涡度相关在估算棉田水分利用效率上的应用

浩宇 杨承睿 张雪松

摘 要： 以华北平原棉花农田尺度为研究对象，以中科院禹城综合观测站的涡度相关数据为基础，研究棉花蕾期、花铃期、吐絮期瞬态的CO2通量和热通量日变化特征，在此基础上计算农田的水分利用效率，并讨论水分利用效率的日变化、季节变化及其与Fc的关系，还讨论了水分利用效率的影响因子。结果表明，在无水分胁迫下CO2日变化为U型，其中正午为一个谷值区，此后CO2又逐渐增大。棉花的水分利用效率日变化趋势为早上较大，8：00左右达到最大，此后逐渐降低。比较不同生育期的水分利用效率的变化，花铃期的水分利用效率最高，在79.2～142.7 umol CO2/mmol H2O，蕾期为18.6～121.2 umol CO2/mmol H2O，吐絮期为42.5～124.5 umol CO2/mmol H2O。利用涡度相关技术，可以对所需的能量和质量通量（碳、水）进行直接测定，进而分析水分利用效率的规律，了解棉田水循环的特征，更好地促进棉花生产产量和质量的提高。

关键词： 棉花;涡度相关;水分利用效率;潜热通量;感热通量;CO2通量

中图分类号：P49   文献标识码：A   文章编号：1004-3020（2020）06-0026-04

Abstract： The article take the scale of cotton fields in the north China plain as the research object.And，the article is based on the data of latent and sensible 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 base of estimating water use efficiency of cotton fields.Then we will discuss the diurnal，seasonal variation in water use efficiency，and we will also analysis the impact factors of water use efficiency.The results show that the diurnal variation of CO2 is a U style in the absence of water stress.At noon，there is a valley area，thereafter CO2 fluxes gradually increased.The diurnal variation tendency of water use efficiency in cotton fields is compuratively lager，and it reached the lagest number at about 8：00，then it decreased.The water use efficiency of cotton also has an obvious seasonal variation.Making a comparison in different growth periods，we conclude that the water use efficiency of flower and boll stage is the highest，which is 79.2～142.7umolCO2/mmolH2O，the water use efficiency of boll stage is 18.6～121.2 umolCO2/mmolH2O，and the water use efficiency of boll opening stage is 42.5～124.5 umolCO2/mmolH2O.

Key words： cotton;eddy covariance;water use efficiency;latent heat flux ;sensible heat flux;CO2 flux

全球气候变化引起全球降水格局发生变化，使淡水资源更加匮乏。农业是占据首位的用水大户，如何节约农用水，提高水分利用率——（水分利用效率，Water Use Efficiency）是节约淡水资源，促进水资源的可持续利用，加快社会经济发展的关键。近年来涡度相关技术得到了长足的发展，已成为长期连续观测生态系统水碳通量最有效的方法。棉花是我国的主要经济作物，在西北内陆地区及华北黄河流域地区具有典型代表性。开展农田生态系统尺度的作物水分利用效率的相关估算工作，这将有助于了解掌握以涡度相关为代表的新技术在农业生产中的应用，并为进一步研究评价植物光合作用与蒸腾作用的关系，加深对生态系统尺度能量传输及碳、水循环特征的理解和认识奠定基础。

1 材料和方法

本文使用2017年山東禹城站涡度相关技术获得的棉花涡度相关通量观测资料在综合分析、评价试验数据。试验观测时间从2017年6月到2017年8月（共92d），试验观测期间经历了棉花的蕾期，花铃期及吐絮期。

近地面层通量的测定和计算，大多是以梯度-扩散理论为基础。当下垫面均匀一致且大气处于中性层结状况下，潜热、感热和动量通量可由下式表示：

LE=λw′ρv′ H=ρaCpw′T′ σ =ρa w′u′

式中LE为潜热通量密度（W/m2），H为感热通量密度（W/m2），σ为动量通量密度（W/m2），T（℃）、ρv′（g/m3）、w′（m/s）和u′（m/s）为近地面大气湍流运动引起的温度、湿度、垂直和水平风速的脉动量，ρa为空气密度（g/m3），Cp为空气定压比热（J/kg·K），λ为水的汽化潜热（J/g）。

涡度相关法的理论假设很少，对湍流交换系数、风廓线的形状以及浮力的影响等都没有特定的假设。随着计算机及其相关测量技术的高速发展，该方法逐渐被推广应用，目前被认为是测定下垫面通量最好的方法之一，甚至被认为是检验其它方法的“标准”[1]。涡度相关观测的通量数据在使用前要进行数据筛选和插值。此外，还要进行相关的能量闭合分析。

2 结果与分析

2.1 能量闭合评价

能量平衡闭合度是评价农田生态系统能量平衡状况的重要指标，能量平衡闭合度计算采用“RMA”法[1-2]，根据热力学第一定律和涡度相关观测的基本假设，通过检验能量平衡闭合程度，可以评价利用涡度相关技术直接观测得到的数据的可信度和质量。生态系统中既没有被储存，也没有被传递到地表的那部分能量可以用于与大气中和的湍流交换，这部分能量被称为湍流能量[2-3]，根据能量平衡方程有：

可利用能量=Rn-G=H+LE

以可利用能量（Rn-G）为自变量，湍流能量（H+LE）为应变量，用直线回归方程拟合得到能量平衡闭合状况：y=0.7264x，r=0.81，n=3852。图1表示禹城站棉花生育期内农田能量平衡闭合状况，得出棉花能量平衡闭合程度约为80%，闭合程度较高[3-4]。

