渦度相關在估算棉田水分利用效率上的應用

浩宇 楊承睿 張雪松

摘 要： 以華北平原棉花農田尺度為研究對象，以中科院禹城綜合觀測站的渦度相關數(shù)據(jù)為基礎，研究棉花蕾期、花鈴期、吐絮期瞬態(tài)的CO2通量和熱通量日變化特征，在此基礎上計算農田的水分利用效率，并討論水分利用效率的日變化、季節(jié)變化及其與Fc的關系，還討論了水分利用效率的影響因子。結果表明，在無水分脅迫下CO2日變化為U型，其中正午為一個谷值區(qū)，此后CO2又逐漸增大。棉花的水分利用效率日變化趨勢為早上較大，8：00左右達到最大，此后逐漸降低。比較不同生育期的水分利用效率的變化，花鈴期的水分利用效率最高，在79.2～142.7 umol CO2/mmol H2O，蕾期為18.6～121.2 umol CO2/mmol H2O，吐絮期為42.5～124.5 umol CO2/mmol H2O。利用渦度相關技術，可以對所需的能量和質量通量（碳、水）進行直接測定，進而分析水分利用效率的規(guī)律，了解棉田水循環(huán)的特征，更好地促進棉花生產(chǎn)產(chǎn)量和質量的提高。

關鍵詞： 棉花;渦度相關;水分利用效率;潛熱通量;感熱通量;CO2通量

中圖分類號：P49 ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：1004-3020（2020）06-0026-04

Abstract： The article take the scale of cotton fields in the north China plain as the research object.And，the article is based on the data of latent and sensible heat and CO2 fluxes，which were measured by eddy correlation system in cotton fields at Yucheng in the year of 2017.We study the diurnal features of transient CO2 and heat fluxes in cotton bud，flower and boll，boll opening stage，and take it as a base of estimating water use efficiency of cotton fields.Then we will discuss the diurnal，seasonal variation in water use efficiency，and we will also analysis the impact factors of water use efficiency.The results show that the diurnal variation of CO2 is a U style in the absence of water stress.At noon，there is a valley area，thereafter CO2 fluxes gradually increased.The diurnal variation tendency of water use efficiency in cotton fields is compuratively lager，and it reached the lagest number at about 8：00，then it decreased.The water use efficiency of cotton also has an obvious seasonal variation.Making a comparison in different growth periods，we conclude that the water use efficiency of flower and boll stage is the highest，which is 79.2～142.7umolCO2/mmolH2O，the water use efficiency of boll stage is 18.6～121.2 umolCO2/mmolH2O，and the water use efficiency of boll opening stage is 42.5～124.5 umolCO2/mmolH2O.

Key words： cotton;eddy covariance;water use efficiency;latent heat flux ;sensible heat flux;CO2 flux

全球氣候變化引起全球降水格局發(fā)生變化，使淡水資源更加匱乏。農業(yè)是占據(jù)首位的用水大戶，如何節(jié)約農用水，提高水分利用率——（水分利用效率，Water Use Efficiency）是節(jié)約淡水資源，促進水資源的可持續(xù)利用，加快社會經(jīng)濟發(fā)展的關鍵。近年來渦度相關技術得到了長足的發(fā)展，已成為長期連續(xù)觀測生態(tài)系統(tǒng)水碳通量最有效的方法。棉花是我國的主要經(jīng)濟作物，在西北內陸地區(qū)及華北黃河流域地區(qū)具有典型代表性。開展農田生態(tài)系統(tǒng)尺度的作物水分利用效率的相關估算工作，這將有助于了解掌握以渦度相關為代表的新技術在農業(yè)生產(chǎn)中的應用，并為進一步研究評價植物光合作用與蒸騰作用的關系，加深對生態(tài)系統(tǒng)尺度能量傳輸及碳、水循環(huán)特征的理解和認識奠定基礎。

1 材料和方法

本文使用2017年山東禹城站渦度相關技術獲得的棉花渦度相關通量觀測資料在綜合分析、評價試驗數(shù)據(jù)。試驗觀測時間從2017年6月到2017年8月（共92d），試驗觀測期間經(jīng)歷了棉花的蕾期，花鈴期及吐絮期。

