魏甲彬，徐華勤，周玲紅，成小琳，唐先亮，傅志強(qiáng)，唐啟源，唐劍武

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙 410128）

由于大氣CO2濃度的升高與全球氣候變化之間具有密切的相關(guān)性，為明確各類生態(tài)系統(tǒng)在大氣CO2濃度升高過程中扮演的角色及其固碳減排潛力，各類生態(tài)系統(tǒng)與大氣圈之間的碳交換研究至關(guān)重要[1]。作為全球氣候變化和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究的核心內(nèi)容之一，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)規(guī)律已成為國際環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)[2]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，受人為因素強(qiáng)烈影響和干擾，其CO2的生態(tài)系統(tǒng)凈交換量變化較大，已成為國際碳循環(huán)研究的熱點(diǎn)問題之一[3-6]。在生態(tài)系統(tǒng)碳交換研究方法中，傳統(tǒng)的箱式法（暗箱或明箱）存在測定時(shí)對下墊面擾動(dòng)較大、測定不具備連續(xù)性以及時(shí)間分辨率低等缺陷，在估算生態(tài)系統(tǒng)碳交換中存在較大的不確定性。渦度相關(guān)（Eddy covariance）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對生態(tài)系統(tǒng)尺度碳交換的直接測定[7]，是近年來國際上普遍認(rèn)可的方法，并逐漸應(yīng)用于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測研究。近10年來，國內(nèi)外學(xué)者針對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換開展了一系列的相關(guān)研究，研究對象主要集中在小麥、水稻、玉米、棉花等單個(gè)作物在生長季或者某種耕作措施下土壤呼吸、CO2通量特征及其影響因素等方面，這些研究一方面對農(nóng)田休閑期碳排放關(guān)注較少，另一方面，采用的主要是傳統(tǒng)的箱式法進(jìn)行測定，有關(guān)年尺度的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)高通量的碳交換研究則只有少量報(bào)道[8-12]，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)周年碳平衡的研究不足。

截至2014年全國雙季稻種植面積達(dá)618.18萬hm2[13]。雙季稻是湖南省目前主要的水稻種植模式。因此，研究這一地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳交換的特征及其環(huán)境影響因子對區(qū)域碳平衡估算具有重要的意義。但關(guān)于雙季稻區(qū)稻田生態(tài)系統(tǒng)的碳交換研究到目前為止只有少量報(bào)道，且研究方法主要是箱式法，鮮見使用渦度相關(guān)法進(jìn)行全年碳交換研究的報(bào)道[14-17]。同時(shí)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)受區(qū)域空間分布、氣候與土壤環(huán)境、耕作制度、管理措施等差異影響，區(qū)域間農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的估算與比較存在不確定因素較多，需要更多的案例研究。鑒于此，本研究通過渦度相關(guān)技術(shù)，對湖南省瀏陽市典型雙季稻生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)一年的通量觀測，探討其季節(jié)性碳交換動(dòng)態(tài)特征及其主要環(huán)境影響因子，為評估南方雙季稻農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)周年碳平衡提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2015年全年在湖南省瀏陽市沿溪鎮(zhèn)（113°84′E，28°30′N）湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)科研基地進(jìn)行，該基地所處的湘東山區(qū)為丘陵地形，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，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1 358.6~1 552.5 mm，土壤類型為潴育性水稻土。其有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀含量分別為 29.1、1.58、0.49、14.62 g·kg-1，pH值5.71。

以渦度相關(guān)通量塔為中心，南北長100 m的觀測區(qū)內(nèi)地勢平坦，且均為水稻田，歷年種植制度為稻-稻-冬閑，且水稻秸稈均還田。早稻品種為中嘉早17，于2015年4月21日進(jìn)行機(jī)插秧，7月18日收割，收割后水稻秸稈旋耕進(jìn)土層；晚稻品種為H優(yōu)518，于2015年7月21日進(jìn)行機(jī)插秧，10月31日收割，收割后水稻秸稈旋耕進(jìn)土層。試驗(yàn)期間早晚稻均施氮磷鉀復(fù)合肥750 kg·hm-2（N∶P∶K=15∶15∶15），隨后的分蘗肥施尿素375 kg·hm-2。水分管理為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理。

