气候变化对海河流域主要作物物候和产量影响简

基于海河流域30 个气象站点1960-2009年的实测资料,分析该流域1960年以来农业气象指标的变化趋势,并利用VIP模型模拟分析大气CO₂浓度增加、温度、降雨和日照时数变化对作物产量的影响。结果显示：冬季温度的显著上升使冬小麦种植北界在50年间向北移动大约70 km;在品种和灌溉条件不变的前提下,小麦产量平均每10年上升0.2%~3.4%,其中CO₂浓度增加、温度、降雨及日照时数变化对其产量的影响分别为11.0%、0.7%、-0.2%和-6.5%;大气CO₂浓度增加的产量正效应大于日照时数减少的负效应。气候变化使夏玉米产量呈下降趋势（0.6%~3.8%/10年）,其中大气CO₂浓度增加、温度、降雨及日照时数变化对其产量的影响分别为0.7%、-3.6%、-1.0%和-6.8%,温度上升和辐射下降是玉米产量下降的主要原因。研究结果可为气候变化影响的评估和适应性对策制定提供科学依据。     

沙漠及绿洲不同覆被下大气CO2浓度的梯度变化

运用美国生产的开环气体交换系统LI-6400便携式光合作用测定系统,研究了沙漠及绿洲不同覆被下大气CO₂浓度的梯度变化。结果表明,2001年巴丹吉林沙漠南缘大气CO₂浓度为366μmol·mol^-1,秋季大气CO₂浓度梯度在1~ 10m高度范围内为0,CO₂浓度与气温呈线形正相关,相关系数为0.87;与空气相对湿度呈线形负相关,相关系数为 -0.86。秋季绿洲区CO₂浓度高于沙漠区,人类活动向大气排放CO₂,是绿洲区CO₂浓度高于沙漠区的主要原因。绿洲不同覆被类型其CO₂浓度梯度明显不同,影响CO₂浓度梯度的主要因素为:人类活动、覆被变化、气象因子。覆被变化研究得出,杨树林初秋光合作用最强时在10m高度范围内CO₂浓度可降低22μmol·mol^-1;另外得出,降雨能够明显降低空气CO₂浓度。     

气象干旱对中亚棉花产量的影响

极端干旱事件频发对中亚棉花生产具有重要影响。本文利用乌兹别克斯坦赞格阿塔实验站棉花大田试验数据评估了APSIM-Cotton模型的适用性,根据CMIP6气候模式模拟的SSP1-2.6、SSP3-7.0和SSP5-8.5等3种共享社会经济路径下的气候变化数据集,分析了2021—2090年SPEI-3干旱指数的变化特征,进而利用APSIM-Cotton模型模拟了考虑CO₂肥效作用的气象干旱对棉花产量的影响。结果表明：APSIM-Cotton模型能够准确模拟乌兹别克斯坦塔什干地区的生育期和产量变化趋势;未来塔什干地区呈现温度明显升高、干旱发生频率明显增加的特征;气象干旱将导致棉花产量下降,SSP1-2.6、SSP3-7.0和SSP5-8.5等3种排放情景下,严重气象干旱导致2021—2050年棉花产量较1961—1990年分别下降28.0%、29.6%和32.1%,2061—2090年棉花分别减产31.5%、33.1%和35.7%,在SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下,极端气象干旱导致2061—2090年棉花产量分别下降41.3%和54.2%;CO₂浓度升高可提高棉花产量,贡献率为14.9%~25.0%,但浓度达到750 µmol/mol以上时,棉花增产幅度将不再持续增加。     

天目山柳杉树轮δ13C序列所反映的植物水分利用率对大气CO2浓度变化的生理响应

工业化以来,由于大量化石燃料CO₂排入大气,引起大气CO₂浓度的持续升高。研究表明,植物的光合作用、水分利用率及作物生物量等均对周围大气CO₂浓度的增加产生明显的正响应,而植物叶片的气孔导度及蒸腾速率对CO₂浓度增加产生负响应。对采自浙江西天目山地区的三株柳杉树盘交叉定年后,测定了三株树轮的δ¹³C年序列,并利用3株柳杉树轮δ¹³C序列探讨了天目山地区树木生长对大气CO₂浓度增加的生理响应——水分利用率的变化状况。结果是,三株树轮δ¹³C序列反映的水分利用率均是增加的,且增长趋势基本一致。研究结果反映了工业革命前后,树木生长对大气CO₂浓度增加所产生的明显正响应。     

