地膜覆蓋對旱作玉米田水熱通量傳輸?shù)挠绊懷芯?/h1>
2019-01-05 07:44:50郝衛(wèi)平高麗麗李昊儒龔道枝
農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報 2018年12期
馮 禹 郝衛(wèi)平 高麗麗 李昊儒 龔道枝
(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所， 北京 100081； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室， 北京 100081)
0 引言
陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量循環(huán)是一個極其復(fù)雜的過程，能夠顯著影響全球氣候變化[1-2]，而陸地和大氣間的能量-水分循環(huán)過程驅(qū)動著生態(tài)系統(tǒng)的植物光合和蒸散過程[3-5]。對于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，分析水熱通量平衡和分割對農(nóng)田水分平衡和作物生產(chǎn)模型建立具有重要意義，對于研究變化環(huán)境下農(nóng)田水循環(huán)和提高農(nóng)業(yè)水管理極為重要[6]。
凈輻射(Rn)、土壤熱通量(G)、潛熱通量(λET，即農(nóng)田蒸散量)和顯熱通量(H)是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能量平衡的4個基本分量[7]，其中λET是確定作物需水量的重要參數(shù)[2]。許多研究者對農(nóng)田水熱通量傳輸過程和機(jī)理進(jìn)行了分析，基于觀測值分析了各通量的日、季節(jié)和年際變化特征，并分析環(huán)境因子和農(nóng)藝管理等對通量傳輸?shù)挠绊?。STEDUTO等[8-11]詳細(xì)分析了美國加州地區(qū)兩種水分處理情況下的玉米田水-熱-碳通量和冠層導(dǎo)度的差異及其形成機(jī)制。LEI等[12]對華北平原小麥-玉米輪作田的蒸散(ET)和能量平衡進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)ET的季節(jié)和年際變化主要由平衡蒸發(fā)的變化引起，年尺度上能量通量的主要成分是潛熱通量。TIAN等[13]發(fā)現(xiàn)新疆棉田中，在棉花快速生長時期H會減小到一個非常小的值，主要是由于λET增大以及棉花葉面積增大導(dǎo)致地表溫度減小。丁日升等[6]對西北干旱內(nèi)陸區(qū)水分充分和虧缺年份玉米田水熱通量過程進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)λET是玉米田能量的主要消耗項，其季節(jié)變化與葉面積指數(shù)同步，但干旱感熱平流會增大水分充分年份中期的λET。
對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的能量平衡和分割已有大量的報道，如玉米[2]、棉花[13]、水稻[14]和小麥[12]等，但鮮有研究分析旱作農(nóng)田的能量交換和平衡，特別是對比地膜覆蓋和露地兩種情況下旱作農(nóng)田的能量平衡。地膜覆蓋能夠改善土壤水熱狀態(tài)，進(jìn)而提高作物出苗，促進(jìn)作物生長和干物質(zhì)積累，最終提升作物產(chǎn)量[15]。GONG等[16]研究表明，地膜覆蓋能夠改變農(nóng)田和大氣間的水-熱-碳交換過程，進(jìn)而達(dá)到節(jié)水固碳的功效；白色透明塑料薄膜會增大地表反照率，進(jìn)而影響地表能量的平衡。FAN等[7]發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋降低了Rn，增大了G，進(jìn)而減小了有效能。本文選取黃土高原東部旱作春玉米田為研究對象，設(shè)置露地(CK)和地膜覆蓋(PM)兩種處理，利用渦度相關(guān)系統(tǒng)對兩種處理條件下玉米田水熱通量進(jìn)行連續(xù)觀測，基于觀測結(jié)果分析地膜覆蓋對旱作玉米田水熱通量傳輸過程的影響，以期為探明旱作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)水文過程和提升農(nóng)田水分利用效率提供科學(xué)指導(dǎo)。
1 材料與方法
1.1 試驗地概況
試驗于2015—2016年在山西省壽陽縣農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境與作物高效用水科學(xué)觀測實驗站進(jìn)行。該站位于黃土高原東部(37°44′58″N，113°12′9″E，海拔1 202 m)，屬晉東豫西典型半濕潤偏旱區(qū)。該地區(qū)降雨年際變化較大，集中在春玉米生育期內(nèi)(6—9月)，多年平均降雨量和氣溫分別為481 mm和7.4℃[17]。該地區(qū)為旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，種植模式為一年一熟制，主要種植作物為春玉米。關(guān)于試驗區(qū)具體情況可參見文獻(xiàn)[18]。
1.2 試驗設(shè)計
試驗設(shè)置露地(CK)和地膜覆蓋(PM)兩個處理，均平作種植春玉米。由于試驗所需觀測儀器(渦度相關(guān)系統(tǒng))較為昂貴，因此每個處理設(shè)置1個小區(qū)(300 m×150 m)，無重復(fù)。PM處理覆蓋率為80%，使用地膜尺寸為寬80 cm、厚0.04 mm。兩個處理玉米行距和株距分別為50 cm和30 cm。每個處理收獲時秸稈粉碎還田，播種時按當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣以復(fù)合肥為底肥，以N、P2O5和K2O計每公頃施用量分別為276、144、60 kg，無追肥。玉米出苗后根據(jù)出苗情況進(jìn)行補(bǔ)苗。分別于每年5月初播種，于當(dāng)年9月底收獲。
1.3 觀測指標(biāo)與測定方法
1.3.1玉米生長指標(biāo)和生育期觀測
每個小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選7株玉米植株測定株高和葉面積，從6月初至9月底每10 d左右測定1次。采用卷尺測量所有綠葉片(未完全枯萎的葉片)的有效長度和寬度，計算單葉面積，并將所有葉片的面積相加，得到單株葉面積，最終計算每個處理的綠葉面積指數(shù)(GLAI)。計算公式為[16]
(1)
式中GLAI——綠葉面積指數(shù)，m2/m2
Li——第i葉片的長度，m
Wi——第i葉片的寬度，m
Drow——行距，m
Splant——株距，m
式(1)中的0.74為經(jīng)驗系數(shù)[16,19]。玉米全生育期逐日GLAI數(shù)據(jù)通過拋物線方程擬合GLAI測定值與種植后天數(shù)(DAS)得到[16]。根據(jù)玉米植株生長情況，記錄CK和PM處理玉米生育期。
1.3.2水熱通量和氣象因子
在每個處理小區(qū)中央安裝一套渦度相關(guān)系統(tǒng)(Campbell公司，美國)分別測量CK和PM處理玉米水熱通量和微氣象要素(風(fēng)速u、氣溫Ta、相對濕度Rh(RH)、凈輻射Rn、飽和水汽壓差DVPD(VPD)和土壤熱通量G等)。渦度相關(guān)系統(tǒng)的CSAT3型超聲風(fēng)速儀和LI-7500型紅外分析儀安裝高度隨著作物冠層高度而調(diào)整，與冠層保持1 m左右的距離。在主風(fēng)方向上風(fēng)浪區(qū)約為150 m，滿足觀測所需的風(fēng)浪區(qū)要求。渦度相關(guān)系統(tǒng)采樣頻率為10 Hz，并同時把30 min和24 h的平均值記錄在CR5000數(shù)據(jù)采集器中。數(shù)據(jù)校正方法、取舍標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)[20-21]。λET和H由渦度相關(guān)系統(tǒng)測定的溫度、濕度、風(fēng)速的脈動值計算，計算式為[22]
