淮河流域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能量變化特征及閉合率分析

謝五三 段春鋒,3 田紅

（1 安徽省氣候中心，合肥 230031；2 安徽省氣象科學(xué)研究所/大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031；3 壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái)/中國(guó)氣象局淮河流域典型農(nóng)田生態(tài)氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地，壽縣 232200）

0 引言

全球變化的區(qū)域響應(yīng)以及地表變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)氣候的影響均是通過(guò)大氣邊界層過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的[1-2]。近年來(lái)，近地層通量的觀測(cè)研究被越來(lái)越多的國(guó)家和國(guó)際組織所重視[3]，其中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水熱通量的研究是熱點(diǎn)之一，主要包括農(nóng)田下墊面的湍流結(jié)構(gòu)和能量交換特征，以及以水汽和CO2為主的各種氣體組分的通量輸送規(guī)律等[4-5]。生態(tài)系統(tǒng)的能量平衡是系統(tǒng)水熱耦合過(guò)程研究的基礎(chǔ)，也一直是農(nóng)田生態(tài)、農(nóng)業(yè)氣象和自然地理等學(xué)科研究的重點(diǎn)問(wèn)題[6]。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，凈輻射與農(nóng)田蒸散、土壤熱通量、空氣熱交換以及極少部分儲(chǔ)存的光合能相平衡[7]，近地層農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能量平衡特征及閉合率對(duì)農(nóng)田下墊面區(qū)域上大氣邊界層的動(dòng)力、熱力結(jié)構(gòu)，多圈層相互作用過(guò)程中各種能量、物質(zhì)交換等研究具有重要意義[8]。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，能量閉合是指渦度相關(guān)儀器直接觀測(cè)的顯熱通量和潛熱通量與有效能量（土壤熱通量、凈輻射通量、冠層熱儲(chǔ)量三者之和）之間的平衡[9]，針對(duì)不同類(lèi)型的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其能量平衡及閉合率特征進(jìn)行了一系列研究，如吳東星等[10-11]對(duì)華北平原和黃淮海平原典型冬小麥農(nóng)田、李陽(yáng)等[12]對(duì)低丘紅壤區(qū)集水區(qū)和田塊、吳錦奎等[13]對(duì)黑河中游間作灌溉農(nóng)田、安東等[14]對(duì)密西西比地區(qū)農(nóng)田、叢宏斌等[15]對(duì)玉米秸稈地以及田紅等[16-20]對(duì)壽縣稻麥輪作等農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行大量研究并取得系統(tǒng)性成果。

淮河流域是我國(guó)的重要農(nóng)業(yè)區(qū)之一，該地區(qū)代表東亞季風(fēng)區(qū)的主要?dú)夂驐l件和生態(tài)環(huán)境狀況，又是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的典型區(qū)域之一，因而研究該區(qū)域的能量變化特征及閉合率具有重要意義。壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái)地處淮河中游南岸，屬亞熱帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候類(lèi)型，壽縣近地層通量觀測(cè)場(chǎng)在2007年7月至2013年4月期間位于九龍觀測(cè)站，在2013年5月至今位于窯口觀測(cè)站，兩個(gè)觀測(cè)站下墊面均為平坦、開(kāi)闊、一致的農(nóng)作物種植區(qū)，一年兩熟，稻麥輪作，基本代表了淮河流域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。根據(jù)觀測(cè)資料的連續(xù)性、一致性和缺測(cè)率等因素，本文以壽縣九龍觀測(cè)站為代表站，運(yùn)用2007年7月至2013年4月連續(xù)7年的觀測(cè)資料，選取通量觀測(cè)系統(tǒng)中的顯熱通量、潛熱通量、土壤熱通量以及輻射通量等觀測(cè)要素，分析能量變化特征及其閉合率，為淮河流域農(nóng)田下墊面各種能量、物質(zhì)交換的研究以及區(qū)域數(shù)值模式陸氣交換參數(shù)化的改進(jìn)等提供參考。

