节水灌溉稻田水碳通量日变化特征

王冠依，丁 洁，吴 雨，禹佳奇，王 琳，杨士红(河海大学水利水电学院，南京 210098)

全球水资源紧缺，粮食问题凸显下，一系列节水灌溉技术得到大面积应用，灌水条件改变势必导致农田水碳通量变化。水稻作为我国主要粮食作物，已有研究表明节水灌溉能影响稻田水汽通量[1]，已有对稻田碳通量的研究主要针对淹水灌溉稻田，针对节水灌溉条件下碳通量变化的研究较少。另外，已有针对节水灌溉稻田水汽通量的研究主要采用蒸渗仪法[2]，而蒸渗仪面积有限，限制了其结果的代表性。涡度相关技术作为蒸散发观测的另一可靠方法[3,4]，相对蒸渗仪，具有更大的面积代表性，若其具有较好的能量闭合状况，则其数据质量和可靠性就能得到保障[5]。同时，涡度相关技术可以同时实现田间水碳通量的同时观测。本文以节水灌溉稻田为主要研究对象，运用涡度相关系统连续观测不同天气条件下节水灌溉稻田水碳通量日变化数据，揭示不同天气对节水灌溉稻田水碳通量日变化的影响，旨在为揭示节水灌溉的环境效应，丰富水稻节水灌溉理论提供科技支撑。

1 材料与方法

1.1 试区概况

试验于2014年在河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室昆山试验研究基地开展。试验区(31°15′ 15″N ，120°57′43″E)属亚热带南部季风气候区，年平均气温15.5 ℃，年降雨量1 097.1 mm，年蒸发量1 365.9 mm，日照时数2 085.9 h，平均无霜期234 d。当地习惯稻麦轮作，土壤为潴育型黄泥土，耕层土壤为重壤土，土壤有机质21.88 g/kg，全氮1.79 g/kg，全磷1.40 g/kg，全钾20.86 g/kg，土壤密度1.30 g/cm3。试区常年盛行东南风，观测场所监测下垫面为控制灌溉的稻田，控制灌溉处理在返青期田面保留5～25 mm薄水层，以后的各个生育期灌溉后稻田不建立水层，以根层土壤含水率占饱和含水率60%～80%的组合为灌水控制指标[6]。

1.2 试验设计

在试验区西北位置安装有涡度相关系统(Campbell Sci.，USA)用来采集稻田水碳通量等，该系统主要有CR3000数据采集器、CAST3A型三维超声风速仪、EC150型CO2/H2O分析仪、HMP155A型温湿探头、CNR4净辐射计、TE525MM雨量桶、HFP01sc热通量传感器组成，数据采集频率为10 Hz，每30 min数据取平均以便分析。三维超声风速仪以及CO2/H2O分析仪安装高度2.5 m，温湿探头观测高度为2 m。本研究采用了从2013年6月26日到10月25日的观测数据。该年稻季降雨量为460.6 mm，小于该地区多年稻季平均降雨量为520.5 mm，为降雨中等偏下年型。

1.3 数据处理

涡度相关数据用Edire[7]软件处理后，实现了二次坐标旋转修正、超声虚温订正和空气密度脉动订正等，且由于地势平坦，忽略地形的影响。本研究选用稻季2013年稻季连续观测的30 min通量数据进行分析，剔除降雨时段及降雨前后1 h的通量数据[8]和夜间湍流不充分混合引起的潜热通量低估数据。研究表明，摩擦风速μ能够作为度量湍流混合强度的指标，因此选择大于一定阈值μ的通量数据用以处理和分析，可以减少通量数据的不确定性[9,10]。本研究选择μ=0.1 m/s作为摩擦风速临界值[11](通常取0.1～0.3 m/s)，剔除μ<0.1 m/s的通量数据。稻季平均能量闭合度为88%，高于国际通量网(FLUXNET) 约80%的平均能量闭合度[12]，表明本观测获得的通量数据质量与可信度高，能代表观测区域通量大小与变化特征。