近地面層通量的測定和計算，大多是以梯度-擴散理論為基礎。當下墊面均勻一致且大氣處于中性層結狀況下，潛熱、感熱和動量通量可由下式表示：

LE=λw′ρv′ H=ρaCpw′T′ σ =ρa w′u′

式中LE為潛熱通量密度（W/m2），H為感熱通量密度（W/m2），σ為動量通量密度（W/m2），T（℃）、ρv′（g/m3）、w′（m/s）和u′（m/s）為近地面大氣湍流運動引起的溫度、濕度、垂直和水平風速的脈動量，ρa為空氣密度（g/m3），Cp為空氣定壓比熱（J/kg·K），λ為水的汽化潛熱（J/g）。

渦度相關法的理論假設很少，對湍流交換系數(shù)、風廓線的形狀以及浮力的影響等都沒有特定的假設。隨著計算機及其相關測量技術的高速發(fā)展，該方法逐漸被推廣應用，目前被認為是測定下墊面通量最好的方法之一，甚至被認為是檢驗其它方法的“標準”[1]。渦度相關觀測的通量數(shù)據(jù)在使用前要進行數(shù)據(jù)篩選和插值。此外，還要進行相關的能量閉合分析。

2 結果與分析

2.1 能量閉合評價

能量平衡閉合度是評價農田生態(tài)系統(tǒng)能量平衡狀況的重要指標，能量平衡閉合度計算采用“RMA”法[1-2]，根據(jù)熱力學第一定律和渦度相關觀測的基本假設，通過檢驗能量平衡閉合程度，可以評價利用渦度相關技術直接觀測得到的數(shù)據(jù)的可信度和質量。生態(tài)系統(tǒng)中既沒有被儲存，也沒有被傳遞到地表的那部分能量可以用于與大氣中和的湍流交換，這部分能量被稱為湍流能量[2-3]，根據(jù)能量平衡方程有：

可利用能量=Rn-G=H+LE

以可利用能量（Rn-G）為自變量，湍流能量（H+LE）為應變量，用直線回歸方程擬合得到能量平衡閉合狀況：y=0.7264x，r=0.81，n=3852。圖1表示禹城站棉花生育期內農田能量平衡閉合狀況，得出棉花能量平衡閉合程度約為80%，閉合程度較高[3-4]。

圖2-2是棉花6～8月間CO2通量平均日變化曲線，從變化曲線中，可以看出，白天通量值為負，11：30達到最低，為-15.352 8 mg/m2·s。夜間，CO2通量為正值。由于日出后棉花的光合作用慢慢增強，向下的通量增大到最大值，在曲線上表現(xiàn)為谷值[5]，由于到中午時分，隨著溫度的升高可能出現(xiàn)“光合午休“現(xiàn)象，同時呼吸作用加快，也會減緩CO2吸收，以至在12∶00 CO2通量曲線出現(xiàn)一個小回升，午后到13∶00，光合有效速率再次逐漸增大，CO2需求又出現(xiàn)增大，凈光合速率也逐漸回升，CO2向下通量增大到一個次低谷值，13∶00后，光強減弱，光合速率下降，同化作用開始下降，CO2需求量開始減小，曲線開始上升。

圖3是不同生育期內CO2通量的日變化特征，在不同的生育期的CO2不盡相同，這主要與出于不同生育期棉花光合同化CO2能力有關。圖中選取的代表日期為6月6日（棉花蕾期，以虛線表示），7月19日（棉花花鈴期，以空點實線表示），8月21日（棉花吐絮期，以三角實線表示）。在蕾期棉花尚未發(fā)育完全，其光合同化作用較弱;進入花鈴期后，該時期是棉花最為重要的生育期對溫度、水分、光照的需求都很高，光合同化作用最強，圖中表現(xiàn)為明顯的“低谷”;進入吐絮期，棉花的需水量已大大減少，葉片衰老，光合同化作用又減弱，但谷值區(qū)還是明顯的。從蕾期到花鈴期，棉花的生理活動處于上升階段，從花鈴期到吐絮期，由于棉花已進入成熟期，由于葉綠素衰老不可避免，所以其CO2同化作用比花鈴期要低[6]。

