渦度相關技術在農田生態(tài)系統(tǒng)通量研究中的應用

史桂芬 賀偉光

摘要? ? 闡述了渦度相關技術的基本原理、觀測特征及影響因素，綜述了其在我國農田生態(tài)系統(tǒng)水熱、碳通量的研究進展和模型模擬，分析了農田通量的變化特征，對應用渦度相關技術開展農田地表—大氣間水、熱通量交換觀測所面臨的問題進行分析，指出目前存在的主要問題是通量數(shù)據(jù)修正方法的選擇、數(shù)據(jù)的質量保證、通量模擬模型的尺度轉換，對其在農田生態(tài)系統(tǒng)的應用提出建議，認為觀測數(shù)據(jù)處理分析、通量數(shù)據(jù)的校正與評價、模型開發(fā)、增加觀測站點、尺度推演、長期觀測是未來研究的重點。

關鍵詞? ? 渦度相關技術;農田生態(tài)系統(tǒng);通量

中圖分類號? ? P412? ? ? ? 文獻標識碼? ? A? ? ? ? 文章編號? ?1007-5739（2019）06-0141-03

Abstract? ? The basic principles，observation characteristics and influencing factors of Eddy covariance technology were expounded.The research progress and model simulation of hydrothermal and carbon flux in farmland ecosystems in China were reviewed.The variation characteristics of farmland flux were analyzed.The paper analyzed the problems faced by the application of Eddy covariance technology in the field of surface-atmosphere water and heat flux exchange observation.It pointed out that the main problems existing at present were the selection of flux data correction methods，data quality assurance，and scale conversion of flux simulation models，and put forward suggestions for its application in farmland ecosystems，and considered that? observation data processing analysis and flux，data correction and evaluation，model development，increased observation sites，scale deductions，and long-term observations were the focus of future research.

Key words? ? Eddy covariance technology;farmland ecosystem;flux

世界耕地面積占陸地總面積的10%，我國耕地面積占國土面積的12.7%[1]。農田是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是影響全球水熱循環(huán)和全球變暖的因素之一，農田生態(tài)系統(tǒng)水熱、碳通量的長期觀測研究是氣候變化和水資源科學利用研究的重點[2-3]。

渦度相關技術（Eddy Covariance Technology）始于20世紀50年代，最早由Swinbank提出并驗證[4]。90年代中期，全球通量觀測網(wǎng)絡建立并快速發(fā)展[5]，目前全球已有近600個通量觀測站[6]。

在中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡（CERN）基礎上，為研究生態(tài)系統(tǒng)通量變化及其對環(huán)境變化的響應，2002年中國陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測網(wǎng)絡（China FLUX）建立并快速發(fā)展[7-8]。國內外關于通量的研究多是森林和草原[9-11]，對農田的研究較少。農田生態(tài)系統(tǒng)通量的變化受灌溉、天氣、作物發(fā)育期和農田管理等因素共同影響，研究不同氣候和作物的農田水熱通量特征對農業(yè)生產意義重大。

1? ? 渦度相關技術基本原理及通量模型應用

1.1? ? 渦度相關技術的基本原理

渦度相關技術主要測定冠層上方的三維風速、大氣溫濕度、CO2濃度、地表通量、土壤溫度和水分等。觀測系統(tǒng)位于大片均勻農田的中心，以滿足試驗要求的盛行風向風浪區(qū)長度，由數(shù)據(jù)采集器、超聲風速儀（測量三維風速和超聲虛溫）、CO2 /H2O分析儀組成。

渦度相關技術是一種直接測定植被與大氣間通量的微氣象學方法[12-13]，其優(yōu)點是對生態(tài)系統(tǒng)的干擾小，不破壞觀測環(huán)境，能夠實現(xiàn)連續(xù)長期的觀測，可自動連續(xù)采集數(shù)據(jù)，可測得生態(tài)系統(tǒng)水熱等環(huán)境變量的傳輸過程及為土壤—植被—大氣間的物質、能量交換模型提供驗證，計算區(qū)域的蒸散量和凈初級生產力。

1.2? ? 渦度相關技術所測通量的常用模型

目前應用比較廣泛、被驗證認可的模型是SiB2，對冬小麥農田能量、CO2通量及地表溫度的模擬表明，SiB2模型在華北平原農田通量模擬上的模擬精度較高。Sellers等[14]對SiB2作了詳細描述;王紹強等[15]、劉樹華[16]、趙少華等 [17]也對其進行了介紹與評述;高志球等[18]應用SiB2進行了水熱、碳通量的模擬分析。

多層-雙葉模型是農田與大氣間物質輸送和能量交換常用的一種模型。該模型對CO2通量進行模擬時需要一些光合作用的生理參數(shù)，運用植物生理生態(tài)的一些知識和公式。多層一雙葉模型的主要原理是把冠層分為多層，分別計算各層陽葉和陰葉吸收的光合有效輻射，計算光合作用和氣孔傳導。

