干热风天气下麦田通量特征

成 林，张志红，史桂芬，王秀萍，彭记永

(1.中国气象局/河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室，河南 郑州 450003；2.河南省气象科学研究所，河南 郑州 450003；3.河南省商丘市气象局，河南 商丘 476000)

引 言

麦田生态系统是陆地植被生态系统的重要组成部分，外界环境条件影响小麦植株的生命活动，而植物生命活动反过来又对水汽、CO2等气体成分输送产生显著影响，从而调节植物生长的微环境，进而影响作物产量[1]。干热风是中国北方小麦灌浆期最严重的农业气象灾害之一[2-3]，其高温、低湿并伴有一定风力的环境严重影响小麦正常的生理生态机能，阻碍正常灌浆，导致千粒重下降。因此，探究灾害性天气背景下麦田水汽、CO2和热量通量的流动对科学认知小麦生理生态、农田小气候特征、物质与能量输送过程、环境调控等有重要意义。

随着科技手段的进步，土壤-植物-大气之间的能量输送与交换研究取得了较大进展[4-5]。观测方法主要包括直接测定(蒸渗仪、箱式法)和间接测定(波文比法、涡度相关法)，其中涡度相关技术经过长期理论发展与技术进步，已成为测定地表与大气之间水汽交换的标准方法[6-8]，其主要优点是理论假设少、精度高，可实现长期、连续和非破坏性的定点监测[9]，且测量步长短，可以在短时间内获得高时间分辨率的环境要素及变化信息，有利于研究水分交换对环境变化的快速响应[10-12]。近年来，利用涡度相关技术开展了不同时间尺度(日、月、季、生育期等)作物碳通量和热量通量研究[13-15]，通过分析水、热与CO2通量传输和耦合过程，从站点尺度揭示作物冠层光合、蒸散及对能量平衡的影响机制[16-19]，发现麦田生态系统具有明显的碳汇特征，且碳交换主要发生在作物生长较为旺盛的时期[20-21]，能量通量随着季节、天气和下垫面而变化，其变化幅度、形态存在明显差异[22]。在影响通量环境因素方面，取得了一批逆境胁迫下通量变化规律的研究成果[23-24]，为认清农田水热交换特征奠定了扎实的科学基础。

总体来看，麦田通量的观测分析多以冬小麦全生育期为研究对象，而作为冬小麦重要胁迫因子之一的干热风在灌浆期的胁迫最显著，因此开展干热风天气下灌浆期麦田通量特征的相关研究更有意义[25-26]，但这方面的研究明显不足，局限了对灾害发生规律及影响机制的科学认识。鉴于河南省干热风灾害频发的气候背景，本研究利用涡度相关技术测定的麦田CO2通量和能量通量资料，与正常天气状况对比，多角度探讨干热风天气下麦田通量交换规律，为进一步认清灾害发生规律、科学开展灾害影响评估及制定防御措施提供参考依据。

1 数据与方法

1.1 资料来源

所用资料为河南郑州农业气象试验站(34°43′N、113°39′E)通量观测系统监测的2013、2017年干热风天气下麦田净辐射(Rn)、CO2通量(C)、潜热通量(L)、感热通量(H)和土壤热通量(G)资料以及冬小麦发育期观测资料。麦田下垫面按照当地常规水肥管理，不设处理和重复，2个年度小麦品种分别是郑麦366和矮抗58，均为当地主栽的半冬性品种。

通量观测系统采用美国Campbell Scientific公司的涡度协方差系统，安装在距离地表3 m高度处。涡度相关系统由测定垂直风速、气温和水汽密度的3部分传感器组成，包括1个CR3000数据采集器，1个LI7500 CO2/H2O分析仪，1个CSAT3三维超声风速仪，1个HMP45C空气温度/相对湿度探头，1个CNR1净辐射传感器，2个土壤热通量板，1个CS616土壤湿度传感器和1个TCAV土壤温度传感器，程序输出实时数据间隔为30 min。

1.2 研究时段

根据中国气象局2007年发布的《小麦干热风灾害等级》气象行业标准(QX/T82—2007)[27]，对2013年和2017年干热风日进行筛选，分别选出3、6 d，具体日期及对应的气象要素条件及灾害等级见表1。

另外，正常时段定义为开花后第2天至乳熟期。其中，2013年4月28日至5月20日、2017年4月24日至5月17日均为正常时段(不包含干热风日)。

表1 2013年和2017年干热风日气象条件及灾害等级Tab.1 Meteorological conditions and hazard grades under dry-hot wind days in 2013 and 2017

1.3 资料处理与方法

对通量数据进行野点剔除、插补和校正。插补方法：对小于2 h的资料缺失采用线性内插法，而大于2 h的缺失数据则采用平均昼夜变化法[28]。野点判定标准为4倍方差法[29]。利用WPL法订正水热通量传输对CO2通量和潜热通量的影响[30]。

麦田蒸发比表征群体对可供能量的蒸散能力，可用来反映麦田获取能量后再分配情况，是潜热通量占可供能量的比值，表达式如下：

(1)