(2)
(3)
圖1 2015—2016年CK和PM處理30 min數(shù)據(jù)能量平衡閉合情況Fig.1 Energy balance closure for CK and PM during 2015—2016 at half-hourly interval
式中λET——潛熱通量(λET)，W/m2
q′——比濕脈動值，g/g
λ——水的汽化潛熱，J/kg
ρ——空氣密度，kg/m3
w′——垂直風(fēng)速脈動值，m/s
Cp——空氣定壓比熱容，J/(kg·K)
θ′——虛溫脈動值，K
2 結(jié)果與分析
2.1 能量閉合
圖1為渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測的30 min尺度通量數(shù)據(jù)能量平衡閉合情況。由圖1可知，2015年CK和PM擬合斜率分別為0.75和0.72，2016年分別為0.77和0.71。兩年數(shù)據(jù)CK和PM處理平均能量閉合度(EBC)分別為0.76和0.72。日尺度數(shù)據(jù)能量閉合度(EBC)2015年CK和PM分別為0.79和0.76，2016年分別為0.76和0.73(圖2)。日尺度CK和PM平均EBC分別為0.78和0.75，高于30 min尺度EBC，主要可能是日尺度數(shù)據(jù)是從30 min數(shù)據(jù)平均得到，而在求和過程中30 min數(shù)據(jù)的負(fù)值和正值相互抵消，因此使得日尺度EBC高于30 min EBC。
圖2 2015—2016年CK和PM處理日尺度數(shù)據(jù)能量平衡閉合情況Fig.2 Energy balance closure for CK and PM during 2015—2016 at daily interval
2.2 水熱通量變化
2.2.1日變化
圖3和圖4分別為2015年和2016年CK和PM處理玉米各生育期通量平均值日變化曲線。由圖可知，各能量通量在各時期均呈現(xiàn)典型單峰曲線的日變化特征。Rn在夜間為負(fù)值，自早晨日出后逐漸增大到正值，至中午時達(dá)到最大，然后逐漸減小，至傍晚降到0左右。G、λET和H的日變化和Rn較為相似，但與Rn相比，G、λET和H變化相對滯后。
圖3 2015年CK和PM處理玉米各生育期通量日變化曲線Fig.3 Diurnal variation curves of energy fluxes in maize field at different growth stages for CK and PM in 2015
圖4 2016年CK和PM處理玉米各生育期通量日變化曲線Fig.4 Diurnal variation curves of energy fluxes in maize field at different growth stages for CK and PM in 2016
2.2.2季節(jié)變化
圖5(圖中β為波文比)為2015年和2016年CK和PM處理各通量季節(jié)變化散點圖?？芍谝荒曛蠬呈現(xiàn)出雙峰變化，1—4月底逐漸增大，5月(玉米播種后)開始又逐漸減小，在8月底9月初又開始逐漸增大，至10月初玉米收獲后逐漸減小。λET在一年中呈現(xiàn)典型的單峰型季節(jié)變化特征，在1—8月底逐漸增大，之后逐漸減小。G在一年中也呈現(xiàn)單峰型季節(jié)變化，但其峰值出現(xiàn)在每年的播種前后，即在1—4月逐漸增大，之后逐漸減小。Rn在一年中也呈現(xiàn)典型的單峰曲線變化特征，在1—8月逐漸增大，之后逐漸減小。
圖5 2015年和2016年CK和PM處理各通量季節(jié)變化散點圖Fig.5 Seasonal variation plots of energy fluxes for CK and PM during 2015—2016
2.3 水熱通量分割
圖6為2015年和2016年CK和PM處理各通量分割季節(jié)變化以及其與GLAI對比圖。可知，H/Rn在一年中呈現(xiàn)先減小，在8月底后逐漸增大。具體在玉米生育期內(nèi)(5—9月)，H/Rn與GLAI呈現(xiàn)相反的變化趨勢，可以看出在一年中玉米的非生育期(10月—次年4月)，Rn主要以H為主，但在玉米生育期內(nèi)，H/Rn所占比例相對較小。λET/Rn在一年中先逐漸增大，在8月底后開始逐漸減小。在玉米生育期內(nèi)，λET/Rn和GLAI具有相似的變化趨勢?？梢钥闯鲈谟衩咨趦?nèi)，Rn主要以λET為主，特別是在玉米生長較為旺盛的時期(7—8月)。G/Rn在一年中先逐漸增大，在4月底開始逐漸減小，至9月有微弱的上升，之后又逐漸減小。在玉米生育期內(nèi)，G/Rn和GLAI變化趨勢相反。
由以上分析可以看出，在玉米生育期內(nèi)，GLAI與λET/Rn變化趨勢相似，與H/Rn和G/Rn變化趨勢相反，說明玉米生長明顯影響了能量的分割。由于H和λET在玉米生育期內(nèi)具有相反的變化趨勢，因此β也和GLAI變化趨勢相反，特別是在玉米快速生長期時(6月后)，β較小，表明此時期湍流通量主要以λET為主。
圖7為CK和PM處理通量分割與GLAI關(guān)系對比情況。由擬合圖可以看出，H/Rn和GLAI存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.001)，而λET/Rn存在極顯著的正相關(guān)(P<0.001)，G/Rn與GLAI間沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，而波文比(β=H/λET)與GLAI間存在極顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.001)。由擬合關(guān)系圖同樣可以看出，GLAI變化對能量通量的分割，特別是對H和λET的分配影響較大。而實際中，玉米初期耗水量(ET)并不大，因此湍流通量主要以H為主，到玉米快速生長時，強(qiáng)烈的光合作用會增大玉米蒸騰量，進(jìn)而使得玉米λET較大，H較小。同時可以看出，與H和λET相比，玉米生長對G的影響相對較小。
圖7 CK和PM處理玉米生育期內(nèi)通量分割與GLAI關(guān)系對比情況Fig.7 Comparisons between energy partitioning and GLAI for CK and PM during maize growing seasons
表1為2015—2016年不同生育期與休閑期能量通量和能量分割比例。可知，在苗期和拔節(jié)期，CK處理H、λET和Rn均略高于PM處理，而G低于PM處理。由于此時玉米蒸騰相對較小，λET主要以土壤蒸發(fā)為主。CK處理未覆蓋地膜，導(dǎo)致土壤裸露，蒸發(fā)較大，因而CK處理λET較大。而地膜覆蓋增大了地表反照率，進(jìn)而降低了Rn，但地膜覆蓋改變了土壤水熱狀態(tài)，增大了G。而隨著玉米生長，地表覆蓋度增加，土壤蒸發(fā)減小，此時(抽穗期、灌漿期)λET主要由玉米蒸騰為主，而PM處理玉米生長更為旺盛，蒸騰較大。因此，此時期PM處理λET要高于CK處理。從兩年試驗數(shù)據(jù)可以看出，全生育期CK處理H、λET、G和Rn分別為34.2、62.0、6.6、127.9 W/m2，PM處理分別為30.7、61.4、10.4、126.6 W/m2。CK處理H、λET和G分別占Rn的26.8%、48.5%和5.2%，PM處理分別占24.3%、48.5%和8.2%。休閑期CK處理H、λET、G和Rn分別為30.9、13.6、1.5、54.9 W/m2，PM處理為31.9、13.7、1.0、60.8 W/m2。CK處理H、λET和G分別占Rn的56.3%、24.7%和2.3%，PM處理分別占52.5%、22.6%和0.9%?？梢钥闯?，玉米生育期內(nèi)，Rn主要以λET為主，而休閑期Rn主要以H為主，說明作物生長能夠控制農(nóng)田能量分割。此外，對比休閑期各能量通量可以看出，CK和PM處理間λET基本無差異。由于玉米收獲時秸稈還田，CK和PM處理地表基本覆蓋玉米秸稈，此時覆膜對λET基本無影響。