2.3 水分利用效率的變化規(guī)律

利用渦度相關法測定的瞬時CO2通量（Fc）相當于凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力NEP（-Fc），蒸散量（ET）是LE與L之比，則生態(tài)系統(tǒng)的水分利用效率可以表示為：

水分利用效率=Fc/ET[7]。

圖4為不同生育期水分利用效率的日變化。虛線代表蕾期的變化，實線代表花鈴期的變化，三角點線代表吐絮期的變化。比較不同時期的水分利用效率可以看出，花鈴期的水分利用效率最高，在79.2～142.7 umol CO2/mmol H2O，蕾期為18.6～121.2 umol CO2/mmol H2O，吐絮期為42.5～124.5 umol CO2/mmol H2O。

與前文所分析的不同生育期CO2的變化規(guī)律相比較，兩者的變化規(guī)律相似，即在前后期小，中間大。這是因為在生長前期作物矮小，發(fā)育不完全，溫度不高，光強不強，作物的光合作用小，所以CO2通量也很小，在生長中期，由于作物生長旺盛，葉片也比較多，光合作用強，所以CO2通量也比較大[8-10]。生長晚期由于棉花葉綠素的衰老，所以CO2通量很快又降下來，同時水分利用效率也明顯減弱。再與不同生育期需水量進行對比，見表2-1。花鈴期所需水量最大，葉片蒸騰強烈，需水量急劇增加，棉花生長旺盛，生理活動處于最佳狀態(tài)，水分利用效率也最大。在蕾期，棉花生育發(fā)育不完全，其水分需求較低，水分利用效率較低。在吐絮期，棉花已經(jīng)進入成熟后期，生理機能衰退，水分利用效率比花鈴期低但比蕾期要高[11-14]。

2.4 水分利用效率的長期變化分析及其與Fc的關系 ?圖5a是Fc與相應的水分利用效率的線性回歸分析，將水分利用效率由原來的umol/mmol轉換為g/g，將Fc的單位由mg/m2·s轉換為10-5 mol/m2·s。水分利用效率的長期變化受生育期的影響較小，而主要受環(huán)境因子的影響。圖5b是在吐絮期中后期Fc與相應的水分利用效率的線性回歸分析。吐絮期Fc與水分利用效率亦有較好的相關性，且此時多為正值。此時作物的需水量較大，光合過程對太陽輻射能力也的程度高，因為此時棉花的光能利用系數(shù)最大，凈光合生產(chǎn)率最高，葉面積大（每公頃3～4萬m2左右）[15-16]。進入吐絮后期光能利用能力則驟降，光合作用不敷呼吸消耗[17-18]，能量效率急劇降低，這時棉鈴的增長主要依靠莖葉中積累的干物質轉移而來。

3 結論

（1）通過渦度相關技術測定的棉田冠層上方的CO2具有明顯的日變化特征，日變化表現(xiàn)為白天負夜間正、開口向上的拋物線形式，一天中最低值出項在正午前后。在不同的生育期的CO2不盡相同，這主要與出于不同生育期棉花光合同化CO2能力有關。

（2）以渦度相關通量觀測數(shù)據(jù)為基礎，得到棉花碳、水循環(huán)的重要指標即水分利用效率，其日變化特征隨生育期的不同而不同。蕾期水分利用效率表現(xiàn)為早上8∶00最高，此后逐漸下降，午后16∶00時開始迅速下降的日變化趨勢，花鈴期水分利用效率相比蕾期日變化幅度增大，吐絮期水分利用效率的變化呈現(xiàn)平緩的特征，這與棉花的生育期變化有關。

（3）利用渦度相關技術，可以對所需的能量和質量通量（碳、水）進行直接測定，進而分析水分利用效率的規(guī)律，了解棉田水循環(huán)的特征，更好地促進棉花生產(chǎn)產(chǎn)量和質量的提高。

參 考 文 獻

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（責任編輯：夏劍萍）