段春鋒 田紅 黃勇 曹雯 凌新鋒

（1 安徽省氣候中心，合肥 230031；2 安徽省氣象科學(xué)研究所/大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031；3 壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái)/中國(guó)氣象局淮河流域典型農(nóng)田生態(tài)氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地，壽縣 232200）

0 引言

全球氣候變化正逐漸改變陸地生態(tài)系統(tǒng)固有的自然過(guò)程。近幾十年來(lái)，氣候要素時(shí)空分布模式的改變和極端氣候事件頻次的增多，影響了植被的光合作用和呼吸作用，同時(shí)也影響土壤微生物的活性，從而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過(guò)程發(fā)生改變[1-2]。生態(tài)系統(tǒng)碳通量變化特征及其對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)研究是掌握全球生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的關(guān)鍵[3-4]，因此越來(lái)越受到關(guān)注和重視。

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[5]，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳庫(kù)在全球碳庫(kù)中最為活躍[6]，占據(jù)著全球及區(qū)域碳平衡中的重要地位[7]。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，深入研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2時(shí)空變化特征及其與環(huán)境因素、管理因素之間的關(guān)系，對(duì)于制訂合理的農(nóng)業(yè)管理措施、提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能和制訂減排對(duì)策具有重大意義[7]。

國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了一系列農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的相關(guān)研究，主要集中在農(nóng)田碳通量觀測(cè)及其時(shí)空特征[4,5,7-11]、利用模型估算農(nóng)田碳通量[12-14]、耕作方式與管理措施對(duì)農(nóng)田碳平衡的影響[15-16]等方面。我國(guó)主要采用箱式法研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳通量，但該方法存在對(duì)下墊面擾動(dòng)較大、觀測(cè)不連續(xù)和時(shí)間分辨率低的缺陷[7]。通量觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究提供了大量連續(xù)觀測(cè)的數(shù)據(jù)支持。其中，渦動(dòng)相關(guān)法是直接測(cè)定大氣與群落碳交換通量的主流方法，其可在不擾動(dòng)下墊面的情況下連續(xù)大面積直接測(cè)定能量、物質(zhì)通量，已經(jīng)成為世界上碳通量測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)方法，并在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳通量研究方面得到廣泛應(yīng)用[5,7,10-11]。

淮河流域是我國(guó)典型的稻麥輪作區(qū)和主要的糧食生產(chǎn)區(qū)，糧食產(chǎn)量占中國(guó)糧食總產(chǎn)量的18%[17]，該流域的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)區(qū)域碳收支具有重要影響，研究其碳通量變化特征對(duì)區(qū)域碳平衡估算具有重要意義。中國(guó)氣象局于2007年開(kāi)始在淮河流域中部的壽縣建立了國(guó)家氣候觀象臺(tái)，開(kāi)展了包括近地面層水熱碳通量、氣象要素和農(nóng)作物生物量等項(xiàng)目的長(zhǎng)時(shí)間序列連續(xù)觀測(cè)，積累了豐富的觀測(cè)數(shù)據(jù)?；趬劭h國(guó)家氣候觀象臺(tái)碳通量觀測(cè)資料，眾多學(xué)者針對(duì)冬小麥和一季稻生長(zhǎng)季CO2通量及其影響因素等方面開(kāi)展了一系列研究[11,18-25]。但是多基于觀測(cè)站建設(shè)前期資料，研究時(shí)間短，CO2通量變化特征的年際差異和年代際差異認(rèn)識(shí)不足，此外還忽略了農(nóng)田休閑期的碳排放，并且缺乏年尺度碳通量研究。

本研究整編了壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái)2007年7月—2019年12月共計(jì)13年的CO2通量觀測(cè)資料，分析了淮河流域稻麥輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同時(shí)間尺度（小時(shí)、日、月和年）CO2通量變化特征；定量分析農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在小麥和水稻生育期、間歇期以及整個(gè)生育期的碳收支狀況和固碳能力，并對(duì)比分析不同階段固碳能力的異同。為淮河流域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支估算和相關(guān)碳模型參數(shù)修正提供參考，為政府制訂減排決策提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 觀測(cè)場(chǎng)地概況