1.2 研究方法

觀測系統(tǒng)由渦度相關(guān)觀測系統(tǒng)和常規(guī)氣象要素觀測系統(tǒng)組成。渦度相關(guān)觀測系統(tǒng)主要包括CO2/H2O分析及三維超聲風(fēng)速儀（EC150，Campbell）和數(shù)據(jù)采集器（CR1000，Campbell），分別用于快速測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，由數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)存儲在原裝進(jìn)口U盤（16 G）內(nèi)。常規(guī)氣象要素觀測系統(tǒng)為Vantage pro2型自動(dòng)氣象站，用于測定總輻射、氣溫、和降水量等。同時(shí)，用Onset HOBO溫度記錄儀（U23-001）長期監(jiān)控土壤溫度（0~5 cm）。以上各項(xiàng)測定值采樣周期均為30 min的平均值。另外采用箱式法測定生態(tài)系統(tǒng)CO2通量，以此通量數(shù)據(jù)對渦度相關(guān)法數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。箱式法測定間隔為水稻生育期每半個(gè)月測定1次，冬閑田期間每個(gè)月中旬測定1次，采用超便攜式溫室氣體（CH4、CO2、H2O）自動(dòng)分析儀（Ultraportable Greenhouse Gas Analyzer， 美 國 Los Gatos Research公司，儀器型號為915-0011-1000）與循環(huán)采氣透明靜態(tài)箱相結(jié)合。靜態(tài)箱材質(zhì)為透明有機(jī)玻璃，規(guī)格為50 cm×50 cm。每個(gè)小區(qū)布置一個(gè)相同尺寸的正方形底座，四邊有凹槽，安裝時(shí)底座邊緣嵌入土中3 cm深。測定時(shí)，靜態(tài)箱置于底座上，凹槽內(nèi)灌水以確保透明靜態(tài)箱處于密閉狀態(tài)，每個(gè)小區(qū)測定5 min，從上午7點(diǎn)開始用暗箱測定生態(tài)系統(tǒng)呼吸，測定時(shí)，先于早晨氣溫較低時(shí)用黑布罩住靜態(tài)箱，測定生態(tài)系統(tǒng)呼吸排放的CO2通量，隨后分別測定上午和下午的生態(tài)系統(tǒng)CO2通量。

葉面積指數(shù)（Leaf area index，LAI）采用直尺直接測量的方法。在每次用箱式法測定時(shí)，于田間確定5個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)隨機(jī)測量10株水稻每個(gè)葉片的最大葉長與最大葉寬，然后用以下公式計(jì)算LAI，以50株水稻平均值作為該次測定的水稻LAI：

式中：n為第j株的總?cè)~片數(shù)；m為測定株數(shù)；ρ種為種植密度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù)取得后，采用eddypro6.2.0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。獲得的全年通量數(shù)據(jù)進(jìn)一步做如下處理：剔除夜間（定義太陽總輻射<10 W·m-2為夜間[18]）為負(fù)值的數(shù)據(jù)值；剔除明顯不符合經(jīng)驗(yàn)常規(guī)的數(shù)據(jù)值（本文根據(jù)箱式法測定的結(jié)果剔除>20 μmol·m-2·s-1和<-30 μmol·m-2·s-1的數(shù)據(jù)值）；剔除降雨時(shí)刻的數(shù)據(jù)值，因?yàn)榻涤陼?huì)擾動(dòng)氣體流動(dòng)甚至導(dǎo)致儀器失靈；剔除摩擦風(fēng)速<0.05 m·s-1對應(yīng)的通量數(shù)據(jù)值以消除夜間湍流低對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響[19]。

通量觀測過程中，受儀器故障、天氣狀況、大氣穩(wěn)定度和供電系統(tǒng)故障等影響造成大量數(shù)據(jù)的異常和缺失，數(shù)據(jù)不可用比例在17%~50%[19-22]。本站點(diǎn)觀測時(shí)間為2015年1月1日—12月31日，全年有效數(shù)據(jù)為45%，其中白天有效數(shù)據(jù)為51%，夜間有效數(shù)據(jù)為39%。因此，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)插補(bǔ)。氣象數(shù)據(jù)也有小部分缺失，采用和CO2通量相同的方法策略進(jìn)行插補(bǔ)。缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)方法主要包括：平均日變化法、根據(jù)特定氣象條件查表法、非線性回歸法[20]。由于利用全年有效數(shù)據(jù)建立的線性方程決定系數(shù)較小，故本文采用以下方法進(jìn)行插補(bǔ)：（1）<2 h缺失數(shù)據(jù)用線性內(nèi)插法；（2）>2 h且<1 d缺失數(shù)據(jù)采用平均日變化法，白天取 14 d、夜間取 7 d 的平均時(shí)間長[20，22]。

