占據(jù)顯著地位[12]節(jié)期是植物營養(yǎng)器官旺盛生長、生殖器官逐漸分化形成的時期，也是植物CO排放量較2大的時期。拔節(jié)期農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO通量的研究有利于減少溫室氣體的排放。[13]26總結(jié)變化的響應(yīng)/適應(yīng)和開展陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的集成性研究，仍然需要開展大量、深入這一點毫無疑問的。1SuykerA.E.etal,Growingseasoncarbondioxideexchangeinirrigatedandrainfedmaize.AgriculturalandForestMeteorology,2004,124:1-13.2李克讓編著.土地利用變化和溫室氣體凈排放與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán).氣象出版社,2002:133-154.3張旭東,彭鎮(zhèn)華,漆良華等.生態(tài)系統(tǒng)通量研究進展.應(yīng)用生態(tài)學報,2006,16(10):1976-1982.4王文杰,于景華,毛子軍等.森林生態(tài)系統(tǒng)CO通量的研究方法及研究進展.生態(tài)學2雜志,2003,22(5):102-107.5AubinetM,GrelleA,IbromAetal.EstimatesoftheannualnetcarbonandwaterexchangeofEuropeanforests:TheEUROFLUXmethodology.AdvanceEcologyResearch,1999.30:113-176.6DennisD,Baldocchi,ChristophAetal,Seasonalvariationofcarbondioxideexchangeratesaboveandbelowaborealjackpineforest.AgriculturalandForestMeteorology,1997,83:147-170.7周廣勝編著.全球碳循環(huán)第一版氣象出版社,2003:162-189.8李雙江.黃土塬區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水、熱、碳通量研究.中國科學院研究生院博士學位論文.9XuhuiLee.Onmicrometeorologicalobservationsofsurface-airexchangeovertallvegetation.Agriculturaland