涡度相关数据插补延长方法主要有[13]：平均日变化法、根据特定气象条件查表法和非线性回归法。本文对于短时间内(小于3 h)的缺失数据直接采用线性内插法；对于较长时间(大于3 h)的缺失数据用平均日变化法(MDV)、以10 d(依不同作物不同生育期取7～14 d)为窗口的相邻数据变化规律进行插补[13]。

2 结果与分析

2.1 不同天气条件下稻田水汽通量典型日变化

分别选取阴天和晴天下水稻全生育期稻田各月典型日的水汽通量进行分析，每30 min统计一个数据。由图1可以看出，阴天下稻田各月典型日水汽通量变化较一致，呈现两边较小中间凸起的不规则锯齿状，且白天变化的波动较大。具体的变化规律如下：在早晚及夜间，稻田水汽通量较小，有的接近于0；而稻田白天水汽通量从7∶00左右开始升高，在10∶00-16∶00 之间一直保持在相对较高的水平，然后开始下降，到20∶00以后变化缓慢。稻田白天各月水汽通量总体上均远大于0，分析其原因为白天太阳福射较大，气温也较高，近地面的水稻通过蒸腾作用将水分排出植株体到达空气中，造成水汽浓度增加，会向水汽浓度较低的上层流转，因而形成方向向上的较大水汽通量。稻田阴天日内水汽通量7月和8月的峰值较接近，与9月和10月的峰值差异比较大。这是因为7月阴天典型日选择的是生育初期值，此时田面还有水层，水面蒸发的影响较大；8月则是由于水稻的生理生长在最旺盛时期，同时温度较高；而9月与10月，水稻生长处于生长后期，再加上气象条件中温度降低，共同造成了稻田水汽通量峰值降低。

晴天稻田各月典型日水汽通量变化均呈现倒“U”形。凌晨和夜间水汽通量的变化比较平稳，且处在较低的水平。白天从6∶00左右开始逐渐升高，在12∶00-14∶00达到一天中最大值，然后开始下降，到18∶00以后平稳变化。七八月水汽通量在12∶00左右达到峰值然后开始下降，到13∶00左右逐渐回升，到14∶00又达到一个峰值，这可能与高温下水稻的“午休”现象有关，这与王建林等[14]针对华北平原冬小麦水汽通量日变化的研究结论基本一致。8月晴天稻田水汽通量的峰值最大，七八月稻田水汽通量日变化中各时段偏差较小，且较九十月的值大。

水稻全生育期各月阴天与晴天稻田水汽通量典型日变化之间的对比表明，阴天下稻田水汽通量的峰值是晴天下水汽通量峰值的0.5倍左右，且相较于晴天下水汽通量较为平稳的日变化过程，阴天下水汽通量日变化的波动幅度较大，这是由于阴天条件下，乌云的时隐时现对辐射的影响较大，辐射的变化造成了水汽通量日内变化的剧烈波动，而晴天里云量较少对辐射的影响相对较小。阴天下早晨稻田水汽通量开始快速升高的时间相比晴天下有所延后，这是由于清晨净辐射的突然出现会造成水汽通量迅速增加，而阴天下太阳辐射强度有所降低且较晴天下日出时间较晚所致。

综上所述，各月阴天与晴天稻田日内水汽通量均呈倒“U”形变化，阴天为多峰变化，晴天为较稳定的单峰变化。不同天气条件稻田各月典型日水汽通量夜间和凌晨各时刻的偏差较小，白天下晴天各时刻稻田水汽通量远远大于阴天值。

图1 不同天气条件稻田水汽通量各月典型日变化

已有采用涡度相关法研究旱田水汽通量日变化的研究较多，本研究结果与王建林等[14]和秦钟等[15]分别针对华北平原冬小麦与夏玉米得到的水汽通量规律基本一致，但节水灌溉稻田的水汽通量值明显较旱作农田水汽通量值大，这主要与节水灌溉稻田土壤含水量高(部分时间有水层)有关。

2.2 不同天气条件下稻田CO2通量典型日变化

相关研究表明，稻田CO2通量的变化主要与作物的光合作用、土壤及植株的呼吸作用密切相关，而光合和呼吸受辐射影响较大，因此分别选取阴天和晴天两种辐射条件对水稻全生育期各月典型日的CO2通量进行分析，每30 min统计1个通量数据，结果如图2所示。

