冬小麦农田二氧化碳通量及其影响因素分析

以冬小麦农田为研究对象,利用涡度相关通量测量系统,测定了CO2通量及其影响因素。结果表明:冬小麦CO2通量存在明显的日、季变化,各生育时期CO2通量日变化均呈倒"U"型,CO2通量瞬时最高值和累积值在灌浆前期达到最大,抽穗期次之,返青期最低。潜热通量、显热通量、净辐射、光合有效辐射均与CO2通量呈极显著正相关。潜热通量与CO2通量的相关系数在0.920～0.955之间,苗期、拔节期和抽穗期相关性较高,灌浆期较低;显热通量与CO2通量的相关系数在0.801～0.953之间,拔节期相关性最高,苗期次之,抽穗期和灌浆期较低;净辐射与CO2通量的相关系数在0.879～0.967之间,苗期、拔节期和抽穗期较高,灌浆期较低;光合有效辐射与CO2通量的相关系数在0.910～0.953之间,冬小麦生育前期和后期光合有效辐射对CO2通量的影响小于生育中期。灌溉在一定程度上可以提高CO2通量。     

冬小麦农田尺度瞬态CO2通量与水分利用效率日变化及影响因素分析

以华北平原冬小麦农田尺度为研究对象,采用涡度相关技术,研究冬小麦灌浆期瞬态CO2通量日变化特征及其与农田热量平衡各分量的关系。结果表明,非水分胁迫下CO2通量日变化(负值表示通量指向冠层)为U型,群体净光合速率最高值为-1.2~-1.4mg/m2.s,夜间瞬态CO2通量呈非稳定变化,最高值达0.4~0.54mg/m2.s。白天时段内CO2通量与净辐射、潜热通量呈高度相关,8:00~15:30时段内CO2和水汽通量呈同步日变化趋势,水分利用效率处于稳定状态,瞬态水分利用效率基本维持在0.012~0.014g(CO2)/g(H2O)范围内;但早晨和傍晚时段内水分利用效率变化较大。     

半干旱风沙草原区草地潜热通量的特征

半干旱风沙草原区是北方的主要生态系统类型,对调节局地和全球气候具有重要意义.蒸散作为热量和水量平衡的重要分量,是该生态系统水分损失的主要途径,在水分平衡中占有重要地位.本文利用开路涡度相关系统和常规气象梯度观测系统对科尔沁半干旱风沙草原2007年9月1日-26日的蒸散量和微气象条件进行了观测,根据观测得到数据分析了观测系统的能量平衡闭合状况,探讨了潜热通量与气象因子之间的关系.结果表明,观测系统的能量平衡闭合度为82.7%,处于国内外同类观测闭合度范围的中上水平.30min的潜热通量与净辐射数据之间呈线性相关关系,潜热通量日变化特点是白天高于夜间,中午时刻最高,净辐射与潜热通量每日峰值同时出现,温度、饱和差的峰值比潜热通量峰值滞后2～3h,潜热通量峰值时刻的空气相对湿度处于一日内最低,此季潜热通量平均日总量为5.44MJ*m-2,相当于2.21mm蒸散量,潜热日总量与净辐射日总量呈指数关系.     

不同水分条件麦田能量与CO2通量变化特征研究

试验观测不同水分处理冬小麦田能量平衡各分量、反射率和CO2 通量日变化及日际变化特征结果表明 ,小麦拔节期麦田地表反射率平均值约为 0 .18,不同水分处理农田潜热通量和显热通量均有明显差异 ,晴朗天气冬小麦冠层顶部CO2 通量日变化呈抛物线形 ,麦田主要表现为CO2 的汇。     

