散射辐射比例与冬小麦光能利用率和总初级生产力的关系*

杨晓亚，李 俊，江晓东，同小娟，于 强4,



散射辐射比例与冬小麦光能利用率和总初级生产力的关系*

杨晓亚1，李 俊2，江晓东1，同小娟3，于 强4, 2

（1. 南京信息工程大学应用气象学院/江苏省农业气象重点实验室，南京 210044；2. 中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室，北京 100101；3. 北京林业大学林学院，北京 100101；4. 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100）

利用冬小麦拔节−乳熟期（2004−04−01—05−20和2005−04−10—05−31）在田间观测的每30min涡度相关和小气候数据，计算散射辐射比例（DF）与光能利用率（LUE）和总初级生产力（GPP）之间的数量关系，以期为提高LUE模型和作物模型的模拟准确度提供依据。结果表明：冬小麦拔节−乳熟期DF与LUE间呈极显著的线性正相关关系（P＜0.001），DF与GPP间为极显著的抛物线关系（P＜0.001），即随着DF的增加，LUE呈线性增长，而GPP呈先增加后降低的变化趋势。2004年和2005年观测实验表明，中等太阳辐射条件下，即DF和光合有效辐射（PAR）的均值分别为0.57和27.7mol×m−2×d−1时，冬小麦GPP达到最高。2004年与2005年相比较，DF与LUE、DF与GPP关系均存在较大差异，这主要归因于两年间冬小麦拔节−乳熟期PAR水平和DF分布频率的差异。

散射辐射比例；光能利用率；总初级生产力；光合有效辐射；冬小麦

近几十年的辐射观测数据表明，全球范围内太阳辐射呈显著减弱趋势[1]。1960年以来，中国受云量增多、大气气溶胶浓度升高等因素的影响，到达地表的太阳辐射以2.5%·10a−1的速度减弱[2]；而散射辐射从1981−2010年以7.03MJ·m−2·10a−1的速度增长[3-4]。太阳辐射和散射辐射的变化对农业生产和生态系统的影响成为近年来的研究热点[5-7]，准确评估和预测这种影响对粮食安全和全球碳循环十分重要。

光能利用率（Light use efficiency，LUE）是指植物某一生长时段内累积干物质量与该时段植物冠层吸收的光合有效辐射（Photosynthetic active radiation，PAR）的比值[8]。LUE是作物生长模型和大尺度的生态系统碳交换模型的重要参数。不少研究者基于涡度相关技术研究了多种生态系统类型中LUE与太阳辐射变化的关系，发现散射辐射比例（Diffuse radiation fraction，DF）的增加对生态系统LUE有明显促进作用[9-11]。Greenwald等在作物模型中添加DF与LUE的关系式[12-13]，来研究DF变化对作物产量的影响。而DF与LUE关系式是否准确，决定了作物模型能否准确评估DF变化对作物产量的影响[12，14]。因此，需要在观测数据的基础上，明确DF与LUE的数量关系。

生态系统总初级生产力（Gross primary productivity，GPP）代表了植物通过光合作用对CO2的吸收状况。太阳辐射作为光合作用的能量来源，其下降会导致GPP的下降，而伴随着太阳辐射的降低，散射辐射比例DF则会增加，从而导致光能利用率LUE提高，对GPP产生正面影响。一些研究表明，DF增加对LUE产生的促进作用可以提高一些植物类型的GPP[15-16]。然而也有不少研究表明，这种促进作用不足以抵消太阳辐射下降导致的生态系统生产力的下降[17-18]。这两种相反作用对GPP的综合影响还有待明确[19]，需要在不同植物类型和环境因素条件下进一步研究。本研究基于冬小麦田间涡度相关通量观测，研究DF与冬小麦LUE和GPP的数量关系，以期为正确评价太阳辐射和散射辐射变化对作物生产的影响提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 实验站概况

观测实验在中国科学院禹城农业综合实验站（36°57′N，116°38′E）进行，位于山东省禹城市，属暖温带季风气候，年平均气温13.1℃；年降水量528mm，主要分布在6−8月。作物种植制度为冬小麦–夏玉米一年两熟。冬小麦品种为“科禹13”。冬小麦生长期间给予充足的灌水和施肥，叶面积由叶面积仪测定。土壤母质为黄河冲积物，以潮土和盐化潮土为主。