降水是旱作農(nóng)田土壤水分的唯一來源，因此旱作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能量平衡對降水變化較為敏感[23]。為探明降水對旱作玉米田能量平衡的影響，分析了2015—2016年CK和PM處理降雨前后典型晴天各能量通量在玉米快速生長期(圖8)和玉米后期(圖9)的日變化過程。由圖可知，在快速生長期，降雨后CK和PM處理λET均顯著增大，而H和G均減小。但在后期，降雨對各能量通量的變化過程沒有快速生長期明顯。說明玉米生育期內(nèi)降水的分布能夠顯著影響旱作玉米田的能量平衡。
在玉米快速生長期，玉米冠層覆蓋度相對較低。因此在干旱時，較低的土壤水分會增加作物根系吸水難度，促進(jìn)作物產(chǎn)生脫落酸(ABA)，而ABA會降低葉片氣孔開度，最終限制了作物蒸騰[24-25]。許多研究也表明較低的土壤水分會降低作物蒸騰[26-27]。此外，由于土壤水分較低，因而土壤中可供以蒸發(fā)的水分有限，進(jìn)而降低了土壤蒸發(fā)[28]。因此，此時較低的土壤水分直接降低了λET。降雨過后，較高的土壤水分能夠增大土壤蒸發(fā)，特別是此時地表未完全覆蓋，裸露土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈，干旱后復(fù)水也引發(fā)了作物生長和蒸騰的“補(bǔ)償效應(yīng)”[26,29]，因此使得λET較大。但在玉米生長后期，較高的GLAI導(dǎo)致地表冠層覆蓋度較大，此時土壤水分變化對土壤蒸發(fā)影響較小，而土壤蒸發(fā)主要由能量控制。同時在后期玉米植株也開始衰老，蒸騰較弱，因此，土壤水分變化對蒸發(fā)蒸騰沒有顯著影響。
2.4 潛熱通量對環(huán)境因子的響應(yīng)
圖10為2015—2016年CK和PM處理逐日λET與各氣象因子的關(guān)系。由圖可知，隨著Rn的增大，λET也逐漸增大，二者間具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.001)，CK和PM處理相關(guān)系數(shù)(R)分別達(dá)到了0.81和0.86。Ta與λET間也分別呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.001)，R分別達(dá)到了0.77和0.81。VPD的增大也導(dǎo)致λET的增大，二者間也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.001)，R分別達(dá)到了0.49和0.50。較高的RH使得空氣中水汽壓變大，進(jìn)而導(dǎo)致玉米蒸騰和土壤蒸發(fā)減弱，最終使得λET較小。從圖10g、10h可以看出，RH與λET呈一定程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系，R分別達(dá)到了0.39(P<0.001)和0.36(P<0.001)。λET對風(fēng)速的響應(yīng)較為復(fù)雜，其變化規(guī)律并不明顯，R分別達(dá)到了0.40(P<0.001)和0.39(P<0.001)。
總的來說，Rn是玉米田λET最主要的影響因子，其次為Ta和VPD，u和RH對λET的影響相對較小。
3 討論
3.1 地膜覆蓋對能量閉合的影響
本研究發(fā)現(xiàn)CK和PM處理30 min尺度數(shù)據(jù)平均EBC分別為0.76和0.72，與文獻(xiàn)[30]中報道的結(jié)果相似。與其他研究一樣[31-33]，本研究中渦度相關(guān)系統(tǒng)仍然存在能量不閉合的情況。渦度相關(guān)系統(tǒng)能量不閉合最主要的原因之一是在數(shù)據(jù)采集和校正過程中存在的誤差導(dǎo)致了渦度相關(guān)系統(tǒng)對湍流通量低估[34]。此外，特別是夜間較弱的湍流也會導(dǎo)致渦度相關(guān)系統(tǒng)對通量低估[35]，能量平衡方程中忽略了冠層熱存儲等其他能量收支項同樣也導(dǎo)致了能量的不閉合。LI等[33]對China FLUX 各通量站點的能量閉合情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)各站點能量平衡都沒有完全閉合，平均不閉合度為0.27，在夜間不閉合的程度比白天更加明顯。同時總結(jié)了能量不閉合主要由觀測中的采樣誤差、儀器觀測中可能產(chǎn)生的系統(tǒng)偏差、對其他能量吸收項的忽略(如冠層儲熱和光合耗能等)、高頻與低頻湍流通量損失和平流影響等造成。TIAN等[13]表明在大田中覆膜和行作物對能量的截獲會導(dǎo)致能量不閉合的情況，而本研究中大田玉米為行作物，這在一定程度上導(dǎo)致了能量的不閉合。此外，PM處理覆蓋的地膜也會增大能量的不閉合，因而導(dǎo)致本研究中PM處理EBC略低于CK處理。PM處理會改善土壤的水熱狀態(tài)，進(jìn)而改變G。同時PM處理促進(jìn)了作物生長，使得下墊面的冠層反照率和玉米冠層中儲存的能量發(fā)生改變，而最終導(dǎo)致CK和PM處理EBC的差異。白色地膜也會改變長波和短波輻射的傳輸，進(jìn)而改變能量在有效能和湍流通量間的分配[36]。
表1 2015—2016年不同生育期與休閑期能量通量和能量分割比例Tab.1 Energy budget and partitioning at different growth stages during 2015—2016
圖8 2015—2016年CK和PM處理玉米快速生長期降雨前后晴天能量通量日變化過程曲線Fig.8 Diurnal variation curves of energy fluxes in typical sunny days before and after rainfall at development stage for CK and PM during 2015—2016
圖9 2015和2016年CK和PM處理玉米后期降雨前后晴天能量通量日變化過程曲線Fig.9 Diurnal variation curves of energy fluxes in typical sunny days before and after rainfall at late stage for CK and PM during 2015—2016
圖10 2015—2016年CK和PM處理日潛熱通量與氣象因子關(guān)系Fig.10 Relationships between latent heat flux and meteorological variables for CK and PM during 2015—2016
3.2 能量通量變化
Rn主要由緯度、云層、作物生長狀態(tài)和下墊面等決定[22]，因此不同的天氣情況和生育時期會導(dǎo)致Rn量值的差異，CK和PM處理間Rn差異主要由地表覆蓋造成。地膜覆蓋會增大地表反照率，降低凈短波輻射，最終使得Rn相對較小。隨著作物生長，冠層覆蓋度增大，比表反照率減小，Rn逐漸增大。本研究中發(fā)現(xiàn)，與Rn相比，H、G和λET的日變化相對滯后，這主要因為H、G和λET來源于Rn，因此其變化滯后于Rn。此外，ZHANG等[22]指出，λET滯后于Rn還可能是由于玉米植株的自身調(diào)整造成。FAN等[7]對西北灌溉玉米田能量平衡進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)G的日變化滯后Rn0.5～2 h，地膜覆蓋降低了Rn，增大了G，進(jìn)而減小了有效能，因此地膜覆蓋減小了作物耗水。