苏南地区典型作物冠层阻力参数及潜热通量的模拟

准确测算和模拟农田潜热通量对农业生产有着重要意义。该研究基于波文比能量观测系统对苏南地区夏玉米和冬小麦生育期内潜热通量进行连续观测,采用Katerji-Perrier（KP）和Todorovic（TD）两种方法来确定Penman-Monteith（P-M）模型中冠层阻力参数,探究两种冠层阻力参数子模型的估算误差及成因。结果表明：冬小麦生育期内主要气象因子呈现相似变化趋势,净辐射日均值呈现出波动上升趋势。两种冠层阻力参数子模型对冬小麦潜热通量模拟均取得良好的模拟效果,模拟R2不小于0.84,纳什系数不小于0.86,但KP模型精度稍高于TD模型。KP模型对冬小麦和夏玉米潜热通量均有高估,而TD模型高估了夏玉米潜热通量,饱和水汽压差是影响KP和TD两种冠层阻力参数子模型误差的主要因素,且饱和水汽压差越大绝对误差越大。研究为当地农业用水管理提供科学依据。     

三江源地区冻土/非冻土期近地层能量平衡特征及其影响因子分析

利用三江源地区2018年1-12月涡动相关系统的观测数据,分析该地区冻土/非冻土期内各能量分项支出分配特征和能量平衡闭合率及其影响因子,以揭示其能量平衡特征。结果表明:显热通量、潜热通量、土壤热通量变化趋势与净辐射相似,且在年尺度、日尺度上具有典型的单峰型变化,但潜热通量、土壤热通量的峰值出现时间具有滞后性。非冻土期内,显热、潜热支出以及土壤吸收的热量占总能量的比例分别为0.38、0.37、0.10;而在冻土期内,上述各能量的支出比分别为0.54、0.19、-0.01。全年能量平衡闭合率为0.69,能量平衡闭合率在冻土期和非冻土期内分别为0.63、0.74。三江源地区冻土期内显热支出为主要能量消耗方式,且在该时段内影响能量平衡闭合率的因素主要是湍流动力因子;非冻土期的能量消耗方式为潜热和显热,热力和动力因子均对能量平衡闭合率产生影响。     

三江平原稻田能量通量研究

基于三江平原稻田2005~2007年5~10月涡度相关通量观测数据, 分析了该区稻田能量通量的日变化、季节变化和能量分配特征以及能量平衡状况。结果表明: 三江平原稻田净辐射和潜热通量日变化均表现为明显的单峰特征, 感热通量日变化在水稻发育进入成熟期后才较明显, 而土壤热通量在水稻整个发育期内日变化特征都不明显。稻田净辐射季节变化特征显著, 6月下旬至7月上旬达到最大值18~20 MJ·m^-2·d^-1。潜热通量季节变化与净辐射同步, 最大值为13~19 MJ·m^-2·d^-1。相比之下感热通量较小, 观测期间变化于-3.90~ 3.94 MJ·m^-2·d^-1, 且没有明显的季节变化。5~10月土壤热通量呈下降趋势, 变化于-2.67~3.62 MJ·m^-2·d^-1。三江平原地区稻田能量分配特征明显, 潜热通量占净辐射的比例(LE/Rn) 5~10月平均值为0.67, 表明净辐射大部分以潜热通量形式所消耗, 但生长旺季LE/Rn略大于生长季初期和末期。感热通量占净辐射的比例(Hs/Rn)的季节变化特征与LE/Rn比值相反, 观测期间平均值为0.10。这导致波文比在水稻生长旺季较小而在初期和末期较大。5~10月土壤热通量占净辐射的比例(G/Rn)呈逐渐下降趋势, 其月平均值由5月的0.14下降到10月的-0.08。线性回归法和能量平衡比率均表明三江平原稻田能量明显不闭合, 2005、2006年5~10月能量不闭合度分别为22%和16%, 而2007年能量“过闭合”, 能量平衡比率平均值为1.07。     