1 資料與方法

壽縣近地面層通量觀測(cè)系統(tǒng)由梯度觀測(cè)系統(tǒng)和湍流觀測(cè)系統(tǒng)組成。梯度觀測(cè)系統(tǒng)由5 層溫度、風(fēng)速、濕度傳感器，5層鉑電阻地溫及土壤水分觀測(cè)傳感器，1 層氣壓、風(fēng)向傳感器、光合有效輻射傳感器、四分量長(zhǎng)、短波（向上、向下）輻射傳感器以及紅外地表溫度傳感器等組成。湍流觀測(cè)系統(tǒng)由紅外H2O/CO2分析儀和三維超聲風(fēng)溫儀等組成。主要儀器的基本技術(shù)性能見(jiàn)表1。

表1 壽縣通量觀測(cè)系統(tǒng)主要觀測(cè)儀器的基本技術(shù)性能Table1 Technical performance of main instruments in Shouxian flux observation system

根據(jù)中國(guó)氣象局《近地層通量觀測(cè)規(guī)范》[21]，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，包括數(shù)據(jù)完整性檢查、合理性檢查、一致性檢查、異常值剔除檢驗(yàn)以及WPL通量修正等，滿(mǎn)足研究需要。

波恩比（記為B）是Bowen于1926年提出的概念，將顯熱通量（H）除以潛熱通量（LE），它是表征下墊面能量分配的參數(shù)，反映由于下墊面干濕狀況而引起的熱量分配的變化，公式如下：

波恩比表明熱通量交換過(guò)程中潛熱通量和顯熱通量各自的作用。

輻射通量分為大氣向下長(zhǎng)波輻射（L）、地面向上長(zhǎng)波輻射（Lo）、向下短波輻射（S）、向上短波輻射（So）以及地表凈輻射（Rn） ，其中：

當(dāng)Rn為正值時(shí)，表明地面吸收的太陽(yáng)輻射大于發(fā)出的輻射，太陽(yáng)輻射占主導(dǎo)作用；Rn為負(fù)值時(shí)則相反，地面向上長(zhǎng)波輻射占主導(dǎo)作用。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，地表能量平衡方程可表示為：

式中：Rn為凈輻射，G為土壤熱通量，Sc為冠層熱儲(chǔ)能，Q為其他來(lái)源能量總和，H為顯熱通量，LE為潛熱通量。對(duì)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，Sc和Q可忽略不計(jì)，因而式（3）可簡(jiǎn)化為：

式中：右端即為有效能量、左端為湍流通量。能量平衡殘余量（Res）是指有效能量與湍流通量的差值，而將湍流通量與有效能量相除，即可得到能量閉合率（EBR），即：

2 熱通量變化特征

2.1 顯熱、潛熱通量日變化特征

淮河流域顯熱通量（H）的日變化特征見(jiàn)圖1a，由圖可見(jiàn)，H值具有明顯的日變化規(guī)律，呈單峰型結(jié)構(gòu)，日變化幅度較大。從年平均來(lái)看，H白天均為正值，夜間均為負(fù)值。H值在清晨日出前后（07：30）開(kāi)始由負(fù)轉(zhuǎn)正，而日出后太陽(yáng)輻射逐漸增大，溫度也隨之上升，大氣層結(jié)趨于不穩(wěn)定，H值迅速增大，直至正午左右（12：30 ），一般也是一天中溫度最高的時(shí)間點(diǎn)，大氣層結(jié)相對(duì)來(lái)說(shuō)最不穩(wěn)定，H也相應(yīng)達(dá)到日內(nèi)最大值（約為84.5 W/m2），之后隨著太陽(yáng)輻射的減小，H值也隨之減小，直至日落前后（17：00）轉(zhuǎn)為負(fù)值，夜間大氣層結(jié)相對(duì)穩(wěn)定，H值變化較小。從各季節(jié)平均來(lái)看，隨著季節(jié)的不同，峰值出現(xiàn)的時(shí)間略有不同，春季（3—5月）、夏季（6—8月）和冬季（12—2月）日最大值均出現(xiàn)在12：30左右，秋季（9—11月）日最大值出現(xiàn)在12：00左右。春季峰值最大（為105.5 W/m2）、秋季其次（為85 W/m2）、夏季最小（為70.5 W/m2）。各季節(jié)平均日變化幅度分別為118.5、78.0、92.5和84.5 W/m2，即春季最大，秋季次之，冬季第三，夏季最小。對(duì)于不同季節(jié)，H為正值的時(shí)間段也有所差別，由負(fù)轉(zhuǎn)正的時(shí)間分別為07：30、07：00、08：00和09：00，而由正轉(zhuǎn)負(fù)的時(shí)間分別為17：00、18：00、16：30和16：30，H為正的時(shí)長(zhǎng)分別為10、11.5、9和8 h，表明由夏季至冬季，H為正的時(shí)間逐漸縮短，而由春季至夏季，H為正的時(shí)間逐漸加長(zhǎng)。

