稻田碳-水通量与水稻生长的动态变化及其耦合关系

The material cycle and energy flow between the paddy field ecosystem and the atmosphere are one of the hot issues in studies on agro-ecosystem processes and model simulations under the background of global change. It is of great significance to elucidate the processes of carbon and water exchange to increase rice productivity in paddy fields. However, the coupling relationships between fluxes of carbon dioxide, methane and water vapor with the atmosphere and rice growth have a certain complexity in the paddy field ecosystem under impacts of climate change and human activities. The Lixiahe river basin (LRB) is not only a main rice cropping region in Jiangsu province, but also one of the main commodity grain bases in China. Thus, a typical paddy field in LRB will be selected in our study. The carbon and water fluxes and rice growth at a field scale will be observed by the eddy covariance system and the meteorological observation system in order to reveal the dynamics of carbon and water fluxes at different timescales and their influencing factors. Then the interrelationships between carbon and water fluxes and rice growth will be analyzed during the rice growth period in paddy fields. Based on the quantitative analysis above, an integrated biosphere simulator called Agro-IBIS will be used in our study to reveal changes of carbon and water fluxes, and analyze impacts of climate fluctuation, irrigation and fertilization on carbon and water fluxes, leaf area index and biomass by the scenario analysis method. The results will provide important scientific references for understanding the carbon sequestration potential and promoting high rice yield in paddy fields.

稻田与大气间的物质循环和能量流动过程是全球变化背景下农田生态过程与模型研究的热点问题，阐明稻田碳-水交换过程对提高水稻生产力具有重要意义。然而在气候变化与人类活动的共同影响下，稻田碳-水通量与水稻生长的耦合关系具有一定的复杂性。里下河流域是江苏省重要的水稻主产区，亦是我国主要的区域性商品粮基地之一。因此，本研究以里下河流域典型稻田为研究对象，借助涡度相关技术对水稻生育期内田间尺度碳-水通量进行连续监测，揭示稻田碳-水通量的变化规律及其主控因素；结合同期水稻生长状况的监测，探讨水稻生育期内稻田碳-水通量与水稻生长之间的相互关系。在此基础上，基于完善后的集成生物圈模型与长序列田间观测数据模拟稻田碳-水通量与水稻生长的动态变化，并通过设置不同情景，量化气候波动、灌溉及施肥等因素变化对稻田碳-水通量与水稻生长的影响贡献。本研究将为深入理解稻田固碳潜力与调控稻田高效产出提供科学依据。

稻田与大气间的物质循环和能量流动过程是全球变化背景下农田生态过程与模型研究的热点问题，阐明稻田碳-水交换过程对提高水稻生产力具有重要意义。本研究基于观测与模拟的方法，分析典型稻田碳-水通量的变化特征及其影响因素；基于集成生物圈模型模拟稻田碳-水通量的动态变化。在此基础上，利用升尺度模拟方法，定量评价区域尺度生态系统固碳功能的演变机制。主要结果如下：（1）水稻生育期内净生态系统生产力（NEE）、总初级生产力（GPP）和生态系统呼吸（Re）均呈现出明显的季节变化特征。其中，NEE在水稻种植后迅速下降至最小值，然后在水稻进入成熟期时上升至0以上，变化范围为-12.18 gC m-2 d-1～3.61 gC m-2 d-1。GPP与Re的最大值之间存在相位差，通常GPP最大值与NEE最小值之间变化一致，但要明显早于Re的最大值。ET遵循与GPP相似的变化模式，它一般在6月下旬至7月迅速出现较高值。CH4通量在营养生长阶段达到峰值，而在其他时段表现出波动范围小且数值低的特征。（2）生物与环境因子对典型稻田碳-水通量的影响贡献存在明显差异。叶面积指数（LAI）和净辐射（Rn）是影响NEE和GPP变化的重要影响因素；LAI和温度（Ta）对Re的影响相对较大；而土壤含水量和GPP则对CH4通量的季节变化产生重要影响。（3）土壤理化性状和降水量是影响农田土壤有机碳密度空间分布的重要因素，特别是碱解氮（AN）在各因素中表现的最为突出，且AN与其他因素交互后的解释力显著增强。（4）校准后的集成生物圈模型对典型稻田碳通量的模拟效果较好，能用于稻田碳通量时间尺度的推演。敏感性试验表明：气候波动对典型稻田碳通量年际变化的影响也存在较大差异。（5）区域尺度上全省年平均净初级生产力（NPP）为745.26±69.21 gC m-2 year-1，年均变化率达6.54 gC m-2 year-1。气温、降水与NPP在不同尺度上表现出复杂的相关关系，具有明显的区域差异。生态系统固碳功能的评估表明，GDP和人口对固碳功能的影响滞后于建设用地扩张的影响。（6）研发的“江苏省稻田碳-水通量监测评估系统”将为“双碳”背景下种植业碳监测与碳减排方案的制定提供科学依据。