1.2 通量观测数据及其处理

2004−2005年在冬小麦田开展涡度相关和小气候梯度观测。涡度相关系统主要包括LI-7500型CO2/H2O分析仪（Li-Cor Inc.，USA）和CSAT3型三维超声风速仪（Campbell Sci. Inc.，USA），可观测冠层上方的CO2浓度。仪器采样频率为10Hz，由CR5000型数据采集器采集和存储数据。以CO2浓度数据为基础计算30min尺度的CO2通量，即净生态系统CO2交换量（Net ecosystem exchange of CO2，NEE）。小气候梯度观测包括太阳辐射（S0）、光合有效辐射（Photosynthetic active radiation，PAR）、气温（Ta）、土壤5cm处温度（Ts）和空气相对湿度（φ），每30min输出一组数据，由CR23x型数据采集器采集和存储。有关观测和仪器情况详见文献[20]。逐日PAR由白天时段30min尺度的PAR数据相加得到。

在CO2通量观测过程中，仪器故障或降雨等天气因素，会造成观测数据缺失或异常，需要对数据进行筛选，并剔除异常值。根据文献[20]，剔除摩擦风速小于0.15m×s−1的夜间通量数据和与月平均值相差超过3倍方差的数据。对2h以内的缺失数据，采用线性内插法插补；对于2h以上的缺失数据采用平均日变化法进行插补。

1.3 研究时段的选择

冬小麦叶面积指数（Leaf area index，LAI）随着生育进程的推进呈先升高后降低的变化趋势（图1），为尽量排除叶片生长即光合作用面积的变化对净生态系统CO2交换量NEE的影响，选取2004年和2005年LAI较为稳定的冬小麦拔节−乳熟期NEE和小气候梯度观测数据进行分析，2004年观测时间为4月1日−5月20日，2005年为4月10日−5月31日。

图1 2004年和2005年冬小麦叶面积指数的动态变化

1.4 散射辐射比例的计算

散射辐射不是常规观测数据，根据Reindl等[21]提供的计算方法估算散射辐射比例（DF），具体方法为

当0≤kt≤0.3时

DF=1−0.232kt+ 0.0239sinα−0.000682Ta+0.0195φ （1）

当0.3＜kt＜0.78时

DF=1.329−1.716 kt+0.267sinα−0.00357Ta+0.106φ （2）

当kt≥0.78时

DF=0.426kt−0.256sinα+0.00349Ta+0.0734φ （3）

式中，DF为散射辐射比例，即散射辐射与地表接受的太阳总辐射的比值，α为太阳高度角，Ta和φ分别为小气候梯度观测的空气温度（℃）和相对湿度。kt为晴空指数，指一定太阳高度角下地表接受的总太阳辐射（S0，W×m−2）与地球大气上方平行于地表面上接受的总太阳辐射（Se，W×m−2）的比值[22]，即

Se= Ssc[1+0.033cos(360td/365)] sin（5）

式中，S0为观测数据，Ssc为太阳常数（1370W×m−2），td为日序数（以1月1日为1），为太阳高度角。计算白天时段的半小时尺度散射辐射比例平均值得到逐日的散射辐射比例。

由逐日的散射辐射比例的变化可以判断天气晴朗程度[16-17]。DF越小，表示天气越晴朗，DF=0.5时，为多云天气中等太阳辐射条件；DF越大，表示到达地面的散射辐射越多，而总太阳辐射较小，为阴天天气状况。2004年和2005年禹城站冬小麦拔节−乳熟期DF主要分布在0.5（图2），表明研究时段内中等天气状况出现的时间最多。比较两年的DF分布可知，2004年DF在0.3的分布频率明显低于2005年，而在0.7、0.9、1.0的分布频率明显高于2005年，表明2004年的阴天天气状况多于2005年。

图2 冬小麦拔节−乳熟期散射辐射占总太阳辐射比例（DF）的分布频率

1.5 总初级生产力的计算

涡度相关法只能得到净生态系统CO2交换量（NEE，mgCO2×m−2×s−1），需要对NEE进行组分拆分，计算得到总初级生产力（GPP，mgCO2×m−2×s−1），即

