湘中地區(qū)中稻碳通量的變化特征

文雙雅，高倩文，盧俊瑋，高志強(qiáng)

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

生物圈碳循環(huán)的狀態(tài)與過程及其對(duì)環(huán)境變化的影響以及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳交換及其調(diào)控機(jī)制等已成為全球共同關(guān)注的問題[1]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程中最活躍的碳庫(kù)受人為因素的控制和干擾強(qiáng)烈[2-4]。影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)與碳交換的因素很多，CO2濃度是直接因素，土壤因子、水分因子、氣象因子、農(nóng)藝措施等都可以通過光合作用或呼吸作用對(duì)凈碳交換產(chǎn)生影響[5]。傳統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)碳交換研究方法以箱式法為主，但存在對(duì)下墊面植被擾動(dòng)大、缺乏觀測(cè)連續(xù)性以及時(shí)間分辨率低等缺點(diǎn)，在估算生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換特征及其機(jī)理中存在較大的不確定性[6]。近年來，渦度相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)生態(tài)系統(tǒng)尺度凈碳交換的直接測(cè)定，使得長(zhǎng)期、連續(xù)的通量觀測(cè)成為可能，也是目前國(guó)際上公認(rèn)的碳通量測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)方法[1,4,7-11]，并在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳通量研究上得以應(yīng)用[12-14]。

水稻是中國(guó)重要的糧食作物，湘中地區(qū)是水稻優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)，研究該區(qū)域中稻碳通量變化特征，可為探索水稻高產(chǎn)形成機(jī)制提供依據(jù)。本研究中，筆者利用2019 年6—9 月湘中地區(qū)中稻大田生育期內(nèi)的渦度觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析其碳通量變化特征，旨在為水稻高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)瀏陽教學(xué)科研綜合基地進(jìn)行。該基地(E113°84′，N 28°30′) 系湘中丘陵區(qū)小盆地，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫17.3 ℃，1 月平均氣溫5.4 ℃，7 月平均氣溫28.7 ℃，年均降水量1358.6～1552.5 mm。土壤為潴育性水稻土，有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀含量分別為29.1、1.58、0.49、14.62 g/kg，pH 5.71。以渦度相關(guān)通量塔為中心，南北長(zhǎng)100 m 的觀測(cè)區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，且均為水稻田，歷年種植制度為稻-油兩熟制。

2 材料與方法

2.1 供試材料及田間管理

供試水稻為本地大面積推廣品種晶兩優(yōu)華占。2019 年5 月10 日播種育秧，6 月8 日移栽，9 月25 日收獲。土壤耕作采用少耕技術(shù)，灌水后直接旋耕碎土成泥。土壤耕作前按照300 kg/hm2施用生石灰，以調(diào)節(jié)土壤pH。水分管理和害蟲防治按照大田常規(guī)管理。17-17-17 復(fù)合肥40 kg/(667 m2)和尿素5 kg/(667 m2) 作基肥一次性施用，N、P、K 有效成分比為8.1∶6.8∶6.8，中后期補(bǔ)施葉面肥并結(jié)合病害防治。

2.2 研究方法及數(shù)據(jù)采集

在中稻大田生育期(6 月8 日至9 月25 日)采用渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)對(duì)其碳通量進(jìn)行連續(xù)測(cè)量；采用常規(guī)氣象要素觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)定氣象要素。渦度相關(guān)觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)定冠層上方的三維風(fēng)速、超聲虛溫、水汽和CO2濃度。系統(tǒng)連續(xù)自動(dòng)采集，采樣頻率為10 Hz，每30 min 輸出1 組平均通量以及10 Hz 原始數(shù)據(jù)。氣象要素包括光合有效輻射、空氣溫度、0.05 m 土壤溫度和降水量等。以上各項(xiàng)測(cè)定值采樣周期均為30 min 的平均值。