本研究發(fā)現(xiàn)，玉米生育期內(nèi)，Rn主要以λET為主，而休閑期Rn主要以H為主，說明作物生長能夠影響農(nóng)田能量分割。LEI等[12]、TIAN等[13]、ZHANG等[22]和FANG等[37]研究均表明在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作物生長對農(nóng)田能量平衡影響明顯，λET是Rn最主要的部分。λET與GLAI呈現(xiàn)相似的變化趨勢，表明玉米生長過程中蒸騰主導(dǎo)了λET的變化。許多研究也表明，在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，λET主要由作物蒸騰組成[38-39]。因此，玉米生長支配了λET的變化，進(jìn)而影響農(nóng)田能量平衡。G在玉米生育期內(nèi)與GLAI變化趨勢相反。根據(jù)Beer法則，GLAI增大導(dǎo)致土壤表面接收的太陽輻射減小[36]，因此在玉米生育初期，太陽輻射直接照射于土壤表面使得G較大，而隨著玉米生長，玉米冠層截獲了更多的輻射，最終使得G較小。β與GLAI也呈現(xiàn)相反的變化趨勢，與LEI等[12]在華北平原小麥-玉米輪作生態(tài)系統(tǒng)中的發(fā)現(xiàn)一致。
盡管CK和PM處理各能量通量在兩年中均呈現(xiàn)相似的變化趨勢，但作物生長和環(huán)境因子不同導(dǎo)致了其仍然存在一定差異[22]。年際間降水差異和年內(nèi)降水分布差異會影響生物和環(huán)境因子改變，因此影響地表能量平衡[40-41]。CHEN等[23]發(fā)現(xiàn)，在黃土高原旱作區(qū)，降水季節(jié)分布在年際間具有很大差異，這導(dǎo)致了不同年和季節(jié)土壤水分變化，最終影響了地表能量平衡。與灌溉農(nóng)田不同，自然降水是旱作農(nóng)田水分最主要的來源，因此旱作農(nóng)田土壤水分主要受降水控制，進(jìn)而降水間接控制了旱作農(nóng)田能量平衡，但在玉米生長后期，降水對能量平衡的影響相對較小，說明降水的分布能夠明顯影響旱作玉米田能量平衡。LEI等[12]也發(fā)現(xiàn)，在非濕潤地區(qū)，λET主要受降水變化控制，灌區(qū)中農(nóng)田灌溉也會增大λET進(jìn)而影響區(qū)域能量平衡。在旱作區(qū)，降水的分布是地表能量平衡的主要影響因子，土壤水分變化會改變有效能的主要成分，進(jìn)而決定了區(qū)域氣候和邊界層的變化[23]。本文研究結(jié)果與這些研究結(jié)果一致。
3.3 潛熱通量影響因子
蒸發(fā)蒸騰過程實質(zhì)上是液態(tài)水變?yōu)槠麘B(tài)水的過程，這一過程受氣象參數(shù)驅(qū)動，受土壤和植被參數(shù)協(xié)調(diào)，受可蒸發(fā)水量的限制[42]。蒸發(fā)蒸騰速率主要受能量、水量和進(jìn)入空氣中的難度等3個因子影響[39,43-44]。研究發(fā)現(xiàn)，玉米田λET對Rn的響應(yīng)最為明顯，由于Rn是水汽化過程中最主要的能量來源，因此Rn的變化直接影響了蒸發(fā)蒸騰速率。此外，Rn也能誘導(dǎo)植物葉片氣孔的開閉，一般情況，較強(qiáng)的Rn能夠增大葉片氣孔導(dǎo)度，進(jìn)而使得葉片蒸騰加強(qiáng)。此外，較高的Rn還直接增大了空氣溫度，進(jìn)而使得葉片內(nèi)外和土壤內(nèi)外的水汽壓差增大，最終加強(qiáng)了蒸發(fā)和蒸騰過程[45]。其次，玉米田λET受Ta影響較大，由于Ta升高能夠加速水分子的運(yùn)動，且氣溫升高能夠促進(jìn)作物的蒸騰作用，同時增大葉片內(nèi)外和土壤內(nèi)外的水汽壓差，最終使得蒸發(fā)蒸騰作用加強(qiáng)。λET對VPD的響應(yīng)也較為明顯，VPD的增大，減小了水蒸氣進(jìn)入大氣的難度，進(jìn)而促進(jìn)了蒸發(fā)蒸騰作用。較高的RH能夠增大空氣中的水氣壓，使得葉片內(nèi)外和土壤內(nèi)外的水氣壓梯度減小，進(jìn)而減小了水汽化的速率，最終減小了蒸發(fā)蒸騰速率。在本文中，RH對λET的影響相對較小。u的增大能夠帶走更多的水汽，減小了水汽擴(kuò)散的空氣動力學(xué)阻力，進(jìn)而減小了水汽進(jìn)入空氣中的難度，最終能夠促進(jìn)蒸發(fā)蒸騰作用。但在本文中，u對λET的影響也較小，而且從u與λET間的散點圖可以看出，二者間的關(guān)系較為復(fù)雜。這主要是因為該地區(qū)非生育期(10月—次年4月)風(fēng)速較大，而此時期λET較小，生育期(5—9月)風(fēng)速較小，λET較大，二者間呈現(xiàn)相反的趨勢。此外，也有研究表明，風(fēng)速較小時，λET增強(qiáng)，但當(dāng)風(fēng)速很大時，高速氣流會加快蒸騰，植物防止細(xì)胞失水過多，致使葉片氣孔關(guān)閉，減弱了蒸騰作用，進(jìn)而減小λET[46]。
本研究中，各氣象因子對λET的影響從大到小順序為Rn、Ta、VPD、u、RH。ZHANG等[22]采用通徑分析對華北平原灌溉玉米田λET的主控因子進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)Rn是玉米田λET最主要的影響因子，其次為VPD和Ta，u對λET的影響最小。TIAN等[13]對新疆覆膜棉田λET的主控因子進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)覆膜棉田主控因子依次為Rn、VPD、Ta、u。ALBERTO等[47]也表明，旱直播水稻田和噴灌玉米田λET主要受Rn影響。這些研究均表明農(nóng)田λET最主要的控制因子為Rn，但VPD和Ta的影響與本研究具有一定差異。由于VPD受Ta和RH控制，因此研究間的差異可能是Ta與RH對λET影響差異引起的。此外，許多研究表明VPD是蒸騰的主控因子[29]，因此這些差異還可能與VPD和Ta對蒸騰影響差異有關(guān)。本文采用相關(guān)系數(shù)對各影響因子的影響程度進(jìn)行了定性分析，但各影響因子間還存在間接和直接作用，后續(xù)研究需采用更加科學(xué)的方法，定量分析生理和環(huán)境因子對λET的直接和間接作用。
4 結(jié)論
(1)CK和PM處理下，渦度相關(guān)系統(tǒng)測定的30 min數(shù)據(jù)平均EBC分別為0.76和0.72，日尺度數(shù)據(jù)EBC分別為0.78和0.75，這表明雖然旱作玉米田能量存在不平衡現(xiàn)象，但觀測數(shù)據(jù)能夠滿足能量平衡分析要求。覆膜在一定程度上增大了玉米田能量的不平衡。
(2)能量通量存在顯著的日、季節(jié)變化特征，即呈單峰曲線變化，與Rn相比，G、λET和H變化相對滯后。在玉米生育期內(nèi)，GLAI與λET/Rn變化趨勢相似，與H/Rn、G/Rn和β變化趨勢相反，說明玉米生長明顯影響了能量的分割。兩年試驗數(shù)據(jù)表明，全生育期CK處理H、λET和G分別占Rn的26.8%、48.5%和5.2%，PM處理分別占24.3%、48.5%和8.2%。休閑期CK處理H、λET和G分別占Rn的56.3%、24.7%和2.3%，PM處理分別占52.5%、22.6%和0.9%。玉米生育期內(nèi)，Rn主要以λET為主，而休閑期Rn主要以H為主。在快速生長期，降水后CK和PM處理λET均顯著增大，而H和G均減小。但在后期，降水對各能量通量變化過程的影響沒有快速生長期明顯。說明玉米生育期內(nèi)降水的分布能夠顯著影響旱作玉米田的能量平衡。
