湖北林業(yè)科技
Hubei Forestry Science and Technology
第49卷第6期2020年12月
Vol. 49,No. 6Dec. ,2020
渦度相關(guān)在估算棉田水分利用效率上的應(yīng)用
浩宇⑴楊承睿⑴張雪松⑵
(1陜西省突發(fā)事件預警信息發(fā)布中心西安710014'.南京信息工程大學應(yīng)用氣象學院南京210044)
摘 要：以華北平原棉花農(nóng)田尺度為研究對象，以中科院禹城綜合觀測站的渦度相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究棉花蕾期、花鈴
期、吐絮期瞬態(tài)的CO?通量和熱通量日變化特征，在此基礎(chǔ)上計算農(nóng)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(guān)系，還討論了水分利用效率的影響因子。結(jié)果表明，在無水分脅迫下CO?日變化為
U 型，其中正午 為一個谷值區(qū)，此后CO 2又逐漸增大。棉花的水分利用效率日變化趨勢為早上較大$&0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 CO 2/mmol HO，蕾期為 18 6?121. 2 umol CO 2/mmol HO，吐絮期為42. 5?124. 5 umol CO 2/mmol H 2O %利用渦度相關(guān)技術(shù)，可以對所需的能量
和質(zhì)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(zhì)
量的提高％
關(guān)鍵詞：棉花；渦度相關(guān)；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
The Application of Eddy Covariance in Estimating Water U Efficiency of Cotton Fields
Hao Yu ⑴ Yang Chengrui !) Zhang Xuesong !)
(1 & Shanxi Emergency Early Warning Information Relea Center Xi'an '10014；
2. School of Applied Meterorology,Nanjing University of Information Teachnology Nanjing 2 004 4)
Abstract : The article take the scale of cotton fields in the north China plain as the rearch object. Ad, the article is bad on
the data of latent and nsible 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 ba of estimating water u efficiency of cotton fields. Then we will discuss the diurnal,asonal variation in water ue f iciency ,andwewi l alsoanalysis h eimpac
f ac o rsofwa *e rue f iciency.Theresulsshow *h a **hediurnalvariaionof
CO2 is a U style in the abnce of water stress. At noon, there is a valley area, thereafter CQ fluxes gradually incread. The diur -nal variation tendency of water u efficiency in cotton fields is compuratively lager, and it reached the lagest number at about
8 ：00, then it decread. The water u efficiency of cotton also has an obvious asonal v
ariation. Making a comparison in difeent
grow *h periods $weconclude h a **hewa *e rue f iciencyofflowerandbo l s a geis *h ehighes $whichis 79.2?142.7umolCO 2/
mmolH2O,the water u efficiency of boll stage is 18. 6?121.2 umolCQ/mmolHsOand the water u efficiency of boll opening sageis 42.5?124.5umolCO 2/mmolH 2O.
Key words : cotton ； eddy covariance ； water u efficiency ； latent heat flux ； nsible heat flux ；CO 2 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(nóng)業(yè)是占據(jù)首位的用水大戶，
如何節(jié)約農(nóng)用水，提高水分利用率——(水分利用
效率,Water U 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(guān)鍵。近年來渦度相關(guān)技術(shù)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(nèi)陸地區(qū)及華 北黃河流域地區(qū)具有典型代表性。開展農(nóng)田生態(tài)
系統(tǒng)尺度的作物水分利用效率的相關(guān)估算工作，這
收稿日期"019-07-31
第6期浩宇，等：渦度相關(guān)在估算棉田水分利用效率上的應(yīng)用27
有助于了握以渦度相關(guān)為代表的新技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，并為進一步研究評價植合作用與蒸騰作用的關(guān)系，加深對生態(tài)尺量傳輸及碳、水循環(huán)的理解和認識奠定基礎(chǔ)。
1材料和方法
本文使用2017年山東禹城站渦度相關(guān)技術(shù)獲得的棉花渦度相關(guān)通量觀測資析、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。
地通量的測定和計算，大多是以梯度一擴散理論為基礎(chǔ)。墊大于中結(jié)狀況下！替熱、動量通量式表:
1E=!zv"v f H=paCp@T'#'p a@3
式中LE為潛熱通量密度(W/m2),H為感熱通量密度(W/m2),#為動量通量密度(W/m2) C(°C)、p A(g/n?)(m/s)和u(m/s)為近地面大氣湍流運動的、濕度、風速的脈動量！a為密度(g/m3)"p為
比熱(J/kg?K)!為水的汽化潛熱(J/g)。
