盘锦水稻田碳通量变化特征研究

邹旭东 李荣平 曹士民 蔡福 米娜 王笑影

（1 盘锦市气象局，辽宁 盘锦 124010；2中国气象局沈阳大气环境研究所，沈阳 110166；第一作者：zouxd_163.com@163.com）

在全球气候变暖的大背景下，研究农田生态系统碳循环具有重要的现实意义。研究显示，2000—2015年全球平均CO2排放量显著上升，年平均增加率为0.1303 Pg C/yr[1]。在全球变暖的影响下，高温干旱、洪涝等极端灾害性天气明显增加，这对粮食安全、农业可持续发展和人类健康等都造成巨大威胁[2-3]。学者们对农田生态系统的碳循环特征以及农作物受到的影响开展了大量研究[4-14]。如FORD 等[4]评估了英国威尔士农田树篱通过碳储存调节缓冲气候变化的能力，得出农田树篱覆盖率增加使田地土壤的碳汇增大，同时还受干旱的影响。FANG 等[5]采用全自动温控通量室系统，监测研究中国黄土高原南部春玉米农田生态系统净生态交换和土壤呼吸的时间变化，提出气象因素和耕作方式对玉米农田生态系统碳平衡过程具有重要影响。FOULI 等[6]利用农场排放模型对2018 年加拿大农业的温室气体排放作了估算和测量，指出增加土壤中的碳含量并将其储存在土壤或植物中，可减少排放到大气中的二氧化碳量。

盘锦市的水稻田处于盘锦湿地，位于辽河三角洲南部入海处。而盘锦湿地对整个东北地区乃至周边国家和地区的气候调节、空气净化都起着非常重要作用。有研究表明，人类活动已经对湿地生态环境造成严重破坏[15]。目前，关于湿地等生态环境的碳通量研究相对较少，而未来碳通量时空变化及受到的影响仍不清楚[16]。所以，开展湿地水稻田碳通量变化观测研究很有必要。本研究利用2018—2020 年盘锦水稻农田生态系统碳通量观测资料，研究水稻农田碳通量的动态特征，分析碳通量受环境因子的影响以及初级生产力和植被呼吸的变化特征，以为湿地-大气生态系统碳循环的准确描述和区域气象数值模式提供参考数据。

1 研究区概况

水稻田生态系统观测站（下简称生态站）位于辽宁省盘锦市盘山县，是中国气象局沈阳大气环境研究所盘锦水稻野外试验站（121°58′E，41°9′N，海拔2.0m），观测场面积25 m×25 m，种植作物是粳稻。盘锦是全国重要的优质粳稻主产区，水稻种植面积约10.7 万hm2，生育期4—10 月。盘锦地处渤海湾北侧，属北温带大陆性半湿润季风气候，四季分明、雨热同季、干冷同期。最高气温出现在7 月，最低气温出现在1 月，年平均气温9.5 ℃[17]。年平均降水量约631 mm，日照时数2 780 h[18]。据统计，2019—2021 年地面主风向为S 和SSW，其次是NE（图1）。

图1 盘锦观测站地理位置及风玫瑰图（2019—2021 年）

2 数据处理与分析

利用涡度相关通量观测系统进行碳通量观测。观测场周围地势开阔平坦，无建筑物遮挡，种植作物均为水稻，非生长季地表为裸土。传感器高度距地4.2 m。观测系统由三维超声风速仪、开路式CO2/H2O 分析仪（Li-7500）、开路式CH4（Li-7700）和数据采集器（Li-7550）组成，由美国Li-cor 公司生产。采样频率为10 Hz。通过EddyPro（v7.0.8）数据处理软件得到0.5 h 时间序列数据。