2.3 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Eddypro7.0.1 對(duì)取得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行30 min 通量計(jì)算，軟件自動(dòng)進(jìn)行異常值處理和相關(guān)校正。主要處理步驟包括野點(diǎn)去除、超聲虛溫校正、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)校正、密度變化修正(WPL)和頻率響應(yīng)校正等[15-17]。將獲得的通量數(shù)據(jù)作進(jìn)一步質(zhì)量控制：剔除降雨時(shí)刻以及前后1 h 的數(shù)據(jù)值；剔除夜間為負(fù)值的數(shù)據(jù)值；剔除超出合理范圍的數(shù)據(jù)值；剔除摩擦風(fēng)速＜0.05 m/s 對(duì)應(yīng)的通量數(shù)據(jù)值。

在通量數(shù)據(jù)觀測(cè)過程中，受儀器故障、天氣狀況和供電系統(tǒng)故障的影響，往往會(huì)出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)的異常和缺失，且通過通量數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制采集數(shù)據(jù)也會(huì)造成數(shù)據(jù)的空缺；因此，要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)修正。數(shù)據(jù)插補(bǔ)選擇的方法主要為：小于2 h 的缺失數(shù)據(jù)，采用線性內(nèi)插法；大于2 h 且小于1 d的缺失數(shù)據(jù)，采用平均日變化法(MDV)，白天選擇14 d 的時(shí)間窗口，夜晚選擇7 d 的時(shí)間窗口；大于1 d 的數(shù)據(jù)，采用通量數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)建立的經(jīng)驗(yàn)擬合關(guān)系進(jìn)行插補(bǔ)[18-20]。對(duì)于觀測(cè)期內(nèi)缺失的白天數(shù)據(jù)，采用米氏方程[21]進(jìn)行插補(bǔ)。

式中：NEE 為生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換量；PAR 為光合有效輻射；Pmax為最大光合速率；Rd 為生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率；Km為擬合常數(shù)；α為初始光能利用率。

對(duì)于觀測(cè)期內(nèi)缺失的夜間數(shù)據(jù)，采用生態(tài)系統(tǒng)呼吸和土壤溫度的指數(shù)關(guān)系模型[22]進(jìn)行插補(bǔ)，計(jì)算公式見(3)。

式中：a、b為擬合常數(shù)；Recon為夜間生態(tài)系統(tǒng)的呼吸通量；T為5 cm 土壤的溫度。

利用渦度相關(guān)技術(shù)觀測(cè)得出的NEE 僅為生態(tài)系統(tǒng)的凈碳交換量。為了解生態(tài)系統(tǒng)總呼吸(Reco)和總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)的變化，需要將NEE 進(jìn)行拆分。由于夜間無光合作用，生態(tài)系統(tǒng)完全處于碳排放狀態(tài)，所以夜間生態(tài)系統(tǒng)Reco 值等于夜晚NEE值，而白天生態(tài)系統(tǒng)呼吸則是依據(jù)呼吸和土壤溫度的擬合模型，再結(jié)合白天的土壤溫度計(jì)算得出，三者關(guān)系[23]如公式(4)。

3 結(jié)果與分析

3.1 碳通量的日變化動(dòng)態(tài)

分別對(duì)通過渦度觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的每月同一時(shí)刻CO2通量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到碳通量(Fc)的月平均日變化動(dòng)態(tài)(圖1)。在6—9 月大田生育期內(nèi)，F(xiàn)c的月平均日變化均呈現(xiàn)為夜間高、白天低、正午達(dá)到最低谷的趨勢(shì)，呈“U”形單峰曲線變化，即白天吸收CO2積累光合產(chǎn)物，晚上呼吸消耗排放CO2。白天水稻進(jìn)行光合作用吸收CO2，吸收峰值約出現(xiàn)在正午時(shí)刻；夜間以呼吸作用為主排放CO2，夜間變化較平緩。中稻大田生育期內(nèi)總體表現(xiàn)為碳匯。

圖1 不同月份稻田碳通量的平均日變化Fig.1 Diurnal variation of carbon flux in the four months in rice field

