苜蓿草地FPAR时间变化规律研究

徐丽君,唐华俊,张宏斌,杨桂霞,王 波,张 钊,曹恒武,辛晓平

(1.农业部资源遥感与数字农业重点开放实验/ 呼伦贝尔国家野外站/中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081; 2.中国工程院,北京 100088)

太阳辐射中波长位于400～700 nm，能被绿色植物利用进行光合作用的太阳辐射能量称为光合有效辐射(photosynthetically active radiation，PAR)[1-2]。PAR是形成生物产量的基本能源，控制着生物光合作用的速率，对植物的生长、发育、产量及品质有直接的影响[3]，同时，对地表与大气物质和能量交换也有较大影响[4]。吸收性光合有效辐射(fraction absorbed photosynthetically active radiation,FPAR)表征植被冠层能量的吸收能力的强弱，是在光合有效辐射波段有多少太阳光能被吸收的一个度量[5]，是描述植被结构以及与之相关的物质与能量交换过程的基本生理变量[6]，是估算全球或区域碳支出，寻找碳丢失的一个关键参量[1，4]。

自20世纪60年代以来，国内外众多学者对光合有效辐射的观测和理论进行了广泛的研究与探讨[7]。关于FPAR的研究主要集中在利用遥感数据和物理模型反演[8-13]方面。而我国关于FPAR方面的研究起步较晚，20世纪80年代以后，一些学者才开始逐步对FPAR进行相关研究。周晓东等[14]对夏玉米(Zeamays)冠层的PAR各分量与FPAR、叶面积指数(leaf area index,LAI)之间进行相关研究；随后王培娟等[15]对冬小麦(Triticumaestivum)的FPAR与各指数以及叶面积之间的关系进行了研究；董振国和于沪宁[12]对农田上的入射PAR和反射PAR进行了测定与分析。目前，关于研究我国天然草地FPAR的时间变化规律的报道较少[1]，而关于紫花苜蓿(Medicagosativa)栽培草地FPAR的时间变化规律，及利用实测数据对栽培草地FPAR时间变化规律的研究则更少。

本研究以呼伦贝尔紫花苜蓿栽培草地为研究对象，对其PAR分量变化规律进行研究。通过对苜蓿栽培草地PAR分量的测量，分析苜蓿栽培草地PAR的动态变化，通过获得的实测PAR数据，利用公式最终计算出苜蓿栽培草地的FPAR，其结果可为苜蓿栽培草地FPAR的精度评估和验证提供依据与理论参考。因此，研究呼伦贝尔地区苜蓿栽培草地PAR对FPAR算法的改进与验证具有重要的学术价值，也可为呼伦贝尔地区苜蓿栽培草地的合理利用提供科学的理论依据。

1 研究地区与研究方法

1.1研究区概况 试验地选在呼伦贝尔生态实验站，地处49°06′～49°32′ N，119°32′～120°35′E，研究区域内水热条件较好，属于温带大陆性季风气候，无霜期110 d左右，年平均气温-2℃，年均日照时数为2 807 h，太阳辐射年总量平均为5 161 MJ/m2。试验以种植2年的紫花苜蓿栽培草地为研究对象，种植面积200 m2。土壤为黑钙土，肥力中等，土壤含水量13%～15%，植被盖度在70%左右。采用条播种植，行距30 cm，播量7.5 kg/hm2。

1.2研究方法 选择固定的苜蓿样地，于2010年8月7-27日苜蓿开花期，在晴朗无云天气，利用AccuPAR植被冠层分析仪对样方冠层400～700 nm波段内的光和有效辐射[μmol/(m2·s)]进行连续测定。观测时间从5:30-17:30，每30 min测定一次，连续观测2 d。每次测定冠层入射(PARci)、反射(PARcr)、透射(PARgi)和土壤反射(PARgr)4个分量。

太阳入射到冠层的有效辐射，一部分被冠层吸收，一部分被冠层反射，还有一部分透射过冠层到达土壤表面。到达土壤表面的PAR，一部分被土壤吸收，另一部分被土壤直接反射，所以，只有被冠层吸收的PAR才能对作物的干物质积累有作用。因此：

APAR=(PARci-PARcr)-(PARgi-PARgr)；

2 结果与分析

2.1苜蓿栽培草地入射 PAR及透射PAR日变化规律

2.1.1苜蓿栽培草地入射PAR日变化 从2010年8月2日呼伦贝尔综合试验站每30 min自动记录的光合有效辐射数据(图1)可以看出，苜蓿栽培草地的太阳光合有效辐射集中在早晨 6:00-18:00，之前或之后光合有效辐射量均较低。因此，本试验选择在5:30-17:30进行光合有效辐射测定。

图1 入射太阳有效辐射日动态

2.1.2苜蓿栽培草地透射PAR日变化 图2反映的是8月7-27日苜蓿栽培草地冠层入射PAR及冠层透射PAR日变化情况。苜蓿栽培草地光合有效辐射日变化特征明显，即随着早晨太阳逐渐升高，入射到冠层的光合有效辐射与透射的光合有效辐射逐渐升高，中午12:30 左右达到全天的最大值，约为1 376 μmol/(m2·s)；13:30以后PAR值逐渐降低。冠层透射PAR也随时间呈先升高后降低的变化趋势，从冠层入射PAR与透射PAR的变化曲线看，整体上均呈单峰曲线，出现峰值的时间基本一致，均在12:30左右。

