玉米农田行尺度土壤热特性变异特征及其对土壤含水量和温度的响应

本研究采用定位试验,利用热脉冲技术监测了玉米农田行尺度4个位置处(1/2行间、1/4行间、棵下和棵间)以及两个深度(2 cm和4.5 cm)土壤热特性的时空变异规律,并分析了土壤温度和含水量对土壤热特性的影响。结果表明,在试验期间,热导率、热容量和热扩散率的变化范围分别为0.66~2.22 W/(m·K)、1.46~4.49 MJ/(m^(3)·K)和4.07×10^(–7)~6.88×10^(–7)m^(2)/s。降雨之后,热导率和热容量增加,且随着时间推移逐渐降低。2cm深度的土壤热特性的波动较大,棵下位置土壤热导率和热容量值最大,波动最为明显;土壤热扩散率在1/2行间位置最大。在4.5 cm深度,各位置土壤热特性变化趋势基本一致,土壤热导率和热容量值在1/2行间位置最大,土壤热扩散率在棵间位置最大。综合两个土层数据得出1/4行间位置的热导率和热容量更具代表性。本研究中土壤热特性对土壤含水量的响应规律较为明显,随着土壤含水量增加,热导率和热容量线性增加,热扩散率则表现出先增加后降低的规律。在测定的土壤温度范围内,热扩散率随土壤温度增加呈上升趋势。该研究可以为农田水热管理提供科学依据。

玉米农田水热通量动态与能量闭合分析

基于锦州农田生态系统野外观测站玉米农田涡度相关系统近2年的水热通量观测数据,分析了玉米农田水热通量的日际、年际变化特征及其能量平衡状况。结果表明:1)玉米农田水热通量日变化与年变化均呈单峰型二次曲线,峰值出现在12∶00～13∶00左右,与净辐射的日变化、年变化同步,潜热通量最大可达到655w.m-2(出现在2004年7月8日13∶00),显热通量最大值大约为369w.m-2(出现在2004年5月31日13∶00)。2)玉米农田水热通量强度与局地的环境条件密切相关:显热通量与大气压的年变化呈负相关,潜热通量与气温年变化呈正相关。水热通量受降水的影响较大,对降水的反应较敏感。其中,潜热通量(LE)不仅与降水的强度有关,而且随着降水的季节分布的不同而出现不同的响应,即使同样量级的降水在夜间与白天对LE的影响也是不同的。3)玉米农田通量观测呈现能量不闭合现象,主要原因可能是未包含0～5cm土壤热储量与冠层热储量,造成大约15.5%的能量损失。

华北平原小麦-玉米农田生态系统服务评价

本研究于2006年和2007年在中国科学院栾城农业生态系统试验站田间试验基础上,评价了华北平原小麦-玉米农田的初级产品生产、气体调节、土壤有机质累积、水调节和氮素转化等5项生态系统服务。研究表明,华北平原小麦-玉米农田初级产品量包括籽粒产量5.04～5.71 t·hm-2.a-1(小麦)和6.69～8.24 t·hm-2.a-1(玉米),秸秆量8.58～9.72 t·hm-2.a-1(小麦)和6.97～8.58 t·hm-2.a-1(玉米);农田气体调节包括释放O2 24.99～28.64 t·hm-2.a-1,固定CO2 34.23～39.22 t·hm-2.a-1,排放N2O 0.72～1.13 kg·hm-2.a-1,吸收CH4 3.39～5.70 kg·hm-2.a-1;农田耕层土壤有机质累积量为1.13～2.39 t·hm-2.a-1;水资源消耗量为2 890～3 830 m3.hm-2.a-1;农田土壤氮素几乎都处于亏缺状态,变化范围为-107.73～5.33 kg(N).hm-2.a-1,不施氮肥农田亏缺较多。综合评价发现,小麦-玉米农田提供生态服务的经济价值为5.48～6.25万元·hm-2.a-1,是粮食生产价值的3倍左右。氮肥施用对农田生态系统服务及其产生福利的影响较为复杂,这主要是由于施加氮肥明显增加了氮素转化功能导致的经济损失,而同时可能会增加初级产品生产、气体调节中作物固定CO2和释放O2功能的经济价值。尽管目前有关生态系统服务评价研究主要关注生态系统产生的正效应,但仍有必要对农田产生的负效应做出评价,以便客观看待农田生态系统价值,正确认识农田生态系统对人类福利的影响。