事后，說到花五奇衣衫著火，老太醫(yī)道：“老朽年輕時(shí)不敢跟壞人拼命，釀成悲劇，后悔至今。現(xiàn)在老了，無力跟壞人拼命，為了好人，在壞人面前使點(diǎn)小壞，不亦快哉?！?/p>

渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測并通過eddypro計(jì)算得到的是30 min的CO2通量數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)只是陸地生態(tài)系統(tǒng)和大氣之間的凈碳交換量（Net ecosystem exchange，NEE），即總初級生產(chǎn)力（Gross primary productivity，GPP）和生態(tài)系統(tǒng)總呼吸（Ecosystemrespiration，Reco）之差。但是在冠層尺度的GPP和Reco通常是無法直接觀測的，需要通過一定算法將實(shí)測NEE進(jìn)行分解。分解NEE的基本原理是通過夜間觀測的NEE（夜間無光合作用，因此凈交換量就是生態(tài)系統(tǒng)凈碳排放，即NEE=Reco）確定Reco溫度響應(yīng)函數(shù)的參數(shù)，然后將該關(guān)系應(yīng)用于白天確定白天的Reco，進(jìn)而計(jì)算獲得白天GPP。本文采用van′t Hoff經(jīng)驗(yàn)指數(shù)模型建立Reco與溫度的關(guān)系[20]：

式中：a、b為模型建立后的系數(shù)，分別表示當(dāng)溫度為0℃時(shí)的生態(tài)系統(tǒng)呼吸和生態(tài)系統(tǒng)呼吸對溫度的響應(yīng)參數(shù)；Tsoil為5 cm土壤溫度；b值與Q10模型具有一致的關(guān)系，因此Q10值采用以下模型計(jì)算：

利用計(jì)算得到的白天Reco值，可以得到生態(tài)系統(tǒng)全年GPP的值：

最后，采用米氏方程進(jìn)行光合有效輻射（Photo synthetically activeradiation，PAR）與NEE的相關(guān)性分析[20]：

式中：Rd為白天的呼吸速率；Pmax為光飽和時(shí)的光合速率；Km為擬合常數(shù)；α為初始表觀量子效率，α=-Pmax/Km；PAR 為光合有效輻射，μmol·m-2·s-1。本研究中的PAR由太陽總輻射計(jì)算而來[23]。

2 結(jié)果與分析

2.1 “雙季稻-冬閑田”生態(tài)系統(tǒng)氣象與環(huán)境因子分析

圖1顯示了2015年試驗(yàn)站點(diǎn)的PAR、降雨量、氣溫以及5 cm土壤溫度的季節(jié)性動(dòng)態(tài)變化。PAR動(dòng)態(tài)變化呈比較平坦的拱形，兩端較低，中間較高；太陽輻射在第100~250 d即4—8月間相對較大，日平均PAR 大于 20 MJ·m-2·d-1，而這一段時(shí)間正是早晚稻生育期。氣溫的波動(dòng)幅度比土壤溫度大，氣溫和5 cm土壤溫度明顯呈現(xiàn)單峰曲線，在夏季（第150~250 d）日均溫都超過了25℃，5 cm土溫和氣溫具有極顯著的線性相關(guān)，R2為0.861 9。從降雨量的柱狀分布圖可以看出2015年降雨較頻繁，但雨量不大，年降雨量為1457 mm，降雨量幅度在0~50 mm之間，在第200~300 d內(nèi)降雨次數(shù)較少，降雨量僅114 mm，而300~365 d降雨較多，達(dá)286 mm。

圖1 試驗(yàn)地氣象與環(huán)境因子Figure 1 Meteorological and environmental conditions in the study area