潛熱通量（LE）的日變化特征見(jiàn)圖1b，由圖可見(jiàn)，LE日變化特征明顯，其值均為正，且白天的值遠(yuǎn)大于夜間。LE值大約從07：00開(kāi)始逐漸增大，至午后13：00左右達(dá)到最大值（約為166.7 W/m2），之后隨著太陽(yáng)輻射的減小，LE值逐漸減小，日落后大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定，LE值也趨于平穩(wěn)。從各季節(jié)平均來(lái)看，LE均為正值，在不同的季節(jié)，其峰值出現(xiàn)的時(shí)間也有所不同，夏季峰值大約出現(xiàn)在12：00 ，其他各季節(jié)峰值均出現(xiàn)在13：00左右；夏季峰值最大（為253 W/m2）、春季和秋季峰值次之（分別為225和145 W/m2）、冬季峰值最小（為60 W/m2）。春、夏、秋季由于降水較多，其LE值遠(yuǎn)大于冬季。四個(gè)季節(jié)平均日變化幅度分別為220、248、141和58 W/m2，即夏季＞春季＞秋季＞冬季。以上是針對(duì)所有資料進(jìn)行綜合分析，得到的是平均狀態(tài)下的顯熱、潛熱通量日變化特征，然而對(duì)于特殊的天氣類(lèi)型，顯熱、潛熱通量受到云、降水等因素的影響，呈不規(guī)則分布。

圖1 顯熱通量（a）和潛熱通量（b）日變化Fig. 1 Daily variation of sensible heat flux (a) and latent heat flux (b)

2.2 顯熱、潛熱通量月變化特征

H從1月開(kāi)始逐漸增加，6月達(dá)到最大值，其中6月上旬達(dá)到峰值，約為59 W/m2，之后開(kāi)始下降，8月和9月多在10 W/m2以下。10月又明顯增加，10月上旬達(dá)到一年中次高峰，約為33 W/m2，之后又明顯下降（圖2a）。6月和10月H出現(xiàn)峰值與相應(yīng)時(shí)段的下墊面變化有直接聯(lián)系，6月和10月下墊面分別處于水稻收割到小麥分蘗期前和麥?zhǔn)崭詈蟮穆愕兀愕叵聣|面土壤較干燥，空氣濕度小，H均有十分明顯的增大。

圖2 顯熱通量（a）和潛熱通量（b）月變化Fig. 2 Monthly variation of sensible heat flux (a) and latent heat flux (b)

LE從1到5月快速地增大，在5月初達(dá)到峰值，約為132 W/m2；之后5—6月有著明顯的下降，6月上旬末只有25 W/m2；6月LE突然下降與H的突然增加均與下墊面處于小麥?zhǔn)崭詈蟮穆愕赜嘘P(guān)。7—8月明顯增加，8月初達(dá)到峰值，約為151 W/m2，之后又迅速下降，總體呈現(xiàn)M型（圖2b）。

2.3 顯熱、潛熱通量年變化特征

本文所用的資料為壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái)2007年7月—2013年4月連續(xù)7年的觀測(cè)資料，由于2007年和2013年資料不完整，在分析各通量年變化特征時(shí)，選取2008—2012年共5年完整的資料。各年（2008—2012年）年均顯熱通量分別為14.1、13.8、16.4、20.1和18.6 W/m2，總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，線性趨勢(shì)系數(shù)為1.54，即平均每年增加1.54 W/m2。各年（2008—2012年）年均潛熱通量分別為58.3、58.4、58.0、54.5和43.1 W/m2，總體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，線性趨勢(shì)系數(shù)為-3.44，即平均每年減小3.44 W/m2。