GPP = Re−NEE （6）

式中，Re为生态系统呼吸量（mgCO2×m−2×s−1）。NEE为负值时，表示生态系统吸收CO2，为正值表示生态系统释放CO2。夜间植物不进行光合作用，因此，夜间观测到的NEE值即为Re。利用夜间的Re与夜间土壤5cm处温度数据对Lloyd-Taylor方程[23]进行拟合，将拟合好的方程，以白天土壤5cm处温度数据为输入，计算白天的Re，从而计算白天的GPP。白天时段30min尺度的GPP累加之和即为逐日GPP。

式中，Ts为土壤5cm处的温度（℃），为观测数据；T0为常数（−46.02℃），Rref为生态系统在参考温度Tref（10℃）下的呼吸值（mgCO2×m−2×s−1），E0为活化能（J×mol−1）。式（7）中需要拟合的参数为Rref和E0。

1.6 光能利用率的计算

生态系统光能利用率为总初级生产力（GPP）与光合有效辐射（PAR）的比值，即

式中，PAR为相应时间段作物冠层接受到的光合有效辐射量（μmol×m−2×s−1），为小气候观测数据。因此，LUE的单位为（mgCO2×μmol−1），本研究将其转换为（gCO2×mol−1）。

2 结果与分析

2.1 散射辐射比例与光能利用率的关系

2004年和2005年冬小麦拔节−乳熟期的光能利用率（LUE）均值分别为1.42和1.37gCO2×mol−1，2004年的LUE高于2005年，表明阴天天气的增加（图2）会提高该年份冬小麦拔节−乳熟期的LUE。由图3可见，两年内冬小麦拔节−乳熟期LUE与散射辐射比例（DF）均呈显著线性正相关关系（P＜0.001），随着DF从0.3增至1.0，LUE从0.8gCO2×mol−1增至2.9gCO2×mol−1。2004年和2005年线性方程的斜率分别为2.16gCO2×mol−1和1.74gCO2×mol−1，2004年明显高于2005年，主要是由于2004年的阴天天气较多，其LUE值较高。表明不同年份冬小麦生长期间天气状况的差别，会引起LUE与DF之间数量关系的差异。

图3 冬小麦拔节−乳熟期散射辐射比例与光能利用率的关系

2.2 散射辐射比例与总初级生产力的关系

2004年和2005年冬小麦拔节−乳熟期总初级生产力（GPP）的均值分别为35.2和42.0gCO2×m−2×d−1，2004年明显低于2005年，表明阴天天气的增加对LUE的提高，还不足以补偿光合有效辐射（PAR）的降低对GPP的负面影响。由图4可见，2004年和2005年冬小麦拔节−乳熟期的GPP随着散射辐射比例DF的增加呈先上升后下降的抛物线型变化趋势（P＜0.001）。分别对2004年和2005年DF和GPP关系的拟合方程进行求解，可得到当GPP达到最大值时，2004年和2005年的DF值分别为0.62和0.52，表明中等太阳辐射条件下，最有利于冬小麦拔节−乳熟期的GPP增长。2004年的GPP达到最高值时对应的DF值大于2005年，主要是由于2004年阴天天气的增加，致使达到最大GPP需要的DF值增加。

图4 冬小麦拔节−乳熟期散射辐射比例与总初级生产力的关系

明确DF与PAR之间的数量关系，可以得出GPP达到最高值时的PAR值。2004年拔节−乳熟期的PAR均值为26.1mol×m−2×d−1，2005年为31.5mol×m−2×d−1，比2004年增加了20.7%。由图5可见，DF与PAR之间为极显著线性负相关关系，结合DF与PAR的线性方程可以得出，2004年和2005年GPP达到最高值时的PAR值分别为24.6mol×m−2×d−1和30.8mol×m−2×d−1，2004年低于2005年，表明拔节−乳熟期PAR均值较低时，冬小麦GPP达到最高值时的PAR值也会相应降低。