内蒙古羊草草原呼吸的影响因素分析和区分

利用静态暗箱-气相色谱法在植物生长旺季测算了内蒙古锡林河流域羊草草原的土壤微生物呼吸、土壤呼吸和生态系统呼吸。地温和水分是植物生长旺季呼吸最重要的影响因素。地温在水分条件适宜的情况下可以解释CO₂通量的部分变化(R² = 0.376~0.655)。土壤水分含量也可以解释土壤呼吸和生态系统呼吸的部分变化(R² = 0.314~0.583),但基本不能解释土壤微生物呼吸的变化(R² = 0.063)。即使在较高温度下,较低的土壤水分含量(≤ 5%) 也会显著的抑制CO₂排放。长期干旱后降雨使CO₂通量在高温下迅速增大。基于5 cm地温和0~10 cm土壤水分含量的双变量模型可以解释CO₂通量约70%的变化。观测期间,土壤呼吸占生态系统呼吸的比例介于47.3%~72.4%之间,平均为59.4%;根呼吸占土壤呼吸的比例介于11.7%~51.7%之间,平均为20.5%。由于植物体去除引起的土壤水分含量上升可能使我们对土壤呼吸占生态系统呼吸比例的估计略微偏高,根呼吸占土壤呼吸的比例略微偏低。     

北极新奥尔松地区夏季近地面CO2、CH4和N2O浓度的观测研究

2008和2009年夏在北极新奥尔松地区（Ny-Ålesund）不同苔原区域（鸟类保护区、海滩苔原、矿区、人类活动区等）监测CO₂、CH₄和N₂O近地面浓度的时空变化并分析其可能的影响因素。2008年7月25日-8月13日和2009年7月13-26日,在不同观测区域设置常规和非常规采样点采集气体样品共239瓶并妥善保存。实验室内使用气相色谱（GC）测定准确真空瓶中温室气体（CO₂、CH₄和N₂O）的浓度。鸟类保护区的日变化中,2008年鸟类保护区CO₂和N₂O日变化浓度均大于2009年约30 ppm和25 ppb。2008年海滩苔原CO₂浓度均高于2009年约30 ppm;N₂O浓度低于2009年11 ppb;2008年鸟类保护区CH₄浓度低于2009年,而海滩苔原2008年浓度高于2009年,差值均约为0.7 ppm。这些年际变化可能由环境条件（天气变化等）和地表覆盖情况的变化引起。高海鸟活动区（HB）CO₂浓度低于海鸟活动较少的区域（MB 和 LB）;鸟类保护区CO₂浓度低于海滩苔原,N₂O浓度高于海滩苔原,主要原因是海鸟活动和鸟粪增加了土壤营养元素,影响苔藓植被发育的情况并改变上垫面状况。综合不同苔原区域：新奥尔松地区CO₂和CH₄浓度高于ZEP (Zeppelin Station)监测平均浓度,地表向大气输送CO₂和CH₄;而N₂O低于ZEP监测的平均浓度,地表从大气吸收N₂O。不同区域影响因素不同：鸟类保护区、海滩苔原和鸟岛主要是受到海鸟活动影响;矿区主要是受水分和土壤基质影响;站区和机场受到人类活动影响但并不明显,总的来说直接原因是由于地表覆盖情况以及地形不同引起。     

全球主要河流流域碳酸盐岩风化碳汇评估

碳酸盐岩风化吸收的大气CO₂主要以HCO₃ ^-形式连续地经由河流从大陆输送到海洋,成为陆地生态系统的重要碳汇。目前主要河流流域的碳酸盐岩风化碳汇估算存在不确定性,分布格局尚不清晰。基于GEMS-GLORI全球河流数据库提供的全球10万km ²以上主要河流流域多年平均监测数据,利用水化学径流法估算出全球主要河流流域碳酸盐岩对CO₂的吸收速率为0.43±0.15 Pg CO₂ yr ^-1,平均CO₂吸收通量为7.93±2.8 t km ^-2 yr ^-1。CO₂吸收通量在不同气候带下差异显著,热带和暖温带CO₂年吸收速率占全球主要河流流域年吸收速率的62.95%。冷温带CO₂年吸收速率占全球主要河流流域的33.05%,仅次于热带地区。本文划分出全球CO₂吸收通量的9个关键带,关键带的交汇处CO₂吸收通量较高。喀斯特出露流域碳酸盐岩对CO₂吸收通量的均值为8.50 t km ^-2 yr ^-1,约为非喀斯特流域的3倍。全球喀斯特出露流域碳酸盐岩风化碳汇在全球碳循环、水循环及碳收支平衡估算研究方面占据重要地位。     