2.4 波恩比變化特征

圖3a為淮河流域波恩比日變化圖，由圖可見(jiàn)，波恩比存在明顯的單峰型日變化特征。從年平均來(lái)看，07：30—17：00，波恩比＜1，LE占主導(dǎo)。波恩比在中午11：30左右達(dá)到日最大值，為0.53。夜間H為負(fù)值，波恩比也為負(fù)值。在02：00左右達(dá)到最小值-1.1，在晝夜交替時(shí)段（07：30和17：00）的波恩比絕對(duì)值則最小，接近于0。從各季節(jié)平均來(lái)看，白天冬季的波恩比峰值在各季中最大（達(dá)1.3），表明冬季熱通量交換過(guò)程以H為主，其他季節(jié)波恩比小于1，LE占主導(dǎo)地位；春秋季波恩比峰值大于夏季，分別為0.51和0.62；夏季峰值最小，為0.35。在特殊天氣狀況下，顯熱、潛熱通量受到云、降水等因素的影響，日變化呈不規(guī)則分布，波恩比也呈不規(guī)則分布。

圖3 波恩比的日（a）、月（b）變化Fig. 3 Daily variation (a) and monthly variation (b) of Bowen ratio

年平均波恩比為0.43，表明LE是淮河流域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)下墊面吸收能量的主要消費(fèi)者。一年中，1月、6月和11月初波恩比大于1（圖3b），表明H是下墊面吸收能量的主要消費(fèi)者。前者主要是由于1月降水是一年中最少的月份，LE也很??；后者主要是由于6月和11月初下墊面為裸地而引起。其余時(shí)間波恩比均小于1，隨氣候狀況的不同而波動(dòng)變化，說(shuō)明LE是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)下墊面吸收能量的主要消費(fèi)者。各年（2008—2012年）年均波恩比分別為0.36、0.38、0.59、0.68、0.39，總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，線性趨勢(shì)系數(shù)為0.0367。

2.5 土壤熱通量變化特征

土壤熱通量（G）是地表能量平衡的重要組成部分，為能量平衡分析中關(guān)鍵所在，G為正值，表明能量由地表向土壤深層傳導(dǎo)，G為負(fù)值則表明能量由土壤深層向大氣傳導(dǎo)?；春恿饔蛲寥罒嵬烤哂忻黠@的日變化特征（圖4a），且呈單峰型結(jié)構(gòu)，白天為正，夜間為負(fù)，且絕對(duì)值白天大于夜間，說(shuō)明G從深層向大氣傳導(dǎo)較弱，而由地表向深層傳導(dǎo)相對(duì)較強(qiáng)。年平均上，08：30左右由負(fù)轉(zhuǎn)正，13：00左右達(dá)到最大值，為45 W/m2，18：00左右由正轉(zhuǎn)負(fù)。對(duì)于不同的季節(jié)，正、負(fù)值轉(zhuǎn)化的時(shí)刻也有所不同，春、夏、秋、冬各季節(jié)由負(fù)轉(zhuǎn)正的時(shí)刻依次為08：30、08：00、09：30和10：30，由正轉(zhuǎn)負(fù)的時(shí)刻分別為19：00、18：00，17：00，17：30；夏季G的日變化峰值出現(xiàn)的最早，在12：30左右，其次為春季和秋季，峰值出現(xiàn)在13：00左右，冬季最晚，峰值出現(xiàn)在14：00左右。春季G的峰值最大，達(dá)62 W/m2，其次為夏季和秋季，分別為57和35 W/m2，冬季峰值最小，為27 W/m2。四季的季平均日變化幅度分別為78，73，55和44 W/m2，即春季＞夏季＞秋季＞冬季。土壤熱通量年內(nèi)分布呈現(xiàn)為明顯的單峰型分布（圖4b）。從1月逐漸增大，5月達(dá)到最大，之后又逐漸減小，12月達(dá)到最小。1月、9—12月土壤熱通量為負(fù)值，2—8月為正值。各年（2008—2012年）年均土壤熱通量分別為0.003、-0.083、2.647、0.405和7.710 W/m2，總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，線性趨勢(shì)系數(shù)為1.59，即平均每年增加1.59 W/m2。