因受天气、硬件故障等不可控因素影响，观测中会出现一些奇异值和缺测值。将某一时刻的通量数据与前5 个时刻通量数据平均值差的绝对值大于方差的5倍时视为异常值。参考相关研究将CO2通量的合理范围设定为-60～60 μmol/(m2·s)[19]。小于2 h 的数据采用线性内插的方法予以插补。大于2 h 的数据分白天和晚上及各月份分别与辐射、地温建立关系进行插补。当辐射和地温资料也缺失时与气象要素建立关系进行插补，插补数据占数据总量的15.0%～23.0%。当生态站的气象资料缺失时用气象站的资料补充，气象站距离生态站17.0 km。

Reco 是生态系统植被呼吸。GPP 是生态系统植被总初级生产力，指绿色植物在单位面积和单位时间内通过光合作用将CO2固定成有机物的量。Q10是生态系统的温度敏感性，用来研究生态系统的呼吸作用对气候变化的响应[20]，利用指数关系方程进行计算[21]，表示温度每升高10 ℃生态系统呼吸速率增加的倍数。具体计算公式如下：Reco=a×ebT，GPP=Reco-NEE，Q10=e10b。式中，T 为土壤温度；a、b 为待定系数。

3 结果与分析

3.1 碳通量和气象要素的年变化情况

降水、日照、温度等气象要素都是影响植被生长的重要环境变量[22-23]。统计盘锦生态站2018—2020 年的NEE 年总量都为负值，但吸收CO2值表现为逐年下降（表1）。其中，2018 年CO2吸收值为最大，为-574.09 gC/(m2·y)。2020 年CO2吸收值最小，为-229.34 gC/(m2·y)。3 年之中平均气温的变化是先上升后下降，2019 年温度值最高，为10.86 ℃。降水量的变化也是先上升后下降，2019 年降水量最多，为748.2 mm。气温和降水量的变化表现一致，都是2019 年较2018 年上升幅度大，2020 年较2019 年下降幅度小。年平均气温和降水量变化与NEE 表现不一致。平均风速的变化表现为逐年下降。风速和NEE 绝对值表现为正向变化，2018 年NEE 绝对值较大，同年平均风速值也较大。2018—2020年日照时数表现为连续增加。年日照时数和NEE 绝对值呈反向变化。2018 年NEE 绝对值最大时，日照时数值是3 年中最小，为2 259.5 h。而2020 年NEE 绝对值最小时，日照时数值是3 年中最大。对于2020 年NEE出现明显下降的原因在下文还将进行详细的讨论。

表1 盘锦生态站年气温、降水量、日照、风速和NEE

3.2 碳通量日变化特征

分别统计2018—2020 年春（3—5 月）、夏（6—8月）、秋（9—11 月）、冬（12 月—次年2 月）NEE 的四季逐时日变化（图2）。由图2 可见，NEE 的日变化有明显的季节差异，春、夏、秋季NEE 的日变化都表现为“U”型变化曲线，冬季较为不明显。NEE 的日累积值夏季、秋季为负值，表现为碳汇。其中夏季最大，日累积量为-5.76～-3.26 g C/(m2·d)。秋季日累积量为-0.047～-0.018 g C/(m2·d)。春季、冬季NEE 的日累积值为正值，表现为碳源。2018 年夏季NEE 绝对值明显高于2019 和2020 年，因此2018 年固碳能力比2019 和2020 年大。各年份NEE 日间差异显著，夜间变化不大，其中夏季日间差异最为显著。在夏季6∶00、秋季7∶00、春季9∶00 和冬季8∶00，随着太阳辐射增加，植被光合作用能力增强，光合作用吸收的CO2超过地面释放的CO2量。此时碳通量由释放转为吸收，NEE 由正值变为负值。夏季、春季11∶00—13∶00、秋季10∶00—12∶00 NEE绝对值达到最大。夏季18∶00、秋季17∶00，以及春季和冬季15∶00 左右NEE 由负值转为正值，地面从碳吸收转为碳排放。