觀測(cè)地點(diǎn)位于壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái)。壽縣地處安徽省北部沿淮地區(qū)、淮河中游南岸，屬亞熱帶季風(fēng)性半濕潤(rùn)氣候，四季分明，雨熱同期。壽縣作為農(nóng)業(yè)大縣，下墊面主要是平坦農(nóng)田，以水稻-小麥、水稻-油菜輪作為主，一年兩熟。壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái)屬于中國(guó)氣候觀測(cè)系統(tǒng)確定的黃淮農(nóng)業(yè)生態(tài)觀測(cè)區(qū)，代表了東亞季風(fēng)區(qū)的主要?dú)夂驐l件和生態(tài)環(huán)境狀況，也是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的典型區(qū)域之一[11]。它所在的淮河流域代表了我國(guó)東部半濕潤(rùn)半干旱季風(fēng)區(qū)關(guān)鍵地區(qū)的下墊面特征。

2007年7月—2013年4月觀測(cè)場(chǎng)位于九龍（海拔26.8 m），2013年5月至今位于窯口（海拔25.7 m）。九龍觀測(cè)場(chǎng)在城區(qū)中心以南 9 km處，占地面積17畝（1畝約為666.7 m2），東、南、西三面為大片農(nóng)田，北面為居民區(qū)；觀測(cè)塔立于場(chǎng)內(nèi)西南角，周?chē)?～5 km2范圍內(nèi)基本是平坦農(nóng)田。窯口觀測(cè)場(chǎng)在城區(qū)中心以南12 km處，占地面積300畝，四面均為大片農(nóng)田；觀測(cè)塔立于基準(zhǔn)氣候觀測(cè)區(qū)東北側(cè)，下墊面平坦開(kāi)闊，周邊植被類(lèi)型為當(dāng)?shù)氐湫偷牡钧溳喿鬓r(nóng)田。兩個(gè)觀測(cè)場(chǎng)的環(huán)境30～50年不受破壞，周邊無(wú)污染源、無(wú)高層建筑，因此是研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)各要素變化規(guī)律及其物理過(guò)程的理想觀測(cè)試驗(yàn)區(qū)。

1.2 研究資料

壽縣近地面層通量觀測(cè)系統(tǒng)由湍流觀測(cè)分系統(tǒng)和梯度觀測(cè)分系統(tǒng)組成。湍流觀測(cè)分系統(tǒng)主要包括三維超聲風(fēng)溫儀和紅外 H2O/CO2分析儀；梯度觀測(cè)分系統(tǒng)中氣象塔高32 m，由安裝在梯度塔上的 5 層溫度、濕度、風(fēng)速傳感器，1 層風(fēng)向傳感器，四分量長(zhǎng)、短波（向上、向下）輻射傳感器，光合有效輻射傳感器，氣壓、紅外地表溫度傳感器，5層鉑電阻地溫傳感器，5 層土壤水分觀測(cè)傳感器和 1 層 3 點(diǎn)土壤熱通量傳感器組成。2007年6月在觀測(cè)場(chǎng)安裝了開(kāi)路式渦度相關(guān)系統(tǒng)，用于測(cè)量農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的通量交換。該系統(tǒng)主要由開(kāi)路式紅外H2O/CO2分析儀（CS7500，LI-COR，USA）、三維超聲風(fēng)速儀（CSAT-3，Campbell，USA）和數(shù)據(jù)采集器（CR3000，Campbell，USA）組成。儀器安裝高度為4 m，采樣頻率為10 Hz，同時(shí)在線(xiàn)計(jì)算30 min通量并把結(jié)果存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集器內(nèi)，觀測(cè)儀器的基本技術(shù)性能見(jiàn)表1。

表1 壽縣CO2通量觀測(cè)系統(tǒng)主要觀測(cè)儀器的基本技術(shù)性能Table 1 Technical performance of main instruments in Shouxian CO2 flux observation system

