农田CO2通量研究的实验与方法摘要由于人类的活动而引发的“温室效应”已成为影响全球气候变化的一个重要而不可浓度将比工业化前增加一倍，而农业生忽视的因素，估计到21世纪中叶，大气中的CO2产活动已成为加速全球变暖不容忽视的人类活动之一，因此农业碳循环的研究必须得到了发展和重视。

因此在此基础上进行科学的农田CO2通量研究就显得十分重要。

因此，在这里本文将对农田CO通量研究的实验与方法进行详细的介绍。

2通量，研究方法关键词：农田生态系统，CO21 农田CO2通量的研究现状在现阶段，农田CO2通量的研究属于热门学科，各位学者对此关注都较大。

这种现在是现实需要的体现。

因为当今社会，人们对环保与温室效应等这些当前热门话题都非常关注。

因此，谁能更好地研究这一领域才更有可能对社会做出贡献。

在过去的30年间农业管理以及杂交育种取得了显著的进步，许多农田管理措的施用使得农田产量增大。

但是它却不能使净生态系统交换量(NEE)达到最优。

Suyker认为生长季节灌溉可以增加生物量的累积，但是也会使微生物和根呼吸有变大的趋势[1]。

根据现有的资料，可以推测目前所排放的CO2有约25%来自土地利用的变化。

由于90年代初全球土地面积近乎40%转化为耕地或永久牧场，从而导致生态系统的退化，使其CO2的排放大幅度减弱，而土壤呼吸作用排放的CO2却在增加，成为了新的CO2的排放源。

农田生态系统是碳循环的一个重要组成部分，李克让[2]等对中国主要农作物类型变化CO2引起的净排放进行了较为系统的论述。

但相对于森林生态系统来说[3~5]，Baldocch 发现在通量观测网络中对农田生态系统CO2通量研究相对较少，通常对农田的CO2通量测定是在有作物的季节测定，在休闲时期CO2的排放观测较少[6]。

现对这一现实，现阶段可行的温室气体减源增汇的农业对策主要包括3个方面：减少化肥用量、增加有机肥；作物品种的选育与推广；退耕还林还草和农业新技术推广。

有研究表明[7]：与施化肥的农田相比，不施化肥农田的温室气体综合排放效应下降15.99%，少施化肥则下降5.9%，不施化肥或少施化肥是减少温室气体排放的最佳措施。

通过选育高产的优良作物品种，贮备和培育一批高产、优质、抗病虫害的作物品种，提高碳利用率，减少碳损失，进而实现减少温室气体排放的目的。

1．实验区的选择条件试验布区的设制要有代表性，其中擅及到许多相关的条件的选择。

本文以布设在中国科学院长武农业生态试验站的试验区为例，将详细介绍其所需要的相关条件。

此站位于黄土高原中南部，陕甘交界处的陕西省长武县洪家镇王东村。

1．1具代表性的气候由于实验区不可能涉及到每个地区，因此所选择实验区的气候必须具有代表性。

而布设在中国科学院长武农业生态试验站的试验区的气候属暖温带半湿润偏旱大陆性季风气候。

这可使得所观测的实验数据更有代表性。

1．2充足的日照日照是农田作用正常健康生长的必要条件，因此在选择相应的实验区时必须到日照的问题。

例如布设在中国科学院长武农业生态试验站的试验区的年日照时数2226.5小时，日照百分率51％，年总辐射483700J/cm3。

其适宜的光照将有利于农田作物地生长。

1．3合适的温度温度一直是影响作物生长的一个重要因素，它决定着农田作物各生长阶段的健康情况。

因此试验区的温度也是一个必须考虑的因素。

例如布设在中国科学院长武农业生态试验站的试验区的年平均气温9.1℃，1月份平均气温-5.0℃，极端最低温度-24.9℃，7月份平均气温22.1℃，极端最高温36.9℃。