2.2 “雙季稻-冬閑田”生態(tài)系統(tǒng)碳交換動(dòng)態(tài)變化

2.2.1 碳通量（FC）的月平均日變化特征

如圖2所示，F(xiàn)C的月平均日變化清晰地顯示了其季節(jié)性動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。在早晚稻生長季及冬閑期雜草生物量足夠大時(shí)FC的月平均日變化總體呈“U”型單峰曲線（圖2b~圖2e）。1、2、11月和12月為冬季休閑且雜草群落較小，總體上表現(xiàn)為碳排放，F(xiàn)C的變化范圍為-3.21~5 μmol·m-2·s-1，趨勢相對平緩。3 月和 4月整體仍屬于冬閑期間，但雜草群落足夠大且溫度升高，所以一方面白天的光合作用增強(qiáng)，另一方面白天和夜間的土壤呼吸和植物呼吸也增強(qiáng)。

5月至10月為早晚稻生育期，光輻射和氣溫以及水稻生物量都較高，白天的光合作用顯著變強(qiáng)，呈現(xiàn)白天吸收CO2，晚上排放CO2的規(guī)律。日出半小時(shí)后CO2通量由正值（釋放）轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值（吸收），隨著太陽高度角的增大和太陽輻射的增強(qiáng)，F(xiàn)C不斷增加，在中午12：00左右達(dá)到峰值，此后隨著太陽輻射的降低，F(xiàn)C逐漸減小，傍晚19：00左右由負(fù)轉(zhuǎn)變?yōu)檎?月份早稻剛移栽不久，處于生長前期，光合作用較弱，且土壤溫度較高，土壤呼吸和水稻植株呼吸較強(qiáng)，白天FC集中在-2 μmol·m-2·s-1范圍；6 月為早稻主要生長季，光合能力強(qiáng)，白天FC集中在-8μmol·m-2·s-1左右；7月早稻進(jìn)入成熟期，葉片變黃，光合作用固碳能力降低，且土壤溫度很高，土壤呼吸和水稻植株呼吸強(qiáng)，白天 FC在 0 μmol·m-2·s-1左右。8、9 月為晚稻生長季，白天 FC最高達(dá)-17.95 μmol·m-2·s-1，10 月份晚稻進(jìn)入成熟期，白天FC集中在-6μmol·m-2·s-1左右。另外，5—10月水稻種植期間溫度較高，尤其6—8月，土壤溫度達(dá)到30℃，整個(gè)稻田生態(tài)系統(tǒng)夜間呼吸都很高，在 10 μmol·m-2·s-1上下浮動(dòng)。

圖2 碳通量的月平均日變化Figure 2 Diurnal patternsof monthly averaged carbon flux

如圖3所示，稻田NEE的季節(jié)變化呈明顯的兩個(gè)吸收期（NEE為負(fù)）和三個(gè)排放期（NEE為正）。一年兩熟的雙季稻模式使NEE在早稻和晚稻的生長季有兩個(gè)明顯的碳吸收期，早稻平均值為-0.58 g C·m-2，最大值出現(xiàn)在 6 月 20 日，為-1.77 g C·m-2·d-1，晚稻平均值為-1.28 g C·m-2·d-1最大值出現(xiàn)在9月19日，為-2.23 g C·m-2·d-1；在冬閑期的非作物生長期，存在兩個(gè)碳排放期，平均值為 2.68 g C·m-2·d-1。另外，在早晚稻的生長前期和后期，由于水稻的光合固碳能力較弱，也表現(xiàn)為碳排放，尤其是早稻收獲后晚稻生長前期，呈現(xiàn)一個(gè)排放峰，NEE 平均為 7.14 g C·m-2·d-1。

如圖3所示，冬閑田初期，稻田植物較少，GPP的量較低，隨著氣溫升高以及雜草生長，GPP有少量增加。在早稻生長初期（4月22日—5月13日），由于水稻生物量及LAI較低，GPP也相對較低，在1~3 g C·m-2·d-1；隨著LAI增大和溫度的升高，GPP也逐漸上升，在7月1日達(dá)到最高值11.55 g C·m-2·d-1。此時(shí)土壤溫度也高達(dá)30℃（圖1）。晚稻GPP與早稻有著同樣的變化趨勢，也是隨著LAI增大而增加。

生態(tài)系統(tǒng)碳交換中的碳排放環(huán)節(jié)主要包括土壤呼吸和植物呼吸，這兩者都受土壤溫度的影響。如圖3中所示，Reco的變化幅度較大，為1.7~13.8 g C·m-2·d-1，其變化趨勢與5 cm土壤溫度的趨勢一致（圖1），均為中間高、兩端低。