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馮 禹 郝衛(wèi)平 高麗麗 李昊儒 龔道枝
(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所， 北京 100081； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室， 北京 100081)
0 引言
陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量循環(huán)是一個極其復(fù)雜的過程，能夠顯著影響全球氣候變化[1-2]，而陸地和大氣間的能量-水分循環(huán)過程驅(qū)動著生態(tài)系統(tǒng)的植物光合和蒸散過程[3-5]。對于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，分析水熱通量平衡和分割對農(nóng)田水分平衡和作物生產(chǎn)模型建立具有重要意義，對于研究變化環(huán)境下農(nóng)田水循環(huán)和提高農(nóng)業(yè)水管理極為重要[6]。
凈輻射(Rn)、土壤熱通量(G)、潛熱通量(λET，即農(nóng)田蒸散量)和顯熱通量(H)是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能量平衡的4個基本分量[7]，其中λET是確定作物需水量的重要參數(shù)[2]。許多研究者對農(nóng)田水熱通量傳輸過程和機(jī)理進(jìn)行了分析，基于觀測值分析了各通量的日、季節(jié)和年際變化特征，并分析環(huán)境因子和農(nóng)藝管理等對通量傳輸?shù)挠绊?。STEDUTO等[8-11]詳細(xì)分析了美國加州地區(qū)兩種水分處理情況下的玉米田水-熱-碳通量和冠層導(dǎo)度的差異及其形成機(jī)制。LEI等[12]對華北平原小麥-玉米輪作田的蒸散(ET)和能量平衡進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)ET的季節(jié)和年際變化主要由平衡蒸發(fā)的變化引起，年尺度上能量通量的主要成分是潛熱通量。TIAN等[13]發(fā)現(xiàn)新疆棉田中，在棉花快速生長時期H會減小到一個非常小的值，主要是由于λET增大以及棉花葉面積增大導(dǎo)致地表溫度減小。丁日升等[6]對西北干旱內(nèi)陸區(qū)水分充分和虧缺年份玉米田水熱通量過程進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)λET是玉米田能量的主要消耗項，其季節(jié)變化與葉面積指數(shù)同步，但干旱感熱平流會增大水分充分年份中期的λET。
對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的能量平衡和分割已有大量的報道，如玉米[2]、棉花[13]、水稻[14]和小麥[12]等，但鮮有研究分析旱作農(nóng)田的能量交換和平衡，特別是對比地膜覆蓋和露地兩種情況下旱作農(nóng)田的能量平衡。地膜覆蓋能夠改善土壤水熱狀態(tài)，進(jìn)而提高作物出苗，促進(jìn)作物生長和干物質(zhì)積累，最終提升作物產(chǎn)量[15]。GONG等[16]研究表明，地膜覆蓋能夠改變農(nóng)田和大氣間的水-熱-碳交換過程，進(jìn)而達(dá)到節(jié)水固碳的功效；白色透明塑料薄膜會增大地表反照率，進(jìn)而影響地表能量的平衡。FAN等[7]發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋降低了Rn，增大了G，進(jìn)而減小了有效能。本文選取黃土高原東部旱作春玉米田為研究對象，設(shè)置露地(CK)和地膜覆蓋(PM)兩種處理，利用渦度相關(guān)系統(tǒng)對兩種處理條件下玉米田水熱通量進(jìn)行連續(xù)觀測，基于觀測結(jié)果分析地膜覆蓋對旱作玉米田水熱通量傳輸過程的影響，以期為探明旱作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)水文過程和提升農(nóng)田水分利用效率提供科學(xué)指導(dǎo)。
1 材料與方法
1.1 試驗地概況
試驗于2015—2016年在山西省壽陽縣農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境與作物高效用水科學(xué)觀測實驗站進(jìn)行。該站位于黃土高原東部(37°44′58″N，113°12′9″E，海拔1 202 m)，屬晉東豫西典型半濕潤偏旱區(qū)。該地區(qū)降雨年際變化較大，集中在春玉米生育期內(nèi)(6—9月)，多年平均降雨量和氣溫分別為481 mm和7.4℃[17]。該地區(qū)為旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，種植模式為一年一熟制，主要種植作物為春玉米。關(guān)于試驗區(qū)具體情況可參見文獻(xiàn)[18]。
1.2 試驗設(shè)計
試驗設(shè)置露地(CK)和地膜覆蓋(PM)兩個處理，均平作種植春玉米。由于試驗所需觀測儀器(渦度相關(guān)系統(tǒng))較為昂貴，因此每個處理設(shè)置1個小區(qū)(300 m×150 m)，無重復(fù)。PM處理覆蓋率為80%，使用地膜尺寸為寬80 cm、厚0.04 mm。兩個處理玉米行距和株距分別為50 cm和30 cm。每個處理收獲時秸稈粉碎還田，播種時按當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣以復(fù)合肥為底肥，以N、P2O5和K2O計每公頃施用量分別為276、144、60 kg，無追肥。玉米出苗后根據(jù)出苗情況進(jìn)行補(bǔ)苗。分別于每年5月初播種，于當(dāng)年9月底收獲。
1.3 觀測指標(biāo)與測定方法
1.3.1玉米生長指標(biāo)和生育期觀測
每個小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選7株玉米植株測定株高和葉面積，從6月初至9月底每10 d左右測定1次。采用卷尺測量所有綠葉片(未完全枯萎的葉片)的有效長度和寬度，計算單葉面積，并將所有葉片的面積相加，得到單株葉面積，最終計算每個處理的綠葉面積指數(shù)(GLAI)。計算公式為[16]
(1)
式中GLAI——綠葉面積指數(shù)，m2/m2
Li——第i葉片的長度，m
Wi——第i葉片的寬度，m
Drow——行距，m
Splant——株距，m
式(1)中的0.74為經(jīng)驗系數(shù)[16,19]。玉米全生育期逐日GLAI數(shù)據(jù)通過拋物線方程擬合GLAI測定值與種植后天數(shù)(DAS)得到[16]。根據(jù)玉米植株生長情況，記錄CK和PM處理玉米生育期。
1.3.2水熱通量和氣象因子
在每個處理小區(qū)中央安裝一套渦度相關(guān)系統(tǒng)(Campbell公司，美國)分別測量CK和PM處理玉米水熱通量和微氣象要素(風(fēng)速u、氣溫Ta、相對濕度Rh(RH)、凈輻射Rn、飽和水汽壓差DVPD(VPD)和土壤熱通量G等)。渦度相關(guān)系統(tǒng)的CSAT3型超聲風(fēng)速儀和LI-7500型紅外分析儀安裝高度隨著作物冠層高度而調(diào)整，與冠層保持1 m左右的距離。在主風(fēng)方向上風(fēng)浪區(qū)約為150 m，滿足觀測所需的風(fēng)浪區(qū)要求。渦度相關(guān)系統(tǒng)采樣頻率為10 Hz，并同時把30 min和24 h的平均值記錄在CR5000數(shù)據(jù)采集器中。數(shù)據(jù)校正方法、取舍標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)[20-21]。λET和H由渦度相關(guān)系統(tǒng)測定的溫度、濕度、風(fēng)速的脈動值計算，計算式為[22]