1.3 數(shù)據(jù)處理

以中國(guó)氣象局《近地層通量觀測(cè)規(guī)范》[26]和王介民編寫(xiě)的《渦動(dòng)相關(guān)通量觀測(cè)指導(dǎo)手冊(cè)》作為參照，借助國(guó)際上通用的渦度相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件EddyPro軟件，對(duì)渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與訂正，得到采樣周期為30 min的通量數(shù)據(jù)產(chǎn)品[6]。數(shù)據(jù)處理過(guò)程主要包括數(shù)據(jù)合理性檢驗(yàn)、數(shù)據(jù)一致性檢驗(yàn)、樣本數(shù)量和AGC數(shù)據(jù)檢查、摩擦風(fēng)速檢驗(yàn)、降水時(shí)段碳通量數(shù)據(jù)剔除、異常值剔除檢驗(yàn)、延遲時(shí)間訂正、超聲虛溫訂正、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)訂正、空氣密度效應(yīng)訂正、頻率效應(yīng)訂正。

研究表明，通量觀測(cè)過(guò)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)不可用比例通常在17%～50%[27]。本研究觀測(cè)時(shí)間為2007年7月—2019年12月，有效觀測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到79%，數(shù)據(jù)缺測(cè)率為19%，數(shù)據(jù)異常率為2%。

缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)方法主要有平均日變化法、根據(jù)特定氣象條件查表法、非線(xiàn)性回歸法[28]。本研究對(duì)于小于2 h 缺失數(shù)據(jù)用線(xiàn)性?xún)?nèi)插法插補(bǔ)，對(duì)于大于2 h而且小于1 d缺失數(shù)據(jù)用平均日變化法進(jìn)行插補(bǔ)，白天取14 d、夜間取7 d的平均時(shí)間長(zhǎng)度[27,29]。

通量觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失較多，直接平均的方式計(jì)算CO2通量年總量誤差非常大。本研究多年平均CO2通量計(jì)算方式為：基于2007—2019年逐日CO2通量資料，先計(jì)算多年平均得到一年中每天的CO2通量，再將日累加得到多年平均的年CO2通量總量。每年CO2通量計(jì)算方式為：先利用多年平均日CO2通量插補(bǔ)缺失，再將日累加得到年CO2通量總量。數(shù)據(jù)缺失超過(guò)40 d，該年記為數(shù)據(jù)缺失。2007—2019年13 a中，年尺度CO2通量資料較為完整的年份有8 a，分別為2008—2011年和2016—2019年；數(shù)據(jù)缺失年份有5 a，分別為2007年和2012—2015年；數(shù)據(jù)缺失年份不做年尺度變化分析。四季按照春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12—2月）進(jìn)行劃分。

2 結(jié)果分析

2.1 多年平均小時(shí)尺度CO2通量變化特征

壽縣稻麥輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)2007—2019年多年平均的年和四季小時(shí)尺度CO2通量具有明顯的日變化，呈現(xiàn)U型特征（圖1）。白天作物同時(shí)進(jìn)行呼吸作用和光合作用，但光合作用明顯強(qiáng)于呼吸作用，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不斷從大氣中吸收CO2，CO2通量為負(fù)值，表現(xiàn)為CO2凈吸收。夜間土壤呼吸和作物暗呼吸釋放CO2，CO2通量為正值，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為CO2凈排放。

圖1 2007—2019年多年平均的年和四季CO2通量逐小時(shí)變化Fig. 1 Hourly variation of annual and seasonal CO2 fluxes in 2007-2019

年平均來(lái)看，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在07時(shí)開(kāi)始CO2凈吸收，CO2凈吸收隨時(shí)間逐漸增大，12時(shí)達(dá)到最大值，為-0.43 mg/(m2·s)，隨后逐漸減弱，并在17時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)為CO2凈排放，一直持續(xù)到次日06時(shí)30分， CO2凈排放最大值出現(xiàn)在21時(shí)30分，達(dá)到0.118 mg/(m2·s)。白天CO2凈吸收量為-0.26 mg/(m2·s)，明顯多于夜間CO2凈排放量0.086 mg/(m2·s)。