圖4 土壤熱通量的日（a）、月（b）變化Fig. 4 Daily variation (a) and monthly variation (b) of soil heat flux

3 輻射通量變化特征

3.1 輻射通量日變化特征

圖5為淮河流域各輻射分量的日變化圖，由圖可見(jiàn)，除L日變化幅度較小外，其他各輻射分量和Rn均具有明顯的日變化特征，均呈單峰型分布，日間變化較大，夜間相對(duì)穩(wěn)定。由整個(gè)觀測(cè)期總平均的日變化可見(jiàn)，S、So和Rn均在12:30左右達(dá)到極值，其值分別為520.9、77.8和372.4 W/m2；而Lo滯后約l h，在13：30左右達(dá)到最大值（434.1 W/m2），L相對(duì)更晚，約在14：30左右達(dá)到最大值（364.9 W/m2）。

S在各季的日變化幅度最大，其中春季峰值最大，夏季次之，冬季最小，春、夏、秋、冬四季的極大值分別為620、573、481和394 W/m2。So在各季節(jié)的日變化趨勢(shì)與S基本一致，各季日平均極大值分別為92、80、74和61 W/m2，春季峰值最大，夏季次之，冬季最小。L在各季的日變化幅度均很小，春、夏、秋、冬四季的季平均日變化幅度分別為22、21、14和10 W/m2，四季最大值分別為353、438、370和290 W/m2，夏季峰值最大、秋季次之、冬季最小。Lo在各季的日變化明顯，四季的季平均日變化幅度分別為75、50、57和55 W/m2，春、夏、秋、冬最大值分別為436、487、439和366 W/m2，夏季峰值最大，春秋季次之，冬季最小。

Rn的日變化特征明顯，白天Rn為正值，太陽(yáng)輻射起主導(dǎo)作用；而夜間無(wú)太陽(yáng)輻射，Rn為負(fù)值，地面向上長(zhǎng)波輻射起主導(dǎo)作用；春、夏、秋、冬四季凈輻射的日變化最大值分別為449、443、338和249 W/m2，春季峰值最大，夏季次之，冬季最??；四季Rn的季平均日變化幅度分別為489、472、375和291 W/m2，春季最大，夏季次之，冬季最小。

3.2 輻射通量月變化特征

整個(gè)觀測(cè)期輻射通量各分量年內(nèi)的逐月變化（圖6）表明：各個(gè)輻射值呈現(xiàn)單峰型的年變化特征，變化幅度各不相同。就整個(gè)觀測(cè)期總平均而言，Lo總平均值最大，為395 W/m2，L次之，為351 W/m2，S為148 W/m2，Rn為79 W/m2，So最小，為23 W/m2；且各輻射分量均為正值，Rn亦為正值，表明S是輻射平衡的主要貢獻(xiàn)項(xiàng)。

S在1—5 月逐漸增大，5 月達(dá)到最大，為213 W/m2，6—12月S呈逐漸減小趨勢(shì)，由于水汽和云的影響，S最大值出現(xiàn)在5月，而L在7月達(dá)到極值。So在1—5月逐漸上升，6—7月明顯下降并穩(wěn)定在20～30 W/m2，8月以后迅速下降。第一個(gè)峰值出現(xiàn)在4月，第二月峰值出現(xiàn)在8月。6—7月的突然下降可能是由于So與下墊面植被狀況及土壤濕度有關(guān)，6—7月是淮河流域降水最為集中的時(shí)期。L和Lo年內(nèi)變化較為相似，呈現(xiàn)明顯的單峰型分布，1月最小，分別為274和320 W/m2，7月最大，分別為434和463 W/m2。Rn在1—5月迅速增加，6月有所下降，7月后迅速減小。1月最小，為25 W/m2，5月最大，為131 W/m2，7月次之，為125 W/m2。

圖5 向下短波（a）、向上短波（b）、向下長(zhǎng)波（c）、向上長(zhǎng)波輻射分量（d）和凈輻射（e）的日變化Fig. 5 Daily variation of downward shortwave (a), upward shortwave (b), downward longwave (c), upward longwave radiation (d) and net radiation (e)

