淮河流域農田生態(tài)系統(tǒng)湍流輸送特征

武強　楊書運　嚴平等

摘 要：利用渦度相關法與垂直梯度法對安徽壽縣農田湍流通量進行了連續(xù)觀測，分析了不同天氣狀況與不同下墊面對農田湍流通量的影響。結果顯示：農田湍流通量受不同天氣條件的影響顯著。LE、H、G變化特征在晴、陰、雨條件下均呈單峰型曲線，日峰值、變化幅度：LE>H>G；通量值受短時氣象條件影響有所波動，其穩(wěn)定程度：晴天>陰天>雨天；雪天湍流通量單峰曲線規(guī)律不明顯，LE波動劇烈，G為負值。地表反照率：雪地>裸地>作物下墊面；雪面反照率最大，導致H、LE最小，G相對較大，為負值；作物下墊面地表反照率隨作物生長周期有先增后減的趨勢。反照率與湍流通量各值的變化呈負相關。

關鍵詞：農田；湍流通量；顯熱通量；土壤熱通量；地表反照率

中圖分類號 S162.4 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2015）03-04-143-03

Abstract：In this study，the eddy covariance and vertical gradient method was used for a continuous observation on the farmland turbulent flux in Shouxian，Anhui province.The effects of different weather conditions and underlying surfaces on farmland turbulent fluxes was analyzed.The results show that the effects of the different weather conditions to farmland turbulent flux was significantly different.LE，H，G variation in sunny，cloudy，raining conditions showed a unimodal curve，meanwhile there may be fluctation affected by short-term weather conditions.Daily peak and Amplitude of variation shows：LE>H>G；The stability degree of flux value changing over time：sunny>cloudy>raining；In the snow，there is no obvious turbulent fluxes unimodal regularity.LE is volatile extremely while G is the output state.The surface albedo：snowfield> bare field>crop land；Snow surface albedo was the largest，which result in H and LE was in minimum level，G is negative and higher by contrast.Crop land surface albedo has a tendency to increase after the decrease along with the crop growth cycle.Albedo change was negatively correlated with the turbulent flux value.

Key words：Farmland；Turbulent flux；Sensible heat flux；Soil heat flux；Surface albedo

農田生態(tài)系統(tǒng)的熱循環(huán)與農業(yè)生產中作物生長、發(fā)育等關系密切，是決定作物產量與農產品品質的重要因素。熱循環(huán)過程中，以熱傳導、對流、水分相變等方式進行能量傳遞與輸送，天氣條件的變化以及作物生長導致下墊面的改變均對農田湍流熱輸送影響顯著[1]。研究農田下墊面的湍流輸送特征對提高農田生態(tài)系統(tǒng)生產率以及生態(tài)系統(tǒng)管理與調控措施的優(yōu)化有著指導性意義。為此，本文選取壽縣氣象局2008-2010年通量觀測數(shù)據進行整理分析，對淮河流域農田生態(tài)系統(tǒng)湍流通量特征進行研究，以期為淮河流域的農田湍流通量研究提供基礎性資料，為農田作業(yè)中具體管理措施的調整與改進提供參考依據。

1 試驗區(qū)域概況和研究方法

1.1 試驗區(qū)概況 壽縣地處皖北沿淮區(qū)域，位于江淮丘陵與淮北平原之間，北亞熱帶季風半濕潤氣候，常年平均氣溫15℃，年降水量900mm左右。該地區(qū)農田下墊面平坦、開闊，以水稻、小麥為主要作物，是我國淮河流域農業(yè)區(qū)的典型代表。本試驗所測湍流通量地點位于壽縣國家氣候觀象臺（116°46′E，32°30′N），稻麥輪作，一年兩熟。

1.2 研究方法 本實驗運用渦度相關法（eddy covariance）和垂直梯度法（vertical gradient method），采用湍流觀測分系統(tǒng)與梯度觀測分系統(tǒng)[2-3]對壽縣國家氣候觀象臺于2008年1月至2010年12月觀測獲得的農田下墊面潛熱通量（LE）、顯熱通量（H）、土壤熱通量（G）等數(shù)值進行整理分析，所選數(shù)據通過WPL（Webb，Pearman and Leuning）修正，并剔除受外界干擾產生的虛假觀測值，對缺失的梯度數(shù)據用相鄰的數(shù)據進行線性內插填補[4-5]。

2 結果與分析

2.1 不同天氣條件下農田湍流通量日變化特征 農田湍流通量在不同天氣條件下的日變化特征如圖1所示。

2.1.1 晴 由圖1可知：晴天LE、H、G均呈規(guī)律性較為顯著的單峰型曲線，峰值分別為488.86W·m-2、127.35W·m-2、110W·m-2（圖1-A）。在整體變化趨勢內各通量值穩(wěn)定性G>H>LE。原因是H與LE易受到平流、下墊面狀況、作物生理特性等復雜因素影響，如中午的高溫強光條件下，作物出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，葉片萎蔫，土地裸露面積增大，土壤水分蒸發(fā)，造成了LE、H變化的增大。

