華北平原農(nóng)田CO2濃度變化特征

俄有浩,霍治國,*,趙花榮,2,馬玉平

1 中國氣象科學(xué)研究院, 北京 100081 2 中國氣象局固城生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗站, 保定 072650

農(nóng)田CO2濃度是影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和碳交換的主要決定因素。農(nóng)田CO2濃度不僅決定農(nóng)作物光合生產(chǎn)力[1],對作物呼吸等生理過程和土壤呼吸等碳排放過程也有重要影響作用[2-5]。由于農(nóng)田更接近村莊和城市,農(nóng)田CO2濃度更大程度地受到人為活動和氣候變化等因素共同影響。因此,研究農(nóng)田CO2濃度動態(tài)變化有助于更好地了解和研究氣候變化影響農(nóng)作物生產(chǎn)以及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和碳交換機理和過程。雖然,我國氣象部門從20世紀(jì)90年代已加入世界氣象組織全球大氣觀測計劃,并有瓦里關(guān)等4個大氣本底站進入網(wǎng)絡(luò)化觀測序列,持續(xù)開展了大氣CO2等溫室氣體濃度觀測[6-8]。有學(xué)者也開展了城市、濕地、沙漠、高寒草地等不同下墊面條件的碳循環(huán)、碳交換和CO2濃度及通量等大量研究[9-31]。然而,由于大氣本底站都布設(shè)在草地或森林生態(tài)系統(tǒng)中,其大氣CO2濃度變化受人為活動等影響可能較小,直接利用大氣本底站CO2濃度觀測數(shù)據(jù)研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2濃度變化對農(nóng)作物的影響可能存在一定差異。而對處在人口和工業(yè)密集區(qū)域且生態(tài)系統(tǒng)極其復(fù)雜的農(nóng)田CO2濃度長期以來缺乏動態(tài)監(jiān)測和變化研究。未來全球氣候變暖情勢下,農(nóng)田CO2濃度在年際、年內(nèi)和晝夜的增量分布模式不清楚。

為了解農(nóng)田CO2濃度長期動態(tài)變化特征、趨勢、濃度增量分布模式等,本文以中國氣象局固城生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗站多年大氣CO2濃度測定數(shù)據(jù)為依據(jù),分析農(nóng)田CO2濃度的年際、年內(nèi)、晝夜等動態(tài)變化特征,明確大氣CO2濃度增量在晝和夜、作物生長季和非生長季的分布模式,并比較農(nóng)田CO2濃度與大氣本底和城市CO2濃度變化特征及差異,為精確評估CO2濃度升高影響作物生長發(fā)育研究和產(chǎn)量評估提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)處理

1.1 數(shù)據(jù)來源及區(qū)域代表性

數(shù)據(jù)采集于中國氣象局固城生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗站的渦動觀測系統(tǒng)(Gill超聲風(fēng)速儀和Li-7500 CO2/H2O分析儀)。固城生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗站位于河北省保定市定興縣固城鎮(zhèn)(39.15°N,115.74°E,海拔24.0 m),距北京市中心直線距離100 km,是典型的華北平原冬小麥與夏玉米連作高產(chǎn)區(qū)。下墊面主要以冬小麥(10月至來年6月)、夏玉米(6—10月)等農(nóng)田和少量行道樹及經(jīng)濟林為主,距離試驗站周圍1—2 km有村莊分布。根據(jù)2016年衛(wèi)星監(jiān)測中國陸地區(qū)域大氣CO2年均濃度分布狀況[6],固城站基本能夠代表華北北部(除京津)農(nóng)田大氣CO2濃度空間分布。

