散射輻射比例與冬小麥光能利用率和總初級生產(chǎn)力的關系*

楊曉亞，李 俊，江曉東，同小娟，于 強4,

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散射輻射比例與冬小麥光能利用率和總初級生產(chǎn)力的關系*

楊曉亞1，李 俊2，江曉東1，同小娟3，于 強4, 2

（1. 南京信息工程大學應用氣象學院/江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室，南京 210044；2. 中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，北京 100101；3. 北京林業(yè)大學林學院，北京 100101；4. 西北農(nóng)林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，楊凌 712100）

利用冬小麥拔節(jié)?乳熟期（2004?04?01—05?20和2005?04?10—05?31）在田間觀測的每30min渦度相關和小氣候數(shù)據(jù)，計算散射輻射比例（DF）與光能利用率（LUE）和總初級生產(chǎn)力（GPP）之間的數(shù)量關系，以期為提高LUE模型和作物模型的模擬準確度提供依據(jù)。結(jié)果表明：冬小麥拔節(jié)?乳熟期DF與LUE間呈極顯著的線性正相關關系（P＜0.001），DF與GPP間為極顯著的拋物線關系（P＜0.001），即隨著DF的增加，LUE呈線性增長，而GPP呈先增加后降低的變化趨勢。2004年和2005年觀測實驗表明，中等太陽輻射條件下，即DF和光合有效輻射（PAR）的均值分別為0.57和27.7mol×m?2×d?1時，冬小麥GPP達到最高。2004年與2005年相比較，DF與LUE、DF與GPP關系均存在較大差異，這主要歸因于兩年間冬小麥拔節(jié)?乳熟期PAR水平和DF分布頻率的差異。

散射輻射比例；光能利用率；總初級生產(chǎn)力；光合有效輻射；冬小麥

近幾十年的輻射觀測數(shù)據(jù)表明，全球范圍內(nèi)太陽輻射呈顯著減弱趨勢[1]。1960年以來，中國受云量增多、大氣氣溶膠濃度升高等因素的影響，到達地表的太陽輻射以2.5%·10a?1的速度減弱[2]；而散射輻射從1981?2010年以7.03MJ·m?2·10a?1的速度增長[3-4]。太陽輻射和散射輻射的變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)的影響成為近年來的研究熱點[5-7]，準確評估和預測這種影響對糧食安全和全球碳循環(huán)十分重要。

光能利用率（Light use efficiency，LUE）是指植物某一生長時段內(nèi)累積干物質(zhì)量與該時段植物冠層吸收的光合有效輻射（Photosynthetic active radiation，PAR）的比值[8]。LUE是作物生長模型和大尺度的生態(tài)系統(tǒng)碳交換模型的重要參數(shù)。不少研究者基于渦度相關技術研究了多種生態(tài)系統(tǒng)類型中LUE與太陽輻射變化的關系，發(fā)現(xiàn)散射輻射比例（Diffuse radiation fraction，DF）的增加對生態(tài)系統(tǒng)LUE有明顯促進作用[9-11]。Greenwald等在作物模型中添加DF與LUE的關系式[12-13]，來研究DF變化對作物產(chǎn)量的影響。而DF與LUE關系式是否準確，決定了作物模型能否準確評估DF變化對作物產(chǎn)量的影響[12，14]。因此，需要在觀測數(shù)據(jù)的基礎上，明確DF與LUE的數(shù)量關系。

生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力（Gross primary productivity，GPP）代表了植物通過光合作用對CO2的吸收狀況。太陽輻射作為光合作用的能量來源，其下降會導致GPP的下降，而伴隨著太陽輻射的降低，散射輻射比例DF則會增加，從而導致光能利用率LUE提高，對GPP產(chǎn)生正面影響。一些研究表明，DF增加對LUE產(chǎn)生的促進作用可以提高一些植物類型的GPP[15-16]。然而也有不少研究表明，這種促進作用不足以抵消太陽輻射下降導致的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的下降[17-18]。這兩種相反作用對GPP的綜合影響還有待明確[19]，需要在不同植物類型和環(huán)境因素條件下進一步研究。本研究基于冬小麥田間渦度相關通量觀測，研究DF與冬小麥LUE和GPP的數(shù)量關系，以期為正確評價太陽輻射和散射輻射變化對作物生產(chǎn)的影響提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 實驗站概況

觀測實驗在中國科學院禹城農(nóng)業(yè)綜合實驗站（36°57′N，116°38′E）進行，位于山東省禹城市，屬暖溫帶季風氣候，年平均氣溫13.1℃；年降水量528mm，主要分布在6?8月。作物種植制度為冬小麥–夏玉米一年兩熟。冬小麥品種為“科禹13”。冬小麥生長期間給予充足的灌水和施肥，葉面積由葉面積儀測定。土壤母質(zhì)為黃河沖積物，以潮土和鹽化潮土為主。