土壤非生物CO2通量对土壤温度的响应

干旱、半干旱区土壤CO₂通量是土壤-大气碳循环的关键过程。尽管近期研究发现,该过程中存在非生物CO₂通量部分,但对该通量及其对土壤温度的响应仍不清楚。为此,本研究于2012年5月至2013年4月,在毛乌素沙地西南缘长期定位观测灭活土壤的CO₂通量及土壤温度与降雨量。结果显示:土壤非生物CO₂通量在2012年5-10月及2013年3-4月基本表现为白天正值,而夜晚负值;其余月份中,其日尺度上变化不大。在观测期内,非生物CO₂通量与土壤温度变化率呈直线关系,但决定系数不高。另外,无降雨或小降雨发生时,日尺度上土壤非生物CO₂通量与土壤温度存在明显的时间滞后效应,而该效应会被较大的降雨严重干扰。研究结果表明,土壤非生物CO₂通量对土壤温度的响应会较易被其他因子(如降雨)干扰,通过土壤温度单因子对它预测,结果可能不够准确。     

中国粮食生产的综合影响因素分析

采用模型模拟的方式, 根据中国社会发展规划, 将未来社会经济发展情景与区域气候模型、水资源模型和作物模型相连接, 综合评估和分析未来中国的粮食生产状况, 以期为宏观决策提供科学参考。结果表明, ①气候变化将影响未来三大作物单产, 如果不考虑 CO₂ 肥效作用, 未来雨养作物单产将受到更大冲击; 当灌溉条件保障后, 水稻受到冲击更大, 单产降低最多, 尤其是 A2 情景。如果考虑 CO₂ 肥效作用, 未来玉米平均单产变化不大, 小麦单产明显增加, 尤其是雨养小麦, 水稻单产也有所增加。②未来气候变化、水资源、社会经济发展将影响中国三大作物的需水量和农业供水量, 导致水稻、灌溉玉米和小麦的播种面积下降, 而雨养小麦和玉米的播种面积上升。③未来气候变化、 CO₂ 肥效、水资源和土地利用变化对粮食生产的影响较为复杂, 依情景和时段的不同而不同。农业可用水资源对粮食总产的影响最不利, 致使三大作物粮食总产量明显降低, 成为未来粮食生产的主要限制因素, 尤其是水稻生产; 土地利用对总产的负面影响最小; 气候变化和 CO₂ 的相互作用可使总量少许增加。未来各情景下水稻受到冲击最大, 而小麦和玉米则表现为不同程度的增产。     

天山南坡科其喀尔冰川作用区CO2通量观测研究

冰川融水径流的发育和形成过程中,存在大量水化学侵蚀,尤其是K/Na长石及碳酸盐的水解作用,可能消耗水体中H⁺,促使大气CO₂溶于水形成重碳酸盐,影响区域碳循环。2015年7月21日-2017年7月18日选取相对平坦开阔的西天山科其喀尔冰川表碛物覆盖区,利用涡度相关法进行CO₂通量监测。结果表明：大气CO₂通量介于-17.99~3.59 g·m^-2·d^-1之间,平均值为-2.58 g·m^-2·d^-1,说明研究区是一个显著的碳汇。净冰川区系统CO₂交换量主要受大气CO₂通量支配,但日内变化显著,白天因冰雪消融导致大气CO₂沉降于融水中促进区域水化学侵蚀,而夜间因太阳辐射减少,冰雪消融减弱甚至停止,抑制了区域CO₂沉降,甚至再生冰的形成引起溶解于液态水中的CO₂释放。净冰川区系统CO₂交换量与气温呈显著的负相关关系,即气温升高,大气CO₂沉降量增加;当降水量小于8.8 mm时,交换量随降水量变化不显著,而降水量大于8.8 mm时,CO₂沉降量随降水量增加而减少。净冰川区系统CO₂交换量随日径流量的变率遵循：积雪消融期 > 积雪积累期 > 冰川消融前期 > 冰川消融后期 > 冰川消融峰期,意味着积雪消融存在时,系统CO₂交换量随日径流量变率较大,可能是因积雪本身的阻尼作用或积雪期水文通道不发育,积雪融水较冰川冰融水汇集相对较慢,为可溶性物质化学反应提供充分时间,增强了CO₂沉降。     