從月份梯度來分析，6 月份處于水稻分蘗期，葉面積指數(shù)低，光合作用總體水平不高，表現(xiàn)為夜間呼吸消耗水平較低，白天光合作用吸收CO2也相對(duì)較少，碳通量最小值(Fcmin)出現(xiàn)在12:00，為-5.30 μmol/(m2·s)，夜間Fc 均值為2.17 μmol/(m2·s)。7、8 月為水稻生長(zhǎng)旺盛期，田間葉面積指數(shù)逐漸升高，光合作用的功能葉增加，表現(xiàn)出更強(qiáng)的光合能力，F(xiàn)cmin分別出現(xiàn)在11:30 和12:30，分別為-11.46、-12.89 μmol/(m2·s)，夜間Fc 均值分別為2.90、4.45 μmol/(m2·s)。9 月水稻進(jìn)入成熟期，葉片逐步老化，功能葉呈減少趨勢(shì)，光合固碳能力也相應(yīng)降低，CO2吸收能力減弱，F(xiàn)cmin為-7.96 μmol/(m2·s)，出現(xiàn)在12:00，夜間Fc 均值為3.32 μmol/(m2·s)。CO2通量日平均最大值出現(xiàn)在7 月，為-2.48 g/(m2·d)，日平均最小值出現(xiàn)在9 月，為-0.36 g/(m2·d)。

3.2 不同生育時(shí)期的碳通量日變化動(dòng)態(tài)

中稻大田生育期可以分為分蘗盛期(移栽后第18 天)、孕穗期(移栽后第45 天)、齊穗期(移栽后第75 天)、灌漿中期(移栽后第88 天)、成熟期(移栽后第101 天)5 個(gè)主要生育時(shí)期。分別選取當(dāng)天及前后各3 d 的CO2通量數(shù)據(jù)，并對(duì)同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到CO2通量在不同生育期內(nèi)的平均日變化曲線(圖2)。從圖2 可以看出，中稻不同生育期CO2通量的日變化規(guī)律較為一致，均呈“U”形單峰曲線，夜晚通量值為正，白天通量值為負(fù)，白天CO2通量值在12:00 左右達(dá)到最低值。大吸收碳通量均出現(xiàn)在12:30，分別為-13.27、-12.09 μmol/(m2·s)。由圖3 可知，水稻不同生育期的固碳能力有所不同，孕穗期、齊穗期、灌漿中期、分蘗盛期、成熟期依次減弱，平均CO2通量累積量分別為-3.13、-2.22、-1.20、-0.95、-0.81 g/(m2·d)。孕穗期對(duì)干物質(zhì)積累和產(chǎn)量貢獻(xiàn)最大，其后依次為齊穗期、灌漿中期、分蘗盛期、成熟期。

圖2 水稻不同生育期間CO2 通量的平均日變化Fig.2 Average da ily var iation o f c arbon f lux dur ing the five growth periods of rice

圖3 不同生育時(shí)期日平均碳通量累積量Fig.3 Average da ily c arbon fl ux accumulation in different growth periods

在分蘗盛期時(shí)，水稻植株較小，光合能力相對(duì)較弱，碳吸收量較低。CO2通量在07:00 左右變?yōu)樨?fù)值，在18:30 左右變?yōu)檎?，日最大吸收碳通量出現(xiàn)在12:30，為-8.03 μmol/(m2·s)。在孕穗期、齊穗期時(shí)，水稻進(jìn)入生長(zhǎng)旺盛期，植株光合能力增強(qiáng)，CO2通量增加，最高碳吸收量分別出現(xiàn)在12:00 和12:30，日最大吸收碳通量分別為-14.00、-13.93 μmol/(m2·s)。在灌漿中期、成熟期時(shí)，水稻進(jìn)入生育后期，葉片變黃并逐漸衰老，植株光合作用較中期減弱，碳通量相對(duì)降低，灌漿中期和成熟期日最

3.3 NEE、GPP、Reco 的動(dòng)態(tài)變化

分析6 月8 日至9 月25 日間的碳通量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)水稻的NEE、GPP 和Reco 表現(xiàn)出明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)(圖4)。稻田NEE 整體表現(xiàn)為碳吸收，除少數(shù)幾天外，NEE 均為負(fù)值。NEE 總體呈“U”形曲線變化，存在2 個(gè)明顯的吸收峰，出現(xiàn)在水稻生長(zhǎng)前期和生長(zhǎng)后期。受葉片同化作用影響，水稻碳吸收能力較弱，到7 月下旬達(dá)到最大值，為-3.89 g/(m2·d)，之后逐漸降低。中稻大田生育期內(nèi)NEE 總量為-173.93 g/m2。說明湘中地區(qū)中稻表現(xiàn)出較強(qiáng)的碳匯功能。