塬面全年≥0℃活动积温3688℃，≥10℃活动积温3029℃，多年平均无霜期171天。

1．4适宜降水量水作为生命之源，在农田作物的生长阶段必须为它们提供充足的水，而这又与降水量的大小有着直接的关系。

因此实验区的选择必须充分考虑到这一点。

例如布设在中国科学院长武农业生态试验站的试验区的多年平均降水量为584.1mm，2003年为特大降雨年，降雨量超过800mm。

2观测仪器农田CO通量研究中所要观测的数据较多，因此会用到许多仪器。

例如测定垂直脉动2风速和脉动温度、空气中水汽含量脉动和CO2浓度的脉动量等，就可能要用到三维超声波风速温度计(ultra-sonic anemometer-thermometer. 1210R3,Gill Instruments, Ltd.,UK)、红外开路CO2/H2O气体分析仪(infrared CO2/H2O gas analyzer.Li-7500,Li-cor,USA)和气压计(barometer)等。

而所获得的湍流数据又必须依靠其它仪器帮助传输。

例如湍流数据经传输到达控制室，需通过高速采集器（CR5000,Campbell Scientific,Inc.,USA）进行数据采集和存储，以计算获得CO2通量数值。

又为了尽量减小通量塔对开路涡度相关系统空气动力学干涉作用，必须将超声风温仪和CO2/H2O安装在1m长的支臂上，并尽可能垂直于长武站盛行风的方向[8]。

由此不难发现，进行农田CO2通量研究必须依靠各仪器的使用，才能保证研究的正常进行。

3 观测方法测定生态系统碳通量的方法主要有箱法和微气象学方法。

目前普遍认为微气象学方法是长期测定生态系统碳通量的最可靠和切实可行的办法，广泛应用于地表通量研究的仪器还有波文比和闪烁通量仪。

3.1 微气象法微气象法所测气体通量值是较大范围内的平均值，减少了密闭采样系统采样时带来的误差，同时大大改善了观测结果的代表性，实验装置及观测活动不会干扰被测区域的自然环境状况，观测持续时间较长，能得到被测区域微气象要素的时间变化，进而获得被测气体交换特征的时间变化。

微气象法主要有涡度相关法、质量平衡法、能量平衡法、空气动力学法[7]，在中国微气象法仍处于研究阶段。

其中涡度相关技术(Eddy Covariance Technique)是通过测定垂直风速和CO2密度脉动而直接获得植被/大气间的CO2通量，被认为是当前最好的微气象学方法，因为它不要求有涡度扩散系数和大气稳定性校正或假定风速的垂直廓线形状等。

为研究农田生态系统CO2净交换(NEE)提供了一种可靠的方法[9]。

涡度相关技术的优点就是能通过测量各种属性的湍流脉动值来直接测量它们通量，和其它方法相比，它是一种直接测量乱流通量的方法，不受平流条件限制，是各种方法中较精密而可靠的方法。