RCP8.5气候变化情景下21世纪印度粮食单产变化的多模式集合模拟

基于跨部门影响模型比较计划（ISI-MIP）中20种气候模式与作物模型组合的模拟结果,预估了RCP 8.5排放情景下21世纪印度小麦和水稻单产变化。研究发现：① 多模式集合模拟结果基本再现了印度小麦和水稻单产的空间差异;同时,再现了小麦和水稻单产对温度和降水变化的响应特征：与温度呈负相关,与降水呈正相关。② RCP 8.5情景下,水稻和小麦生长季温度和降水均呈增加趋势,小麦生长季的温度、降水增加幅度大于水稻。空间上,温度增加幅度自北向南逐渐减小,降水增幅则逐渐增加,并且小麦种植区升温幅度大于非种植区,降水增幅则少于非种植区,水稻种植区升温幅度小于非种植区,降水增幅则多于非种植区。③ RCP 8.5情景下,小麦和水稻单产均呈下降趋势,21世纪后半叶尤为明显。小麦单产的下降速度明显大于水稻,其中21世纪前半叶小麦和水稻单产下降速度约分别为1.3%/10a （P < 0.001）和0.7%/10a （P < 0.05）,后半叶分别增至4.9%/10a （P < 0.001）和4.4%/10a （P < 0.001）。小麦和水稻单产变化存在明显的空间异质性,小麦单产的最大下降幅度出现在德干高原西南部,降幅约60%,水稻单产最大下降幅度出现在印度河平原北部,降幅约50%。这意味着未来气候变化情景下印度粮食供给将面临较大的挑战。     

Biophysical Regulation of Carbon Flux in Different Rainfall Regime in a Northern Tibetan Alpine Meadow

Inter-annual variability in total precipitation can lead to significant changes in carbon flux. In this study, we used the eddy covariance (EC) technique to measure the net CO₂ ecosystem exchange (NEE) of an alpine meadow in the northern Tibetan Plateau. In 2005 the meadow had precipitation of 489.9 mm and in 2006 precipitation of 241.1 mm, which, respectively, represent normal and dry years as compared to the mean annual precipitation of 476 mm. The EC measured NEE was 87.70 g C m^-2 yr^-1 in 2006 and -2.35 g C m^-2 yr^-1 in 2005. Therefore, the grassland was carbon neutral to the atmosphere in the normal year, while it was a carbon source in the dry year, indicating this ecosystem will become a CO₂ source if climate warming results in more drought conditions. The drought conditions in the dry year limited gross ecosystem CO₂ exchange (GEE), leaf area index (LAI) and the duration of ecosystem carbon uptake. During the peak of growing season the maximum daily rate of NEE and P_max and α were approximately 30%-50% of those of the normal year. GEE and NEE were strongly related to photosynthetically active radiation (PAR) on half-hourly scale, but this relationship was confounded by air temperature (T_a), soil water content (SWC) and vapor pressure deficit (VPD). The absolute values of NEE declined with higher T_a, higher VPD and lower SWC conditions. Beyond the appropriate range of PAR, high solar radiation exacerbated soil water conditions and thus reduced daytime NEE. Optimal T_a and VPD for maximum daytime NEE were 12.7℃ and 0.42 KPa respectively, and the absolute values of NEE increased with SWC. Variation in LAI explained around 77% of the change in GEE and NEE. Variations in R_e were mainly controlled by soil temperature (T_s), whereas soil water content regulated the responses of Re to T_s.     

气候变暖背景下中原腹地冬小麦气候适宜度变化

通过构建冬小麦光照、温度、降水及综合气候适宜度计算模型,探讨气候变化对冬小麦气候适宜性的影响。结果表明:冬小麦全生育期温度、光照、降水及综合气候适宜度均值分别为0.54、0.64、0.37及0.50;冬小麦对光照适宜性较好,降水是限制冬小麦生长发育的主要因子;温度和降水适宜度以0.001·a^-1线性趋势下降,光照适宜度以0.002·a^-1线性趋势下降,气候因子匹配效果变差对冬小麦的生长不利。冬前生长阶段温度、光照和降水适宜性较弱,各气候因子匹配效果较差。出苗-拔节期降水适宜性较强,各气候因子组合效果较差;拔节-抽穗期和抽穗-乳熟期温度与光照适宜性较强,水分胁迫较大,气候因子组合效果趋好。乳熟-成熟期光照和降水适宜性较强,综合气候适宜性变差。光照、温度和降水适宜度在全生育期的中后期与冬小麦产量的相关性比较显著。     