地表反照率动态参数化对陆-气通量模拟的影响:以东北玉米农田为例

利用考虑了生物因子(叶面积指数)和环境因子(太阳高度角、表层土壤湿度)影响的地表反照率α动态参数化方案对BATS1e模型进行改进,基于2008年玉米农田生态系统的通量、气象及生物因子的连续观测资料,研究α动态参数化对玉米农田生态系统与大气间通量交换的影响。结果表明,引入α动态参数化方案后,模型实现了地表反照率α的日、季动态模拟,模型效率系数提高0.65,误差明显减小,使陆-气通量交换热力作用的模拟准确性有所提高,其中,净入射短波辐射模拟改进最为明显,全年改进量为81772kJ/m2,占年总辐射的1.7%;表层土壤温度的年均改进量为0.62K,多数月份的改进量在1K以上。另外,模型改进实现了叶面积指数和植被覆盖度等决定下垫面性质各参数的动态变化,使各种通量交换过程更接近于实际,感热和潜热模拟的模型效率系数分别提高0.516和0.1,模拟值对实测值的解释能力在生长季分别提高6%和9%,大于非生长季。

玉米农田水热通量及能量变化研究

为揭示中国北方农田生态系统的水热通量动态特征及其对气象因子的变化响应和能量平衡过程特征,利用榆树市玉米农田生态系统观测站2015年、2018—2019年水热通量观测数据,分别对榆树市玉米农田水热通量的小时、日、月份、年际变化特征,潜热通量(Fl)、感热通量(Fs)受气温、降水、日照等气象因子的相关影响,土壤含水量、水热通量的季节变化和降水,各年份Fl、Fs和降水的分布情况进行了详细的分析,以得出各变量的季节分布和降水过程中的变化特征;还对净辐射、土壤热通量的日变化和季节变化,土壤热通量和土壤含水量的季节变化进行对比分析;最后对能量平衡中各项能量的季节变化、日变化,以及能量闭合情况进行分析。结果表明,水热通量的日变化呈单峰型二次曲线,峰值出现在正午,其中Fl为229.2 W·m^(−2),Fs为148.0 W·m^(−2)。潜热年变化呈单峰型,显热年变化呈双峰型,Fl、Fs最高值分别为114.3、51.7 W·m^(−2)。净辐射和土壤热通量的日变化和年变化都和水热通量相似,但是净辐射峰值出现的时间提前,土壤热通量峰值出现的时间滞后。Fl的年变化与气温、降水呈正相关,与气压呈负相关。Fl和Fs对降水过程都有显著的响应,Fl对降水的反应更加敏感,而连续的降水对Fs有阻碍作用。各种能量项的平衡分析呈现能量不闭合现象,同时能量不闭合情况表现有明显的日变化和年变化,夏季好于冬季,白天好于夜间。7月平均能量闭合比率达到83%,9月白天的能量闭合度达到89%以上。

玉米农田生态系统土壤呼吸作用季节动态与碳收支初步估算

从2005年4月底到9月底对玉米农田生态系统的土壤呼吸作用进行了连续观测。结果表明:2005年玉米生长季土壤呼吸速率均值为3.16μmol(CO2)·m-2·s-1,最大值为4.77μmol(CO2)·m-2·s-1,出现在7月28日,最小值为1.31μmol(CO2)·m-2·s-1,出现在5月4日。通过建立土壤呼吸速率与玉米根系生物量的回归方程,对土壤异养呼吸作用占土壤呼吸作用的比例进行间接估算。玉米生长季中,土壤异养呼吸作用占土壤呼吸作用的比例在36.4%～56.9%之间波动,均值为45.5%。假定玉米果实和秸秆中的碳在收获期间未从农田中转移走,2005年整个生长季中玉米农田生态系统的碳收支为-1127.0g(C)·m-2,碳交换速率在0.52～-18.05g(C)·m-2·d-1之间波动。玉米生长初期,玉米农田生态系统表现为碳的弱源;玉米播种后36d一直到收获,玉米农田生态系统表现为碳汇。