1.2 通量觀測數(shù)據(jù)及其處理

2004?2005年在冬小麥田開展渦度相關和小氣候梯度觀測。渦度相關系統(tǒng)主要包括LI-7500型CO2/H2O分析儀（Li-Cor Inc.，USA）和CSAT3型三維超聲風速儀（Campbell Sci. Inc.，USA），可觀測冠層上方的CO2濃度。儀器采樣頻率為10Hz，由CR5000型數(shù)據(jù)采集器采集和存儲數(shù)據(jù)。以CO2濃度數(shù)據(jù)為基礎計算30min尺度的CO2通量，即凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換量（Net ecosystem exchange of CO2，NEE）。小氣候梯度觀測包括太陽輻射（S0）、光合有效輻射（Photosynthetic active radiation，PAR）、氣溫（Ta）、土壤5cm處溫度（Ts）和空氣相對濕度（φ），每30min輸出一組數(shù)據(jù)，由CR23x型數(shù)據(jù)采集器采集和存儲。有關觀測和儀器情況詳見文獻[20]。逐日PAR由白天時段30min尺度的PAR數(shù)據(jù)相加得到。

在CO2通量觀測過程中，儀器故障或降雨等天氣因素，會造成觀測數(shù)據(jù)缺失或異常，需要對數(shù)據(jù)進行篩選，并剔除異常值。根據(jù)文獻[20]，剔除摩擦風速小于0.15m×s?1的夜間通量數(shù)據(jù)和與月平均值相差超過3倍方差的數(shù)據(jù)。對2h以內(nèi)的缺失數(shù)據(jù)，采用線性內(nèi)插法插補；對于2h以上的缺失數(shù)據(jù)采用平均日變化法進行插補。

1.3 研究時段的選擇

冬小麥葉面積指數(shù)（Leaf area index，LAI）隨著生育進程的推進呈先升高后降低的變化趨勢（圖1），為盡量排除葉片生長即光合作用面積的變化對凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換量NEE的影響，選取2004年和2005年LAI較為穩(wěn)定的冬小麥拔節(jié)?乳熟期NEE和小氣候梯度觀測數(shù)據(jù)進行分析，2004年觀測時間為4月1日?5月20日，2005年為4月10日?5月31日。

圖1 2004年和2005年冬小麥葉面積指數(shù)的動態(tài)變化

1.4 散射輻射比例的計算

散射輻射不是常規(guī)觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)Reindl等[21]提供的計算方法估算散射輻射比例（DF），具體方法為

當0≤kt≤0.3時

DF=1?0.232kt+ 0.0239sinα?0.000682Ta+0.0195φ （1）

當0.3＜kt＜0.78時

DF=1.329?1.716 kt+0.267sinα?0.00357Ta+0.106φ （2）

當kt≥0.78時

DF=0.426kt?0.256sinα+0.00349Ta+0.0734φ （3）

式中，DF為散射輻射比例，即散射輻射與地表接受的太陽總輻射的比值，α為太陽高度角，Ta和φ分別為小氣候梯度觀測的空氣溫度（℃）和相對濕度。kt為晴空指數(shù)，指一定太陽高度角下地表接受的總太陽輻射（S0，W×m?2）與地球大氣上方平行于地表面上接受的總太陽輻射（Se，W×m?2）的比值[22]，即

Se= Ssc[1+0.033cos(360td/365)] sin（5）

式中，S0為觀測數(shù)據(jù)，Ssc為太陽常數(shù)（1370W×m?2），td為日序數(shù)（以1月1日為1），為太陽高度角。計算白天時段的半小時尺度散射輻射比例平均值得到逐日的散射輻射比例。

由逐日的散射輻射比例的變化可以判斷天氣晴朗程度[16-17]。DF越小，表示天氣越晴朗，DF=0.5時，為多云天氣中等太陽輻射條件；DF越大，表示到達地面的散射輻射越多，而總太陽輻射較小，為陰天天氣狀況。2004年和2005年禹城站冬小麥拔節(jié)?乳熟期DF主要分布在0.5（圖2），表明研究時段內(nèi)中等天氣狀況出現(xiàn)的時間最多。比較兩年的DF分布可知，2004年DF在0.3的分布頻率明顯低于2005年，而在0.7、0.9、1.0的分布頻率明顯高于2005年，表明2004年的陰天天氣狀況多于2005年。