圖4 NEE、GPP 和Reco 的動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of net ecosystem exchange, gross primary productivity and ecosystem respiration

GPP 的總體趨勢(shì)呈倒“U”形曲線，與NEE 的變化趨勢(shì)相反。由于水稻的生長(zhǎng)發(fā)育，植株不斷增長(zhǎng)，地上生物量不斷增加，隨著氣溫升高以及光合有效輻射的增強(qiáng)，GPP 逐漸上升，在8 月6 日達(dá)到最大值，為8.52 g/(m2·d)，整個(gè)生育期的總初級(jí)生產(chǎn)力GPP 為587.62 g/m2。

Reco 變化曲線呈現(xiàn)偏鋒特征。7—8 月溫度高，呼吸量也高，Reco 最高值為5.47 g/(m2·d)，出現(xiàn)在8 月12 日。整個(gè)水稻生長(zhǎng)季內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)呼吸量為413.68 g/m2。

4 結(jié)論與討論

本研究中，采用渦度相關(guān)技術(shù)對(duì)湘中地區(qū)中稻農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳通量進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)，結(jié)果表明，中稻大田生育期碳通量變化具有明顯的時(shí)間特征。在日尺度上，表現(xiàn)為夜間高、白天低、正午達(dá)到最低谷的趨勢(shì)，即夜間表現(xiàn)為碳排放，白天表現(xiàn)為碳吸收，呈“U”形單峰曲線變化，差異主要體現(xiàn)在“U”形曲線的變化幅度。這與植物光合作用規(guī)律吻合，也與前人[24-26]的研究成果一致。在月份尺度上，CO2通量日平均最大值出現(xiàn)在7 月生長(zhǎng)旺盛期，為-2.48 g/(m2·d)，CO2通量日平均最小值出現(xiàn)在9月生長(zhǎng)后期，為-0.36 g/(m2·d)。在生育期尺度上，5個(gè)主要生育期中稻生態(tài)系統(tǒng)均表現(xiàn)為碳吸收，不同生育期的固碳能力有所不同, 孕穗期、齊穗期、灌漿中期、分蘗盛期、成熟期的平均CO2通量累積量依次降低。不同生育階段的日凈碳交換量從分蘗期開始上升，孕穗期達(dá)到最高峰，之后逐漸下降，這與朱詠莉等[14]、成小琳等[27]的研究結(jié)果一致。CO2通量日平均最大值為-3.13 g/(m2·d)，出現(xiàn)在孕穗期，CO2通量日平均最小值為-0.81 g/(m2·d)，出現(xiàn)在成熟期，說明孕穗期對(duì)產(chǎn)量貢獻(xiàn)最大，成熟期對(duì)產(chǎn)量貢獻(xiàn)較小，這與水稻生長(zhǎng)的干物質(zhì)積累的規(guī)律相吻合。中稻大田生育期內(nèi)NEE、GPP 和Reco 的變化曲線分別呈現(xiàn)出“U”形、倒“U”形和偏鋒特征，凈碳交換為-173.93 g/m2，總初級(jí)生產(chǎn)力為587.62 g/m2，碳排放為413.68 g/m2。但低于李琪等[28]對(duì)中稻生長(zhǎng)期的觀測(cè)結(jié)果，也低于宋濤等[29]對(duì)單季稻的觀測(cè)結(jié)果。這可能是由于地域、氣候、水稻品種、田間管理方式、數(shù)據(jù)采集方法等的不同帶來的差異。學(xué)界利用渦度相關(guān)技術(shù)對(duì)雙季稻、稻麥兩熟、小麥-玉米輪作等模式研究較多[1,5-6]，對(duì)稻-油兩熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)研究相對(duì)較少。但近年長(zhǎng)江中下游地區(qū)中稻-油菜種植模式[30]發(fā)展迅速，針對(duì)這一種植模式下的碳交換研究，對(duì)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。