節(jié)水灌溉稻田水碳通量日變化特征

王冠依，丁 潔，吳 雨，禹佳奇，王 琳，楊士紅(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098)

全球水資源緊缺，糧食問題凸顯下，一系列節(jié)水灌溉技術(shù)得到大面積應(yīng)用，灌水條件改變勢(shì)必導(dǎo)致農(nóng)田水碳通量變化。水稻作為我國(guó)主要糧食作物，已有研究表明節(jié)水灌溉能影響稻田水汽通量[1]，已有對(duì)稻田碳通量的研究主要針對(duì)淹水灌溉稻田，針對(duì)節(jié)水灌溉條件下碳通量變化的研究較少。另外，已有針對(duì)節(jié)水灌溉稻田水汽通量的研究主要采用蒸滲儀法[2]，而蒸滲儀面積有限，限制了其結(jié)果的代表性。渦度相關(guān)技術(shù)作為蒸散發(fā)觀測(cè)的另一可靠方法[3,4]，相對(duì)蒸滲儀，具有更大的面積代表性，若其具有較好的能量閉合狀況，則其數(shù)據(jù)質(zhì)量和可靠性就能得到保障[5]。同時(shí)，渦度相關(guān)技術(shù)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)田間水碳通量的同時(shí)觀測(cè)。本文以節(jié)水灌溉稻田為主要研究對(duì)象，運(yùn)用渦度相關(guān)系統(tǒng)連續(xù)觀測(cè)不同天氣條件下節(jié)水灌溉稻田水碳通量日變化數(shù)據(jù)，揭示不同天氣對(duì)節(jié)水灌溉稻田水碳通量日變化的影響，旨在為揭示節(jié)水灌溉的環(huán)境效應(yīng)，豐富水稻節(jié)水灌溉理論提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

試驗(yàn)于2014年在河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室昆山試驗(yàn)研究基地開展。試驗(yàn)區(qū)(31°15′ 15″N ，120°57′43″E)屬亞熱帶南部季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫15.5 ℃，年降雨量1 097.1 mm，年蒸發(fā)量1 365.9 mm，日照時(shí)數(shù)2 085.9 h，平均無(wú)霜期234 d。當(dāng)?shù)亓?xí)慣稻麥輪作，土壤為潴育型黃泥土，耕層土壤為重壤土，土壤有機(jī)質(zhì)21.88 g/kg，全氮1.79 g/kg，全磷1.40 g/kg，全鉀20.86 g/kg，土壤密度1.30 g/cm3。試區(qū)常年盛行東南風(fēng)，觀測(cè)場(chǎng)所監(jiān)測(cè)下墊面為控制灌溉的稻田，控制灌溉處理在返青期田面保留5～25 mm薄水層，以后的各個(gè)生育期灌溉后稻田不建立水層，以根層土壤含水率占飽和含水率60%～80%的組合為灌水控制指標(biāo)[6]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)區(qū)西北位置安裝有渦度相關(guān)系統(tǒng)(Campbell Sci.，USA)用來(lái)采集稻田水碳通量等，該系統(tǒng)主要有CR3000數(shù)據(jù)采集器、CAST3A型三維超聲風(fēng)速儀、EC150型CO2/H2O分析儀、HMP155A型溫濕探頭、CNR4凈輻射計(jì)、TE525MM雨量桶、HFP01sc熱通量傳感器組成，數(shù)據(jù)采集頻率為10 Hz，每30 min數(shù)據(jù)取平均以便分析。三維超聲風(fēng)速儀以及CO2/H2O分析儀安裝高度2.5 m，溫濕探頭觀測(cè)高度為2 m。本研究采用了從2013年6月26日到10月25日的觀測(cè)數(shù)據(jù)。該年稻季降雨量為460.6 mm，小于該地區(qū)多年稻季平均降雨量為520.5 mm，為降雨中等偏下年型。