由图2可以看出，阴天下稻田各月典型日CO2通量变化较一致，均呈现两边大中间小的多峰型变化，在白天变化的波动较大且以光合为主，夜间则以呼吸为主。具体的变化规律如下：在早晚CO2通量均是较大正值，17∶00以后随太阳辐射逐渐减小至消失，植株与土壤呼吸逐渐占据主要作用，CO2通量呈现逐渐升高的趋势；而白天从早晨7∶00左右开始升高，在7∶00-17∶00之间一直保持在较低水平，CO2通量为负值，表现为光合固碳，然后到17∶00以后变化缓慢。稻田中CO2通量的变化总体上白天以光合为主表现为负值，夜间以呼吸为主表现为正值。不同月份之间对比表明：在凌晨7月稻田CO2通量变化出现了与其他3个月相反的现象，这是由于7月水稻处于生长初期，水稻植株较小，阴天下傍晚到凌晨逐渐变低的温度造成水稻夜间的呼吸作用减小，CO2通量的变化表现为逐渐降低；阴天下7、10月稻田CO2通量的峰值较接近为-6 μmol/(m2·s)左右，与八九月的峰值偏差较大。八九月水稻生理生长最旺盛，同时温度相对较高，白天光合固碳较强，稻田CO2通量峰值较小；而7月水稻植株较小，生理生长较弱，10月则是由于水稻处于生长后期，生理生长减弱，温度也较低，上述原因造成了不同月份之间的差异。

晴天下稻田各月典型日的CO2通量变化均呈现“U”形。凌晨和夜间CO2通量变化比较平稳，为正值且处在较高的水平。白天从7∶00开始逐渐降低，在10∶00-14∶00达到一天中最小值，然后开始升高，到18∶00左右升高到较大值，此后缓慢平稳变化。不同月份之间对比表明，7月与另外3个月峰值偏差较大，10月的峰值也较大，但10月稻田CO2通量呈现“V”形日内变化，各时段均较八九月值小。

水稻全生育期各月阴天与晴天稻田CO2通量典型日变化之间对比表明，7、10月阴天下稻田CO2通量峰值是晴天下值的0.5倍左右，且相较于晴天下CO2通量较为平稳的日变化过程，阴天下CO2通量日变化的波动幅度较大，这是由于阴天条件下，乌云的时隐时现对辐射的影响较大，辐射的变化造成了水稻光合作用变化的剧烈波动，而晴天里云量较少对辐射的影响相对较小。而在水稻生长旺盛的八九月，两种天气条件下稻田CO2通量日变化多数时段值的偏差均较小，只是在中午前后的值偏差较大。

综上所述，不同天气条件稻田各月CO2通量典型日夜间和凌晨为正值且各时刻差异较小，而白天下偏差较大。阴天与晴天稻田各月CO2通量日内变化趋势相似，阴天变化呈现多峰变化，晴天下呈较稳定的“U”形变化。

图2 不同天气条件稻田各月CO2通量典型日变化

朱咏莉[11]，陆龙骅[16]与Miyata等[17]分别针对我国湖南桃源、江苏常熟和日本冈山地区稻田进行的CO2通量日变化特征分析结果与本研究基本一致；但在CO2通量的数值上存在一定的差别，如晚稻抽穗期，本地区观测的通量平均值为-6.82 μmol/(m2·s)，而桃源地区与常熟地区观测结果分别为-4.74与-8.44 μmol/(m2·s)。本试验站与常熟地区较近，两者差异主要与灌溉方式的不同有关，与常熟地区实行的淹水灌溉相比，节水灌溉降低了稻田CO2的净吸收量。除了灌溉方式，桃源地区水稻生长期的、气候条件以及天气变化等的不同是影响其CO2通量与本试验站结果不同的重要原因。

3 结 语

(1)节水灌溉水稻全生育期中，不同天气条件下稻田日内水汽通量白天各时刻值偏差较大，晴天条件下较大且其峰值为阴天下的0.5倍。节水灌溉稻田各月阴天与晴天典型日内水汽通量变化趋势均相似，阴天变化呈现多峰变化，晴天下变化较稳定，呈倒“U”形变化。夜间和凌晨变化较小，差异也较小，各时刻的差异不大，白天情况下差异较大。水稻全生育期各月阴天下典型日稻田水汽通量的峰值是晴天下水汽通量峰值的0.5倍左右。各月之间阴天和晴天的水汽通量在生育中期的八九月峰值均较大。