1.2 數(shù)據(jù)與處理

固城站渦動觀測系統(tǒng)平臺高度4.0 m。渦動系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)包括CO2濃度(mg/m3)、CO2通量(mg m-2s-1)、水汽濃度(g/m3)、風(fēng)速(m/s)、風(fēng)向、溫度、濕度、大氣壓力梯度等。系統(tǒng)觀測采樣頻率為10 Hz。數(shù)據(jù)采集器為CR5000(Campbell)。系統(tǒng)輸出30 min平均濃度和通量數(shù)據(jù),時間序列為2007年1月1日—2018年12月31日。同時,從世界溫室氣體數(shù)據(jù)中心(WDCGG)網(wǎng)站下載了青海瓦里關(guān)大氣本底站1994—2016年CO2濃度日值數(shù)據(jù)。

利用固城站30 min平均CO2濃度和通量數(shù)據(jù),參照相關(guān)文獻中渦動系統(tǒng)通量數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制處理方法[32-35],通過氣候極值閾值判斷、野點剔除、隨機脈動剔除等步驟進行了數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。其中,CO2濃度氣候極值閾值1000 mg/m3,野點剔除采用方差檢驗法,相鄰點之差大于5倍序列標(biāo)準(zhǔn)差視為野點。

通過數(shù)據(jù)控制處理,剔除無效數(shù)據(jù)和缺測數(shù)據(jù),2007—2018年30 min平均CO2濃度的有效數(shù)據(jù)百分率在38.1%—95.4%之間(表1)。2008、2014、2016年缺測和無效數(shù)據(jù)較多。

表1 數(shù)據(jù)處理后30分鐘平均CO2濃度和通量的有效數(shù)據(jù)百分率

系統(tǒng)輸出CO2濃度數(shù)據(jù)單位為質(zhì)量體積濃度(mg/m3),為了將質(zhì)量體積濃度換算為摩爾濃度(μmol/mol),根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)置換算公式,將質(zhì)量密度數(shù)據(jù)換算成摩爾濃度數(shù)據(jù)。公式為：Cf=Cm×R×(Tg+273.15)/44×Pg,式中,Cf為摩爾濃度,Cm為質(zhì)量體積濃度,R為摩爾氣體常數(shù)8.314,Tg為探測器溫度,Pg為氣壓。單位換算后,將30 min數(shù)據(jù)統(tǒng)計為1小時、晝、夜和1日數(shù)據(jù),進行結(jié)果分析。由于每個數(shù)據(jù)是前30 min內(nèi)取樣數(shù)據(jù)的平均值,為確定晝間數(shù)據(jù)開始和結(jié)束時間點,規(guī)定日出時刻延后30 min為晝間開始數(shù)據(jù),日落時刻為晝間結(jié)束數(shù)據(jù),并對晝間開始和結(jié)束時刻作整點和半點調(diào)整。定興縣最早日出時間4：50,最遲日出時間7：36,年平均日出時間6：13。最遲日落時間19：47,最早日落時間16：54,年平均日落時間18∶21。根據(jù)確定的規(guī)則,定興縣晝間數(shù)據(jù)開始時間為6：30,結(jié)束時間18：30。

2 結(jié)果分析

2.1 農(nóng)田CO2濃度逐日年際變化

統(tǒng)計2007—2018年逐日平均CO2濃度表明,固城站農(nóng)田CO2多年平均濃度為377.8 μmol/mol,但年內(nèi)和年際波動較大。日最小濃度為312.0 μmol/mol,日最大濃度477.8 μmol/mol,數(shù)據(jù)序列標(biāo)準(zhǔn)差為33.7 μmol/mol,振幅達到150 μmol/mol(圖1)。2007—2018年農(nóng)田CO2濃度呈現(xiàn)顯著性升高趨勢(r=0.263,P<0.01),從2007年平均361增加到2018年平均392 μmol/mol,平均年增幅2.58 μmol/mol。該增幅與全球和瓦里關(guān)本底站大氣CO2濃度增幅(2.08 μmol/mol和2.06 μmol/mol)接近。

圖1 固城站2007—2018年CO2逐日平均濃度年際變化

2.2 農(nóng)田CO2濃度年內(nèi)動態(tài)