圖2 冬小麥拔節(jié)?乳熟期散射輻射占總太陽輻射比例（DF）的分布頻率

1.5 總初級生產(chǎn)力的計算

渦度相關法只能得到凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換量（NEE，mgCO2×m?2×s?1），需要對NEE進行組分拆分，計算得到總初級生產(chǎn)力（GPP，mgCO2×m?2×s?1），即

GPP = Re?NEE （6）

式中，Re為生態(tài)系統(tǒng)呼吸量（mgCO2×m?2×s?1）。NEE為負值時，表示生態(tài)系統(tǒng)吸收CO2，為正值表示生態(tài)系統(tǒng)釋放CO2。夜間植物不進行光合作用，因此，夜間觀測到的NEE值即為Re。利用夜間的Re與夜間土壤5cm處溫度數(shù)據(jù)對Lloyd-Taylor方程[23]進行擬合，將擬合好的方程，以白天土壤5cm處溫度數(shù)據(jù)為輸入，計算白天的Re，從而計算白天的GPP。白天時段30min尺度的GPP累加之和即為逐日GPP。

式中，Ts為土壤5cm處的溫度（℃），為觀測數(shù)據(jù)；T0為常數(shù)（?46.02℃），Rref為生態(tài)系統(tǒng)在參考溫度Tref（10℃）下的呼吸值（mgCO2×m?2×s?1），E0為活化能（J×mol?1）。式（7）中需要擬合的參數(shù)為Rref和E0。

1.6 光能利用率的計算

生態(tài)系統(tǒng)光能利用率為總初級生產(chǎn)力（GPP）與光合有效輻射（PAR）的比值，即

式中，PAR為相應時間段作物冠層接受到的光合有效輻射量（μmol×m?2×s?1），為小氣候觀測數(shù)據(jù)。因此，LUE的單位為（mgCO2×μmol?1），本研究將其轉(zhuǎn)換為（gCO2×mol?1）。

2 結(jié)果與分析

2.1 散射輻射比例與光能利用率的關系

2004年和2005年冬小麥拔節(jié)?乳熟期的光能利用率（LUE）均值分別為1.42和1.37gCO2×mol?1，2004年的LUE高于2005年，表明陰天天氣的增加（圖2）會提高該年份冬小麥拔節(jié)?乳熟期的LUE。由圖3可見，兩年內(nèi)冬小麥拔節(jié)?乳熟期LUE與散射輻射比例（DF）均呈顯著線性正相關關系（P＜0.001），隨著DF從0.3增至1.0，LUE從0.8gCO2×mol?1增至2.9gCO2×mol?1。2004年和2005年線性方程的斜率分別為2.16gCO2×mol?1和1.74gCO2×mol?1，2004年明顯高于2005年，主要是由于2004年的陰天天氣較多，其LUE值較高。表明不同年份冬小麥生長期間天氣狀況的差別，會引起LUE與DF之間數(shù)量關系的差異。

圖3 冬小麥拔節(jié)?乳熟期散射輻射比例與光能利用率的關系

2.2 散射輻射比例與總初級生產(chǎn)力的關系

2004年和2005年冬小麥拔節(jié)?乳熟期總初級生產(chǎn)力（GPP）的均值分別為35.2和42.0gCO2×m?2×d?1，2004年明顯低于2005年，表明陰天天氣的增加對LUE的提高，還不足以補償光合有效輻射（PAR）的降低對GPP的負面影響。由圖4可見，2004年和2005年冬小麥拔節(jié)?乳熟期的GPP隨著散射輻射比例DF的增加呈先上升后下降的拋物線型變化趨勢（P＜0.001）。分別對2004年和2005年DF和GPP關系的擬合方程進行求解，可得到當GPP達到最大值時，2004年和2005年的DF值分別為0.62和0.52，表明中等太陽輻射條件下，最有利于冬小麥拔節(jié)?乳熟期的GPP增長。2004年的GPP達到最高值時對應的DF值大于2005年，主要是由于2004年陰天天氣的增加，致使達到最大GPP需要的DF值增加。

圖4 冬小麥拔節(jié)?乳熟期散射輻射比例與總初級生產(chǎn)力的關系

明確DF與PAR之間的數(shù)量關系，可以得出GPP達到最高值時的PAR值。2004年拔節(jié)?乳熟期的PAR均值為26.1mol×m?2×d?1，2005年為31.5mol×m?2×d?1，比2004年增加了20.7%。由圖5可見，DF與PAR之間為極顯著線性負相關關系，結(jié)合DF與PAR的線性方程可以得出，2004年和2005年GPP達到最高值時的PAR值分別為24.6mol×m?2×d?1和30.8mol×m?2×d?1，2004年低于2005年，表明拔節(jié)?乳熟期PAR均值較低時，冬小麥GPP達到最高值時的PAR值也會相應降低。