(2)
(3)
圖1 2015—2016年CK和PM處理30 min數(shù)據(jù)能量平衡閉合情況Fig.1 Energy balance closure for CK and PM during 2015—2016 at half-hourly interval
式中λET——潛熱通量(λET)，W/m2
q′——比濕脈動值，g/g
λ——水的汽化潛熱，J/kg
ρ——空氣密度，kg/m3
w′——垂直風(fēng)速脈動值，m/s
Cp——空氣定壓比熱容，J/(kg·K)
θ′——虛溫脈動值，K
2 結(jié)果與分析
2.1 能量閉合
圖1為渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測的30 min尺度通量數(shù)據(jù)能量平衡閉合情況。由圖1可知，2015年CK和PM擬合斜率分別為0.75和0.72，2016年分別為0.77和0.71。兩年數(shù)據(jù)CK和PM處理平均能量閉合度(EBC)分別為0.76和0.72。日尺度數(shù)據(jù)能量閉合度(EBC)2015年CK和PM分別為0.79和0.76，2016年分別為0.76和0.73(圖2)。日尺度CK和PM平均EBC分別為0.78和0.75，高于30 min尺度EBC，主要可能是日尺度數(shù)據(jù)是從30 min數(shù)據(jù)平均得到，而在求和過程中30 min數(shù)據(jù)的負(fù)值和正值相互抵消，因此使得日尺度EBC高于30 min EBC。
圖2 2015—2016年CK和PM處理日尺度數(shù)據(jù)能量平衡閉合情況Fig.2 Energy balance closure for CK and PM during 2015—2016 at daily interval
2.2 水熱通量變化
2.2.1日變化
圖3和圖4分別為2015年和2016年CK和PM處理玉米各生育期通量平均值日變化曲線。由圖可知，各能量通量在各時期均呈現(xiàn)典型單峰曲線的日變化特征。Rn在夜間為負(fù)值，自早晨日出后逐漸增大到正值，至中午時達(dá)到最大，然后逐漸減小，至傍晚降到0左右。G、λET和H的日變化和Rn較為相似，但與Rn相比，G、λET和H變化相對滯后。
圖3 2015年CK和PM處理玉米各生育期通量日變化曲線Fig.3 Diurnal variation curves of energy fluxes in maize field at different growth stages for CK and PM in 2015
圖4 2016年CK和PM處理玉米各生育期通量日變化曲線Fig.4 Diurnal variation curves of energy fluxes in maize field at different growth stages for CK and PM in 2016
2.2.2季節(jié)變化
圖5(圖中β為波文比)為2015年和2016年CK和PM處理各通量季節(jié)變化散點圖?？芍谝荒曛蠬呈現(xiàn)出雙峰變化，1—4月底逐漸增大，5月(玉米播種后)開始又逐漸減小，在8月底9月初又開始逐漸增大，至10月初玉米收獲后逐漸減小。λET在一年中呈現(xiàn)典型的單峰型季節(jié)變化特征，在1—8月底逐漸增大，之后逐漸減小。G在一年中也呈現(xiàn)單峰型季節(jié)變化，但其峰值出現(xiàn)在每年的播種前后，即在1—4月逐漸增大，之后逐漸減小。Rn在一年中也呈現(xiàn)典型的單峰曲線變化特征，在1—8月逐漸增大，之后逐漸減小。
圖5 2015年和2016年CK和PM處理各通量季節(jié)變化散點圖Fig.5 Seasonal variation plots of energy fluxes for CK and PM during 2015—2016
2.3 水熱通量分割
圖6為2015年和2016年CK和PM處理各通量分割季節(jié)變化以及其與GLAI對比圖。可知，H/Rn在一年中呈現(xiàn)先減小，在8月底后逐漸增大。具體在玉米生育期內(nèi)(5—9月)，H/Rn與GLAI呈現(xiàn)相反的變化趨勢，可以看出在一年中玉米的非生育期(10月—次年4月)，Rn主要以H為主，但在玉米生育期內(nèi)，H/Rn所占比例相對較小。λET/Rn在一年中先逐漸增大，在8月底后開始逐漸減小。在玉米生育期內(nèi)，λET/Rn和GLAI具有相似的變化趨勢?？梢钥闯鲈谟衩咨趦?nèi)，Rn主要以λET為主，特別是在玉米生長較為旺盛的時期(7—8月)。G/Rn在一年中先逐漸增大，在4月底開始逐漸減小，至9月有微弱的上升，之后又逐漸減小。在玉米生育期內(nèi)，G/Rn和GLAI變化趨勢相反。
由以上分析可以看出，在玉米生育期內(nèi)，GLAI與λET/Rn變化趨勢相似，與H/Rn和G/Rn變化趨勢相反，說明玉米生長明顯影響了能量的分割。由于H和λET在玉米生育期內(nèi)具有相反的變化趨勢，因此β也和GLAI變化趨勢相反，特別是在玉米快速生長期時(6月后)，β較小，表明此時期湍流通量主要以λET為主。
圖7為CK和PM處理通量分割與GLAI關(guān)系對比情況。由擬合圖可以看出，H/Rn和GLAI存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.001)，而λET/Rn存在極顯著的正相關(guān)(P<0.001)，G/Rn與GLAI間沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，而波文比(β=H/λET)與GLAI間存在極顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.001)。由擬合關(guān)系圖同樣可以看出，GLAI變化對能量通量的分割，特別是對H和λET的分配影響較大。而實際中，玉米初期耗水量(ET)并不大，因此湍流通量主要以H為主，到玉米快速生長時，強(qiáng)烈的光合作用會增大玉米蒸騰量，進(jìn)而使得玉米λET較大，H較小。同時可以看出，與H和λET相比，玉米生長對G的影響相對較小。
圖7 CK和PM處理玉米生育期內(nèi)通量分割與GLAI關(guān)系對比情況Fig.7 Comparisons between energy partitioning and GLAI for CK and PM during maize growing seasons
表1為2015—2016年不同生育期與休閑期能量通量和能量分割比例。可知，在苗期和拔節(jié)期，CK處理H、λET和Rn均略高于PM處理，而G低于PM處理。由于此時玉米蒸騰相對較小，λET主要以土壤蒸發(fā)為主。CK處理未覆蓋地膜，導(dǎo)致土壤裸露，蒸發(fā)較大，因而CK處理λET較大。而地膜覆蓋增大了地表反照率，進(jìn)而降低了Rn，但地膜覆蓋改變了土壤水熱狀態(tài)，增大了G。而隨著玉米生長，地表覆蓋度增加，土壤蒸發(fā)減小，此時(抽穗期、灌漿期)λET主要由玉米蒸騰為主，而PM處理玉米生長更為旺盛，蒸騰較大。因此，此時期PM處理λET要高于CK處理。從兩年試驗數(shù)據(jù)可以看出，全生育期CK處理H、λET、G和Rn分別為34.2、62.0、6.6、127.9 W/m2，PM處理分別為30.7、61.4、10.4、126.6 W/m2。CK處理H、λET和G分別占Rn的26.8%、48.5%和5.2%，PM處理分別占24.3%、48.5%和8.2%。休閑期CK處理H、λET、G和Rn分別為30.9、13.6、1.5、54.9 W/m2，PM處理為31.9、13.7、1.0、60.8 W/m2。CK處理H、λET和G分別占Rn的56.3%、24.7%和2.3%，PM處理分別占52.5%、22.6%和0.9%?？梢钥闯?，玉米生育期內(nèi)，Rn主要以λET為主，而休閑期Rn主要以H為主，說明作物生長能夠控制農(nóng)田能量分割。此外，對比休閑期各能量通量可以看出，CK和PM處理間λET基本無差異。由于玉米收獲時秸稈還田，CK和PM處理地表基本覆蓋玉米秸稈，此時覆膜對λET基本無影響。