四季日尺度CO2通量變化特征與年平均CO2通量相似，呈U型特征，白天CO2凈吸收多于夜間CO2凈排放。但CO2通量日變化幅度、凈吸收和凈排放峰值大小以及出現(xiàn)時(shí)間存在差異。CO2通量日變化幅度、凈吸收谷值和凈排放峰值夏季均最大，凈吸收和凈排放最大值分別為-0.74 mg/(m2·s)和0.228 mg/(m2·s)；春季其次，分別為-0.572 mg/(m2·s)和0.129 mg/(m2·s)；冬季最小，僅為-0.147 mg/(m2·s)和0.047 mg/(m2·s)。CO2凈吸收最大值春季出現(xiàn)在11時(shí)，其他季節(jié)均出現(xiàn)在12時(shí)。CO2凈排放最大值冬春季出現(xiàn)在21時(shí)，夏秋季出現(xiàn)在21時(shí)30分。CO2凈吸收時(shí)長(zhǎng)為10 ～11.5 h：春季最長(zhǎng)，為07—18時(shí)；秋季最短，為7時(shí)30分—17時(shí)。四季CO2凈吸收和凈排放的差異主要與氣象條件和作物生育期有關(guān)。夏季和春季分別是水稻和小麥的關(guān)鍵生育期，氣溫高、太陽(yáng)輻射強(qiáng)，作物生長(zhǎng)迅速，白天光合作用和夜間呼吸作用強(qiáng)、凈吸收和凈排放大；秋季是水稻成熟期至小麥播種期的過(guò)渡階段，白天光合作用和夜間呼吸作用較弱，凈吸收和凈排放較?。欢拘←溙幱谠蕉?，生長(zhǎng)緩慢、光合作用弱，同時(shí)溫度低，夜間土壤呼吸和作物暗呼吸作用受抑制，凈吸收和凈排放最小。

2.2 多年平均日尺度CO2通量變化特征

壽縣稻麥輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)日尺度CO2通量具有明顯的季節(jié)變化，呈現(xiàn)為W型雙峰特征（圖2）。一年中存在明顯的兩個(gè)CO2凈吸收期和兩個(gè)CO2凈排放期。

圖2 2007—2019年多年平均的CO2通量逐日變化Fig.2 Daily variation of annual average CO2 flux in 2007-2019

兩個(gè)CO2凈吸收期分別在11月下旬—5月下旬和7月上旬—10月上旬，CO2通量為負(fù)值。第一段為小麥生育期，第二段為水稻生育期。凈吸收強(qiáng)弱與作物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程密切相關(guān)。凈吸收峰值分別出現(xiàn)在4月中旬和7月下旬，對(duì)應(yīng)著冬小麥抽穗期和水稻孕穗期。

兩個(gè)CO2凈排放期分別在5月下旬—6月下旬和10月中旬—11月下旬，對(duì)應(yīng)兩個(gè)稻麥輪作間歇期，CO2通量為正值。凈排放峰值分別出現(xiàn)在6月上旬和11月中旬。CO2凈排放主要有兩方面原因：一是第一季作物成熟收獲和第二季作物移栽或播種期間存在一個(gè)沒(méi)有作物生長(zhǎng)的裸地階段；二是剛移栽或播種的水稻/小麥幼苗前期生長(zhǎng)緩慢，生長(zhǎng)量很小，而土壤呼吸作用較為強(qiáng)烈。