玉米农田空气动力学参数动态及其与影响因子的关系

对锦州玉米农田生态系统生长季内的粗糙度(z0)和零平面位移(d)动态特征及其与风速、株高(h)和叶面积指数(LAI)的关系分析表明:零平面位移(d)在玉米拔节后10d左右,株高约1.40m时开始出现,在抽雄前为0.80—1.00m,抽雄后为1.00—1.40m;z0在抽雄前小于0.20m,乳熟前后达到最大,约为0.40m。d/h和z0/h分别为0.40—0.54和0.10—0.14,在h达到最大值前,分别随LAI增大而减小和增大。d出现前,z0与风速呈负指数关系,与LAI和h都呈线性关系。d出现后,风速与z0、d之和的关系比与各自的关系更显著;d与LAI、h都呈显著指数正相关关系,LAI、h对z0的影响大于d和z0+d,且h的作用大于LAI。d出现至h达到最大期间,上述各种关系最为显著。研究结果可为建立空气动力学参数的动态参数化方案及改进陆面过程模型提供依据。

基于CoLM模型的根分布对陆-气水热交换的影响研究:以玉米农田为例

利用2007—2008年辽宁锦州玉米农田生态系统野外观测站资料,基于CoLM模型对玉米根分布在陆-气水热通量模拟中的影响进行研究,结果表明:模型模拟性能随年际气象条件的差异而不同,与2007年相比,2008年生长季内降水偏多,感热和潜热模拟精度明显提高;决定根分布形态的50%和95%根总量土层深度(d50和d95)两个参数中,d50比d95敏感;根分布对土壤湿度的影响在极端干旱条件下很小,在一定土壤湿度范围内随土壤湿度及土层深度的增大而减小;在水汽通量各分量中,植物蒸腾受根分布影响最大,其次是土壤蒸发,而叶片蒸发不受影响;根分布对潜热和感热模拟的影响随土壤湿度增大而减小。

夏玉米农田N_2O排放影响因素的模拟分析

【目的】全球46%52%的N_2O来自农田土壤,农田土壤N_2O排放的研究具有重要的环境和经济意义。量化各影响因素对夏玉米农田N_2O排放的影响,可为合理减少施肥产生的N_2O排放提供依据。【方法】于2012和2013年连续两年进行了夏玉米裂区田间试验。试验主区为作物处理,副区为氮肥处理(0、150、300、450kg/hm2)。采用暗箱静态法-气相色谱法测定了不同处理N_2O的排放通量,比较了不同温度和降雨量条件下不同处理的N_2O排放量,计算了气温、降雨量、氮肥管理和夏玉米吸收对夏玉米农田N_2O排放的影响。【结果】温度及降雨量的变化明显影响N_2O的排放。2012年和2013年气温和降雨量对夏玉米生长期间N_2O总排放量的影响分别为-0.24和-0.07。随着施氮量的增加,施氮对N_2O排放的影响率呈线性增加(R2=0.923),施氮量0、150、300和450 kg/hm2,对玉米田N_2O排放的影响分别为0、0.38、1.63、3.54。夏玉米生长吸收对N_2O排放量的平均影响因子为-0.33,年际间差异不显著(P=0.07)。在苗期、穗期、花粒期,夏玉米生长吸收的影响因子分别为-0.57、-0.29和-0.13,不同生育期的影响因子差异显著(P=0.0015)。不同施氮量下,气候条件对夏玉米农田N_2O排放影响率差异不显著(P>0.05);不同气温和降雨量,夏玉米生长吸收对N_2O排放的影响在同一施氮量下差异不显著(P>0.05),且均随施氮量的增加而减小。【结论】通过量化分析,气候条件对N_2O排放的影响与气温和降雨量密切相关,温度升高影响增大,反之则减小,降雨后排放显著增大。施氮对N_2O排放的影响随施氮量增加线性增加。夏玉米生长吸收降低了N_2O排放,且在不同生育时期的影响差异显著。综合各影响因子,低氮量条件下(≦150 kg/hm2),气候因素和玉米生长对N_2O排放的影响较大,高氮量下(≧300 kg/hm2),氮肥的施用是影响N_2O排放的主要因子。