降水是旱作農(nóng)田土壤水分的唯一來源，因此旱作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能量平衡對降水變化較為敏感[23]。為探明降水對旱作玉米田能量平衡的影響，分析了2015—2016年CK和PM處理降雨前后典型晴天各能量通量在玉米快速生長期(圖8)和玉米后期(圖9)的日變化過程。由圖可知，在快速生長期，降雨后CK和PM處理λET均顯著增大，而H和G均減小。但在后期，降雨對各能量通量的變化過程沒有快速生長期明顯。說明玉米生育期內(nèi)降水的分布能夠顯著影響旱作玉米田的能量平衡。
在玉米快速生長期，玉米冠層覆蓋度相對較低。因此在干旱時，較低的土壤水分會增加作物根系吸水難度，促進(jìn)作物產(chǎn)生脫落酸(ABA)，而ABA會降低葉片氣孔開度，最終限制了作物蒸騰[24-25]。許多研究也表明較低的土壤水分會降低作物蒸騰[26-27]。此外，由于土壤水分較低，因而土壤中可供以蒸發(fā)的水分有限，進(jìn)而降低了土壤蒸發(fā)[28]。因此，此時較低的土壤水分直接降低了λET。降雨過后，較高的土壤水分能夠增大土壤蒸發(fā)，特別是此時地表未完全覆蓋，裸露土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈，干旱后復(fù)水也引發(fā)了作物生長和蒸騰的“補(bǔ)償效應(yīng)”[26,29]，因此使得λET較大。但在玉米生長后期，較高的GLAI導(dǎo)致地表冠層覆蓋度較大，此時土壤水分變化對土壤蒸發(fā)影響較小，而土壤蒸發(fā)主要由能量控制。同時在后期玉米植株也開始衰老，蒸騰較弱，因此，土壤水分變化對蒸發(fā)蒸騰沒有顯著影響。
2.4 潛熱通量對環(huán)境因子的響應(yīng)
圖10為2015—2016年CK和PM處理逐日λET與各氣象因子的關(guān)系。由圖可知，隨著Rn的增大，λET也逐漸增大，二者間具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.001)，CK和PM處理相關(guān)系數(shù)(R)分別達(dá)到了0.81和0.86。Ta與λET間也分別呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.001)，R分別達(dá)到了0.77和0.81。VPD的增大也導(dǎo)致λET的增大，二者間也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.001)，R分別達(dá)到了0.49和0.50。較高的RH使得空氣中水汽壓變大，進(jìn)而導(dǎo)致玉米蒸騰和土壤蒸發(fā)減弱，最終使得λET較小。從圖10g、10h可以看出，RH與λET呈一定程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系，R分別達(dá)到了0.39(P<0.001)和0.36(P<0.001)。λET對風(fēng)速的響應(yīng)較為復(fù)雜，其變化規(guī)律并不明顯，R分別達(dá)到了0.40(P<0.001)和0.39(P<0.001)。
總的來說，Rn是玉米田λET最主要的影響因子，其次為Ta和VPD，u和RH對λET的影響相對較小。
3 討論
3.1 地膜覆蓋對能量閉合的影響
本研究發(fā)現(xiàn)CK和PM處理30 min尺度數(shù)據(jù)平均EBC分別為0.76和0.72，與文獻(xiàn)[30]中報道的結(jié)果相似。與其他研究一樣[31-33]，本研究中渦度相關(guān)系統(tǒng)仍然存在能量不閉合的情況。渦度相關(guān)系統(tǒng)能量不閉合最主要的原因之一是在數(shù)據(jù)采集和校正過程中存在的誤差導(dǎo)致了渦度相關(guān)系統(tǒng)對湍流通量低估[34]。此外，特別是夜間較弱的湍流也會導(dǎo)致渦度相關(guān)系統(tǒng)對通量低估[35]，能量平衡方程中忽略了冠層熱存儲等其他能量收支項同樣也導(dǎo)致了能量的不閉合。LI等[33]對China FLUX 各通量站點的能量閉合情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)各站點能量平衡都沒有完全閉合，平均不閉合度為0.27，在夜間不閉合的程度比白天更加明顯。同時總結(jié)了能量不閉合主要由觀測中的采樣誤差、儀器觀測中可能產(chǎn)生的系統(tǒng)偏差、對其他能量吸收項的忽略(如冠層儲熱和光合耗能等)、高頻與低頻湍流通量損失和平流影響等造成。TIAN等[13]表明在大田中覆膜和行作物對能量的截獲會導(dǎo)致能量不閉合的情況，而本研究中大田玉米為行作物，這在一定程度上導(dǎo)致了能量的不閉合。此外，PM處理覆蓋的地膜也會增大能量的不閉合，因而導(dǎo)致本研究中PM處理EBC略低于CK處理。PM處理會改善土壤的水熱狀態(tài)，進(jìn)而改變G。同時PM處理促進(jìn)了作物生長，使得下墊面的冠層反照率和玉米冠層中儲存的能量發(fā)生改變，而最終導(dǎo)致CK和PM處理EBC的差異。白色地膜也會改變長波和短波輻射的傳輸，進(jìn)而改變能量在有效能和湍流通量間的分配[36]。
表1 2015—2016年不同生育期與休閑期能量通量和能量分割比例Tab.1 Energy budget and partitioning at different growth stages during 2015—2016
圖8 2015—2016年CK和PM處理玉米快速生長期降雨前后晴天能量通量日變化過程曲線Fig.8 Diurnal variation curves of energy fluxes in typical sunny days before and after rainfall at development stage for CK and PM during 2015—2016
圖9 2015和2016年CK和PM處理玉米后期降雨前后晴天能量通量日變化過程曲線Fig.9 Diurnal variation curves of energy fluxes in typical sunny days before and after rainfall at late stage for CK and PM during 2015—2016
圖10 2015—2016年CK和PM處理日潛熱通量與氣象因子關(guān)系Fig.10 Relationships between latent heat flux and meteorological variables for CK and PM during 2015—2016
3.2 能量通量變化
Rn主要由緯度、云層、作物生長狀態(tài)和下墊面等決定[22]，因此不同的天氣情況和生育時期會導(dǎo)致Rn量值的差異，CK和PM處理間Rn差異主要由地表覆蓋造成。地膜覆蓋會增大地表反照率，降低凈短波輻射，最終使得Rn相對較小。隨著作物生長，冠層覆蓋度增大，比表反照率減小，Rn逐漸增大。本研究中發(fā)現(xiàn)，與Rn相比，H、G和λET的日變化相對滯后，這主要因為H、G和λET來源于Rn，因此其變化滯后于Rn。此外，ZHANG等[22]指出，λET滯后于Rn還可能是由于玉米植株的自身調(diào)整造成。FAN等[7]對西北灌溉玉米田能量平衡進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)G的日變化滯后Rn0.5～2 h，地膜覆蓋降低了Rn，增大了G，進(jìn)而減小了有效能，因此地膜覆蓋減小了作物耗水。