2? ? 渦度相關技術在我國農田生態(tài)系統(tǒng)中的應用

研究發(fā)現(xiàn)，影響農田通量變化的主要因子是氣溫、降水、光強、凈輻射、土壤濕度和土壤含水量等[19-20]。農田獲得的太陽輻射，大部分用于熱輻射、顯熱、潛熱和土壤熱通量，潛熱所占的比重最大，小部分用于光合作用[21-22]。馮敏玉等[23]對農田能量平衡閉合狀況進行了研究;高志球等[24]對常熟市水稻不同生長期的能量收支進行了研究;袁再健等[25]研究了華北平原冬小麥農田碳通量特征與過程模擬;陸佩玲等[26]研究了冬小麥農田輻射與熱量過程的特征;童應祥等[27]對冬小麥農田能量平衡閉合狀況進行了分析;萬志紅等[28]對錦州玉米農田水汽通量變化特征及其調控機制進行了研究。

農田生態(tài)系統(tǒng)物質能量交換特征、湍流和通量輸送規(guī)律一直受生態(tài)、農林及微氣象學的關注[29]。冬小麥、玉米農田為主要研究區(qū)，也有部分稻田研究區(qū)。研究區(qū)多在一些試驗站，如河南省鶴壁市農業(yè)科學研究所、山東禹城生態(tài)試驗站、中科院欒城試驗站、聊城位山實驗站等，以滿足試驗要求。

2.1? ? 農田生態(tài)系統(tǒng)水、熱通量研究

農作物生長發(fā)育的微氣候環(huán)境受土壤—作物—大氣循環(huán)（SAPC）系統(tǒng)內的水熱傳輸過程控制[30]。水分狀況是影響農田蒸發(fā)蒸騰量季節(jié)變化的主要因素，研究表明，農田蒸散量與冠層氣溫差成顯著負相關。郭家選等[31]研究發(fā)現(xiàn)，地表蒸發(fā)蒸騰量在正午存在“蒸發(fā)高地”，蒸發(fā)相對穩(wěn)定，蒸發(fā)比值略有下降;蒸散影響植物水分利用效率、植物與大氣碳循環(huán)、農田生態(tài)系統(tǒng)邊界層的微氣候狀況;研究農田蒸散過程，可了解植物水分傳遞、土壤水分運移、土壤—植物—大氣間的水熱交換特征，為農田灌溉提供科學指導。

農田生態(tài)系統(tǒng)在SPAC過程中能量的流動能達到一定的平衡即能量閉合程度，太陽凈輻射量理論上是顯熱通量、潛熱通量、土壤熱通量之和[32-33]，渦度相關法可同步測量能量平衡方程式中的各分量。

2.2? ? 農田生態(tài)系統(tǒng)碳通量變化特征及影響因素

2.2.1? ? 農田生態(tài)系統(tǒng)碳通量的變化規(guī)律。CO2通量代表農田的凈生產力，渦度相關技術通過測定CO2脈動與風速脈動的協(xié)方差來測定地表—大氣間CO2通量，計算農田生態(tài)系統(tǒng)碳積蓄能力。華北平原冬小麥—夏玉米農田的碳通量具有如下特點：11月至次年2月，農田碳排放接近于0.3;5月和7—9月是主要生長季，農田碳通量日變化規(guī)律明顯，即白天吸收、夜晚釋放CO2，日出后，農田吸收的CO2不斷增加，到12：00左右達到最大，之后不斷下降，日落前后接近于0，夜間農田變?yōu)樘荚?4月、5月和8月、9月農田碳通量日較差較大[34]。

CO2通量最高值從苗期到灌漿前期不斷增大，灌漿前期達到最大后迅速下降。冬小麥月平均日CO2吸收峰最大在4月、5月，夏玉米月平均日CO2吸收峰值在8月最大。6月與10月收獲后，CO2通量日變化不顯著，為碳源[35]。除生長季外，農田以碳排放為主。

2.2.2? ? 環(huán)境因素對碳通量的影響。農田生態(tài)系統(tǒng)中潛熱、顯熱、CO2通量分別代表著水汽的蒸騰、能量的流動（熱量）、碳同化。凈輻射、光合有效輻射、潛熱、顯熱與CO2通量成顯著正相關[36]。灌溉在一定程度上可以提高CO2通量。

影響碳通量觀測的因素：一是CO2的儲存效應，即大氣較穩(wěn)定時，從土壤和葉片擴散的CO2 不能到達儀器所測高度，這種情況對低矮作物影響很小，但對森林影響較大;二是地形有一定坡度和起伏且風速低時，部分CO2不能通過冠層和大氣的交界面，容易產生CO2通量漏流和平流效應[37-38]。