CO2通量季節(jié)變化與作物生長(zhǎng)有著密切的關(guān)系。1—4月，小麥經(jīng)過(guò)越冬開(kāi)始返青生長(zhǎng)，CO2通量為凈吸收，并隨著生長(zhǎng)發(fā)育而不斷增強(qiáng)；4月中旬，冬小麥處于抽穗期，作物生長(zhǎng)活動(dòng)旺盛，CO2凈吸收達(dá)到一年中的次峰值；隨著冬小麥灌漿成熟，CO2凈吸收不斷減弱。5月下旬和6月，隨著小麥的成熟收割、騰茬、水稻種植（插秧），下墊面的呼吸與分解使得CO2通量表現(xiàn)為凈排放；其后隨著水稻進(jìn)入生長(zhǎng)期，CO2通量再次表現(xiàn)為凈吸收；到了7月下旬，水稻處于孕穗期，CO2凈吸收達(dá)到最大。9—10月，隨著水稻灌漿至成熟，CO2凈吸收迅速減小，直至11月冬小麥播種與出苗期，CO2通量表現(xiàn)為弱排放。12月冬小麥進(jìn)入越冬期，CO2通量表現(xiàn)為弱吸收。

2.3 多年平均月尺度CO2通量變化特征

2007—2019年多年平均的月尺度CO2通量具有明顯的季節(jié)變化，呈現(xiàn)為W型雙峰特征（圖3a），與日尺度CO2通量的季節(jié)變化特征相似。1—5月、7—10月和12月CO2通量均為負(fù)值，是CO2凈吸收期。CO2凈吸收最大值出現(xiàn)在8月，為0.24 mg/(m2·s) ；次大值出現(xiàn)在4月，為0.21 mg/ (m2·s)：分別對(duì)應(yīng)水稻的孕穗期和冬小麥的抽穗期。6月和11月CO2通量均為正值，是CO2凈排放期，6月CO2凈排放最大，為0.05 mg/(m2·s) 。

2007—2019年月尺度CO2通量雖然季節(jié)變化特征相似，但年際和年代際差異明顯（圖3b）。與多數(shù)年份相比，2016年和2017年1—6月CO2通量明顯偏大，CO2凈吸收偏弱，甚至5月為CO2凈排放。2014年7月、2015年8月和2009年9月CO2通量明顯偏大，凈吸收偏小。2019年11—12月CO2通量較為反常，11—12月凈排放異常偏大5倍，可能與近40年最嚴(yán)重的伏秋連旱有關(guān)系。這次干旱過(guò)程（8月12日—11月23日）壽縣降水量較常年同期偏少八成，為歷史同期第二少，10月以后長(zhǎng)期維持重旱以上。11—12月小麥進(jìn)入出苗和冬前分蘗期，幼苗前期生長(zhǎng)緩慢，生長(zhǎng)活動(dòng)很弱，多數(shù)年份CO2通量表現(xiàn)為弱的凈吸收。2019年伏秋連旱影響了冬小麥幼苗生長(zhǎng)發(fā)育，嚴(yán)重抑制了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2吸收能力，光合作用吸收的CO2小于作物和土壤呼吸排放的CO2，導(dǎo)致CO2凈排放異常增加。

月尺度CO2通量年代際差異主要體現(xiàn)在2013年遷站前與遷站后CO2通量季節(jié)變化特征不同（圖3a）。遷站后（2014—2019年）冬小麥生育期1—5月和12月CO2凈吸收和6月CO2凈排放均明顯小于遷站前（2007—2012年）的情況。遷站后水稻生育期7—8月CO2凈吸收小于遷站前的情況，但9月遷站后CO2凈吸收大于遷站前的情況。10月遷站前為CO2凈排放，而遷站后為CO2凈吸收；而11月則相反，遷站前為CO2凈吸收，遷站后為CO2凈排放。這種年代際差異可能和氣候變化以及觀測(cè)場(chǎng)地環(huán)境狀況發(fā)生變化有關(guān)系。遷站后比遷站前氣候更為異常，如2016年秋季發(fā)生了嚴(yán)重漬澇，2019年發(fā)生了嚴(yán)重的伏秋連旱。

圖3 2007—2019年多年平均（a）和各年（b）CO2通量逐月變化Fig. 3 Monthly variation of annual average (a) and annual (b) CO2 flux in 2007-2019