图2 2018—2020 年盘锦生态站NEE 各季节日变化

3.3 碳通量和风向的对比

将2018—2020 年NEE 和生态站的风向、风速分别进行统计对比（图3）。由图3 可见，2018 年全年的主风向是SW（17.93%）、WSW（11.72%）和NE（10.09%）。其中，春、夏、秋季主风向为WSW 和SW，冬季为ENE和SW（表2）。NEE 绝对值高值分别集中在WSW、W、SW 和NE、E、ENE。而WSW 和NE 风向对应出现风速高值。NEE 绝对值低值出现在NNE、S、NNW，此时风速值也较低。2019 年全年的主风向是SW（22.13%）、WSW（12.50%）和NE（9.92%）。其中，春、夏、秋季主风向为SW、WSW、NE，冬季的主风向为SW、SSW、NE。NEE 绝对值高值分别集中在W、WSW、SW 和NNE、ENE、N。各风向中SW、WSW 和NE、ENE 出现风速高值。NEE 绝对值低值出现在SE、ESE，同时风速值也较低。2020 年的主风向是SW （21.20%）、WSW （11.0%） 和NE（10.62%）。其中，春、夏、秋季主风向为SW、WSW 及NNE，冬季的主风向为NE 和ENE。NEE 绝对值高值集中出现在E、ESE、SE 和W、WSW、SW，其中SW、WSW和NE 出现风速高值。NEE 低值出现在SSW、NNW 和NE，其中SSW、NNW 对应风速值较低。根据各季节风向统计，因为2020 年NE 风向对应的风速高值发生在冬季，所以此时NEE 值较低。

表2 盘锦生态站各季节的主风向

图3 2018—2020 年盘锦生态站各风向的NEE 和风速变化及风玫瑰

在不同年份中各风向对应风速值的高低分布形状基本一致。都是NE 和SW 处于风速两大高峰值，风速低值出现在SE 或SSE。各年份中NEE 随风向的变化也表现为两个高峰值。高值之一集中的风向分别是W、WSW 和SW，这在不同年份中较为一致。另一个高值分别出现在NE、ENE、NNE 或E、ESE，这在不同年份中有所不同。NEE 低值集中出现在SSE、S、SE、SSW 和NNW、NW、WNW，这在不同年份中大体一致。

3.4 碳通量和净辐射的关系

大气中主要能量来源于太阳短波辐射，净辐射是NEE 在生长季日变化的主要控制因子。分别统计分析2018—2020 年夏季、秋季NEE 与净辐射之间的相关关系（图4）。由图4 可见，NEE 与净辐射之间存在明显相反的变化趋势，夏季相关性大于秋季。夏季中2019 年相关系数最高（r=-0.951），2020 年相关系数最低（r=-0.888）。秋季中2019 年相关系数最高（r=-0.746），2018 年相关系数最低（r=-0.730）。夜间净辐射小于0，NEE 大于0，植被释放CO2。白天净辐射大于0，NEE 小于0，植被吸收CO2；二者交替变化。夏季6∶00 从净辐射增加到14 W/m2开始，植被光合作用大于呼吸作用，由释放CO2转为吸收。之后随着净辐射的增加NEE 绝对值也增加，植被吸收CO2能力逐渐增加。二者峰值都出现在11∶00—12∶00，此时净辐射值达到368～392 W/m2，NEE值为-10.9～-19.1 μmol/(m2·s)。秋季7∶00 从净辐射大于0 开始，植被由释放CO2转为吸收。之后随着净辐射的增加，NEE 绝对值也逐渐增加。二者峰值均出现在11∶00—12∶00，此时净辐射值达到229～239 W/m2，NEE 值为-3.2～-4.3 μmol/(m2·s)。夏季、秋季的统计中，NEE 出现峰值之后随着净辐射增加NEE 绝对值逐渐减小，这不同于其他研究结果[24-25]。但是出现了NEE 峰值滞后于净辐射值的情况。比如2018 年夏季、秋季，2020 年夏季净辐射11∶00 达到最大值，而NEE 于12∶00 达到最大值。

