农业气象学第5章co2、风与生产

第五章CO2、风与农业生产§1二氧化碳对植物的影响主要内容：

(A)ThechangeofatmosphericCO2concentration

(B)CO2Circle(C)plantCO2assimilation(D)CO2

fluxesandvariationofitsconcentrationFig.FullMaunaLoaCO2record(A)ThechangeofatmosphericCO2concentration

Rapidchangessince1850–probablyhighestfor10millionyears!FromIPCC(2007)Decadal-meanwarming

Stratosphereiscooling10timesfasterthansurfaceiswarming

种类增温效应(%)生命期(年)二氧化碳（CO2）5550－200甲烷（CH4）1512－17氧化亚氮（N2O）6120氢氟碳化物（HFCS）全氟化碳（PFCS）1713.350000六氟化硫（SF6）及其它7？温室气体种类和作用设CO2的温室效应强度为1单位，则CH4的温室效应强度是其23倍，N2O是其296倍，这两种温室气体的来源，都与畜牧业有重大的关系。CFCs的温室效应强度是4600-14000倍。化石能源燃烧（二氧化碳CO2等）化石能源开采（二氧化碳CO2和甲烷CH4）工业生产（二氧化碳CO2

）农业和畜牧业（甲烷CO2

）废弃物处理（甲烷CH4和氧化亚氮N2O）土地利用变化(二氧化碳CO2)空调和制冷设备（CFCs）排放温室气体的人类活动中国的温室气体、气溶胶等排放居高不下(2005)二氧化碳甲烷*氧化亚氮*沙尘黑碳二氧化硫中国30519595388001.1919.95世界总量231726340357030006.63105中国位次211111单位：兆吨*兆吨CO2当量Globalmeanradiativeforcingsincepre-industrialtimes

greenhousegasesareprobablythemostimportantforchangingclimate(IPCC,2007)(i)全球碳循环(B)CO2CircleNetOceanuptake=1.7

(x1015gC/yr)

Photosynthesis=111

Respiration=110

Fossilfuels=6.3

Biomassburning=1.6

NETCHANGE=INPUT+OUTPUT+INTERNALCHANGE3.2

=(110+6.3+1.6)+(-111-1.7)+(0)3.2

=5.2Weneedanadditional"sink"of-2.0

(3.2-5.2)x1015gCtobalancetheglobalCbudget.

Inotherwords,weare"missing"about2billiontonsofCeachyear.

TerrestrialecosystemsintheNorthernhemispherearethemostlikelyrepositoryofthiscarbon.中国陆地生态系统碳循环大气库14.5人口植物土壤有机碳185.7生产活动海洋、境外土壤呼吸降水2.04呼吸0.08废弃物0.14光合作用4.26呼吸作用1.85生物质燃烧0.18生物质燃烧0.73木材生产0.02粮食0.22河流运输0.08凋落物1.50废弃物0.02库109tC流通率*109tC

/a（方精云，2000）中国陆地生态系统是CO2汇。每年吸收0.37*109tC

/a

，每年排放约0.62*109tC

/a

。单位表示符号：(ii)农业生态系统碳循环

农田生态系统碳循环如下图所示。农田生态系统碳循环可表示为：碳平衡(Bi)=吸收量(Ui)-排放量(Ei)=固定量(Fi)+转移量(Ti)式中，i为年度。由上式可知，如果Bi>0，则Ui>Ei或Fi+Ti>0，说明系统周年内有了一定的碳积累，即固定于系统中，对大气而言吸收多于排放，为碳之汇，反之则为碳之源。Terms•GrossPrimaryProductivity,GPP•NetPrimaryProductivity,NPP•AutotrophicRespiration,Rauto•NetEcosystemProductivity,NEP•HeterotrophicRespiration,Rhetero•NetBiomeProductivity,NBPConceptsGPP=GrossCarbonFixationminusPhoto-RespirationNPP=GPPminusAutotrophicRespirationNEP=NPPminusHeterotrophicRespirationNBP=NEPminusClossbydisturbance,fire,harvestTheRatiobetweenAutotrophicRespiration(R)andPhotosynthesis(P)isConstant:RegardlessofPlantSize,TreatmentetcRatiosofautotrophicrespirationandcanopyphotosynthesis,surveyedbyAmthorandBaldocchi(2001).EcosystemRespiration(FR)ScaleswithEcosystemPhotosynthesis(FA),ButwithanOffsetandParallelLineisassociatewithDisturbedSitesGPPandClimateDriversClimateexplains70%ofvariationinGPPNPPandRainNPPandTemperatureNEPandClimateDriversClimateexplains5%ofvariationinNEPSoilRespirationandTemperature,SoilMoisture•RespirationincreasesExponentiallywithTemperatureandRespirationRatestendtoDoublewithevery10CincreaseinTemperatureSoilRespirationandDecliningSoilMoistureStomatalconductance(gs)FACEplotsofsoybeans(C)plantCO2assimilationThemaineffectedfactorsofcropCO2assimilationinclude:(1)Cropspecies:

CO2assimilationrateofC4plantsisgreaterthanthatofC3plants

(2)Lightintensity:

(3)temperature:

(4)moisture:

(5)Wind:InsufficientwatersupplycausesnarrowstomataandreductionofbothCO2exchangeandhydrationforprotoplasmaswellasassimilationImprovingcanopyCO2concentration,decreasingcanopyresistance.