3? ? 存在的問題

3.1? ? 渦度相關技術的不足之處

渦度相關技術觀測時受環(huán)境條件的限制。一是對于測定數(shù)據(jù)的精確性，如果上風向沒有足夠的下墊面，會造成平流問題;夜間大氣比較穩(wěn)定造成數(shù)據(jù)不確定性，對生態(tài)系統(tǒng)長期碳收支計算帶來偏差，并對過程模型的建立造成影響[39]。二是在復雜地形下，模型很難量化，地形起伏不平、測定儀器下方的點源等因素都會造成數(shù)據(jù)精度的降低[40]。三是土壤—作物—大氣系統(tǒng)內的水分、熱量傳輸已從單一研究轉向了水、碳、氮等物質的耦合性研究，這要求對作物的生理特性指標和土壤指標（如土壤鹽分、養(yǎng)分等）進行同步動態(tài)監(jiān)測，而渦度相關方法不能實現(xiàn)這種觀測[41]。

3.2? ? 渦度相關技術通量觀測修正方法的選擇

渦度相關技術觀測到的數(shù)據(jù)需修正后才能應用，只有選擇正確的修正方法，才能得到正確可靠的結論。目前常用的是WPL和Liu方法，二者各有優(yōu)缺點和使用條件。一是WPL通量修正方法。渦度相關技術觀測通量時，熱量和水汽的傳輸導致空氣體積變化，但這并不是真實物質的增減，會影響測量結果。針對這種情況，產生了WPL通量修正方法。該方法的基本原理：假設干空氣質量守恒，以消除干空氣壓縮/膨脹對通量觀測帶來的影響。WPL方法對CO2通量的修正，比較適合干旱的下墊面環(huán)境。二是Liu[42]提出了直接從濕空氣膨脹/壓縮的物理過程出發(fā)，不做任何假設，由濕空氣密度變化計算出潛熱、CO2通量的Liu方法。該方法理論上對水汽的估計比較準確，并得到試驗的驗證，例如郭建俠用2種方法對華北地區(qū)玉米的潛熱和CO2通量進行修正，得出WPL方法高估了水汽的作用，而Liu修正更合理[43]。

理論和試驗表明，經(jīng)2種方法修正后，結果的差別主要受大氣水汽含量的影響，WPL方法可能修正過度，Liu方法更加合理。對于缺失數(shù)據(jù)，不同插補方法會產生不同結果。目前還沒有統(tǒng)一的方法來進行通量數(shù)據(jù)的修正。只是針對不同的研究區(qū)、研究對象、研究時段，選擇相對合適的、誤差較小的修正方法。因此，修正方法的選擇和繼續(xù)修改完善已有模型的參數(shù)等方面還有很多工作要做。

3.3? ? 通量數(shù)據(jù)的質量保證

植被—大氣間通量觀測的校正主要采用2種方式：一是與其他觀測方法，如波文比法能量平衡法的結果進行比較;二是利用多個渦度相關系統(tǒng)進行平行觀測比較[44]。

對地面不平坦或儀器傾斜產生的通量誤差，常采用坐標轉換法進行校正;觀測中只采用一維的垂直平流效應，會過高或過低估計凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換量[45];對夜間通量觀測，最常用摩擦風速的臨界值來判定觀測值是否有效，但臨界值的選擇目前還沒有統(tǒng)一標準。

3.4? ? 通量模型模擬的尺度轉換問題

目前在各站點通量觀測、水熱CO2傳輸機理模型模擬，都是在局域地區(qū)進行的小尺度（常為幾平方公里）研究。隨著全球變化及大氣、生態(tài)、水文等研究的需要，研究尺度需要從局部轉向區(qū)域甚至全球。在大尺度上，遙感在通量模型的參數(shù)初始化、驅動變量輸入、模型結果驗證等方面得到應用;遙感數(shù)據(jù)可提取多種地表生物信息，但無法提供如風速、氣溫、水汽壓等以及一些植被生理學特性參數(shù)，這些必須通過地面觀測或模型來模擬獲得。因此，需將地面觀測與遙感觀測結合起來。將站點測得的植被數(shù)據(jù)、遙感獲得的大尺度參數(shù)，通過模型建立關系和轉換，進而了解生態(tài)系統(tǒng)通量傳輸過程，進行氣候變化分析和預測。

將觀測到的通量數(shù)據(jù)，與多時相遙感監(jiān)測和模型模擬相結合，可進行時空尺度推演。美國1999年始建的BigFoot項目就是從樣地觀測、通量塔觀測和遙感估測3個尺度對多個生態(tài)系統(tǒng)進行觀測研究，利用土壤—植被—大氣傳輸（SVAI）模型實現(xiàn)尺度融合和轉換，但對模型的開發(fā)、模型的有效性與不確定性分析、模型誤差分析與精度檢驗等方面的研究還需進一步完善和探索。

4? ? 研究展望

全球通量網(wǎng)建立以后，渦度相關法在觀測技術與理論、環(huán)境控制機理及水循環(huán)等方面已取得很多成果，但仍存在很多問題。通量數(shù)據(jù)校正方法的選擇與評價、模型開發(fā)、適當增加觀測站點、尺度轉換、長期觀測與研究是今后發(fā)展研究的重點。

5? ? 參考文獻

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