图4 2018—2020 年盘锦生态站夏季（a）和秋季（b）净辐射和NEE 的关系

3.5 GPP 日变化特征

分别统计2018—2020 年春、夏、秋、冬四季GPP 的逐时日变化（图5）。由图5 可见，GPP 的日变化季节差异明显，春、夏、秋季的日变化都表现为明显倒“U”型变化曲线，冬季较为不明显。GPP 值表现为夏季最大[平均日累积量为7.25～9.92 g C/（m2·d）]，其次是秋季[2.35～2.89 g C/（m2·d）]、春季[0.39～0.56 g C/（m2·d）] 和冬季[0.46～0.47 g C/（m2·d）]。夏季植被的光合作用能力强，所以总初级生产力占有大比例高值。据统计，夏季GPP占全年的71.7%～72.6%。日变化中春季6∶00、夏季5∶00、秋季6∶00、冬季7∶00 GPP 值开始逐渐升高。春季12∶00—13∶00、夏季12∶00—13∶00、秋季12∶00 达到峰值。之后开始下降，春季16∶00—17∶00、夏季19∶00—20∶00，秋季18∶00 降至低值。而冬季日间上升幅度较小。年际变化中GPP 夜间变化差异较小，日间差异显著，其中夏季日间差异最为显著。2018 年夏季GPP 高于2019 和2020 年，2020 年夏季GPP 明显较低。

图5 2018—2020 年盘锦生态站GPP 各季节日变化（a：春季；b：夏季；c：秋季；d：冬季）

3.6 GPP、Reco、NEE 的季节变化

降雨是影响生态系统碳通量平衡的重要因子[26-27]。土壤水分条件对植被生长活动十分重要。生长季降水总量和时间分布决定了生态系统净碳吸收功能的大小和持续时间[28]。图6 表示盘锦生态站2018—2020 年碳通量和降水量月累积值的变化关系。在研究时段内GPP、Reco、NEE 的月变化有明显的年际差异。在每年观测中GPP、Reco、NEE 的数值变化主要体现在6—9 月，其中9月的数值变化相对小一些。GPP 年总量呈下降趋势，2018年为1 298.1 g C/（m2·y），2019 年为1 068.9 g C/（m2·y），2020 年为994.2 g C/（m2·y），夏季占全年的比例分别是70.3%、77.6%、70.6%。Reco 年总量的差异不大，2018 年724.0 g C/（m2·y），2019 年762.7 g C/（m2·y），2020 年714.9 g C/（m2·y），夏季占全年的比例分别是52.9%、58.7%和51.3%。2018、2019 和2020 年夏季NEE 分别为-300.2、-529.7 和-381.8 g C/m2，占比分别达到130.9%、92.3%和104.1%，在全年总值中占据绝对比重。

图6 2018—2020 年盘锦生态站NEE 月平均与降水量变化

GPP、NEE 逐月变化2018 年表现为双峰型，2019年、2020 年表现为单峰型。2018 年GPP 峰值出现在6月和8 月，2019 年、2020 年峰值出现在7 月，NEE 与GPP 呈相反的变化特征。Reco 逐月变化在2019 年是单峰型，在2018 年、2020 年是倒“U”型，最大值都出现在7 月。夏季降水量2018 年为224.7 mm，2019 年为527.3 mm，2020 年为284.9 mm。其中，6—7 月降水占全年的比例分别是32.2%、25.5%和5.0%，8 月降水占全年的比例分别是27.6%、45.0%和50.2%。值得注意的是2020 年6—7 月降水量偏少，8 月突然增大，在整个夏季分布极其不均匀，导致先旱后涝。降水的时间分布会直接影响植被的状况，所以2020 年夏季6—7 月干旱造成了全年NEE 值的下降。