綜合以上結(jié)果可知，DF的增加雖然有利于LUE的增長（圖3），但是DF增加超過一定值時，由于PAR的相應降低，會導致GPP下降。本研究通過確定DF與GPP，以及DF與PAR的數(shù)量關系，得出了GPP達到最高值時的DF與PAR均值分別為0.57和27.7mol×m?2×d?1，此狀態(tài)下最有利于冬小麥拔節(jié)?乳熟期GPP的增加。2004年與2005年GPP達到最高時對應的DF和PAR存在差別，主要是由于兩年間拔節(jié)?乳熟期PAR水平和DF分布頻率的變化所致。

圖5 冬小麥拔節(jié)?乳熟期散射輻射比例與光合有效輻射的關系

3 結(jié)論與討論

在冬小麥田間CO2通量觀測的基礎上，明確了冬小麥拔節(jié)?乳熟期散射輻射比例（DF）與光能利用率（LUE）為線性正相關關系。此結(jié)果與前人[24-25]采用模擬或觀測研究手段針對不同作物種類的研究結(jié)果一致。但是不同研究得出DF與LUE關系的線性方程的斜率存在較大差異。Choudhury[24]利用模型和觀測數(shù)據(jù)研究表明，冬小麥LUE和DF線性方程的斜率在1.0g×mol?1左右變化；Rodriguez等[25]針對冬小麥開花前20d至開花后14d的模擬結(jié)果表明，線性方程斜率為1.6g×MJ?1。本研究表明2004年和2005年冬小麥拔節(jié)?乳熟期DF與LUE關系的線性方程斜率分別為2.16gCO2×mol?1和1.74gCO2×mol?1，兩年結(jié)果的差別主要是由于研究時段內(nèi)DF分布頻率的差異所導致。

冬小麥拔節(jié)?乳熟期DF與總初級生產(chǎn)力（GPP）呈開口向下的拋物線關系，即GPP隨著DF的增加表現(xiàn)為先升高后降低的變化趨勢。2004年DF和PAR為0.62和24.6mol×m?2×d?1，2005年為0.52和30.8mol×m?2×d?1時，GPP達到最高值，即中等太陽輻射條件最有利于冬小麥拔節(jié)?乳熟期對碳的吸收。這個結(jié)論與前人[15, 26]針對森林生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果相似。由于2004年陰天天氣多于2005年，冬小麥拔節(jié)?乳熟期GPP達到最高值時PAR值低于2005年，而DF值高于2005年。當然，DF與LUE和GPP的數(shù)量關系，尚需更多站點和年份的觀測數(shù)據(jù)來進一步確定，后續(xù)研究將進一步深入完善。

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Relationships between Diffuse Radiation Fraction and Light Use Efficiency and Gross Primary Productivity of Winter Wheat

YANG Xiao-ya1, LI Jun2, JIANG Xiao-dong1, TONG Xiao-juan3, YU Qiang4, 2

（1. College of Applied Meteorology/Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China; 2. Key Laboratory of Water Cycle & Related Land Surface Processes, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101; 3. College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100101; 4. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Northwest A&F University, Yangling 712100）

The quantitative relationships between the diffuse radiation fraction (DF) and light use efficiency (LUE) and gross primary productivity (GPP) from jointing to milky maturity of winter wheat (from April 1, 2004 to May 20 and from April 10, 2005 to May 31) were analyzed in this research on the basis of field CO2flux observation. The research results can improve the simulation accuracy of LUE model and crop model. The results indicated that the relationship between DF and LUE was significantly positive linear (P＜0.001), and the relationship between DF and GPP was significantly parabolic curve (P＜0.001). LUE increased linearly with the increasing of DF, while GPP increased first and then decreased. Observational experiments on 2004 and 2005 showed that the GPP of winter wheat reached the highest under the condition of moderate solar radiation, with the average values of DF and photosynthetic active radiation (PAR) were 0.57, 27.7mol×m?2×d?1, respectively. The quantitative equations between DF and LUE and GPP in two years were different. The differences were mainly attributed to the different PAR level and the distribution frequency of DF from jointing to milky maturity of winter wheat during the two years.

Diffuse radiation fraction; Light use efficiency; Gross primary productivity; Photosynthetic active radiation; Winter wheat

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.07.004

楊曉亞,李俊,江曉東,等.散射輻射比例與冬小麥光能利用率和總初級生產(chǎn)力的關系[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2018,39(7):462-467

2017?12?21

江蘇省自然科學基金青年基金（BK20140988）；國家自然科學基金青年基金（31400416）

楊曉亞（1983?），女，博士，研究方向為氣候變化與作物生理生態(tài)。E-mail: yangxy@nuist.edu.cn