华北平原冬小麦夏玉米轮作生态系统 CO2通量特征及其影响机制
文献类型：学位论文
| 作者 | 岳泽伟 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 李发东 |
| 关键词 | 冬小麦夏玉米 CO2 通量 最大碳吸收速率 碳吸收期 免耕 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 农田生态系统不仅能为人类提供必要服务，而且在调节陆地碳循环方面发挥着关键作用。在气候变化背景下，深入解析农田生态系统碳收支对于评估不同管理措施和气象条件对农业的影响至关重要。相较于自然生态系统，农田生态系统的 CO2 通量不仅受自然环境的影响，还受到管理措施的影响。因此，解析农田生 态系统碳通量影响因素，优化田间管理措施对于提升农田生态系统的固碳潜力尤为重要。本研究依托位于华北平原黄河下游引黄灌区的中国科学院禹城综合试验站，利用 2003-2018 年间冬小麦 (Triticum aestivum L.) 和夏玉米 (Zea mays L.) 长期碳通量观测数据，结合农作物物候、生物和土壤信息，在季节尺度上和年际尺度上探究华北平原冬小麦-夏玉米不同生长阶段CO2通量变化的差异、驱动因素和响应特征。此外，本研究还设置4种华北平原地区常见的田间管理措施，即免耕结合秸秆还田(T0S1)、免耕结合秸秆不还田(T0S0)、旋耕结合秸秆还田(T1S1)和旋耕结合秸秆不还田(T1S0)，以探究不同管理措施对冬小麦夏玉米在不同关键生育时期CO2通量特征和产量的影响。 主要得到以下结论：(1)2003-2018年，小麦的播种-返青期以及玉米的播种到拔节期期间，净生态系统生产力(NEP)为负值，表明这些阶段为碳源。随机森林模型表明，叶面积指数（LAI）是小麦季节CO2通量的主要要驱动因素。在玉米季节，随机森林模型揭示了叶面积指数、光合有效辐射和土壤含水量是CO2通量的重要驱动因素。日最大NEP(NEPmax)、日最大ER(ERmax)和日最大GPP(GPPmax)驱动了小麦季和玉米季NEP、生态系统呼吸(ER)和总初级生产力(GPP)的年际变化。这些发现对于深入理解不同生长阶段小麦-玉米轮作系统的CO2通量特征及其影响机制至关重要，对于预测气候变化下农田生态系统的碳循环具有重要价值。(2)小麦季的NEP受碳吸收期(CUP)、碳吸收结束日期(ECUP)和NEPmax的显著影响。春季气温的升高导致小麦季节的土壤含水量下降，从而缩短碳吸收期，碳吸收结束日期提前，并降低了NEP峰值。玉米季节的NEP主要受CUP、碳吸收开始日期(SCUP)和NEPmax的影响。ECUP和CUP与玉米季节的气温和土壤温度呈负相关，NEPmax与夏季平均气温和玉米季气温呈显著负相关。此外，小麦季NEPmax对NEP的年际变化的贡献达到63%，而在玉米季CUP贡献为30%。考虑到产量出口，小麦季节的碳收支接近碳中和，为21±26gCm-2；玉米季则表现为碳源，为102±18gCm-2，而全年总体表现为碳源，为129±41gCm2。(3)在小麦季，除了2021年的灌浆期外，旋耕+秸秆还田处理下的NEP值最大。虽然旋耕增加了生态系统ER，但旋耕和秸秆还田都增加了GPP，使得旋耕+秸秆还田处理下的GPP值最大。旋耕和秸秆还田增加了不同生育阶段的叶片光合速率(Pn)，并促进了地上部生物量的积累。在2021年和2022年，采用旋耕+秸秆还田处理使得籽粒产量和地上部生物量均高于其他处理。各个生育期的NEP与产量之间呈显著正相关关系，表明NEP的增加对产量提高有利。免耕会导致土壤质量变差，不利于土壤的可持续发展。旋耕结合秸秆还田的做法有利于碳的固定和土壤养分的积累，从而有利于土壤有机碳的积累，并通过提高LAI和Pn进一步提高了NEP。(4)在玉米季，免耕结合秸秆还田处理下的NEP值最大。免耕降低了ER，除了2022年的拔节期，秸秆还田增加了ER。免耕增加了GPP，并且免耕结合秸秆还田处理下的GPP值最大。免耕和秸秆还田增加了Pn，其中免耕+秸秆还田措施下的Pn最大。这一措施也增加了地上部生物量的积累。在T0S1处理下籽粒产量的值都大于其他处理。三个不同时期的NEP与产量之间也呈显著正相关关系，特别是在灌浆期，NEP与籽粒产量线性关系的斜率最大，表明在此期间NEP的积累更有利于产量的提高。免耕和秸秆还田通过增加土壤有机碳（SOC）来提高NEP，秸秆还田通过增加Pn来提高NEP。总之，玉米季中采用秸秆覆盖结合免耕的方法，通过提高叶片光合能力和改善土壤养分的积累，从而增强生态系统碳吸收能力。 本研究明确了华北平原冬小麦-夏玉米不同生长阶段CO2通量变化的差异及其驱动因素，并深入分析了气候变化背景下冬小麦与夏玉米年际CO2通量的响应特征。此外，研究还提供了免耕和秸秆还田处理对小麦和玉米CO2通量的影响机制的新见解。这些结果为气候变化背景下农田生态系统碳循环研究提供了宝贵的数据支撑和理论基础，有助于推动农田固碳增汇和实现农业领域碳中和目标。 |
| 学科主题 | 生态学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 151 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209265]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 岳泽伟. 华北平原冬小麦夏玉米轮作生态系统 CO2通量特征及其影响机制[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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