渦度相關(guān)法的理論假少！寸湍流交換系數(shù)、風廓線的形狀浮力的影響等都沒有的假設(shè)。隨著計算機及其相關(guān)測量技術(shù)的高速發(fā)展，方被推廣應(yīng)用，目前被認為是墊面通量最好的方，甚至被認為是檢驗方法的“標準”%&。渦度相關(guān)觀測的通量數(shù)據(jù)在使'進行數(shù)據(jù)篩選和插值。此外，還要進行相關(guān)的能量閉析。
2結(jié)果與分析
2.1能量閉合評價
能量閉合度是評價農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能量平衡狀況的重標，能量閉計算采用“RMA”法%2，根據(jù)第律和渦度相關(guān)觀測的基本假設(shè)，通驗?zāi)芰块]合程度，可以評價利用渦度相關(guān)技觀測得到的數(shù)據(jù)的可信量。生態(tài)中既沒有被儲存，也沒有被傳遞到地表的那部量與大氣中和的湍流交換，這部量被稱為湍流能量%，根據(jù)能量方程有:
可利量=Rn-G=H+LE
以可利量(Rn-G)為自變量，湍流能量#+LE)為應(yīng)變量，用直線回歸方程擬合得：量平衡閉合狀況:y'0.7264乂,r=0.81,n=38520圖1表示禹城站棉花生育期內(nèi)農(nóng)田能量平衡閉合狀況，得出棉花能量閉合程為80%，閉合程度較高%4。
(
Z
U
V
M
X
+
UJ7
700n
600-
500-
400-
300-
200-
100-
0-
-100-
-200-
-300-
y=0.7264x
R2=0.8147,n=3852
-300-200-1000100200300400500600700
Rn-G(\N/m2)
圖1棉花生育期內(nèi)能量平衡閉合狀況
2.2CO2通量的日變化規(guī)律
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！，白天通量值為負! 11：30達到最低，為一15.3528mg/m2?s。夜間，CO2通量為正值。由于日出后棉花的作用慢慢增強，向下的通量增大大值，在曲線上表現(xiàn)為中午時分，隨著的升'能“光合午休“現(xiàn)象，同時呼吸作快，也會減緩CO2吸收，以至在12:00CO2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又出現(xiàn)增大！爭速率回升,CO?向下通量增大到一個次低谷值，13:00 !，光合速率下降，同化作用開始下降! CO2量開，曲線開升。
4
2^>^
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*5
圖26?8月間CO2
通量平均日變化
28湖北林業(yè)科技第49卷
圖3是不同生育期內(nèi)CO2通量的日變化特征，在不同的生育期的CO?不盡相同，這主要與出同生育期
棉花同化CO2有關(guān)。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！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、、光照的都很高，光合同化作，圖中表現(xiàn)為明顯的“低谷”；進入吐絮期，棉花的需水量大大減少，葉片衰老，光合同化作用乂，但谷是明顯的。從蕾期到花鈴期，棉花的生理活動升階段，從花鈴期到吐絮期，由于棉花已進入成熟期，由于葉綠素衰老避免，所以其CO2同化作用比花鈴期「6&。
23水分利用效率的變化規(guī)律
利用渦度相關(guān)法測定的瞬時CO2通量（F c）相當于凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力NEP（—F c），蒸散量（ET）是LE與1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=玫？丁％o
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，三點線代表吐絮期的變化。比較不同時期的水分利用效率，花鈴期的利用效率最高，在79.2?142.7umol CO2/mmol H2O，蕾期為186?121.2umol CO2/mmol H2O，吐絮期為42.5?124.5umol CO2/mmol H2O o
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，即在前后期才、，中間大。這是因為在生長前期作物矮小，發(fā)育不完全, !，作物的作，所以co2通量，在生長中期，由于作物生長旺盛，葉片也比較多！作！CO2通量也比較大「810&。生長晚期棉花葉綠素的衰老，所以CO2通量很快乂降下來!同時水分利用效率也明顯減弱。再與不同生育期量進行對比，見表2-1o花鈴期量最大，葉片蒸騰，需水量急劇增加，棉花生長旺盛，生理活動佳狀態(tài)，利用效率大。在蕾期，棉花生育發(fā)育不完
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，生理衰退，水分利效率比花鈴期比蕾期要高％-14&o
表2-1棉花不同生育期需水量的百分比
生育期期蕾期花鈴期吐絮期比（％）1512?2045?5010?20
圖4不同生育期水分利用效率的日變化
24水分利用效率的長期變化分析及其與Fc的關(guān)
圖5a是Fc與相應(yīng)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(zhuǎn)換為g/g，將Fc的單位由mg/W?s轉(zhuǎn)換為10-5 mol/m2?S o水分利用效率的長期變化受生育期的影響較小，而主環(huán)境
因子的影響。圖5b是吐絮期中后期Fc與相應(yīng)的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(guān)性，且此時多為正值。此時作物的量較大！程對輻射的程，因為此時棉花的利大!凈生率!
葉大#3?4萬n?）「1516&。進入吐絮后期利則驟降，光合作用不敷呼吸消%718&，能量效率降低，這時棉鈴的增長主要依靠莖葉中積累的
。
第6期浩宇，等：渦度相關(guān)在估算棉田水分利用效率上的應(yīng)用
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水分利用效率與7c 的關(guān)系(不同時次)
圖5a 點?14點
M
r )
?8月11日□ 8月12日▲8月19日
X8月20日
圖5b 7c 與水分利用效率的關(guān)系(不同日期)
3結(jié)論
(1) 通過渦度相關(guān)技
的棉田 方的
CO 2具有明顯的日變化 !日變化表現(xiàn)為白天
負夜間正、開
的 線形式! 一天中 I 值
項在正午 。
同的生育期的CO2不盡相
同，這主要與
同生育期棉花 同化CO 2
有關(guān)。
(2) 以渦度相關(guān)通量觀 據(jù)為基礎(chǔ)，得到棉
花碳、水循環(huán)的重
標 利用效率，其日變
化
生育期的不同 同。蕾期 利用效
率表現(xiàn)為早上8 : 00
! 降，午后
16 : 00時開
速下降的日變化趨勢，花鈴期
利用效率相比蕾期日變化幅度增大，吐絮期
利
效率的變化呈 緩的 ，這與棉花的生育期
變化有關(guān)。
(3) 利用渦度相關(guān)技術(shù)，可以對 的能量和
量通量(碳、水)進行
，進 析 利
效率的規(guī)律! 了解棉田水循環(huán)的 ，更好地促
進棉花生
量
量的 ’
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(責任編輯：夏劍萍)