2.2苜蓿栽培草地冠层反射PAR与土壤反射的PAR日变化规律 冠层反射与土壤反射PAR也具有明显的日变化特征(图3)。冠层反射的PAR规律明显，呈明显的单峰曲线，最高峰值均出现在12:00-12:30，8月7日、17日和27日冠层反射的最大值分别为109.4、95.4和55.5 μmol/(m2·s)。土壤反射量日变化波动较大，总体上与冠层反射规律一致，峰值出现在12:00左右，最大值介于45.0～54.4 μmol/(m2·s)。分析其中原因，可能与测定时间段内空中的云量变化有关，试验选在晴朗无云的天气，但草原地区，一天之中气候变化较大，在测定的某一时刻会有云出现，对测定的结果会造成一定的影响，这可能就是造成草地冠层变化存在波动的原因。

植被冠层反射的PAR和土壤反射的PAR受植被冠层结构、土壤类型和太阳天顶角的影响。在日变化规律分析中，植被冠层结构与土壤类型对冠层反射的PAR和土壤反射的PAR影响可以忽略。所以，草地冠层反射的PAR和土壤反射的PAR日变化主要受太阳天顶角的影响。分析草地冠层反射PAR和土壤反射PAR的相关性，结果显示(表1)，草地冠层反射的PAR与太阳天顶角存在显著负相关(P<0.05，r>0.699)。

图2 冠层入射PAR及透射PAR日变化

图3 冠层反射PAR与土壤反射PAR日变化

2.3苜蓿栽培草地FPAR的日变化规律 FPAR表示植被冠层能量的吸收能力。在晴天，FPAR日变化总体呈“双峰”型曲线，11:30左右达到全天最低值，14:30左右达全天最大值(图4)。

2.4FPAR影响因素分析 冠层结构、叶面积指数、太阳天顶角都是影响FPAR的因素。研究一天之中FPAR的变化规律时，苜蓿栽培草地的LAI可视为恒定，冠层结构也是不变的，所以，影响FPAR的主要因素是太阳天顶角。通过分析FPAR与太阳天顶角的相关发现，太阳天顶角与FPAR存在负相关关系。

表1 冠层反射、土壤反射与太阳天顶角相关分析

图4 晴天FPAR日变化

y=-29.041x+86.99(r=-0.571，P<0.05)

式中，y表示FPAR，x表示太阳天顶角。

另外，在观测时间内，苜蓿栽培草地的FPAR的数值在0.70附近波动。这一数值与7:30时刻计算的瞬时FPAR值基本一致，此时的太阳天顶角为80°，也就是说，可以用7:30时或太阳天顶角为80°时瞬时的FPAR值来代表试验区内苜蓿栽培草地一天的FPAR值(图5)。

图5 日平均FPAR变化

3 讨论

本研究对呼伦贝尔地区苜蓿栽培草地的吸收性光合有效辐射变化规律进行分析，测定了日光合有效辐射各分量，通过计算最终得到日吸收性光合有效辐射，进而分析出海拉尔地区苜蓿栽培草地吸收性光合有效辐射的变化规律。从本试验结果可以看出，关于苜蓿草地吸收性光合有效辐射的时间变化规律与李刚等[17]的研究结果不完全一致，这可能与两者所研究的对象有关，前者研究羊草(Leymuschinensis)天然草地，后者是苜蓿栽培草地，从两种植物自身的形态特征、生长发育特点来看，都存在较大的差异性，这也可能是导致试验结果存在差异的原因，另外与测定时植被盖度、土壤含水量也有关。杨飞等[18]通过实测大豆(Glycinemax)和玉米冠层光合有效辐射各分量并计算其反射率、透射率，分析了各分量日变化规律及其影响因素，对吸收性光合有效辐射进行了研究。结果表明，吸收性光合有效辐射在一天中均接近于常数，吸收性光合有效辐射因植被类型而异，这与本研究结果基本一致。

受试验仪器的限制，本研究验未能对苜蓿栽培草地整个生长季的太阳光合有效辐射进行定期测定，这是今后工作中需要补充的。另外叶面指数对苜蓿栽培草地利用光合有效辐射也有一定的影响，这也是进一步研究的重点内容。

4 结论

苜蓿栽培草地冠层入射光合有效辐射与冠层透射的光合有效辐射日变化规律基本一致，呈单峰曲线变化，冠层反射的光合有效辐射与土壤反射的光合有效辐射日变化趋势与冠层入射光合有效辐射和透过光合有效辐射规律十分相似。

苜蓿栽培草地吸收性光合有效辐射的日变化呈双峰型曲线，吸收性光合有效辐射在早晚值较高，最高值约0.91 μmol/(m2·s)；草地日平均吸收性光合有效辐射值可以用7:30时或太阳天顶角为80°时瞬时的吸收性光合有效辐射值来表示。

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