(6)Canopystructure:§2农田二氧化碳状况及其调控主要内容：

●植被层中CO2平衡

●CO2通量的变化

●土壤和近地层CO2调控技术

一、植被层中CO2平衡

植被层中CO2平衡方程式为：

qa=Rt+Rr+Rm-Pc式中，qa为植被层上方CO2通量；Rt为作物地上部分呼吸放出CO2量；Rr为根部呼吸放出CO2量；Rm为土壤微生物释放出的CO2量；Pc为光合作用同化的CO2量（真光合作用）。设：土壤总的CO2释放量qn=Rr+Rm作物净光合作用同化CO2量P

=

Pc-Rt-Rr则：qa=Rt+qn-（P+Rt+Rr）

=qn-Rr-P可见，土壤中总CO2释放量在植被上方CO2通量的变化中起了一定作用，所以人们认为土壤中CO2释放量在光合作用中有重要作用。但近年来观测表明，植物光合作用同化的CO2主要来自于大气。因此，研究农田上方CO2的铅直输送十分必要。二、CO2通量的变化

1、农田上方CO2通量变化近地层中CO2的垂直通量，决定于湍流扩散机制。因此，可以从湍流扩散角度来得到农田上方CO2的铅直输送公式，即：式中，qc为铅直方向的CO2通量；fc为单位换算系数；kc为CO2湍流交换系数；为CO2浓度的铅直梯度。

应用桑斯威特-霍尔兹罗公式将上式改写为：式中，u1、u2和c1、c2分别为z1、

z2高度上的平均风速和CO2浓度；æ是卡曼常数，一般取0.4；d为零平面位移；σ为常数；Ri为理查逊数，是表征大气层结稳定程度的量。如在上式中令：z1=z0+d，z2=z，由于z0为粗糙度，因此u1=uz0+d

=0，则上式变为：可见，农田上方铅直方向CO2通量变化的主要影响因子为：CO2浓度差、风速、大气层结稳定程度。2、群体中CO2通量的变化可用下式来表示群体中z高度CO2扩散情况：式中，fl(z)为叶面积密度；p(z)为单位叶面积的CO2吸收（光合）强度；rp为单位叶面积的CO2排出（呼吸）强度。将CO2浓度和通量仅仅看成是高度的函数，且将公式右边的两项合并，则上式可变为：式中，P(z)=p(z)-rp为净吸收的CO2量，则：积分可得：即：上式即作物群体内CO2通量的表达式，qc（H）为作物群体表面的CO2通量，H为群体高度。由作物群体内CO2通量的表达式可知：

●白天时P(z)＞0，qc(z)＜qc(H),CO2通量向下。

●夜晚时P(z)＜0，qc(z)＞qc(H),CO2通量向上。CO2通量随高度的变化速率，可以由农田上方CO2通量公式取偏导给出：由于CO2通量随高度的变化，主要是植物光合作用同化CO2或呼吸作用释放CO2所引起的，因此也就相当于某一层叶片净光合作用强度。由上述分析可知：

●当＞0时，即净光合作用强度大于零，CO2净吸收量为正，此区域称为CO2汇。

●当＜0时，即净光合作用强度小于零，CO2净吸收量为负，此区域称为CO2源。

●当=0时，即净光合作用强度等于零，CO2净吸收量为零，此区域为CO2补偿点。一般而言，CO2源和汇的强度主要是取决于光合作用总面积和光合效率。3、CO2浓度的变化用CO2通量变化公式进一步整理，可得到群体上方和群体内任意高度CO2浓度表达式：群体上方：

群体内：式中，C(H)是作物表层的CO2浓度。从式中可以看出，大气与农田群体中的CO2浓度会受到许多环境和生物因子的影响，是不断变化的。夜高昼低TheannualvariationsofatmosphericCO2concentration(averagedvaluesfrom1992-2001)与光的关系风的影响不同季节影响FigureDiurnalcourseofCO2profileatParkFalls,WI.DatafromtheCHEASproject.DatacourtesyofKenDavisandPeterBakwin大气中CO2浓度的年变化(夏威夷,1992-2001年平均值)CO2浓度的时空变化规律：（1）晴朗无风天气下，近地层CO2浓度呈现明显的昼低夜高的变化规律，夏季尤为突出。白天，群体是CO2的汇而大气是CO2的源，这时CO2由大气向群体中输送，这种CO2浓度随高度而递增的分布型称之为光合型；夜间，群体是CO2的源而大气是CO2的汇，这时，CO2由群体向大气输送，这种CO2浓度随高度而递减的分布型称之为呼吸型；而在傍晚、清晨相互转化。（2）全年各月CO2浓度的变化与农业生物在一年内的兴衰密切相关，表现为:秋季为最低值，春季为最大值

。（3）大气中CO2浓度的变化，一般波动到16公里处。越接近地面波动越大，且随高度的增加，最高值明显滞后。（4）群体内CO2浓度的时空分布，因群体种类、状态以及气象条件等而有很大变化。如风力大时或通风好的群体中CO2浓度变化小，反之则变化大。

三、土壤和近地层CO2调控技术1、土壤CO2释放的调节（1）原理土壤空气中CO2浓度远高于大气，因此土气间的浓度差导致了土壤CO2释放。土壤中