1.3 數(shù)據(jù)處理

渦度相關(guān)數(shù)據(jù)用Edire[7]軟件處理后，實(shí)現(xiàn)了二次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)修正、超聲虛溫訂正和空氣密度脈動(dòng)訂正等，且由于地勢(shì)平坦，忽略地形的影響。本研究選用稻季2013年稻季連續(xù)觀測(cè)的30 min通量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，剔除降雨時(shí)段及降雨前后1 h的通量數(shù)據(jù)[8]和夜間湍流不充分混合引起的潛熱通量低估數(shù)據(jù)。研究表明，摩擦風(fēng)速μ能夠作為度量湍流混合強(qiáng)度的指標(biāo)，因此選擇大于一定閾值μ的通量數(shù)據(jù)用以處理和分析，可以減少通量數(shù)據(jù)的不確定性[9,10]。本研究選擇μ=0.1 m/s作為摩擦風(fēng)速臨界值[11](通常取0.1～0.3 m/s)，剔除μ<0.1 m/s的通量數(shù)據(jù)。稻季平均能量閉合度為88%，高于國(guó)際通量網(wǎng)(FLUXNET) 約80%的平均能量閉合度[12]，表明本觀測(cè)獲得的通量數(shù)據(jù)質(zhì)量與可信度高，能代表觀測(cè)區(qū)域通量大小與變化特征。

渦度相關(guān)數(shù)據(jù)插補(bǔ)延長(zhǎng)方法主要有[13]：平均日變化法、根據(jù)特定氣象條件查表法和非線性回歸法。本文對(duì)于短時(shí)間內(nèi)(小于3 h)的缺失數(shù)據(jù)直接采用線性內(nèi)插法；對(duì)于較長(zhǎng)時(shí)間(大于3 h)的缺失數(shù)據(jù)用平均日變化法(MDV)、以10 d(依不同作物不同生育期取7～14 d)為窗口的相鄰數(shù)據(jù)變化規(guī)律進(jìn)行插補(bǔ)[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同天氣條件下稻田水汽通量典型日變化

分別選取陰天和晴天下水稻全生育期稻田各月典型日的水汽通量進(jìn)行分析，每30 min統(tǒng)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)。由圖1可以看出，陰天下稻田各月典型日水汽通量變化較一致，呈現(xiàn)兩邊較小中間凸起的不規(guī)則鋸齒狀，且白天變化的波動(dòng)較大。具體的變化規(guī)律如下：在早晚及夜間，稻田水汽通量較小，有的接近于0；而稻田白天水汽通量從7∶00左右開始升高，在10∶00-16∶00 之間一直保持在相對(duì)較高的水平，然后開始下降，到20∶00以后變化緩慢。稻田白天各月水汽通量總體上均遠(yuǎn)大于0，分析其原因?yàn)榘滋焯?yáng)福射較大，氣溫也較高，近地面的水稻通過(guò)蒸騰作用將水分排出植株體到達(dá)空氣中，造成水汽濃度增加，會(huì)向水汽濃度較低的上層流轉(zhuǎn)，因而形成方向向上的較大水汽通量。稻田陰天日內(nèi)水汽通量7月和8月的峰值較接近，與9月和10月的峰值差異比較大。這是因?yàn)?月陰天典型日選擇的是生育初期值，此時(shí)田面還有水層，水面蒸發(fā)的影響較大；8月則是由于水稻的生理生長(zhǎng)在最旺盛時(shí)期，同時(shí)溫度較高；而9月與10月，水稻生長(zhǎng)處于生長(zhǎng)后期，再加上氣象條件中溫度降低，共同造成了稻田水汽通量峰值降低。

晴天稻田各月典型日水汽通量變化均呈現(xiàn)倒“U”形。凌晨和夜間水汽通量的變化比較平穩(wěn)，且處在較低的水平。白天從6∶00左右開始逐漸升高，在12∶00-14∶00達(dá)到一天中最大值，然后開始下降，到18∶00以后平穩(wěn)變化。七八月水汽通量在12∶00左右達(dá)到峰值然后開始下降，到13∶00左右逐漸回升，到14∶00又達(dá)到一個(gè)峰值，這可能與高溫下水稻的“午休”現(xiàn)象有關(guān)，這與王建林等[14]針對(duì)華北平原冬小麥水汽通量日變化的研究結(jié)論基本一致。8月晴天稻田水汽通量的峰值最大，七八月稻田水汽通量日變化中各時(shí)段偏差較小，且較九十月的值大。