综合以上结果可知，DF的增加虽然有利于LUE的增长（图3），但是DF增加超过一定值时，由于PAR的相应降低，会导致GPP下降。本研究通过确定DF与GPP，以及DF与PAR的数量关系，得出了GPP达到最高值时的DF与PAR均值分别为0.57和27.7mol×m−2×d−1，此状态下最有利于冬小麦拔节−乳熟期GPP的增加。2004年与2005年GPP达到最高时对应的DF和PAR存在差别，主要是由于两年间拔节−乳熟期PAR水平和DF分布频率的变化所致。

图5 冬小麦拔节−乳熟期散射辐射比例与光合有效辐射的关系

3 结论与讨论

在冬小麦田间CO2通量观测的基础上，明确了冬小麦拔节−乳熟期散射辐射比例（DF）与光能利用率（LUE）为线性正相关关系。此结果与前人[24-25]采用模拟或观测研究手段针对不同作物种类的研究结果一致。但是不同研究得出DF与LUE关系的线性方程的斜率存在较大差异。Choudhury[24]利用模型和观测数据研究表明，冬小麦LUE和DF线性方程的斜率在1.0g×mol−1左右变化；Rodriguez等[25]针对冬小麦开花前20d至开花后14d的模拟结果表明，线性方程斜率为1.6g×MJ−1。本研究表明2004年和2005年冬小麦拔节−乳熟期DF与LUE关系的线性方程斜率分别为2.16gCO2×mol−1和1.74gCO2×mol−1，两年结果的差别主要是由于研究时段内DF分布频率的差异所导致。

冬小麦拔节−乳熟期DF与总初级生产力（GPP）呈开口向下的抛物线关系，即GPP随着DF的增加表现为先升高后降低的变化趋势。2004年DF和PAR为0.62和24.6mol×m−2×d−1，2005年为0.52和30.8mol×m−2×d−1时，GPP达到最高值，即中等太阳辐射条件最有利于冬小麦拔节−乳熟期对碳的吸收。这个结论与前人[15, 26]针对森林生态系统的研究结果相似。由于2004年阴天天气多于2005年，冬小麦拔节−乳熟期GPP达到最高值时PAR值低于2005年，而DF值高于2005年。当然，DF与LUE和GPP的数量关系，尚需更多站点和年份的观测数据来进一步确定，后续研究将进一步深入完善。

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Relationships between Diffuse Radiation Fraction and Light Use Efficiency and Gross Primary Productivity of Winter Wheat

YANG Xiao-ya1, LI Jun2, JIANG Xiao-dong1, TONG Xiao-juan3, YU Qiang4, 2

（1. College of Applied Meteorology/Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China; 2. Key Laboratory of Water Cycle & Related Land Surface Processes, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101; 3. College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100101; 4. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Northwest A&F University, Yangling 712100）

The quantitative relationships between the diffuse radiation fraction (DF) and light use efficiency (LUE) and gross primary productivity (GPP) from jointing to milky maturity of winter wheat (from April 1, 2004 to May 20 and from April 10, 2005 to May 31) were analyzed in this research on the basis of field CO2flux observation. The research results can improve the simulation accuracy of LUE model and crop model. The results indicated that the relationship between DF and LUE was significantly positive linear (P＜0.001), and the relationship between DF and GPP was significantly parabolic curve (P＜0.001). LUE increased linearly with the increasing of DF, while GPP increased first and then decreased. Observational experiments on 2004 and 2005 showed that the GPP of winter wheat reached the highest under the condition of moderate solar radiation, with the average values of DF and photosynthetic active radiation (PAR) were 0.57, 27.7mol×m−2×d−1, respectively. The quantitative equations between DF and LUE and GPP in two years were different. The differences were mainly attributed to the different PAR level and the distribution frequency of DF from jointing to milky maturity of winter wheat during the two years.

Diffuse radiation fraction; Light use efficiency; Gross primary productivity; Photosynthetic active radiation; Winter wheat

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.07.004

杨晓亚,李俊,江晓东,等.散射辐射比例与冬小麦光能利用率和总初级生产力的关系[J].中国农业气象,2018,39(7):462-467

2017−12−21

江苏省自然科学基金青年基金（BK20140988）；国家自然科学基金青年基金（31400416）

杨晓亚（1983−），女，博士，研究方向为气候变化与作物生理生态。E-mail: yangxy@nuist.edu.cn