2.4 年尺度CO2通量變化特征

2007—2019年壽縣稻麥輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為碳匯，為CO2凈吸收。2007—2019年多年平均的年CO2通量為-2.58 kg/(m2·a)。2008—2011年年CO2通量均小于2007—2019年多年平均值，而2016—2019年年CO2通量均大于多年平均值（圖4）。表明2016—2019年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力比2008—2011年明顯減小，可能是因?yàn)?013年遷站后，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)場(chǎng)地和周邊環(huán)境發(fā)生變化以及氣候更為異常，導(dǎo)致農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力明顯減小。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力年際差異明顯。2008年CO2通量為-3.26 kg/(m2·a)，CO2凈吸收最大，較2007—2019年平均值偏多26.1%；2017年CO2通量為-1.78 kg/(m2·a)，CO2凈吸收最小，較2007—2019年平均值偏少31.0%。2008年CO2凈吸收是2017年的1.8倍。 2008—2011年中，CO2凈吸收最大的2008年比最小的2009年偏多25.3%。2016—2019年中，CO2凈吸收最大的2019年比最小的2017年偏多39.7%。

2017年CO2凈吸收量異常偏少與前期秋季降水異常有關(guān)系。2016年秋季壽縣出現(xiàn)持續(xù)性陰雨天氣，降水異常偏多一倍，為歷史同期第二多，導(dǎo)致大范圍農(nóng)田土壤持續(xù)過(guò)濕，發(fā)生嚴(yán)重漬澇，冬小麥無(wú)法播種，2017年冬小麥生育期農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)CO2的吸收較少。分月（圖3b）來(lái)看，2017年1—5月農(nóng)田沒(méi)有冬小麥等作物生長(zhǎng)，CO2通量波動(dòng)較小。1月表現(xiàn)為CO2弱排放；2—4月表現(xiàn)為CO2弱吸收，4月CO2凈吸收最大，僅為-0.03 mg/(m2·s)，較2007—2019年平均值偏少85.7%。2017年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2凈吸收主要發(fā)生在水稻生長(zhǎng)季，貢獻(xiàn)率達(dá)到92.7%。

圖4 2007—2019年CO2通量年總量逐年變化Fig. 4 Annual variation of annual total CO2 flux in 2007-2019

2.5 小麥和水稻生育期CO2通量變化特征

壽縣稻麥輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2通量變化與作物生育期有著直接的聯(lián)系，冬小麥和一季稻是壽縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要的農(nóng)作物，表2給出了壽縣冬小麥和一季稻不同生育期CO2通量的2007—2019年多年平均值。

冬小麥播種、出苗和冬前分蘗期CO2通量為正值，是CO2凈排放期。進(jìn)入越冬期，CO2通量由正轉(zhuǎn)負(fù)，進(jìn)入CO2凈吸收期，但由于小麥生長(zhǎng)活動(dòng)較弱，CO2凈吸收非常弱。隨著小麥進(jìn)入返青分蘗期和拔節(jié)期，小麥開(kāi)始快速生長(zhǎng)，CO2凈吸收越來(lái)越多，其中孕穗期和抽穗期CO2凈吸收達(dá)到最強(qiáng)，CO2通量分別為-0.207 mg/(m2·s)和-0.206 mg/(m2·s)。進(jìn)入灌漿乳熟期，CO2凈吸收持續(xù)下降。進(jìn)入成熟期，小麥基本停止生長(zhǎng)，等待收割，收割后還有一段沒(méi)有作物生長(zhǎng)的裸地階段，CO2通量由凈吸收轉(zhuǎn)為凈排放。

水稻生育期過(guò)程中，移栽期為微弱的C O2凈吸收期。隨著進(jìn)入分蘗期和孕穗期，CO2凈吸收達(dá)到最強(qiáng)，CO2通量分別為-0.233 mg/(m2·s)和-0.266 mg/(m2·s)。抽穗揚(yáng)花期CO2凈吸收有所下降，但CO2通量依然達(dá)到-0.206 mg/(m2·s)。灌漿乳熟期C O2凈吸收快速下降，C O2通量為-0.139 mg/(m2·s)，乳熟成熟期CO2凈吸收非常微弱。