2.1.2 陰 陰天條件下，云量增多及云層厚度增加，削弱向下墊面的輻射傳播，地面增溫及水汽相變等過程的發(fā)生情況減弱，因此在實測數(shù)據中，湍流通量各項指標的數(shù)值較晴天條件下偏小，LE、H、G峰值分別為299.85W·m-2、32.02W·m-2、52W·m-2（圖1-B）。且由于陰天條件下，氣溫、濕度、風速等隨云量、氣壓等的變化波動較大，H、LE的變化波動較大，下墊面植被對土地的遮擋屏障作用，使得G受干擾較小。

2.1.3 雨 湍流通量受降水情況的影響波動明顯，尤其在降水集中的時段14：00～16：30，各項通量指標均呈顯著降低趨勢，LE降低最為明顯，最小值1.96W·m-2，雨水匯集形成徑流，土壤熱傳導劇烈，如圖在降水集中時段G變化率顯著增大，最小值-41W·m-2，熱量呈輸出狀態(tài)（圖1-C）。

2.1.4 雪 受降雪以及地面積雪融化和雪水結冰等情況的影響，LE變化波動尤為劇烈，H也有較為明顯的波動，變幅相對較小，G由于積雪覆蓋地表熱量一直呈輸出狀態(tài)，因而為負值（圖1-D）。

2.2 農田下墊面變化引起的湍流通量變化特征 不同下墊面因其反照率不同，對太陽總輻射和大氣逆輻射的反射率有明顯差異，下墊面表層構成不同，影響地表輻射的釋放。熱量收支的不同作用于湍流通量的變化。如圖2所示，農田休耕期間，土壤裸露，地面溫度日波動較大，H相對其他下墊面最大。裸露土壤易于水分蒸發(fā)，因而LE亦偏大。雪面因其反照率大，且積雪覆蓋對地表與大氣之間造成的阻隔作用，導致地氣間熱交換較為微弱，故呈現(xiàn)出H、LE均為4類下墊面中最小，分別為-0.97W·m-2、8.2W·m-2。但積雪融化吸熱決定G較大，為負值，方向由地下向地表傳輸。由于麥田與稻田顯著的作物蒸騰效應，LE明顯大于裸地與雪地，而水稻生長早期處于水田中，灌溉水大量蒸發(fā)使得稻田下墊面LE偏大，地表層灌溉水的阻隔效應，以及水的比熱較大，導致稻田G、H小于麥田。

因作物下墊面湍流效應更為顯著，為系統(tǒng)研究作物生長過程中湍流通量的變化，以作物不同生長期反照率的變化為參考值做探討。作物生長發(fā)育過程中下墊面的組成結構發(fā)生改變，地表反照率隨作物生長周期有先增后減的趨勢，如圖3所示，稻田在抽穗前由于水田水面反照率小，對熱量的吸收量大，水分蒸發(fā)，LE較大，但受水面隔絕，G變化很小。隨著作物生長，葉面舒展，田地水旱的影響日趨減小，稻田麥田反照率的差距逐漸減小，湍流通量各指標值的差異也變小。到孕穗期，由于二者株型特點、果穗形態(tài)、籽粒顏色等因素，稻田平均反照率大于麥田。當植株進入成熟期，植株形態(tài)色澤等改變，導致反照率下降。湍流通量各指標值均開始上升。

3 結論

本文通過對壽縣站2008年1月至2010年12月農田熱通量實測數(shù)據整理分析，得出以下結論：

（1）農田湍流通量受不同天氣條件的影響相當顯著。LE、H、G變化特征在晴、陰、雨條件下均呈規(guī)律性較為顯著的單峰型曲線，日峰值、變化幅度LE>H>G；通量值受短時氣象條件影響有所波動，其穩(wěn)定程度晴天>陰天>雨天，雨天降水集中時段湍流通量各值迅速減?。谎┨煊捎谘┟娣凑章蚀?、融化吸熱等特點，湍流通量單峰曲線規(guī)律不明顯，LE波動劇烈，G呈輸出狀態(tài)。

（2）地表反照率影響下墊面對太陽總輻射和大氣逆輻射的吸收，從而影響湍流通量的變化。地表反照率：雪地>裸地>作物下墊面；雪面H、LE最小，G相對較大，方向由地下土壤向地表傳輸；地表反照率隨作物生長周期有先增后減的趨勢。稻田在抽穗以前反照率低于麥田。到孕穗期，稻田反照率大于麥田。植株進入成熟期，反照率下降。反照率的改變作用于湍流通量各數(shù)值的變化，反照率越大，通量值相對偏小，反照率越小，通量值則較大。

參考文獻

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（責編：張宏民）