图7 给出了除降水以外2018—2020 年盘锦生态站气温、气温日较差、日照、风速的月变化情况。2018—2020 年平均温度分别为10.2 ℃、10.8 ℃和10.6 ℃，年际差异不大。夏季平均温度分别为25.1 ℃、24.1 ℃和24.7 ℃，以2018 年7 月最高（26.6 ℃）。2018—2020 年平均温度日较差分别为8.6 ℃、8.9 ℃和8.6 ℃，年际差异较小。温度日较差的高值出现在春季、秋季，夏季较低。各年夏季平均温度日较差分别为6.6 ℃、6.6 ℃和6.9 ℃，以2018 年7 月最低（6.0 ℃）。2018—2020 年平均日照时数分别为6.7 h、7.2 h 和9.2 h，夏季平均日照时数分别为6.3 h、7.1 h 和11.1 h，尤其是在2020 年6月高达12.5 h。2018 年平均温度较低对应的日照时数也较低，2020 年夏季降水偏少对应的日照时数偏高。2018 年夏季平均温度较高、温度日较差较小、降水条件较好都有利于作物生长，促进了NEE 值增大。仅是日照高值并不会促进作物生长，还需要降水、温度共同作用才能促进作物生长。当气象条件相同时，短的光照可以促进作物生长发育，过长的光照反而会起到抑制作用[29]。所以2020 年日照高值并没有对应NEE 高值。风速逐年变化明显下降，2018—2020 年的平均风速分别为3.22 m/s、3.10 m/s 和2.57 m/s。2020 年7 月风速（2.6 m/s）明显低于2018 年7 月（3.2 m/s）和2019 年7月（3.1 m/s）。因为风速对植被生长起促进作用[30]，所以在生长季风速下降会导致植被生长缓慢，间接造成了日后2020 年8 月NEE 值下降。

图7 2018—2020 年盘锦生态站日照、风速、气温、气温日较差月变化

3.7 地温对Reco 的影响

土壤温度是影响生态系统呼吸作用的主要因子。当降水不再是限制植被生长条件的时候，温度对植物的呼吸作用影响更大[31-32]。对2018—2020 年的Reco 和地表温度按不同季节分别进行了相关分析（图8）。各季节Reco 和土壤温度均通过0.01 级别的相关性检验，且相关性显著。整体上Reco 随着土壤温度的升高而升高，两者之间存在明显的指数关系。夏季的呼吸强度随温度的变化幅度相比其他季节高2.0～6.0 倍，秋季的呼吸强度是春季和冬季的2.0～3.0 倍，冬季的呼吸强度最低。夏季呼吸强度随土壤温度的增值最大。3 年中夏季地温的变幅为18.7 ℃～31.1 ℃，Reco 的变幅为1.3～9.7 g C/（m2·d）。土壤温度每升高1 ℃，夏季呼吸强度增加0.55～0.85 g C/（m2·d），秋季则增加0.14～0.17 g C/（m2·d），而春季、冬季仅增加0.04～0.12 g C/（m2·d）。不同植被呼吸强度变化在不同年份也有差异：夏季中2019 年呼吸强度增值[0.85 g C/（m2·d）]最大，秋季中2018 年呼吸强度增值[0.17 g C/（m2·d）]最大。对Reco 和土壤温度按指数进行相关拟合，2018—2020 年都是秋季相关值最高，其后依次是夏季、春季、冬季（表3），其中又以2019年秋季相关值（R2=0.91）、夏季相关值（R2=0.81）高。

表3 盘锦生态站各季节土壤温度与Reco 的拟合方程及相关性

图8 盘锦生态站各季节土壤温度和Reco 的关系

Q10是气候系统和陆地生态系统之间相互作用的重要参数，了解呼吸作用和Q10的变化特征有助于更全面的理解陆地生态系统碳循环和气候变化之间的相互作用[33-34]。Q10取决于Reco 随土壤温度的变化，Reco 和土壤温度的相关性越强时Q10也越大。3 年观测中都表现为夏季Q10最高，其次是秋季，春季、冬季处于低值。夏季中2019 年Q10值（4.84）最高，秋季中2018 年Q10值（2.03）最高（表3）。夏季的Q10值能达到春季的3.0倍左右，这表明夏季地表的NEE、Reco、GPP 都处于高值，温度敏感性强。