青海湖2种高寒嵩草湿草甸湿地生态系统水热通量比较

基于涡度相关技术,研究了2015年青海湖2种高寒嵩草湿草甸湿地生态系统水热通量的特征。结果表明:(1)2015年青海湖高寒藏嵩草和小嵩草湿草甸湿地生态系统日平均水汽通量分别为1.74,0.99mm,年水汽通量分别为633.3,362.1mm。(2)青海湖2种高寒嵩草湿草甸湿地生态系统感热、潜热和净辐射日变化均呈单峰曲线,感热和潜热月平均日变化最大值出现的时间均晚于净辐射。藏嵩草湿草甸湿地生态系统感热月均日变化最大值最大为179.06W/m~2,最小为46.02W/m~2;潜热最大为312.55W/m~2,最小为30.58 W/m~2;小嵩草湿草甸湿地生态系统感热月均日变化最大值最大为161.86 W/m~2,最小为31.60 W/m~2;潜热最大为215.44 W/m~2;最小为14.08 W/m~2。(3)通过波文比分析发现,2种高寒嵩草湿草甸湿地生态系统生长季能量分配以潜热为主,非生长季小嵩草湿草甸湿地生态系统能量分配以感热为主,藏嵩草湿草甸湿地生态系统则较为复杂。藏嵩草湿草甸湿地生态系统全年能量平衡率为0.82,小嵩草湿草甸湿地生态系统为0.89,增加土壤热通量项能改善能量平衡状况。     

密度修正对冬小麦/夏玉米轮作田潜热、CO2通量及其能量闭合度的影响

本文利用涡度相关技术对青岛农业大学现代农业科技示范园试验站2013—2014年冬小麦/夏玉米轮作田与大气之间CO_2、水汽和能量交换进行测量,分别对潜热和CO_2通量进行两种密度修正(WPL修正和Liu修正)并进行对比,计算了两种密度修正前后冬小麦/夏玉米轮作田的能量闭合度。结果表明:WPL修正与Liu修正可以提高潜热通量,WPL修正后夏玉米田潜热通量约提高6%,冬小麦田约提高2%;Liu修正后夏玉米田提高不足1%,冬小麦田提高约2%。因此WPL修正对于夏玉米田潜热的修正效果明显优于Liu修正,而对冬小麦田潜热修正两种方法效果相同。两种修正方法对于CO_2通量具有降低的修正效果,WPL修正后夏玉米田和冬小麦田CO_2通量分别降低3%和4%;Liu修正后夏玉米田和冬小麦田CO_2分别降低2%和3%。可以看出,WPL修正和Liu修正对CO_2通量修正前后差别非常小(差距均为1%)。通过对青岛地区冬小麦/夏玉米轮作田能量闭合度的分析,发现密度修正可以提高能量闭合度,但不同下垫面有不同的修正效果。裸地情况下,WPL修正可以提高能量闭合度约2.53%~9.76%,夏玉米田为4.05%,冬小麦田为1.35%;而Liu修正对裸地能量闭合度的提高小于2.53%,对夏玉米田和冬小麦田提高约为1.35%。显然WPL修正对于能量闭合度的修正幅度大于Liu修正。能量闭合度大小关系为裸地Ⅰ(夏玉米出苗前)裸地Ⅱ(冬小麦出苗前)夏玉米田冬小麦田。     

轮作稻麦田水热通量及影响因素分析

轮作稻麦田水热通量及影响因素研究可为田间灌水管理和作物高效用水提供依据。该文利用波文比能量平衡监测系统测定的轮作稻麦田的水热通量数据及通径分析方法,分析了2种不同农田的水热通量变化规律及影响因素。结果表明轮作稻麦田的水热通量呈单峰曲线日变化。能量主要被潜热通量所消耗,全生育期小麦田潜热通量占可供能量的比例为71%,而2016和2017年水稻全生育期潜热通量占可供能量的比例分别为106%和122%,表明水稻冠层吸收了感热通量以进行水分消耗。净辐射对轮作稻麦田潜热通量的影响主要为直接作用,而1.5 m高气温、饱和水汽压差和风速主要通过净辐射路径对潜热通量产生间接影响。水稻田潜热通量受净辐射的直接作用小于小麦田,而受饱和水汽压差的直接作用大于小麦田。水稻田各影响因子对潜热通量影响的间接作用比小麦田更大。     