2.2.3 “雙季稻-冬閑田”生態(tài)系統(tǒng)碳收支

圖4為碳交換的全年日累積動(dòng)態(tài)變化，曲線的斜率表征碳交換每日的累積速率。NEE日累積曲線在雙季稻生長期間表現(xiàn)為斜率變小。全年“雙季稻-冬閑田”生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換的總和表現(xiàn)為向大氣排放CO2，全年累積為778.4 g C·m-2，其中早稻時(shí)期和晚稻時(shí)期分別貢獻(xiàn) 147.7 g C·m-2和 127.4 g C·m-2，冬閑時(shí)期則貢獻(xiàn)了503.3 g C·m-2。與NEE相反，GPP的日累積動(dòng)態(tài)變化曲線在雙季稻生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為碳吸收時(shí)GPP每日的累積速率變大，全年稻田生態(tài)系統(tǒng)GPP為1 643.7 g C·m-2。Reco的每日累積速率受土壤溫度影響，在1—3月以及11—12月期間累積速率較低，曲線較平緩；而在4—10月的水稻生長期間累積速率加大，曲線斜率較大，全年稻田生態(tài)系統(tǒng)Reco為2 425.8 g C·m-2。

雙季稻生態(tài)系統(tǒng)全年僅有88 d表現(xiàn)為碳吸收，且凈吸收量不高。全年雙季稻系統(tǒng)的Reco/GPP為1.48，因此，本研究中早晚稻通過光合作用固定的CO2低于碳排放總量，“雙季稻-冬閑田”生態(tài)系統(tǒng)全年碳交換綜合表現(xiàn)為碳源。

圖3 NEE、GPP和Reco的季節(jié)性動(dòng)態(tài)變化Figure3Seasonal variation of daily and 7-day averaged NEE、GPPandReco

圖4 NEE、GPP和R eco的日累積動(dòng)態(tài)變化Figure 4 Seasonal variation of cumulative NEE，GPPand R eco

2.3 NEE的影響因子分析

2.3.1 5 cm土壤溫度與夜間NEE的關(guān)系

微生物與植物的新陳代謝通過呼吸作用向大氣釋放CO2，而一定范圍內(nèi)的高溫會(huì)促進(jìn)這種新陳代謝，進(jìn)而增加碳排放。本研究分別選取冬閑期間、早稻生育期和晚稻生育期未進(jìn)行插補(bǔ)的夜間CO2通量數(shù)據(jù)與5 cm土壤溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖5所示。各時(shí)期5 cm土壤溫度均與夜間CO2通量擬合較好，有極顯著的相關(guān)性（P<0.000 1）。Q10值表征生態(tài)系統(tǒng)的土壤溫度敏感性，值越高說明生態(tài)系統(tǒng)對土壤溫度變化的響應(yīng)越快。不同時(shí)期Q10值的大小為冬閑>晚稻>早稻，說明冬閑期間的稻田生態(tài)系統(tǒng)對溫度的敏感性大于其他時(shí)期。

2.3.2 PAR與白天NEE的關(guān)系

白天NEE除了受氣溫和土壤溫度影響，另一個(gè)主要影響因素是植物的光合作用強(qiáng)度。而植物光合作用強(qiáng)度與PAR有關(guān)。本研究分別選取早稻和晚稻種植期間未插補(bǔ)的晴朗天氣數(shù)據(jù)，采用米氏方程進(jìn)行擬合。如圖6所示，早稻和晚稻NEE與相應(yīng)的PAR存在顯著的相關(guān)性（P<0.001），決定系數(shù)R2分別為0.53和0.39，即PAR分別解釋了早稻53%的NEE變化和晚稻39%的NEE變化。早稻的Pmax與晚稻相當(dāng)，但早稻白天的Rd低于晚稻，這與本文擬合時(shí)選取的NEE數(shù)據(jù)有關(guān)，早稻數(shù)據(jù)部分對應(yīng)的土壤溫度范圍為18~24℃，晚稻部分對應(yīng)土壤溫度為23~30℃，如前所述，土壤溫度與NEE呈指數(shù)相關(guān)，所以擬合方程中晚稻的Rd大于早稻。