3.2 箱法根据箱内气体与外界有无气体交换的关系，箱法可以分为动态箱法和静态箱法。

静态箱法主要分为静态暗箱法和静态透明箱法。

静态箱法已有10余年的历史，已经趋于成熟。

研究人员通过试验发现对测量地点自然环境的扰动，对光合有效辐射、温度、湿度以及气体组成等产生的干扰可能会在一定程度上改变箱内土壤和植物与空气间的气体交换过程。

为了降低环境因子的变化影响而采用暗箱进行的测定，仅能直接测定土壤作物系统的CO 2呼吸量，不能反映农田生态系统与大气之间的CO 2净交换量。

透明箱法能够直接观测农作物对大气CO 2的同化过程，反映了真实同化量，可是受环境因子影响，存在一定的误差[10]。

Pickering and Leadley 研究表明罩箱后明箱内太阳辐射一般较箱外低l0%~20%，并且衰减程度还受箱体的材料、厚度、透光度的影响。

4 数据处理方法4．1 涡度相关技术基本假设在进行农田CO 2通量研究时，必然会擅及到涡度相关技术的相关假设。

它在通量的计算中有着重要的作用。

涡度相关技术要求仪器应固定在CO 2通量随高度不发生变化的内边界层即常通量层内。

对于常通量层的明确理解,可以通过CO 2的物质守恒方程得到。

常通量层假设要求满足3个条件：①稳态；②测定下垫面与仪器之间没有任何的源或汇(S=0)；③在足够长的风浪区内具有水平均匀的下垫面。

4．2 涡度相关技术基本理论公式4.2.1 CO 2湍流通量CO2湍流通量对农田CO 2通量研究时着重要的作用，本文在此处将对它进行简单介绍。

涡度相关技术应用的最基本理论公式是从雷诺经典定义出发推导得到的，当忽略平均垂直通量时，CO 2湍流通量可定义为[11]：cF w s w ρρ''''=≅ （1） 这里ρ是干空气密度，s ’是CO 2混合比率的脉动，w ’是垂直风速脉动，—代表时间平均。

利用坐标轴系统的旋转迫使w 为0，从而可以消除平均垂直通量。

由于大多数传感器不能直接测量CO 2混合比率，而是测定CO 2的密度，因此由于水气和热量对密度脉动效应的存在，必须对测定结果进行WPL 校正。

4.2.2 净生态系统CO 2交换净生态系统CO2交换的计算在农田CO 2通量计算中有着重要的作用。

它是其研究中一个重要参数，以下是对其的简单介绍。

当大气热力分层达到稳定或湍流混合作用较弱时，从土壤和植被与大气间交换的CO 2也就不能传输到测定仪器的高度。

在这种条件下观测高度以下的储存项不为零，因此只有在涡度相关测定结果中加入储存项，才能真正评价土壤和植被与大气间交换的CO 2通量。

净生态系统CO 2交换定义为[11]： 0()z c e c r N w dz tρ∂=+∂⎰ （2） 方程(5)忽略了CO 2物质守恒方程中的大部分项，尤其是在非理想条件下忽略水平和垂直平流项是有疑问的。

但是，目前FLUXNET 内大部分研究人员估算净生态系统CO 2交换量的理论框架是方程(5)。

5 农田生态系统CO 2通量研究影响因素农田生态系统CO2通量特征擅及到摩擦风速临界值，生态呼吸以及生态系统呼吸对温度的响应。

它们能从不同的方面所映出农田CO 2通量的研究结果好坏，对实验有着至关重要的作用。

5.1 摩擦风速临界值摩擦风速临界值之所以作为农田生态系统CO2通量影响因素，是因为它与涡度有一定程度上有着一定的联系。

涡度相关法可直接测定植被与大气间CO 2通量，但在夜间大气层结比较稳定、湍流较弱时，从土壤和叶片扩散的CO 2不能达到仪器测定高度，仪器测定的精确性降低导致夜间CO 2通量的值偏低。

根据摩擦风速u *与CO 2通量的关系可确定一个临界u *,，在u *>0.15ms −1时，CO 2通量随u *的增加而趋于稳定，这些值可以认为是正确的，而在u *<0.15ms −1所观测的CO 2通量将舍去。

它可以帮助研究人选择对面实验更有用的数据。

5.2 生态系统呼吸生态系统呼吸在一定程度可以反映CO2通量的变化情况，它与整个研究过程有着重要的联系。

5．2．1生态系统呼吸人们通常用生态系统呼吸来说明一个生态系统的CO 2排放，它实际上包括了土壤呼吸和植物地上部分呼吸，而土壤呼吸又包括土壤微生物呼吸和植物根系呼吸。

影响土壤微生物呼吸的因子主要有：温度、含水率和有机质。

温度影响微生物分解过程，通过研究发现较高温度下的微生物优势种群能够分解较低温度下微生物种群所不能利用的有机物，且证实了微生物种群组成和结构确是随着温度的变化而改变。