因此，隨著小麥和水稻的生長(zhǎng)，光合作用吸收的CO2越來(lái)越多，同時(shí)土壤呼吸和作物暗呼吸排放CO2也增多，但作物吸收的CO2遠(yuǎn)大于放出的CO2。

2007—2019年多年平均的冬小麥生育期CO2通量為-0.078 mg/(m2·s)，總量為-1.21 kg/m2；一季稻生育期C O2通量為-0.1 7 3 m g/(m2·s)，總量為-1.59 kg/m2。整個(gè)生育期CO2通量總量為-2.8 kg/m2，小麥和水稻分別占43.2%和56.8%。水稻平均CO2通量是小麥的2.2倍，但是生育期長(zhǎng)度明顯短于小麥，只有小麥的59%，因此水稻CO2通量總量只比小麥多31.5%。表明水稻農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2凈吸收能力強(qiáng)于冬小麥。稻麥輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)間歇期為CO2凈排放。小麥至水稻的間歇期CO2通量為0.056 mg/(m2·s)，總量為0.16 kg/m2，小麥至水稻的間歇期CO2通量為0.013 mg/(m2·s) ，總量為0.05 kg/m2，間歇期合計(jì)總量為0.21 kg/m2，削減整個(gè)生育期CO2凈吸收總量的7.7%。

分年（圖5b）來(lái)看，2016年和2017年冬小麥生育期CO2通量總量接近于0，主要由于前期沒(méi)有播種小麥所導(dǎo)致。2008—2011年、2018—2019年整個(gè)水稻和小麥生育期CO2通量總量均超過(guò)-2.0 kg/m2，其中2008年總量最大，為-3.38 kg/m2，2017年最小，為-1.74 kg/m2，前者是后者的1.9倍。小麥生育期CO2通量總量除2016—2017年外均超過(guò)-0.8 kg/m2，其中2008年總量最大，為-2.01 kg/m2，2018年最小，為-0.85 kg/m2，前者是后者的2.4倍。水稻生育期CO2通量總量均超過(guò)-1.2kg/m2，其中2016年總量最大，為-1.95 kg/m2，2009年最小，為-1.21 kg/m2，前者是后者的1.6倍。

表2 不同生育期CO2通量變化特征Table 2 Variation characteristics of CO2 flux in different growth periods

圖5 不同生育期CO2通量的平均值（a）和總量（b）逐年變化Fig. 5 Annual variation of CO2 flux average value (a) and total amount (b) in different growth period

進(jìn)一步分析冬小麥和水稻生育期對(duì)整個(gè)生育期固碳能力的貢獻(xiàn)，2008年和2009年整個(gè)生育期CO2凈吸收的主要貢獻(xiàn)均來(lái)自冬小麥生育期，分別占60%和58%；2010年、2011年、2018年、2019年整個(gè)生育期CO2凈吸收的主要貢獻(xiàn)均來(lái)自水稻生育期，分別占55%、65%、59%、58%。2016年和2017年因沒(méi)有播種小麥，整個(gè)生育期CO2凈吸收均直接來(lái)自水稻生育期，分別占100%和95%。

從C O2通量平均值（圖5 a）來(lái)看，2 0 0 8—2018 年水稻生育期C O2通量絕對(duì)值明顯大于冬小麥生育期C O2通量絕對(duì)值。2008—2011 年和2018—2019 年冬小麥生育期C O2通量平均值為-0.049～0.115 mg/(m2·s)，2008—2018年水稻生育期CO2通量為-0.152～0.245 mg/(m2·s)，前者絕對(duì)值的最大值小于后者的最小值。水稻生育期CO2通量值是冬小麥生育期CO2通量平均值的1.5～4.1倍。但由于冬小麥生育期長(zhǎng)度202 d，是水稻生育期長(zhǎng)度92 d的2.2倍，因此水稻生育期和冬小麥生育期CO2通量總量差異為68%～189%。2008和2009年雖然水稻生育期平均CO2通量明顯強(qiáng)于冬小麥生育期，但由于冬小麥生育期長(zhǎng)度明顯長(zhǎng)于水稻生育期長(zhǎng)度，從而使得冬小麥生育期CO2通量總量大于水稻生育期。2008—2011年和2018—2019年水稻和冬小麥生育期平均CO2通量強(qiáng)度差異難以抵消生育期長(zhǎng)度差異，水稻生育期CO2通量總量明顯大于冬小麥生育期。