3.3 輻射通量年變化特征

向下短波、向上短波、向下長(zhǎng)波、向上長(zhǎng)波輻射分量和凈輻射年變化特征見(jiàn)圖7，由圖7可知，各個(gè)輻射分量和凈輻射的線性趨勢(shì)系數(shù)均為正值，由高到低分別為向下長(zhǎng)波輻射L（2.75）、向上長(zhǎng)波輻射Lo（2.02）、凈輻射Rn（1.93）、向下短波輻射S（1.31）、向上短波輻射So（0.42），表明各個(gè)輻射分量和凈輻射均呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢(shì)，其中向下長(zhǎng)波輻射L上升幅度最大，而向上短波輻射So上升幅度最小。

4 能量閉合率

圖8a為淮河流域能量平衡殘余量（Res）的平均日變化圖，由圖8a可以看出，Res的日變化呈明顯的單峰型分布特征，其值在白天06：30左右由負(fù)轉(zhuǎn)正，之后逐漸增大，至11：00左右達(dá)到日最大值（約為95 W/m2），之后逐漸減小，在15：30左右轉(zhuǎn)為負(fù)值，至18：00左右達(dá)到日最小值（約為37 W/m2），總體來(lái)看，白天能量殘余量大于夜間。殘余量的存在表明湍流通量和有效能量不相等，也即能量是不閉合的。從能量平衡殘余量的月變化來(lái)看（圖8b），4月和5月為負(fù)值，表明觀測(cè)湍流通量大于有效能；3月和6月接近于0；其他月份為正值，表明有效能大于湍流通量。從四季來(lái)看，殘余量春季最小，夏季次之，而秋季最大。

利用觀測(cè)資料，計(jì)算淮河流域有效能量（Rn-G）和湍流通量（LE+H）線性回歸的關(guān)系式如下：（LE+H）=（Rn-G）×0.9943-3.6819，復(fù)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.905。線性回歸線基本均在1:1線以下，說(shuō)明湍流通量小于有效能量，并且能量通量越小的時(shí)候，兩者越接近，表面渦度相關(guān)儀器直接觀測(cè)的湍流能量有被低估趨勢(shì)（圖9）。

圖6 向下短波（a）、向上短波（b）、向下長(zhǎng)波（c）、向上長(zhǎng)波輻射分量（d）和凈輻射（e）的月變化Fig. 6 Monthly variation of downward shortwave (a), upward shortwave (b), downward longwave (c), upward longwave radiation (d) and net radiation (e)

整個(gè)觀測(cè)期間（包括白天和夜間），能量平衡比EBR平均為94%，即是全天的能量平衡比，閉合率相對(duì)較好；白天和夜間分開(kāi)計(jì)算可知，白天的能量平衡比為84%，夜間相對(duì)較差，僅為47%，白天能量平衡比明顯優(yōu)于夜間，這與湍流混合強(qiáng)度有很大關(guān)系，白天湍流較強(qiáng)，有利于能量閉合，而夜間湍流減弱，能量閉合率下降，早晨日出和傍晚日落時(shí)間段，由于有效能量（Rn-G）接近于零，導(dǎo)致能量平衡比EBR變化非常劇烈。從各月和四季來(lái)看，能量閉合率5月最大，12月最?。淮杭咀畲?，夏季次之，冬季最小?？傮w來(lái)看，淮河流域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能量存在不閉合現(xiàn)象，但其閉合率相對(duì)較高，表明通量觀測(cè)系統(tǒng)資料質(zhì)量較好，代表性和可靠性強(qiáng)。

圖7 向下短波、向上短波、向下長(zhǎng)波、向上長(zhǎng)波輻射分量和凈輻射的年變化Fig. 7 Annual variation of downward shortwave, upward shortwave, downward longwave, upward longwave radiation and net radiation

圖8 能量平衡殘余量的日（a）、月（b）變化Fig. 8 Daily variation (a) and monthly variation (b) of residual energy balance

圖9 湍流通量和有效能之間的關(guān)系Fig. 9 The relationship between turbulent flux and effective energy