覆膜和氮肥用量对雨养春玉米农田甲烷吸收的影响

为了研究覆膜与氮肥用量对雨养春玉米农田CH_4吸收的影响,在覆膜(FM)与不覆膜(BP)条件下分别设置了0、100、250、400 kg·hm^(-2)4个氮肥水平,共8个处理,采用静态暗箱-气相色谱法对农田CH_4的吸收通量进行连续观测,同时观测影响通量变化的温度、水分以及硝铵态氮等环境因子。结果表明:旱作春玉米农田是甲烷的汇,休闲期的累积吸收量占年总吸收量48%~60%,在年总吸收量中占了不可忽视的一部分;FM0、FM100、FM250、FM400和BP0、BP100、BP250、BP400在2014—2015年的年总吸收量分别为0.99、1.38、1.3、1.37 CH_4-C kg·hm^(-2)和1.43、1.77、1.68、1.56 CH_4-C kg·hm^(-2),地膜覆盖和施氮量的增加均未显著改变雨养春玉米农田对CH_4的吸收量;雨养春玉米农田土壤CH_4的吸收速率与0、10 cm土层土壤温度呈极显著正相关,与土壤孔隙含水量(WFPS)、NH4+-N之间呈极显著负相关,不覆膜条件下与NO3--N之间呈负相关关系,且达到极显著水平(P<0.01)。

箱体结构及计算方法对夏玉米农田N2O排放测定结果的影响

为探讨不同箱体结构及计算方法对夏玉米农田N_2O排放测量结果的影响,于2012—2013年在中国农业大学曲周实验站采用静态箱-气相色谱法研究了4个处理在夏玉米季N_2O排放结果,即大箱+直线算法、小箱+直线算法、大箱+曲线并直线算法及小箱+曲线并直线算法。小箱顶部中央留孔使玉米茎能够通过采样箱顶部而不影响玉米生长,大箱在玉米生长到50 cm以后压弯玉米植株。研究表明:在定量夏玉米农田土壤N_2O排放时,与不破坏玉米根系正常生长的小箱测定结果相比,因使用大箱并压弯玉米造成玉米生长不良,不会显著影响N_2O累积排放量的测定结果。在N_2O日排放通量较强时,曲线并直线算法与直线算法得到的结果没有显著差异;而在N_2O日排放通量较弱时,曲线并直线算法测定结果高于直线算法。由于N_2O排放较弱时的通量对夏玉米季农田N_2O累积排放量贡献很小,因此,曲线并直线和直线算法在计算夏玉米季农田N_2O累积排放量时并无显著差异。

旱作春玉米农田Priestley-Taylor模式参数的变化

Priestley-Taylor(PT)参考作物蒸散(ET0)估算模式系数(α)的本地化研究,对于确定水资源高效利用的半旱地农业生产措施及精准灌溉具有非常重要的意义。本文以FAO(1998)推荐的Penman-Monteith(PM)参考作物蒸散估算方法为标准,采用涡度相关技术并根据气象数据信息,监测半干旱气候条件下旱作春玉米农田尺度水、热交换传输过程,以分析Priestley-Taylor模式参数α的变化特征并确定其本地化估算参数值。结果表明,年时间尺度变化过程中高海拔半干旱气候条件下根据PT模式推荐系数α=1.26确定的参考作物蒸散量(ET0-PT1.26)估算值,在11月至来年4月份非作物生长季期间平均偏低21.2%,在5月至9月份旱作春玉米生育期内平均高于PM模式的参考作物蒸散量(ET0-PM)估算值5.5%,研究站点旱作春玉米生长季本地化适宜的PT模式系数α值为1.15±0.06。在季节变化过程中,旱作春玉米农田近正午时刻实际PT模式系数平均值呈单峰型变化趋势,春玉米抽雄抽穗开花期达到高峰,平均值为0.67±0.08,苗期最低,仅为0.26±0.13,全生育期平均值为0.50±0.21。若要在半干旱气候地区根据PT模式准确估算参考作物蒸散量,需进行PT模式参数的本地化研究。