圖6 PAR與NEE的關(guān)系Figure6 Relationship between PARand NEE

3 討論

3.1 NEE、GPP和R eco的季節(jié)變化特征及其影響因子

本研究表明，生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換（NEE）存在明顯的日變化和季節(jié)性變化，具體體現(xiàn)為在作物生長季時(shí)生態(tài)系統(tǒng)從大氣中吸收CO2，日變化明顯，且總體呈“U”型曲線；而在非作物生長季時(shí)生態(tài)系統(tǒng)向大氣排放CO2，日變化總體趨勢平緩。這一特征在區(qū)域尺度上存在普遍性，差異只存在于NEE的變化幅度[24-27]。

白天農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳交換在不同時(shí)間尺度上的變化主要受生態(tài)系統(tǒng)光合作用與呼吸作用強(qiáng)弱的影響，影響因子一般包括光合有效輻射、土壤溫度、氣體溫度、植物生物量和葉面積指數(shù)等。光合有效輻射對植物光合作用強(qiáng)弱的影響制約著生態(tài)系統(tǒng)白天NEE的大小。本研究中，米氏方程能夠較好地表示出在作物生長季中光合有效輻射和生態(tài)系統(tǒng)白天NEE的關(guān)系[28]。但是不同的生態(tài)系統(tǒng)類型，使用米氏方程進(jìn)行模擬得到的相關(guān)關(guān)系大小存在較大差異，決定系數(shù)R2從 0.3~0.9 均有[7，9，28]，本研究中決定系數(shù)也在這個(gè)范圍內(nèi)。差異的存在說明影響生態(tài)系統(tǒng)白天NEE大小除了光合有效輻射還有其他因子，比如氣溫、葉面積指數(shù)等，一方面是氣溫在影響光合作用的同時(shí)還影響植物以及土壤中微生物的呼吸；另一方面，葉面積指數(shù)大小影響光合作用的固碳量。而在夜間，不論是氣溫還是土壤溫度，是影響夜間農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)呼吸的一個(gè)主要環(huán)境因子，主要是通過影響土壤呼吸和植物呼吸發(fā)揮作用，而夜間無光合作用，生態(tài)系統(tǒng)呼吸大小即為NEE的大小。但對于選用氣溫還是土溫能最好地解釋夜間NEE的變化，目前沒有定論，但通常的做法是采用5 cm土壤溫度來進(jìn)行解釋[26，28]。本研究中夜間NEE與土壤溫度有極顯著的正相關(guān)關(guān)系，Q10值代表生態(tài)系統(tǒng)的溫度敏感性。在一年中，冬閑期間的Q10值比早晚稻期間的Q10值大，這與冬閑期間的時(shí)間跨度、溫度幅度較大，且溫度較低，土壤微生物對溫度的響應(yīng)更敏感有關(guān)[29]。另外，有研究表明，土壤水分含量對Q10值有顯著影響，在土壤含水量低于40%時(shí)Q10值更大，而大于40%時(shí)則變小[30]。本研究中水稻種植期間土壤為淹水狀態(tài)，含水量高，而冬閑期間不淹水，含水量低，所以冬閑期間的Q10值比早晚稻期間的Q10值大。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)固碳量評估