呼伦贝尔草甸草原不同显热通量观测方法比较

显热通量（sensible heat flux，H）是反映地表湍流运动的重要参数，准确获取该参数对于区域内热量交换规律的认识和农业生产及水资源的有效管理具有重要意义。涡动相关仪（eddy covariance system，EC）和大孔径闪烁仪（large aperture scintillometer，LAS）是目前生态系统水热通量的主要测量手段，但两者观测范围的空间尺度存在差异。该研究以呼伦贝尔草甸草原生态系统为对象，通过对比分析两种方法观测的显热通量（H_LAS和H_EC）变化特征，对两者之间的差异（ΔH）及产生原因进行探究，并且定量研究了不同因子对ΔH的影响程度。结果表明，在不同时间尺度内，H_LAS和H_EC的变化趋势基本一致，显热通量主要受到净辐射的驱动作用，同时ΔH与净辐射存在正相关性；对应时刻H_LAS和H_EC之间线性回归方程斜率为1.13，拟合优度R²为0.81，说明大孔径闪烁仪在草甸草原区有着很好的适用性；EC能量平衡闭合程度会影响H_LAS和H_EC之间差异，剔除能量平衡闭合率（energy balance ratio，EBR）小于0.8的数据后，H_LAS和H_EC之间线性回归方程斜率减小至1.05，说明能量平衡闭合程度越高ΔH越小；净辐射（net radiation，R_n）、风速（wind speed，WS）、波文比（Bowen ratio，Bowen）和饱和水汽压差（saturated water vapor pressure difference，VPD）与ΔH之间相关性显著，是ΔH的主要气象环境因子；ΔH单个影响因子的解释能力从高到低依次为净辐射、风速、EC能量平衡闭合率、饱和水汽压差、波文比，任意两个不同影响因子之间均呈现双因子增强作用，解释能力较高的交互影响因子为净辐射/风速和风速/波文比。研究结果有利于准确理解LAS与EC显热通量观测过程中的空间尺度效应，同时可为区域尺度扩展和遥感地面验证过程中通量数据的质量控制提供科学参考依据。     

FACE条件下小麦冠层能量平衡和水分利用率的变化

本文利用中国开放式CO2浓度增高(Free-air CO2 Enrichment,简称FACE)系统平台,于2007年3月19日至5月24日小麦拔节至成熟期进行小麦冠层微气候及相关项目的连续观测,并结合能量平衡分析,研究中国FACE系统对小麦冠层能量平衡各分量的变化特征及水分利用率的影响.能量平衡分析结果表明,小麦冠层白天总显热通量FACE均高于对照,而总潜热通量FACE均低于对照,潜热通量FACE与对照的差异日最大值变化在-12～-63 W˙m-2之间,显热通量FACE与对照的差异最大值变化在12～78 W-m-2之间.能量平衡是小气候变化的根本,利用p-M方程反演出的冠层群体气孔导度与实测的气孔导度相关关系较好,证明能量平衡的计算结果及小气候观测数据基本正确.观测期间内模拟计算结果表明,CO2浓度升高使小麦的水分利用减小约25.5 mm,结合生物量的增加,FACE条件下小麦水分利用率增加约19%.     

Persistent effects of fire-induced vegetation change on energy partitioning and evapotranspiration in ponderosa pine forests