陆面过程模型CoLM与BATS1e的模拟精度比较——以东北玉米农田为例

利用2008年锦州玉米农田生态系统野外观测站资料对CoLM与BATS1e模型模拟能力进行定量评价。比较发现:两模型对净辐射和表层土壤温度的模拟精度都较高且差异不大,CoLM模型对感热、潜热、土壤热通量、次表层土壤温度模拟能力都不同程度高于BATS1e模型,模拟值对实测值解释能力分别偏高3%、22%、1%、10%,NS(Nash-sutcliffe效率系数)分别偏高1.042、0.266、0.023、0.138。从各月情况看,两模型在7月对感热、潜热模拟能力都较高,而在其它月份CoLM模型模拟精度明显高于BATS1e模型,土壤热通量和次表层土壤温度在5~8月前者模拟精度高于后者。由于CoLM模型对潜热更高精度的模拟可证明其对表层土壤湿度模拟精度高于BATS1e模型。

不同土壤水分控制对东北地区玉米农田土壤呼吸的影响

基于锦州地区土壤水分控制试验,研究不同土壤水分条件(土壤相对湿度分别为86%、96%和105%)对东北地区玉米农田土壤呼吸的影响,分析不同土壤水分条件下玉米农田土壤温度对土壤呼吸速率的影响。结果表明:2013年锦州地区玉米农田不同土壤水分控制影响土壤呼吸速率的大小,同时间不同土壤水分控制条件下玉米农田的土壤呼吸速率均随土壤相对湿度的增加而降低(土壤相对湿度86%<土壤相对湿度96%<土壤相对湿度105%)。锦州地区玉米农田土壤呼吸的日动态和季节动态变化趋势均不受土壤水分的影响,均呈单峰型,其中土壤呼吸速率日最大值出现在11—14时,土壤呼吸速率季最大值出现在8月。不同土壤水分控制影响玉米农田土壤呼吸对土壤温度的敏感性,土壤呼吸的日动态变化与10 cm土壤温度的日动态变化存在时间滞后性,8月和9月土壤温度最大值较土壤呼吸最大值滞后5—6 h。不同土壤水分条件下玉米农田土壤呼吸速率与10 cm、15 cm、30 cm和45 cm土壤温度均呈显著或极显著的正相关关系,其中土壤呼吸速率与45 cm土壤温度相关性最高。2013年锦州地区不同土壤相对湿度条件下(86%、96%和105%),玉米农田的土壤呼吸速率与45 cm土壤温度均呈指数函数关系,土壤相对湿度为86%、96%和105%时的土壤温度敏感性指数Q_(10)分别为1.92、2.20、1.72。

玉米农田生态系统水碳通量日变化特征研究

农田生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分,研究其CO_2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CO_2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3.63398 mg/(m^2·s);(2)CO_2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。

农牧交错带玉米农田生态系统碳储量变化特征及分布格局

农田生态系统碳储量变化是陆地碳循环和全球气候变化研究中的一个重要问题。选取我国北方典型农牧交错区当地主要作物玉米为研究对象,对该地区在传统深耕覆膜种植方式下不同时期(翻耕后、幼苗期、成熟期、次年翻耕前)的玉米农田生态系统碳储量及分布格局进行研究。结果表明:在该地区传统耕作方式下玉米农田生态系统地上碳储量显著大于地下碳储量,而土壤碳密度随着土层加深变化规律不明显;单株玉米平均碳含率为43.3%,除根系外,玉米叶片、茎秆有机碳含率变化规律表现为幼苗期>收获期;单株玉米碳储量为收获期>幼苗期;玉米农田生态系统土壤碳密度为收获期>幼苗期>次年翻耕前>翻耕后,土壤碳密度在翻耕后较其他时期显著降低(P<0.05);农田生态系统总碳密度与土壤碳密度变化规律一致。玉米农田生态系统经过一个完整的作物生长季后土壤碳密度在次年翻耕前较前一年翻耕后增加了13 415 kg·hm-2;而作物的碳密度在收获期高达10974.8 kg·hm-2。由此可见,玉米农田生态系统对大气有明显的固碳减排作用,其"碳汇"能力较强。