由于區(qū)域間氣候與環(huán)境條件、種植制度、管理措施、土壤碳庫大小和研究方法等存在較大差異，關(guān)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)NEE的研究結(jié)果差異較大。有研究發(fā)現(xiàn)，稻田生態(tài)系統(tǒng)具有顯著的碳匯效應(yīng)，太湖流域典型稻麥輪作農(nóng)田年NEE為-749.49~-785.38 g C·m-2[24]；淮河流域稻麥輪作系統(tǒng)年NEE為-626.92 g C·m-2[25]；華北平原的稻麥輪作系統(tǒng)年NEE為-197.6~-317.9 g C·m-2[6]；長三角地區(qū)的稻麥輪作系統(tǒng)年NEE達(dá)-769.6gC·m-2[26]；雙季稻農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的年NEE為-463.4 g C·m-2[17]。而本研究中雙季稻農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的NEE的累積變化表現(xiàn)為向大氣中排放CO2，為778.4 g C·m-2，以一年的時(shí)間尺度看，本研究的“雙季稻-冬閑田”生態(tài)系統(tǒng)在2015年整體表現(xiàn)為碳源。原因可能是渦度相關(guān)技術(shù)對夜間NEE的估算具有較大的不確定性，且通常都是低估的[31]。本研究中的夜間NEE冬閑期間在5μmol·m-2·s-1左右，早晚稻種植期間在 10 μmol·m-2·s-1左右，而其他使用渦度相關(guān)技術(shù)進(jìn)行CO2通量監(jiān)測的全年夜間 NEE 均值為 1~4.5 μmol·m-2·s-1[17，24-26]，所以本研究對生態(tài)系統(tǒng)夜間和白天的碳排放估算值相對較高（使用夜間NEE與土壤溫度建立的van′t Hoff經(jīng)驗(yàn)指數(shù)模型估算白天的碳排放）。但與他人用靜態(tài)箱法估算的雙季稻田碳排放量卻相似。陳粲[32]在澳大利亞不同秸稈還田方式對稻田生態(tài)系統(tǒng)碳排放（Reco）的研究中，估算秸稈深埋方式下年排放達(dá)3500 g C·m-2，高于本研究的年碳排放量估算的2 425.8 g C·m-2。另外，劉兵[14]對鄂東南稻區(qū)的雙季稻生態(tài)系統(tǒng)碳排放研究表明，不同種植方式下僅雙季稻生長季稻田生態(tài)系統(tǒng)碳排放范圍為4972~10 354 g C·m-2，更是遠(yuǎn)高于本研究估算的年碳排放。同樣是稻麥輪作系統(tǒng)，黃明蔚[33]采用透明箱研究稻麥兩季的NEE發(fā)現(xiàn)，無論在水稻生長季還是小麥生長季，均表現(xiàn)為碳排放，總量達(dá)928 g C·m-2。而且從全球碳平衡的角度看，每年由土壤釋放的CO2等于或超過陸地生態(tài)系統(tǒng)的凈初級生產(chǎn)力[34]，這意味著土壤排放的CO2量超過了植物通過光合作用固定的CO2。因此，提高農(nóng)田土地在時(shí)間和空間上的植被覆蓋率，將有可能使植物光合作用固定的碳超過土壤呼吸釋放的碳。

前期本項(xiàng)目組采用透明靜態(tài)箱法研究冬閑田種植黑麥草和紫云英的白天的凈碳交換，結(jié)果表明冬季種植黑麥草和紫云英能提高稻田生態(tài)系統(tǒng)白天的固碳量，至早稻種植前，種植紫云英處理白天固碳總計(jì)381 g C·m-2，種植黑麥草處理為 300 g C·m-2[35]。表明持續(xù)時(shí)間長達(dá)5個(gè)半月的稻田冬閑期具有較高的固碳潛力，充分利用將很可能有效提高稻田全年生態(tài)系統(tǒng)固碳能力。當(dāng)前國內(nèi)外利用冬閑田種植作物的生態(tài)系統(tǒng)全年凈碳交換研究還鮮見報(bào)道，因此，研究全年覆蓋作物的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換對于理解和評價(jià)冬閑田或其他類型農(nóng)閑田的充分利用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和固碳減排效應(yīng)上的作用具有重要意義。

4 結(jié)論

（1）雙季稻生態(tài)系統(tǒng)碳交換存在明顯的日變化和季節(jié)變化，而導(dǎo)致變化的直接原因是生態(tài)系統(tǒng)處于生長季還是非生長季。在生長季中，水稻種植期間白天的凈碳交換受光合有效輻射的影響顯著；全年夜間的凈碳交換受5 cm土壤溫度的顯著影響。土溫低時(shí)的冬閑時(shí)期土壤溫度敏感性高于土溫高時(shí)的雙季稻生長季。

（2）該生態(tài)系統(tǒng)全年凈碳交換為778.4 g C·m-2，總初級生產(chǎn)力為1 643.7 g C·m-2，碳排放為2 425.8 g C·m-2，其中冬閑田期間占64.7%?？梢娝竟夂献饔霉潭舜罅緾O2，為稻田生態(tài)系統(tǒng)固碳減排做出了巨大貢獻(xiàn)。但由于雙季稻這一種植模式中有長達(dá)4~6個(gè)月的閑置期，而冬閑期間具有較高的碳排放，導(dǎo)致該種植模式下水稻生態(tài)系統(tǒng)全年整體表現(xiàn)為碳排放。因此，如能充分利用好冬閑田以及提高雙季稻光合作用效率，“雙季稻-冬閑田”生態(tài)系統(tǒng)有可觀的固碳減排潛力。

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