农田生态系统通量观测

很多研究结果都普遍认为在过去的一个世纪里由于耕作强度不断增强，致使农田生态系统成为陆地生态系统中的一个明显碳源(Baker&Griffis,2005)，在欧洲北部某些干早和半干早地区的农田生态系统即使在夏季的生长季也处于净碳排放状态(Soegaard et al，2003)。但是，农田生态系统二氧化碳通量的多样性和变异性也与土地利用方式显著相关(Schimel et al，2000)，过去因不合理的耕作和管理手段造成农田生态系统碳储量流失的事实也说明采取适当的耕作和管理措施(如免耕、少耕和轮作)有可能增加农田生态系统的碳吸收能力，而使其转变为净碳汇。长期连续的碳通量观测与定期的群落凋査相结合有助于我们更准确地了解农田生态系统中的碳水循环过程及其环境控制机理，从而为农业政策决策者制定合理的农田管理措施提供理论依据和数据支持。

简介很多研究结果都普遍认为在过去的一个世纪里由于耕作强度不断增强，致使农田生态系统成为陆地生态系统中的一个明显碳源(Baker&Griffis,2005)，在欧洲北部某些干早和半干早地区的农田生态系统即使在夏季的生长季也处于净碳排放状态(Soegaard et al，2003)。但是，农田生态系统二氧化碳通量的多样性和变异性也与土地利用方式显著相关(Schimel et al，2000)，过去因不合理的耕作和管理手段造成农田生态系统碳储量流失的事实也说明采取适当的耕作和管理措施(如免耕、少耕和轮作)有可能增加农田生态系统的碳吸收能力，而使其转变为净碳汇。长期连续的碳通量观测与定期的群落凋査相结合有助于我们更准确地了解农田生态系统中的碳水循环过程及其环境控制机理，从而为农业政策决策者制定合理的农田管理措施提供理论依据和数据支持。1

农田生态系统通量观测的特点用涡度相关技术进行通量观测需要两个基本条件：边界层大气均匀混合；具有一定面积的均匀平坦的下垫面。农田生态系统的群落物种单一，其矮小的植被冠层结构简单均质性高，是进行涡度相关通量观测实验和技术理论研究的理想植被类型。1

试验研究特点此外，在农田生态系统开展试验研究还有以下三个特点：

农作物植被发育过程的阶段性明显，具有明显的季节性变化；

农田群落物种单一，便于进行叶面积指数、群落结构、生物量动态变化等生态学调査，以及光合作用、呼吸作用和蒸腾蒸发等生理生态测定；

农田生态系统中易于开展人工控制实验(施肥、灌溉、种群密度)监测其水分和养分平衡等状况。

鉴于以上的种种有利条件，农田生态系统的通量观测最容易与生态、生理观测相结合，开展通量观测的方法论、通量形成的生态过程机理模型的开发与验证等方面的研究工作。实际上最早的植被-大气间能量和水碳通量观测的实验性研究也是从农田生态系统开始的。早期因缺乏快响应的CO2传感器，通量观测只能在晴好天气条件下的平坦的低植被(农田)地区进行，主要研究大气边界层结构及短期的热量和动量通量传输(Swinbank,1951 Baklocchi,2003)。至20世纪50年代末60年代初，日本科学家首先在低矮平坦的农田植被上开展了CO2通量观测(Inoue,1958)；1968年在美国堪萨斯州的农田开展的大规模的近地大气边界层观测实验，正式将超声风速计投人到实际的涡度相关通量观测之中(Kaimal et al，1990)。这些早期的农田实验研究为后来兴起的涡度相关通量观测奠定了良好的理论和实验基础，也在近地大气边界层结构和特性研究中发挥了重要作用。而现在流行的大多数通量观测技术、边界层气象学、湍流理论和相关模型开发大多都是以农田生态系统为平台开始的。1

面临难题在农田生态系统的通量观测因各种因素的限制也会遇到一些难题。首先，农田生态系统的生理生态学研究历史悠久，研究手段先进，如果通量观测系统的观测达不到期望的精度，其观测数据对生理生态学研究起不到关键的作用，那么使用昂贵的通量观测设备将失去其意义其次，农业生态系统的生产和经营目标明确，其研究工作的主题往往是针对生态系统管理的应用性研究，必须面对大量的复杂田间实验处理，有限的观测仪器如何在田间有效布置就会面临许多难题。再者，在现实的农业生产中，来自农业经营、耕地所有权(使用权)、种植制度和耕种习惯等方面的因素，使得农田生态系统的斑块化比较严重，下垫面经常无法满足涡度相关通量观测的基本要求。最后，如果针对农田管理进行通量观测，那么，如何解释从复杂的田间试验获得的观测数据，如何区分各种实验处理的影响(包括来自地上和地下的影响)就存在很大的困难。1

研究目的早期的农田生态系统通量观测主要是围绕认识大气边界层的湍流特征、研究通量观测技术和理论及开发生态系统生产力和水分消耗评价方法而开展的。而现阶段的农田通量观测研究目的主要包括以下几个方面：

验证通量观测的新理论，开发新的通量观测技术；

认识农田生态系统二氧化碳、水汽和能量通量的日变化和季节变化特征，分析生物和环境因素以及农业管理措施对农田生态系统碳循环和水循环过程的影响；

验证生态系统碳循环和水循环的过程机理模型和大尺度的卫星遥感模型；

评价农业耕作制度和管理措施对生态系统水、碳循环的影响及其生态环境效益；

研究农田生态系统生产力对全球变化的响应与适应，预测粮食生产与食物安全囤开发节水农业灌溉技术。1

本词条内容贡献者为:

杨刚 - 教授 - 西南大学