(2)节水灌溉水稻生长前、后期晴天条件稻田CO2通量值较阴天大，水稻生长旺盛时期不同天气条件对稻田CO2通量日内变化影响较小。节水灌溉稻田各月阴天与晴天典型日CO2通量变化趋势相似，阴天呈现多峰变化，晴天变化较稳定，夜间和凌晨变化稳定且差异较小，白天差异较大，夜间以呼吸排放CO2为主，白天以光合固定CO2为主。7、10月阴天典型日稻田CO2通量峰值是晴天峰值的0.5倍左右，而在水稻生长旺盛的八九月，两种天气条件稻田CO2通量日变化多数时段偏差较小，在中午前后的值偏差较大。

[1] 丁加丽，彭世彰，徐俊增，等. 基于Penman-Monteith 方程的节水灌溉稻田蒸散量模型[J]. 农业工程学报，2010，26(4)：31-35.

[2] 丁加丽，彭世彰，徐俊增，等.控制灌溉条件下水稻蒸发蒸腾量及作物系数试验研究[J]. 河海大学学报(自然科学版), 2006, 34(3)：239-242.

[3] 李思恩, 康绍忠, 朱治林, 等. 应用涡度相关技术监测地表蒸发蒸腾量的研究进展[J]. 中国农业科学, 2008,41(9)：2 720-2 726.

[4] Mauder M, Oncley S P, Vogt R, et al. The energy balance experiment EBEX-2000. Part II: Intercomparison of eddy-covariance sensors and post-field data processing methods[J]. Boundary-Layer Meteorology, 2007,123(1):29-54.

[5] Li Zhengquan, Yu Guirui, Wen Xuefa, et al. Evaluation of energy balance closure of China FLUX sites[J]. Science China Earth Sciences, 2005,48(S1):51-62.

[6] 彭世彰，徐俊增. 水稻控制灌溉理论与技术[M]. 南京：河海大学出版社，2011.

[7] 王介民. 涡动相关通量观测指导手册(Ver.20120212)[Z].http：∥westdc.westgis.ac.cn/water/surveystd.2012.

[8] 陈 琛. 淮河流域农田生态系统能量平衡与闭合研究[D]. 合肥：安徽农业大学, 2012.

[9] Anthoni P M, Freibauer A, Kolle O, et al. Winter wheat carbon exchange in Thuringia, Germany[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2004,121(1):55-67.

[10] Peter M Anthoni, Annette Freibauer, Olaf Kolle,et al. Turbulent flux measurements above and below the overstory of a boreal aspen forest[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2004,121(1):55-67.

[11] 朱咏莉. 亚热带稻田生态系统CO2通量研究[D]. 陕西杨凌：中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心), 2005.

[12] Wilson K, Goldstein A, Falge E, et al. Energy balance closure at FLUXNET sites[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2002,113(1):223-243.

[13] 王尚明，胡继超，吴高学，等. 亚热带稻田生态系统CO2通量特征分析[J]. 环境科学学报，2011，31(1)：217-224.

[14] 王建林，温学发，孙晓敏，等. 华北平原冬小麦生态系统齐穗期水碳通量日变化的非对称响应[J]. 华北农学报，2009，24(5)：159-163.

[15] 秦 钟，于 强，许守华，等. 华北平原农田水热通量与作物水分利用效率的特征与模拟[J]. 中国科学D辑(地球科学)，2004，34(SⅡ)：183-192.

[16] 陆龙骅, 程彦杰, 卞林根, 等. 长江三角洲典型稻作区近地层二氧化碳等湍流通量的观测研究[J]. 地球物理学报, 2003, 46(6): 751-759.

[17] Miyata A, Leuning R, Denmead O T, et al. Carbon dioxide and methane fluxes from an intermittently flooded paddy field[J]. Agric. For. Meteorol, 2000,102:287-303.