統(tǒng)計2007—2018年逐時多年平均CO2濃度表明,固城站CO2逐時平均濃度在年內(nèi)呈現(xiàn)多峰多谷動態(tài)特征(圖2)。1—4月逐時平均CO2濃度逐漸下降,5月1日前后達到最低值,此期間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差為33.5 μmol/mol。5—7月逐時平均濃度逐漸升高,在7月1日前后,日最低和日最高CO2濃度達到次高峰,該期間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差為37.6 μmol/mol。7月上旬至10月中旬期間,CO2日最低濃度最小值出現(xiàn)在8月中旬,而日最高濃度最大值也在此時間達到最高峰,該期間CO2平均濃度標(biāo)準(zhǔn)差為45.2 μmol/mol。10月中旬至12月底,逐時平均濃度逐漸下降,達到1月濃度狀態(tài)。全年逐時平均濃度標(biāo)準(zhǔn)差為33.5 μmol/mol。

圖2 固城站CO2逐時多年平均濃度年內(nèi)動態(tài)

2.3 日變化動態(tài)

統(tǒng)計2007—2018年逐時平均CO2濃度,得到平均CO2濃度日變化動態(tài)(圖3)。平均而言,白天CO2濃度較低,平均為360 μmol/mol,其中,15—16時CO2濃度最低,為346 μmol/mol(標(biāo)準(zhǔn)差SD為20 μmol/mol)。夜間CO2濃度較高,平均為394 μmol/mol(標(biāo)準(zhǔn)差SD為37 μmol/mol)。午間比日出前CO2濃度低12%。全天24 h平均CO2濃度呈“U”型分布,標(biāo)準(zhǔn)差SD在20—37 μmol/mol之間,相同時間點在不同季節(jié)CO2濃度振幅達到101—163 μmol/mol。

圖3 固城站2007—2018年CO2逐時平均濃度日變化動態(tài)

圖4為1—12月CO2平均濃度逐時變化動態(tài),表明不同月份之間CO2濃度差異較大。夜間CO2濃度8月最高,2月最低(2月<3月<4月<1月<12月<5月<11月<6月<10月<7月<9月<8月),最大相差近100 μmol/mol；白天CO2濃度10月最高,4月最低(4月<5月< 3月<2月<1月<8月<7月<6月<12月<9月<11月<10月),最大相差60 μmol/mol。

農(nóng)田大氣CO2濃度變化是作物光合和呼吸、土壤呼吸、人為活動碳排放和天氣狀況變化等多因素共同影響的結(jié)果。白天CO2濃度主要受作物光合同化、土壤呼吸和人為活動碳排放影響。4月冬小麥處于拔節(jié)至孕穗生長較旺盛期,光合同化消耗較多的CO2,但地溫相對較低,土壤呼吸碳排放量相對較少,CO2吸收較多排放較少,導(dǎo)致白天CO2濃度最低。5月和8月分別是冬小麥和夏玉米生長最旺盛期,光合同化消耗CO2最多,但此期間土壤呼吸碳排放量比4月更多,因此,平衡的結(jié)果是5月和8月晝間CO2濃度比4月的高。10月夏玉米收割冬小麥初種,光合作用相對較低,土壤溫度較高導(dǎo)致土壤碳排放較多,所以10月農(nóng)田CO2濃度最高。冬季的11月—1月雖然光合同化和土壤呼吸都較小,但采暖等人為活動可能增加了農(nóng)田大氣CO2濃度。夜間主要受作物和土壤呼吸及人為活動碳排放影響。2月地溫和氣溫較低,夜間作物和土壤呼吸作用較弱,采暖等人為碳排放活動較冬季減輕,所以2月夜間CO2濃度最低。8月是夏玉米生長旺盛期,夜間呼吸作用較強,更重要的是8月夜間高溫高濕增大了土壤碳排放[4,11],導(dǎo)致夜間農(nóng)田CO2濃度最高。另外,對比晝夜CO2濃度變化看出,8月和5月CO2濃度從清晨到午間波動最大,分別從最高440、392 μmol/mol下降到最低的344、325 μmol/mol,降幅分別達到22%和17%,表明在夏玉米和冬小麥生長旺盛期,白天強烈的光合作用對CO2需求旺盛,明顯降低了田間CO2濃度。