We compared energy fluxes between a site converted from ponderosa pine (Pinus ponderosa) forest to sparse grassland by a severe wildfire 10 years ago and a nearby, unburned forest. We used eddy covariance and associated instruments to measure total radiation, net radiation, albedo, and fluxes of energy into latent heat, sensible heat, and the soil. Total radiation, vapor pressure deficit, and air temperature were similar for each site. Compared to the unburned site, net radiation efficiency (net radiation/total radiation) was 30% lower and albedo 30% higher at the burned site. The magnitude of sensible and latent heats varied seasonally at both sites. Sensible heat was the major component of the energy balance in cold or dry seasons, whereas latent heat was the major component in the warm and wet season. Soil heat flux was the smallest in magnitude of the measured energy fluxes. Compared with the unburned forest, the burn-created grassland generally had lower sensible and latent heats, but greater soil heat flux for both soil cooling in winter and warming in summer. The grassland had similar maximum air temperature as the forest, and warmer surface soil temperature during the summer. Thus, the lower albedo and greater sensible heat of the forest did not produce a warmer site compared with the grassland, apparently because of the cooling effect of greater latent heat in the forest. Our results suggest only small changes in site air temperature, but larger changes in site surface soil temperature by shifts from forest to grassland caused by severe fire in northern Arizona ponderosa pine forests.     

双波长交互法测算华北人工林平均水热通量的应用分析

基于红外?微波闪烁仪方法（Optical-Microwave Scintillometer,OMS）,对华北低丘山地人工林生态系统进行热量通量观测,并比较OMS估算结果与涡动相关系统（Eddy Covariance,EC）观测结果的差异,分析OMS方法的估算结果对能量平衡的影响,探讨影响OMS观测结果的影响因子。结果表明,OMS系统观测的显热通量与EC观测结果具有良好的一致性,但观测的潜热通量比EC观测结果高估约28%。由于对潜热通量的高估,OMS系统在观测研究中存在过闭合现象,超出幅度约5%。分析认为,波文比、风速对OMS观测影响显著。OMS作为新兴的水热通量观测方法,可以直接同时测算出区域尺度水平上显热通量和潜热通量,缩短了采样间隔,统计不确定性减小,有助于更精确地测量热量通量,深入研究能量闭合问题。     

地表臭氧浓度升高对麦田水热通量的影响

臭氧(O₃)浓度升高危害小麦生长,现有研究尚不清楚推广新的小麦品种能否减缓O₃对籽粒产量、农田蒸散和水分利用效率的负面效应,且研究O₃浓度升高对麦田水分利用效率的影响对农业用水管理具有重要意义。本研究利用完全开放式O₃浓度升高平台（O₃-FACE）,通过连续观测农田小气候特征,结合能量平衡法分析O₃浓度升高对麦田水热通量、小麦籽粒产量和田间水分利用效率的影响。结果表明：O₃浓度升高显著降低了开花后第32天小麦旗叶的叶绿素含量,降低了乳熟–成熟期的麦田潜热通量平均值和正午峰值,但影响幅度较小。O₃浓度升高对麦田平均水热通量及其分配无显著影响,也未影响籽粒产量、产量组成和田间水分利用效率。不同于10年前江淮地区主推的扬辐麦2号、烟农19和嘉兴002等品种,当前推广的农麦88表现出极强的O₃抗性。在O₃浓度不断升高背景下,种植农麦88有助于减缓O₃浓度升高对田间蒸散和水分利用效率的影响。     

漓江上游山区复杂地形水热通量的时空变化规律

为了估算漓江上游农林经济的发展对决定地表微气候环境的水热通量的影响,计算山区复杂地形影响下的地表太阳辐射以改进SEBAL模型,提出归一化水热通量使不同时相具有可比性,对漓江上游1989-2006年5景TM/ETM卫星图像利用改进模型反演水热通量。结果表明,在空间上随植被覆盖度的增加,显热通量降低而潜热通量增加,植被覆盖度在0.2～0.7时的影响非常显著。1989-2000年植被覆盖度均值明显降低,而2000-2006年逐渐上升,导致波文比(显热与潜热比)均值明显升高然后逐渐降低,归一化潜热数值较高的像元比例减少然后增加,归一化显热数值较高的像元比例增加然后减少。尽管在2006年植被覆盖度均值接近于1989年,但波文比均值仍明显高于1989年。研究区经济林、旱地农作物面积的增加,阔叶林面积减少,水源林的减少与退化,导致了显热与潜热比平均值的升高。     