4 讨论

本文分析了各气象因子对碳通量的影响，但缺乏气象因子之间的协同影响分析，在今后的研究中，要关注多因子之间的协同影响。因为盘锦生态站处于水稻田，没有出现缺水情况。本文侧重研究温度对植被呼吸的影响，没有考虑土壤水分的影响。而在干旱情况下水分对植被呼吸的影响更重要，甚至在极端干旱情况下植被呼吸可能会不受温度影响[35]。未来需要增加不同区域、不同生态系统类型的碳通量变化特征对比。将盘锦生态站的碳通量与其他类型生态站的碳通量观测数据相对比，从而更加全面的获得环境因子变化对碳通量的影响。

本文只考虑了自然环境因子对碳通量的影响。而人类活动、社会生产同样会对碳通量平衡造成巨大影响，比如土地利用方式的改变和自然植被转变等，生活、生产污染物排放等也会直接造成碳通量变化。因此，以后需开展其他因素造成碳通量变化的影响研究。

5 结论

2018—2020 年盘锦生态站NEE 年总量都是负值，且呈递减变化。3 年中平均气温和降水量的变化都是先升后降，与NEE 变化表现不一致。平均风速表现为逐年下降，与NEE 呈正向变化。年日照时数表现为连续增加，与NEE 呈反向变化。各季节NEE 的日变化都表现为“U”型。NEE 日累积值在夏季、秋季为负值，以夏季最大，日累积量为-5.76～-3.26 g C/（m2·d），2018年夏季NEE 累积值明显高于2019 和2020 年。春季、冬季NEE 的日累积值为正值。

NEE 和风向对比中NEE 高值集中出现在W、WSW、SW 和NE、ENE，在不同年份不尽相同。NEE 低值集中出现在SSE、S 和NNW、NW，在不同年份基本一致。年平均风速高值对应于风向NE、SW，风速低值对应于风向SE、SSE。NEE 与净辐射之间是相反的变化趋势，随着净辐射的增加NEE 绝对值逐渐增加。在夏季、秋季的统计中净辐射和NEE 二者峰值都出现在11∶00—12∶00，有时会出现NEE 峰值滞后于净辐射峰值的情况。

GPP 的日变化都表现为倒“U”型，中午达到峰值，其中夏季日间差值最为显著。2018 年夏季GPP 高于2019 和2020 年。GPP 年总量2018—2020 年呈下降趋势。Reco 年总量不同年份差距不大，其中2019 年稍高。GPP、NEE 的逐月变化表现为单峰或双峰，Reco 的逐月变化呈单峰和倒“U”型。除双峰外最大值都出现在7 月。通过与降水月变化对比得出，2020 年6—7 月降水量偏少造成了2020 年NEE 值偏低。在与其他气象要素对比中，2018 年夏季平均气温较高，同时温度日较差又较小，而且2018 年夏季风速也较大，这些因素促成了2018 年NEE 高值。

Reco 随着土壤温度的升高而升高，两者之间存在明显的指数关系。夏季植被呼吸强度比其他季节高2.0～6.0 倍，其中2019 年夏季呼吸强度增值最大，达到0.85 g C/（m2·y）。秋季Reco 和土壤温度的相关系数高于其他季节，其中最高值出现在2019 年秋季，达到R2=0.91。计算得出夏季Q10值高于其他季节，其次是秋季，这与Reco 相一致，其中2019 年夏季Q10值最高，达到4.84。

致谢

感谢安徽省气象科学研究所在观测数据处理中提供帮助。