2.4 晝夜變化特征

圖5為2007—2018年逐日晝、夜CO2平均濃度年內(nèi)動態(tài)。晝間CO2濃度呈現(xiàn)多峰多谷動態(tài),其中,5月上旬最低,為320 μmol/mol,10月中旬最高,超過380 μmol/mol。夜間CO2濃度在8—10月下旬最高,平均440 μmol/mol,2月最低,約350 μmol/mol左右。多年夜間平均CO2濃度為395.8 μmol/mol,白天平均359.6 μmol/mol,夜間CO2濃度明顯高于白天,平均晝夜差36.2 μmol/mol(10.1%),尤其在8月,夜間平均CO2濃度比白天高74.4 μmol/mol(20.6%)。

圖5 固城站2007—2018年CO2晝夜平均濃度年內(nèi)動態(tài)

2.5 CO2通量變化特征

2007—2018年多年逐時CO2通量年內(nèi)動態(tài)表明(圖6),從11月至3月中旬,CO2通量基本維持在0.1 mg m-2s-1之間。3月底開始,隨著冬小麥快速生長,CO2吸收通量顯著增加,至5月上旬到達最大值1.0 mg m-2s-1,之后開始減小,到6月底CO2吸收接近零。7月上旬開始,夏玉米開始播種生長,CO2吸收通量又顯著快速增加,至8月達到最大值1.5 mg m-2s-1,之后開始減小,到10月中旬CO2吸收接近0.1 mg m-2s-1。全年的CO2吸收通量變化特征與華北平原冬小麥和夏玉米生長過程和農(nóng)事活動完全吻合。與CO2吸收通量的顯著變化不同,CO2釋放通量的變化幅度很小,從4月的0.2 mg m-2s-1左右增加到8月最高0.67 mg m-2s-1,再到10月底的0.2 mg m-2s-1左右。作物整個生長期CO2釋放通量僅有吸收通量的20%—30%。

圖6 固城站多年逐時平均CO2通量年內(nèi)動態(tài)

2.6 農(nóng)田與大氣本底站CO2濃度變化比較

比較固城站農(nóng)田和瓦里關(guān)大氣本底站CO2日平均濃度表明,農(nóng)田CO2濃度與瓦里關(guān)大氣CO2濃度年內(nèi)動態(tài)有較大差異(圖7)。大氣本底站CO2濃度具有更小的波動性,而農(nóng)田CO2濃度年內(nèi)波動巨大,標(biāo)準(zhǔn)差達到23.4 μmol/mol,是大氣本底站CO2濃度標(biāo)準(zhǔn)差的近7倍,而且,1—5月農(nóng)田CO2濃度顯著低于大氣本底濃度。另外,農(nóng)田CO2濃度與城市[32]和江河口濕地[26]CO2濃度的“U型”變化特征也不盡相同,表明其動態(tài)變化的形成機制有差異。

圖7 固城站和瓦里關(guān)CO2日平均濃度年內(nèi)動態(tài)比較

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

(1)2007—2018年固城站多年平均CO2濃度377.8 μmol/mol,最低平均濃度312.0 μmol/mol,最高平均濃度477.8 μmol/mol,標(biāo)準(zhǔn)差33.7 μmol/mol,振幅達到150 μmol/mol。12年農(nóng)田CO2年平均濃度顯著性升高了31.0 μmol/mol(r=0.263,P<0.01),平均每年升高2.58 μmol/mol,與全球和瓦里關(guān)大氣本底站CO2濃度年均增幅接近。