若尔盖高原高寒草甸地表能量交换和蒸散研究

若尔盖高原高寒草甸生态系统是青藏高原能量和水分循环的重要组成部分,但该地区地面水热通量观测数据非常缺乏。本研究基于涡动相关法,于2013年11月1日−2014年10月31日,利用三维超声风温仪和红外开路二氧化碳/水汽分析仪在若尔盖高原一典型高寒草甸开展周年通量观测,以揭示其地表能量交换和蒸散特征及影响因素。结果表明：高寒草甸地表能量通量各组分呈显著的日变化和季节变化特征,净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量的年均值分别为94.5、21.0、51.8和1.2Wm−2。非生长季感热稍占优势,生长季潜热占绝对主导地位,波文比全年平均值为0.70,能量平衡闭合率年平均值为0.77。辐射是感热通量的主要气象影响因子,潜热通量则受温度、辐射和饱和水汽压差共同影响。日蒸散量变化范围为0.12～5.09mmd−1,全年平均值为1.82mmd−1。非生长季蒸散主要受土壤表面导度因子控制,生长季则由辐射主导,土壤和植被表面导度因子为次要影响因素。在季节尺度上,蒸散的变化取决于降水分布,全年降水和蒸散量分别为682.7mm和673.6mm,其中生长季分别占全年总量的84%和82%。6−7月降水匮乏抑制了蒸散,此时土壤储水成为蒸散的主要水源,从全年看,降水基本都以蒸散的方式返回大气。与青藏高原上同类观测研究相比,地表能量通量和蒸散都有相似的季节变化趋势,但观测到的年平均波文比和年蒸散量最大,气温、降水、地表植被等因素的共同作用导致这一结果。研究数据可作为地面验证资料,用于若尔盖地区陆面模式参数化方案的优化和卫星遥感反演资料的校验。     

Spatial variability in soil heat flux at three Inner Mongolia steppe ecosystems

Closing the energy budget at flux measurement sites is problematic, even when the fetch extends over flat, homogeneous surfaces with low vegetation cover. We used the residual energy balance and ordinary least square (OLS) linear regression methods to quantify spatial variability in soil heat flux contributing to energy balance closure (EBC), by deploying a mobile energy system within the footprints of three Eddy-covariance towers located in the steppe of Inner Mongolia, China. The EBC at the study sites had a daily average residual of 8–19 W m⁻² with OLS slopes of 0.83–0.96. The EBC was better achieved at the wet site than at the dry site. The spatial variability in soil heat flux was 48 W m⁻² (13% of R_n) during the day and 15 W m⁻² (34%) at night, with an average of 29 W m⁻² (24%) across the three sites. A 9% OLS slope difference due to this variability was recorded from our eight plot measurements. A large amount of missing energy (110 W m⁻² at peak) could occur with decreasing OLS slope of 23% across the three grassland sites when soil heat flux is not taken into account. In particular, heat storage in the top soil layer not only influenced the magnitude of EBC, but also adjusted soil heat flux to match the ‘truth schedule’. Heat storage in the top soil layer comprised half of the soil heat flux when the heat flux plate was deployed at a depth of 30 mm. If this part of heat storage was neglected, the residual of EBC would increase as large as 60 W m⁻² with OLS slope decreasing 9%. Comparing them with the multiple-location soil heat flux measurements, the single-location measurements from near the Eddy-covariance towers obtained a slightly better EBC with the OLS slope increasing by 4%.     

麦田感热通量和潜热通量的测定与计算方法探讨

根据麦田微气象测定资料,用梯度法和地表面能量平衡方程计算感热通量和潜热通量,与热通量测定仪的实测值相比较,其结果非常一致.麦田能量传输主要表现在潜热通量和感热通量,而以潜热通量的方式为主,在有植被覆盖的麦田里潜热通量数值普遍大于麦茬田.这为计算田间能量平衡提供一个有效途径.