植被地表反照率动态模拟方法比较——以玉米农田为例

利用2007年锦州玉米农田生态系统野外观测站玉米生长季辐射资料,对地表反照率综合模型、半经验双层模型和简化双层模型的模拟精度进行比较。结果表明:简化双层模型对玉米生育初期模拟能力较差,其他时段模拟能力均较强,尤其在玉米生育后期更明显;半经验双层模型除在玉米叶面积指数处于最大时期模拟误差较小外,其他时段基本无法模拟。综合模型在玉米生育期大部分时段模拟能力均较强,仅在玉米生育后期模拟能力稍差,该模型对实现玉米农田地表反照率动态参数化更理想,可为改进陆面过程模型提供参考。

基于大口径闪烁仪的玉米农田热通量测量研究

应用大口径闪烁仪可以自动获取玉米农田的显热通量,结合太阳辐射监测系统测量的净辐射,可以方便地获取潜热通量和土壤热通量。实验表明,在玉米农田的冠层上的常通量层用大口径闪烁仪测量显热通量,和涡动相关仪的数据相关度达到0.8以上。在中午的时段,玉米农田的显热通量会下降,与作物蒸腾相关的潜热通量会达到一天的峰值。大口径闪烁仪在精度和区域代表性上表现出的优势,是农业气象上获取数据资料很好的一个选择.

不同施氮量对春玉米农田氧化亚氮排放的影响

试验采用静态箱一气相色谱法研究不同施氮量对华北旱地春玉米生长季农田土壤N2O排放的影响。设置了减氮（60％N＋PK）、常规施肥（NPK）和不施肥（CK）3个处理。结果表明，春玉米整个生育期N2O排放通量变化规律在各处理间基本一致，N2O排放峰值均出现在施肥（或降雨）事件之后，排放通量的变化范围在4．21～253．28μg／（m2·h）。60％N＋PK、NPK和CK处理在春玉米整个生育期N2O累计排放量分别为0．69kgN／hm^2、1．37kgN／hm^2、0．40kgN／hm^2，在等量P、K化肥氮素投入的基础上。减少氮素肥料的投入能够显著减少N2O排放。60％N＋PK、NPK和CK处理玉米产量分别为11．91t／hm^2、12．61t／hm^2、3．53t／hm^2，NPK和60％N＋PK处理玉米产量差异不显著。

西藏林芝玉米农田土壤线虫群落组成及多样性研究

本研究旨在探索高原农业区玉米农田的土壤线虫群落特征。调查鉴定了藏东南林芝市巴宜区米瑞乡玉米农田土壤线虫的数量、分类,采用土壤线虫群落的Shannon-Weiner多样性指数(H')、Pielou均匀度指数(J′)、Simpson优势度指数(λ)、Margalef丰富度指数(SR)、成熟度指数(maturity index,MI)、植物寄生线虫指数(plant parasite index,PPI)、线虫通路比值(nematode channel ratio,NCR)等指标来分析土壤线虫群落组成与多样性。共分离得到土壤线虫177条,个体平均密度为629条100g^(-1)干土,分属于32属。研究结果表明,伪双胃属(Pseudodiplogaster)是优势属。线虫物种营养类群丰度及数量依次是食细菌类线虫(bacterivores,Ba)>杂食-捕食类线虫(omnivores-predators,Op)>植物寄生类线虫(plantparasites,Pp)>食真菌类线虫(fungivores,Fu),Shannon多样性指数(H′)呈现Ba>Op>Pp>Fu,Pielou均匀度指数(J′)呈现Op>Ba>Fu>Pp,Simpson优势度指数(λ)呈现Fu>Pp>Ba>Op,Margalef丰富度指数(SR)呈现Ba>Op>Pp>Fu。线虫的成熟度指数(MI)对比藏北草地、藏东南森林土壤线虫较低,扰动强烈,农田系统不稳定。PPI/MI与藏北草地、藏东南森林土壤对比均较低,土壤较肥沃。NCR为0.86,F/B值为0.16,土壤分解途径以细菌为主。