Impacts of CO2 Enrichment on Water Use Efficiency in Terrestrial Ecosystems: A Meta-analysis of Experimental Manipulations

Elevated CO₂ (eCO₂) has important impacts on plants, especially on water use efficiency (WUE). A meta-analysis was performed to determine the responses of WUE to enriched CO₂. We summarized 242 studies on WUE research under ambient and enriched CO₂ conditions that were published between 1989 and 2019. Our results showed that WUE had positive responses to elevated CO₂ with an increase of about 46% and high heterogeneity. Elevated CO₂ increased leaf, grain, biomass and whole plant WUE by 76%, 9%, 30% and 37%, respectively. The effect size on leaf WUE was higher than the other three WUE types, and the effect size on whole plant WUE was higher than grain WUE (P<0.05). In another respect, the response of WUE in forests was higher than in cropland (P<0.05). Regarding different experimental methods, WUE had a stronger response to elevated CO₂ by the method of climate-controlled chamber than by the methods of OTC (Open Top Chamber) or greenhouses (P<0.05). However, the effect size obtained by the method of greenhouse was higher than that obtained by the methods of either OTC or climate chamber for whole plant WUE (P<0.05). Furthermore, our results found WUE had a positive linear relationship with the magnitude of CO₂ enrichment (P<0.05). Meanwhile, the effect size of elevated CO₂ on grain WUE had a positive linear relationship with the duration of CO₂ enrichment. This study found that the impacts of CO₂ enrichment on WUE are unique and specific for different WUE types and the various experimental conditions.     

喀斯特关键带水—土—气CO2分压垂直转化特征及影响因素

喀斯特关键带是碳循环在岩石圈、大气圈、水圈和生物圈的主要综合作用区域,各层相互作用形成不同的反应体系,其中,CO₂扮演了十分重要的作用。通过对双河洞洞穴上覆土壤及洞穴水及空气CO₂浓度的监测,采用数理统计分析方法,根据碳酸平衡系统理论对CO₂的垂直向转化特征进行系统分析。结果表明：CO₂的垂直向转化过程受洞穴内外部气温变化、滴水pH及脱气沉积过程的影响,其供给来源、离子饱和状况在雨季和旱季存在明显差异;雨季时,大气降水在土壤中下渗速度较快,构成一个相对稳定的封闭环境,土壤、表层喀斯特带对渗透水CO₂补充作用较弱,渗透水中CO₂分压（即PCO₂）变化范围在0.035~0.126 vol%,洞内水—气CO₂分压（△lg PCO₂ > 0）,洞穴水具有溶蚀性,此时表层喀斯特带下部中的CO₂应为洞穴水CO₂的主要来源;旱季时,由于降水量较小,渗透水有充分时间接受土壤与表层喀斯特带CO₂补充,构成开放系统,渗透水变化范围为0.038 vol%~0.095 vol%,更有利于发生先期沉积过程（PCP）,此时洞内空气PCO₂小于洞穴水（△lg PCO₂ < 0）,促使滴水在洞内再次发生沉积、形成沉积物,此时土壤和表层喀斯特带均为洞穴水CO₂的主要来源。     

河北平原冬小麦播种面积收缩及由此节省的水资源量估算

以河北平原1998-2010 年11 地市的农业统计数据和22 个气象站点的逐日气温、降水量、水汽压、风速、日照时数和相对湿度等资料为基础,对该地区冬小麦播种面积的收缩情况及由此引发的耕作制度变化进行了分析;同时,结合作物系数法和逐旬有效降水量法,计算了不同耕作制度下的水分亏缺量,进而估算了该地区因耕作制度变化节省的水资源量。结果表明:① 该时段河北平原11 地市冬小麦的播种面积均呈收缩趋势,总面积下降了16.07%,约49.62×10⁴ hm²。京津唐城市群表现最为明显,下降了47.23%;② 冬小麦的降水满足率仅为20%~30%,而春玉米和夏玉米均为50%以上;冬小麦-夏玉米一年两熟制所需的灌溉水资源量为400~530 mm,而春玉米一年一熟制仅为160~210 mm;③ 该时段河北平原因冬小麦播种面积收缩而节省的灌溉水资源量约为15.96×10⁸ m³/a,相当于南水北调中线一期工程为京津冀三省市供水量的27.85%。