5 結(jié)論與討論

1）淮河流域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)顯熱通量呈單峰型日變化分布，白天為正，夜間為負(fù)。潛熱通量同樣呈單峰型結(jié)構(gòu)，且均為正值。顯熱通量和潛熱通量在月變化上均呈現(xiàn)M型雙峰結(jié)構(gòu)。顯熱通量年變化總體呈增加趨勢(shì)，而潛熱通量總體呈減小趨勢(shì)。顯熱和潛熱通量的分布特征與日照密切相關(guān)，同時(shí)受云、降水等多種因素的影響。波恩比日變化呈明顯的單峰型結(jié)構(gòu)，年平均波恩比為0.43，且總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。土壤熱通量日變化呈單峰型分布，白天為正，夜間為負(fù)；月變化亦呈單峰型分布，5月最大，12月最小，總體呈現(xiàn)增加的年變化趨勢(shì)。

2）向下短波輻射日變化幅度最大，白天大夜間小，向上短波輻射日變化趨勢(shì)與其基本一致。地面向上長(zhǎng)波輻射日變化幅度大于大氣向下長(zhǎng)波輻射，而大氣向下長(zhǎng)波輻射日變化幅度相對(duì)較小。凈輻射的日變化特征明顯，夜間為負(fù)，白天為正，中午達(dá)到最大。各個(gè)輻射分量和凈輻射均呈現(xiàn)單峰型月變化特征，變化幅度各不相同，地面向上長(zhǎng)波輻射總平均值最大，大氣向下長(zhǎng)波輻射次之，其次為向下短波輻射和凈輻射，向上短波輻射最小，各輻射分量和凈輻射均為正值。年變化上，各個(gè)輻射分量和凈輻射均呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢(shì)。

3）能量平衡殘余量日變化呈單峰型分布，白天為正，夜間為負(fù)，殘余量的存在表明有效能量和湍流通量是不相等的，能量平衡存在不閉合特征。有效能量和湍流通量線性回歸線基本在1:1線以下，表明湍流通量小于有效能量。能量平衡比平均為94%，白天明顯優(yōu)于夜間；5月最大，12月最?。淮杭镜哪芰块]合率最大，其次是夏季，冬季最小?？傮w來(lái)看，能量閉合率相對(duì)較高，通量觀測(cè)系統(tǒng)資料質(zhì)量是可靠的。

從理論上說(shuō)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能量應(yīng)是閉合的，但在實(shí)際觀測(cè)中，由于多種因素影響，計(jì)算出的能量存在不閉合，淮河流域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)也是如此，導(dǎo)致能量不閉合的因素可能有：①儀器測(cè)量誤差，主要包括技術(shù)性誤差、儀器自身系統(tǒng)誤差以及數(shù)據(jù)處理造成的誤差等，儀器的不準(zhǔn)確標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的不規(guī)范直接影響能量平衡閉程度，對(duì)儀器的交叉標(biāo)定和確保數(shù)據(jù)采集器的正常運(yùn)行可以減少能量平衡閉合研究的不確定性[22]；②能量平衡各分量（Rn，G，H，LE）觀測(cè)的高度和時(shí)空尺度有差異，測(cè)量面積的不匹配等因素可能給能量閉合帶來(lái)誤差[8]；③忽略了其他能量吸收項(xiàng)而造成的誤差，例如土壤熱通量板上層土壤的熱儲(chǔ)量、冠層熱儲(chǔ)量中植被的熱儲(chǔ)量、植物的光合耗能等能量吸收項(xiàng)未加以考慮，給有效能量的估算帶來(lái)誤差[9]；④垂直平流造成的誤差，在渦度相關(guān)技術(shù)通量觀測(cè)中，認(rèn)為垂直平流可以通過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)使得垂直風(fēng)速為零而被忽略，然而垂直風(fēng)速和垂直平流不為零是真實(shí)存在的，因而造成了誤差[23]；⑤高頻與低頻湍流通量損失造成的誤差，湍流通量由于低通濾波的作用和高通濾波的作用而被低估，此外，超聲風(fēng)速儀和紅外氣體分析儀的空間分離也會(huì)充當(dāng)?shù)屯V波的角色造成高頻損失等[24]?；春恿饔蜣r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能量不閉合主要是由哪方面因素造成的？各影響因素對(duì)能量不閉合的貢獻(xiàn)如何？這有待于進(jìn)一步研究。