(2)農(nóng)田CO2濃度日變化和季節(jié)變化波動巨大,晝間14—15時CO2濃度最低,夜間22時至次日6時CO2濃度最高。晝間CO2平均濃度比夜間CO2平均濃度低36.2 μmol/mol(10.1%),尤其8月份,晝夜CO2濃度平均相差74.4 μmol/mol(20.6%)。白天CO2濃度波動曲線中5月和8月的兩個谷值很好地對應(yīng)了4—5月華北平原北部冬小麥開花灌漿期和8—9月夏玉米抽雄開花至灌漿期作物生長旺盛期光合作用對農(nóng)田CO2濃度的影響過程,7月1日前后晝間CO2濃度高值也正好對應(yīng)了冬小麥?zhǔn)崭詈笙挠衩子酌缙诘耐寥缆懵镀?表明4—9月晝間CO2濃度和通量動態(tài)變化很好地反映了華北平原冬小麥和夏玉米生長過程、農(nóng)事活動和農(nóng)田碳交換的關(guān)系。

(3)與大氣本底站相比,農(nóng)田CO2濃度年內(nèi)變化具有更大的波動性,標(biāo)準(zhǔn)差達到23.4 μmol/mol,是大氣本底站CO2濃度標(biāo)準(zhǔn)差的近7倍。農(nóng)田CO2濃度與城市和江河口濕地CO2濃度的“U型”變化特征也不盡相同,表明其各自動態(tài)變化的形成機制有差異。

3.2 討論

(1)農(nóng)田CO2濃度變化與農(nóng)事活動和碳交換之間關(guān)系

華北平原主要農(nóng)業(yè)種植模式為冬小麥與夏玉米兩熟連作,其中,4月下旬至5月中旬和7月下旬至8月分別是冬小麥和夏玉米生長旺盛期。從圖5看出,固城站晝間CO2濃度年內(nèi)動態(tài)特征與冬小麥返青-拔節(jié)-孕穗-抽穗開花-灌漿-成熟收割和夏玉米播種-拔節(jié)-孕穗-抽雄吐絲-開花-灌漿-成熟等生長發(fā)育進程高度吻合。同時,農(nóng)田CO2吸收通量(圖6)的兩個峰值也與冬小麥和夏玉米生長及干物質(zhì)積累過程完全一致,表明白天農(nóng)田CO2濃度動態(tài)變化與作物光合作用、農(nóng)事活動和碳吸收等密切相關(guān),作物生長發(fā)育進程影響農(nóng)田CO2濃度變化,反過來,農(nóng)田CO2濃度高低也一定程度上影響作物的光合同化速率。夜間CO2濃度從4月到9月持續(xù)升高,是該時期高溫高濕和秸稈還田條件下土壤有機碳釋放的結(jié)果[36-39]。

(2)利用農(nóng)田CO2濃度變化特征提高作物產(chǎn)量的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)和管理措施

農(nóng)作物光合同化吸收CO2,降低田間CO2濃度,導(dǎo)致農(nóng)田CO2濃度午間比日出前下降約10%—20%。當(dāng)前大氣CO2濃度大大超過作物補償點而遠(yuǎn)離飽和點CO2濃度,因此,適當(dāng)增加田間CO2濃度能夠有效提高作物產(chǎn)量,尤其對提高設(shè)施農(nóng)業(yè)作物產(chǎn)量有很大作用[40]。在生產(chǎn)上,一般作物生長旺盛期的晝間通過增施有機肥和人工增施CO2的方式彌補田間CO2濃度虧缺,提高作物產(chǎn)量。

在當(dāng)前全球變暖為主流研究背景下,一方面需要關(guān)注提高CO2濃度與作物產(chǎn)量的關(guān)系,提出不同時段采用相應(yīng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)和管理措施。另一方面,更需要關(guān)注農(nóng)田CO2濃度變化的晝夜、生長季與非生長季的增量及其模式,為全球變暖和大氣CO2濃度升高影響農(nóng)作物生長和產(chǎn)量評估提供科學(xué)依據(jù)。