科研进展：华北平原冬小麦-夏玉米轮作系统中气候对物候和净生态系统生产力的控制

作者：禹城站  更新时间：2023-03-20

      近期，山东禹城农田生态系统国家野外科学观测研究站（禹城站）李发东研究团队岳泽伟博士在Agricultural and Forest Meteorology发表论文，阐述了基于长期碳通量和华北平原禹城实地观测的定量分析为理解气候变化对农业的影响提供了关键性的见解。

     亮点

      1、小麦季和玉米季NEP的IAV对植被物候变化的反应不同。

      2、物候学指标和非生物因素对NEP的IAV有不同影响。

      3、NEPmax和CUP分别对小麦和玉米NEP的IAV贡献最大。

      4、小麦和玉米的NBP与NEP之间存在正相关关系。

      摘要

      探究净生态系统生产力（NEP）对作物生态系统物候变化的反应，对于深入了解气候变化对农业的影响非常重要。然而，对于轮作农田生态系统来说，其主要控制机制还没有被很好地理解。我们利用华北平原（NCP）典型的小麦-玉米轮作系统16年（2003-2018）的涡度协方差通量观测，探索碳通量物候学（CFP）和非生物因素在解释NEP的年际变化（IAV）方面的潜力。结果表明，小麦季节的NEP受到碳吸收期（CUP）、CUP结束日期（ECUP）和NEPmax的显著控制。春季温度的升高降低了小麦季节的土壤含水量（SWC），导致CUP缩短，ECUP提前，NEPmax降低。然而，玉米季节的NEP主要受CUP、CUP的开始日期（SCUP）和NEPmax的影响。ECUP和CUP与玉米季节的空气温度（Ta）和土壤温度（Ts）呈负相关，NEPmax与夏季平均温度（MTsu）和Ta呈显著负相关。此外，我们发现，NEPmax对NEP小麦的IAV贡献最大（63%）。然而，CUP对玉米生态系统的贡献最大，解释了NEPmaize的30%。当考虑到收获生物量的输出时，小麦季节的碳预算接近中性，为21±26 g C m-2，玉米季节为102±18 g C m-2的碳源，而在我们的研究期间，整个年度表现为129±41 g C m-2的碳源。该研究为未来气候变化下华北平原耕地生态系统的碳预算对植被物候变化的响应提供了重要启示。

CFP指标、气候和环境因素分别对小麦和玉米季节NEP的IAV的相对贡献

小麦季、玉米季和小麦-玉米的碳收支

结论

      基于长期碳通量和华北平原禹城实地观测的定量分析为理解气候变化对农业的影响提供了关键性的见解。研究结果表明，在控制小麦-玉米轮作耕地的NEP的IAV方面，CFP指标与气候和环境因素之间存在巨大差异。对于目标1，CUP和NEPmax都与小麦季NEP (NEPwheat)和玉米季NEP(NEPmaize)的IAV显著相关，提前SCUP增加了NEPmaize，延长ECUP增加了NEPwheat，表明CFP指标在控制NEP的IAV方面有潜力。对于目标2，非生物因素如小麦季节的Ts、SWC、MTsp、Tssp和SWCsp是影响CFP指标的重要驱动因素，而玉米季节的Ta、Ts、MTsp和MTsu是主要驱动因素。对于目标3，观察到影响小麦和玉米的因素存在差异，这些因素对NEPmax、MTsp和CUP敏感。目前的研究还表明，在过去的十几年年中，小麦-玉米轮作系统起到了碳源的作用。此外，NEP和NBP显著相关。试验站的平均气温、MTsp和MTsu也有明显的上升趋势，这意味着在未来变暖的条件下，NCP的小麦-玉米轮作生态系统将继续充当碳源。因此，我们的研究结果阐明了在未来气候变化下，轮作农田生态系统的碳预算是如何响应作物物候的，并为气候变化对生态系统净生产力的影响和适应提供了有力的证据和建议。

      文章链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S016819232300103X?via%3Dihub