水稻全生育期各月陰天與晴天稻田水汽通量典型日變化之間的對(duì)比表明，陰天下稻田水汽通量的峰值是晴天下水汽通量峰值的0.5倍左右，且相較于晴天下水汽通量較為平穩(wěn)的日變化過(guò)程，陰天下水汽通量日變化的波動(dòng)幅度較大，這是由于陰天條件下，烏云的時(shí)隱時(shí)現(xiàn)對(duì)輻射的影響較大，輻射的變化造成了水汽通量日內(nèi)變化的劇烈波動(dòng)，而晴天里云量較少對(duì)輻射的影響相對(duì)較小。陰天下早晨稻田水汽通量開始快速升高的時(shí)間相比晴天下有所延后，這是由于清晨?jī)糨椛涞耐蝗怀霈F(xiàn)會(huì)造成水汽通量迅速增加，而陰天下太陽(yáng)輻射強(qiáng)度有所降低且較晴天下日出時(shí)間較晚所致。

綜上所述，各月陰天與晴天稻田日內(nèi)水汽通量均呈倒“U”形變化，陰天為多峰變化，晴天為較穩(wěn)定的單峰變化。不同天氣條件稻田各月典型日水汽通量夜間和凌晨各時(shí)刻的偏差較小，白天下晴天各時(shí)刻稻田水汽通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陰天值。

圖1 不同天氣條件稻田水汽通量各月典型日變化

已有采用渦度相關(guān)法研究旱田水汽通量日變化的研究較多，本研究結(jié)果與王建林等[14]和秦鐘等[15]分別針對(duì)華北平原冬小麥與夏玉米得到的水汽通量規(guī)律基本一致，但節(jié)水灌溉稻田的水汽通量值明顯較旱作農(nóng)田水汽通量值大，這主要與節(jié)水灌溉稻田土壤含水量高(部分時(shí)間有水層)有關(guān)。

2.2 不同天氣條件下稻田CO2通量典型日變化

相關(guān)研究表明，稻田CO2通量的變化主要與作物的光合作用、土壤及植株的呼吸作用密切相關(guān)，而光合和呼吸受輻射影響較大，因此分別選取陰天和晴天兩種輻射條件對(duì)水稻全生育期各月典型日的CO2通量進(jìn)行分析，每30 min統(tǒng)計(jì)1個(gè)通量數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，陰天下稻田各月典型日CO2通量變化較一致，均呈現(xiàn)兩邊大中間小的多峰型變化，在白天變化的波動(dòng)較大且以光合為主，夜間則以呼吸為主。具體的變化規(guī)律如下：在早晚CO2通量均是較大正值，17∶00以后隨太陽(yáng)輻射逐漸減小至消失，植株與土壤呼吸逐漸占據(jù)主要作用，CO2通量呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)；而白天從早晨7∶00左右開始升高，在7∶00-17∶00之間一直保持在較低水平，CO2通量為負(fù)值，表現(xiàn)為光合固碳，然后到17∶00以后變化緩慢。稻田中CO2通量的變化總體上白天以光合為主表現(xiàn)為負(fù)值，夜間以呼吸為主表現(xiàn)為正值。不同月份之間對(duì)比表明：在凌晨7月稻田CO2通量變化出現(xiàn)了與其他3個(gè)月相反的現(xiàn)象，這是由于7月水稻處于生長(zhǎng)初期，水稻植株較小，陰天下傍晚到凌晨逐漸變低的溫度造成水稻夜間的呼吸作用減小，CO2通量的變化表現(xiàn)為逐漸降低；陰天下7、10月稻田CO2通量的峰值較接近為-6 μmol/(m2·s)左右，與八九月的峰值偏差較大。八九月水稻生理生長(zhǎng)最旺盛，同時(shí)溫度相對(duì)較高，白天光合固碳較強(qiáng)，稻田CO2通量峰值較?。欢?月水稻植株較小，生理生長(zhǎng)較弱，10月則是由于水稻處于生長(zhǎng)后期，生理生長(zhǎng)減弱，溫度也較低，上述原因造成了不同月份之間的差異。

晴天下稻田各月典型日的CO2通量變化均呈現(xiàn)“U”形。凌晨和夜間CO2通量變化比較平穩(wěn)，為正值且處在較高的水平。白天從7∶00開始逐漸降低，在10∶00-14∶00達(dá)到一天中最小值，然后開始升高，到18∶00左右升高到較大值，此后緩慢平穩(wěn)變化。不同月份之間對(duì)比表明，7月與另外3個(gè)月峰值偏差較大，10月的峰值也較大，但10月稻田CO2通量呈現(xiàn)“V”形日內(nèi)變化，各時(shí)段均較八九月值小。