本研究發(fā)現(xiàn)，玉米生育期內(nèi)，Rn主要以λET為主，而休閑期Rn主要以H為主，說明作物生長能夠影響農(nóng)田能量分割。LEI等[12]、TIAN等[13]、ZHANG等[22]和FANG等[37]研究均表明在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作物生長對農(nóng)田能量平衡影響明顯，λET是Rn最主要的部分。λET與GLAI呈現(xiàn)相似的變化趨勢，表明玉米生長過程中蒸騰主導(dǎo)了λET的變化。許多研究也表明，在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，λET主要由作物蒸騰組成[38-39]。因此，玉米生長支配了λET的變化，進(jìn)而影響農(nóng)田能量平衡。G在玉米生育期內(nèi)與GLAI變化趨勢相反。根據(jù)Beer法則，GLAI增大導(dǎo)致土壤表面接收的太陽輻射減小[36]，因此在玉米生育初期，太陽輻射直接照射于土壤表面使得G較大，而隨著玉米生長，玉米冠層截獲了更多的輻射，最終使得G較小。β與GLAI也呈現(xiàn)相反的變化趨勢，與LEI等[12]在華北平原小麥-玉米輪作生態(tài)系統(tǒng)中的發(fā)現(xiàn)一致。
盡管CK和PM處理各能量通量在兩年中均呈現(xiàn)相似的變化趨勢，但作物生長和環(huán)境因子不同導(dǎo)致了其仍然存在一定差異[22]。年際間降水差異和年內(nèi)降水分布差異會影響生物和環(huán)境因子改變，因此影響地表能量平衡[40-41]。CHEN等[23]發(fā)現(xiàn)，在黃土高原旱作區(qū)，降水季節(jié)分布在年際間具有很大差異，這導(dǎo)致了不同年和季節(jié)土壤水分變化，最終影響了地表能量平衡。與灌溉農(nóng)田不同，自然降水是旱作農(nóng)田水分最主要的來源，因此旱作農(nóng)田土壤水分主要受降水控制，進(jìn)而降水間接控制了旱作農(nóng)田能量平衡，但在玉米生長后期，降水對能量平衡的影響相對較小，說明降水的分布能夠明顯影響旱作玉米田能量平衡。LEI等[12]也發(fā)現(xiàn)，在非濕潤地區(qū)，λET主要受降水變化控制，灌區(qū)中農(nóng)田灌溉也會增大λET進(jìn)而影響區(qū)域能量平衡。在旱作區(qū)，降水的分布是地表能量平衡的主要影響因子，土壤水分變化會改變有效能的主要成分，進(jìn)而決定了區(qū)域氣候和邊界層的變化[23]。本文研究結(jié)果與這些研究結(jié)果一致。
3.3 潛熱通量影響因子
蒸發(fā)蒸騰過程實質(zhì)上是液態(tài)水變?yōu)槠麘B(tài)水的過程，這一過程受氣象參數(shù)驅(qū)動，受土壤和植被參數(shù)協(xié)調(diào)，受可蒸發(fā)水量的限制[42]。蒸發(fā)蒸騰速率主要受能量、水量和進(jìn)入空氣中的難度等3個因子影響[39,43-44]。研究發(fā)現(xiàn)，玉米田λET對Rn的響應(yīng)最為明顯，由于Rn是水汽化過程中最主要的能量來源，因此Rn的變化直接影響了蒸發(fā)蒸騰速率。此外，Rn也能誘導(dǎo)植物葉片氣孔的開閉，一般情況，較強(qiáng)的Rn能夠增大葉片氣孔導(dǎo)度，進(jìn)而使得葉片蒸騰加強(qiáng)。此外，較高的Rn還直接增大了空氣溫度，進(jìn)而使得葉片內(nèi)外和土壤內(nèi)外的水汽壓差增大，最終加強(qiáng)了蒸發(fā)和蒸騰過程[45]。其次，玉米田λET受Ta影響較大，由于Ta升高能夠加速水分子的運(yùn)動，且氣溫升高能夠促進(jìn)作物的蒸騰作用，同時增大葉片內(nèi)外和土壤內(nèi)外的水汽壓差，最終使得蒸發(fā)蒸騰作用加強(qiáng)。λET對VPD的響應(yīng)也較為明顯，VPD的增大，減小了水蒸氣進(jìn)入大氣的難度，進(jìn)而促進(jìn)了蒸發(fā)蒸騰作用。較高的RH能夠增大空氣中的水氣壓，使得葉片內(nèi)外和土壤內(nèi)外的水氣壓梯度減小，進(jìn)而減小了水汽化的速率，最終減小了蒸發(fā)蒸騰速率。在本文中，RH對λET的影響相對較小。u的增大能夠帶走更多的水汽，減小了水汽擴(kuò)散的空氣動力學(xué)阻力，進(jìn)而減小了水汽進(jìn)入空氣中的難度，最終能夠促進(jìn)蒸發(fā)蒸騰作用。但在本文中，u對λET的影響也較小，而且從u與λET間的散點圖可以看出，二者間的關(guān)系較為復(fù)雜。這主要是因為該地區(qū)非生育期(10月—次年4月)風(fēng)速較大，而此時期λET較小，生育期(5—9月)風(fēng)速較小，λET較大，二者間呈現(xiàn)相反的趨勢。此外，也有研究表明，風(fēng)速較小時，λET增強(qiáng)，但當(dāng)風(fēng)速很大時，高速氣流會加快蒸騰，植物防止細(xì)胞失水過多，致使葉片氣孔關(guān)閉，減弱了蒸騰作用，進(jìn)而減小λET[46]。
本研究中，各氣象因子對λET的影響從大到小順序為Rn、Ta、VPD、u、RH。ZHANG等[22]采用通徑分析對華北平原灌溉玉米田λET的主控因子進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)Rn是玉米田λET最主要的影響因子，其次為VPD和Ta，u對λET的影響最小。TIAN等[13]對新疆覆膜棉田λET的主控因子進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)覆膜棉田主控因子依次為Rn、VPD、Ta、u。ALBERTO等[47]也表明，旱直播水稻田和噴灌玉米田λET主要受Rn影響。這些研究均表明農(nóng)田λET最主要的控制因子為Rn，但VPD和Ta的影響與本研究具有一定差異。由于VPD受Ta和RH控制，因此研究間的差異可能是Ta與RH對λET影響差異引起的。此外，許多研究表明VPD是蒸騰的主控因子[29]，因此這些差異還可能與VPD和Ta對蒸騰影響差異有關(guān)。本文采用相關(guān)系數(shù)對各影響因子的影響程度進(jìn)行了定性分析，但各影響因子間還存在間接和直接作用，后續(xù)研究需采用更加科學(xué)的方法，定量分析生理和環(huán)境因子對λET的直接和間接作用。
4 結(jié)論
(1)CK和PM處理下，渦度相關(guān)系統(tǒng)測定的30 min數(shù)據(jù)平均EBC分別為0.76和0.72，日尺度數(shù)據(jù)EBC分別為0.78和0.75，這表明雖然旱作玉米田能量存在不平衡現(xiàn)象，但觀測數(shù)據(jù)能夠滿足能量平衡分析要求。覆膜在一定程度上增大了玉米田能量的不平衡。
(2)能量通量存在顯著的日、季節(jié)變化特征，即呈單峰曲線變化，與Rn相比，G、λET和H變化相對滯后。在玉米生育期內(nèi)，GLAI與λET/Rn變化趨勢相似，與H/Rn、G/Rn和β變化趨勢相反，說明玉米生長明顯影響了能量的分割。兩年試驗數(shù)據(jù)表明，全生育期CK處理H、λET和G分別占Rn的26.8%、48.5%和5.2%，PM處理分別占24.3%、48.5%和8.2%。休閑期CK處理H、λET和G分別占Rn的56.3%、24.7%和2.3%，PM處理分別占52.5%、22.6%和0.9%。玉米生育期內(nèi)，Rn主要以λET為主，而休閑期Rn主要以H為主。在快速生長期，降水后CK和PM處理λET均顯著增大，而H和G均減小。但在后期，降水對各能量通量變化過程的影響沒有快速生長期明顯。說明玉米生育期內(nèi)降水的分布能夠顯著影響旱作玉米田的能量平衡。
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