图2-2是棉花6～8月间CO2通量平均日变化曲线，从变化曲线中，可以看出，白天通量值为负，11：30达到最低，为-15.352 8 mg/m2·s。夜间，CO2通量为正值。由于日出后棉花的光合作用慢慢增强，向下的通量增大到最大值，在曲线上表现为谷值[5]，由于到中午时分，随着温度的升高可能出现“光合午休“现象，同时呼吸作用加快，也会减缓CO2吸收，以至在12∶00 CO2通量曲线出现一个小回升，午后到13∶00，光合有效速率再次逐渐增大，CO2需求又出现增大，净光合速率也逐渐回升，CO2向下通量增大到一个次低谷值，13∶00后，光强减弱，光合速率下降，同化作用开始下降，CO2需求量开始减小，曲线开始上升。

图3是不同生育期内CO2通量的日变化特征，在不同的生育期的CO2不尽相同，这主要与出于不同生育期棉花光合同化CO2能力有关。图中选取的代表日期为6月6日（棉花蕾期，以虚线表示），7月19日（棉花花铃期，以空点实线表示），8月21日（棉花吐絮期，以三角实线表示）。在蕾期棉花尚未发育完全，其光合同化作用较弱;进入花铃期后，该时期是棉花最为重要的生育期对温度、水分、光照的需求都很高，光合同化作用最强，图中表现为明显的“低谷”;进入吐絮期，棉花的需水量已大大减少，叶片衰老，光合同化作用又减弱，但谷值区还是明显的。从蕾期到花铃期，棉花的生理活动处于上升阶段，从花铃期到吐絮期，由于棉花已进入成熟期，由于葉绿素衰老不可避免，所以其CO2同化作用比花铃期要低[6]。

2.3 水分利用效率的变化规律

利用涡度相关法测定的瞬时CO2通量（Fc）相当于净生态系统生产力NEP（-Fc），蒸散量（ET）是LE与L之比，则生态系统的水分利用效率可以表示为：

水分利用效率=Fc/ET[7]。

图4为不同生育期水分利用效率的日变化。虚线代表蕾期的变化，实线代表花铃期的变化，三角点线代表吐絮期的变化。比较不同时期的水分利用效率可以看出，花铃期的水分利用效率最高，在79.2～142.7 umol CO2/mmol H2O，蕾期为18.6～121.2 umol CO2/mmol H2O，吐絮期为42.5～124.5 umol CO2/mmol H2O。

与前文所分析的不同生育期CO2的变化规律相比较，两者的变化规律相似，即在前后期小，中间大。这是因为在生长前期作物矮小，发育不完全，温度不高，光强不强，作物的光合作用小，所以CO2通量也很小，在生长中期，由于作物生长旺盛，叶片也比较多，光合作用强，所以CO2通量也比较大[8-10]。生长晚期由于棉花叶绿素的衰老，所以CO2通量很快又降下来，同时水分利用效率也明显减弱。再与不同生育期需水量进行对比，见表2-1。花铃期所需水量最大，叶片蒸腾强烈，需水量急剧增加，棉花生长旺盛，生理活动处于最佳状态，水分利用效率也最大。在蕾期，棉花生育发育不完全，其水分需求较低，水分利用效率较低。在吐絮期，棉花已经进入成熟后期，生理机能衰退，水分利用效率比花铃期低但比蕾期要高[11-14]。

2.4 水分利用效率的长期变化分析及其与Fc的关系  图5a是Fc与相应的水分利用效率的线性回归分析，将水分利用效率由原来的umol/mmol转换为g/g，将Fc的单位由mg/m2·s转换为10-5 mol/m2·s。水分利用效率的长期变化受生育期的影响较小，而主要受环境因子的影响。图5b是在吐絮期中后期Fc与相应的水分利用效率的线性回归分析。吐絮期Fc与水分利用效率亦有较好的相关性，且此时多为正值。此时作物的需水量较大，光合过程对太阳辐射能力也的程度高，因为此时棉花的光能利用系数最大，净光合生产率最高，叶面积大（每公顷3～4万m2左右）[15-16]。进入吐絮后期光能利用能力则骤降，光合作用不敷呼吸消耗[17-18]，能量效率急剧降低，这时棉铃的增长主要依靠茎叶中积累的干物质转移而来。

3 结论

（1）通过涡度相关技术测定的棉田冠层上方的CO2具有明显的日变化特征，日变化表现为白天负夜间正、开口向上的抛物线形式，一天中最低值出项在正午前后。在不同的生育期的CO2不尽相同，这主要与出于不同生育期棉花光合同化CO2能力有关。

（2）以涡度相关通量观测数据为基础，得到棉花碳、水循环的重要指标即水分利用效率，其日变化特征随生育期的不同而不同。蕾期水分利用效率表现为早上8∶00最高，此后逐渐下降，午后16∶00时开始迅速下降的日变化趋势，花铃期水分利用效率相比蕾期日变化幅度增大，吐絮期水分利用效率的变化呈现平缓的特征，这与棉花的生育期变化有关。

（3）利用涡度相关技术，可以对所需的能量和质量通量（碳、水）进行直接测定，进而分析水分利用效率的规律，了解棉田水循环的特征，更好地促进棉花生产产量和质量的提高。

参 考 文 献

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（责任编辑：夏剑萍）