水稻全生育期各月陰天與晴天稻田CO2通量典型日變化之間對(duì)比表明，7、10月陰天下稻田CO2通量峰值是晴天下值的0.5倍左右，且相較于晴天下CO2通量較為平穩(wěn)的日變化過(guò)程，陰天下CO2通量日變化的波動(dòng)幅度較大，這是由于陰天條件下，烏云的時(shí)隱時(shí)現(xiàn)對(duì)輻射的影響較大，輻射的變化造成了水稻光合作用變化的劇烈波動(dòng)，而晴天里云量較少對(duì)輻射的影響相對(duì)較小。而在水稻生長(zhǎng)旺盛的八九月，兩種天氣條件下稻田CO2通量日變化多數(shù)時(shí)段值的偏差均較小，只是在中午前后的值偏差較大。

綜上所述，不同天氣條件稻田各月CO2通量典型日夜間和凌晨為正值且各時(shí)刻差異較小，而白天下偏差較大。陰天與晴天稻田各月CO2通量日內(nèi)變化趨勢(shì)相似，陰天變化呈現(xiàn)多峰變化，晴天下呈較穩(wěn)定的“U”形變化。

圖2 不同天氣條件稻田各月CO2通量典型日變化

朱詠莉[11]，陸龍驊[16]與Miyata等[17]分別針對(duì)我國(guó)湖南桃源、江蘇常熟和日本岡山地區(qū)稻田進(jìn)行的CO2通量日變化特征分析結(jié)果與本研究基本一致；但在CO2通量的數(shù)值上存在一定的差別，如晚稻抽穗期，本地區(qū)觀測(cè)的通量平均值為-6.82 μmol/(m2·s)，而桃源地區(qū)與常熟地區(qū)觀測(cè)結(jié)果分別為-4.74與-8.44 μmol/(m2·s)。本試驗(yàn)站與常熟地區(qū)較近，兩者差異主要與灌溉方式的不同有關(guān)，與常熟地區(qū)實(shí)行的淹水灌溉相比，節(jié)水灌溉降低了稻田CO2的凈吸收量。除了灌溉方式，桃源地區(qū)水稻生長(zhǎng)期的、氣候條件以及天氣變化等的不同是影響其CO2通量與本試驗(yàn)站結(jié)果不同的重要原因。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)節(jié)水灌溉水稻全生育期中，不同天氣條件下稻田日內(nèi)水汽通量白天各時(shí)刻值偏差較大，晴天條件下較大且其峰值為陰天下的0.5倍。節(jié)水灌溉稻田各月陰天與晴天典型日內(nèi)水汽通量變化趨勢(shì)均相似，陰天變化呈現(xiàn)多峰變化，晴天下變化較穩(wěn)定，呈倒“U”形變化。夜間和凌晨變化較小，差異也較小，各時(shí)刻的差異不大，白天情況下差異較大。水稻全生育期各月陰天下典型日稻田水汽通量的峰值是晴天下水汽通量峰值的0.5倍左右。各月之間陰天和晴天的水汽通量在生育中期的八九月峰值均較大。

(2)節(jié)水灌溉水稻生長(zhǎng)前、后期晴天條件稻田CO2通量值較陰天大，水稻生長(zhǎng)旺盛時(shí)期不同天氣條件對(duì)稻田CO2通量日內(nèi)變化影響較小。節(jié)水灌溉稻田各月陰天與晴天典型日CO2通量變化趨勢(shì)相似，陰天呈現(xiàn)多峰變化，晴天變化較穩(wěn)定，夜間和凌晨變化穩(wěn)定且差異較小，白天差異較大，夜間以呼吸排放CO2為主，白天以光合固定CO2為主。7、10月陰天典型日稻田CO2通量峰值是晴天峰值的0.5倍左右，而在水稻生長(zhǎng)旺盛的八九月，兩種天氣條件稻田CO2通量日變化多數(shù)時(shí)段偏差較小，在中午前后的值偏差較大。

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