3 結(jié)論與討論

本研究基于壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái)2 0 0 7 年7月—2019年12月CO2通量觀測(cè)資料，分析了淮河流域稻麥輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同時(shí)間尺度和不同生育期CO2通量的變化特征。

CO2通量具有明顯的日變化、季節(jié)變化和年際差異。多年平均CO2通量日變化呈現(xiàn)為U型特征。CO2凈吸收從07時(shí)開(kāi)始，在12時(shí)達(dá)到最大，17時(shí)以后轉(zhuǎn)為CO2凈排放，持續(xù)到次日06時(shí)30分。白天為CO2凈吸收，夜間為CO2凈排放，白天凈吸收明顯多于夜間凈排放。CO2凈吸收和凈排放的最大值分別出現(xiàn)在12時(shí)和21時(shí)30分。CO2通量日變化幅度、凈吸收和凈排放的最大值夏季均最大，冬季最小。CO2凈吸收時(shí)段春季最長(zhǎng)，秋季最短。

多年平均CO2通量季節(jié)變化呈現(xiàn)為W型雙峰特征，兩個(gè)CO2凈吸收期分別對(duì)應(yīng)小麥生育期和水稻生育期，凈吸收強(qiáng)弱與作物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程密切相關(guān)。兩個(gè)CO2凈排放期對(duì)應(yīng)兩個(gè)稻麥輪作間歇期。CO2通量年際差異明顯，尤其是2019年11—12月CO2凈排放異常偏大5倍，可能與近40年最嚴(yán)重的伏秋連旱有關(guān)。遷站后冬小麥整個(gè)生育期和水稻主要生育期CO2凈吸收和6月CO2凈排放明顯小于遷站前，可能和氣候變化以及觀測(cè)場(chǎng)環(huán)境狀況發(fā)生變化有關(guān)。

稻麥輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具有強(qiáng)的固碳能力，2 0 0 7—2 0 1 9 年多年平均的年C O2凈吸收量為-2.58 kg/(m2·a)。2016—2019年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力比2008-2011年明顯減小，可能與遷站后觀測(cè)場(chǎng)環(huán)境變化以及氣候更為異常有關(guān)。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力年際差異明顯。2008年CO2凈吸收最大，為-3.26 kg/(m2·a)；2017年CO2凈吸收最小，僅為-1.78 kg/(m2·a)，主要原因是2016年秋季發(fā)生嚴(yán)重漬澇，冬小麥無(wú)法播種，2017年CO2凈吸收主要發(fā)生在水稻生長(zhǎng)季。

CO2通量變化與作物生育期有直接關(guān)系。冬小麥孕穗期和抽穗期CO2凈吸收最強(qiáng)，水稻分蘗期和孕穗期CO2凈吸收最強(qiáng)。整個(gè)生育期CO2凈吸收總量為-2.8 kg/m2，小麥和水稻分別占43.2%和56.8%。稻麥輪作間歇期CO2凈排放總量為0.21 kg/m2，可以削減整個(gè)生育期CO2凈吸收總量的7.7%。

在認(rèn)識(shí)不同時(shí)間尺度CO2通量變化特征的基礎(chǔ)上，下一步將評(píng)估CO2通量變化與氣象因子和土壤水熱參數(shù)的響應(yīng)關(guān)系，分析影響CO2通量變化的主導(dǎo)氣象環(huán)境因子，揭示CO2通量對(duì)氣象環(huán)境的響應(yīng)規(guī)律，探討氣象環(huán)境影響CO2通量變化的可能物理機(jī)理。