其中：Ew为麦田蒸发比；L为潜热通量(W·m-2)；Rn为净辐射(W·m-2)；G为土壤热通量(W·m-2)。

2 结果与分析

2.1 干热风天气下麦田CO2通量日变化特征

农田碳循环在全球碳平衡中发挥着重要作用，CO2通量是农田碳循环最重要的特征参数之一[31]。作物吸收大气中的CO2，它由冠层上方大气向冠层内传输，故而CO2通量为负值。从干热风天气与正常天气条件下CO2通量对比(图1)看出，麦田CO2通量存在明显的U型日变化，但U型的深度明显受外界环境条件影响[32]。其中，正常天气条件下，灌浆期麦田对CO2的净吸收峰值出现在12:00(北京时，下同)左右，两品种的吸收峰值平均为0.73 mg·m-2·s-1；在干热风天气条件下，CO2净吸收峰值随干热风程度有提前趋势。如2013年轻度干热风天气下麦田CO2净吸收峰值出现在09:30，净吸收峰值较正常天气下12:00提前2.5 h、减小35.4%；2017年重度干热风天气下麦田CO2净吸收峰值出现在上午09:00，较正常天气下12:00提前3 h、减小38.2%，轻度干热风天气下CO2通量峰值出现时间无明显提前，但减小25%，这充分反映出干热风天气对小麦群体光合作用能力的削减。

从白天时段平均状况来看，2017年轻、重度干热风天气下白天CO2通量日均值比正常天气条件下分别减少33.02%和59.73%，而2013年轻度干热风天气下CO2通量日均值比正常天气下减少38.68%。此外还发现，不同天气条件下CO2通量由负值转为正值的时间不同，即麦田由CO2“汇”转为“源”的时间不同，重、轻度干热风日比正常日分别提前约60、30 min，说明小麦受到胁迫越重，对CO2的同化时间越短。

2.2 干热风天气下麦田能量通量日变化特征

在太阳辐射驱动下，农田生态系统内进行能量流动、物质合成转移和碳水循环等一系列生态过程。由于各生态系统下垫面类型不同和群落结构异质性，导致作物蒸散和热传导能力的差异。因此，净辐射在进入生态系统后，各能量通量在系统内的分配存在差异[33]。其中，能量通量主要包括地表净辐射、土壤热通量、潜热通量和感热通量。

图2是2013年和2017年不同程度干热风天气与正常天气条件下平均能量通量日变化。可以看出，无论正常天气还是干热风天气条件，麦田能量通量的各分量均表现出单峰二次曲线的日变化特征。其中，净辐射、土壤热通量和潜热通量在07:00—19:00时段变化明显，且均为正值，而感热通量则在08:30—18:30时段变化明显，4种能量通量均在12:00—13:00之间达到最大；在能量通量变化明显时段内，其通量值总体自重度干热风、轻度干热风、正常天气依次减小(15:00—17:00的感热通量除外)。另外发现，夜间，净辐射、土壤热通量、潜热通量数值均在0线附近，而感热通量值则均为负值。

净辐射是地表能量的重要来源，两年度小麦灌浆期净辐射峰值平均约526 W·m-2，干热风天气的天空状况往往晴好少云，辐射强烈，重度和轻度干热风日净辐射的峰值较正常天气平均分别偏高53.4%和35.8%[图2(a)]。

土壤热通量是单位时间、单位面积内土壤中因温度分布不均匀所引起的热量交换量[34]。根据能量守恒，太阳辐射能量除了用于潜热和感热交换外，多余的能量会分配到土壤中。轻度和重度干热风日，土壤热通量峰值较正常天气平均分别偏高41.7%和97.1%[图2(b)]。

麦田水分蒸发和作物蒸腾均以潜热形式与大气进行能量交换，潜热通量是指在温度恒定条件下单位面积的热量交换。在干热风天气强辐射、高温、低湿环境下，麦田潜热交换十分剧烈，2013、2017年轻、重度干热风天气下作物耗水量分别较正常天气单位面积平均偏高52.4%和77.8%[图2(c)]。

图1 2013年(a)和2017年(b)不同等级干热风天气与正常天气条件下CO2通量日变化Fig.1 Diurnal variation of CO2 flux under dry-hot wind weather with different grades and normal weather conditions in 2013 (a) and 2017 (b)

图2 不同等级干热风天气与正常天气条件下能量通量日变化(a)净辐射，(b)土壤热通量，(c)潜热通量，(d)感热通量Fig.2 Diurnal variation of energy flux under dry-hot wind weather with different grades and normal weather conditions(a) net radiation, (b) soil heat flux, (c) latent heat flux, (d) sensible heat flux

感热通量是物体在加热或冷却过程中，温度升高或降低而不改变其原有相态所需吸收或放出的热量通量，通过空气对流和热传导的方式传输能量，可以表征大气的稳定程度，与温度梯度等关系密切。从图2(d)看出，感热通量与能量通量其他 3个分量的日变化特征相似，但不同的是：下午约16:00以后，随着气温降低，麦田开始释放热能，感热通量转为负值，且干热风日释放的热能明显较正常天气偏多。

综上可见，干热风天气下麦田对热量的吸收与释放均异常，导致麦田温度场异常。

2.3 灌浆期干热风天气下麦田CO2通量特征

干热风对小麦灌浆期影响最显著，小麦灌浆过程可划分为灌浆前期(子粒渐增期)、灌浆中期(快速增长期)和灌浆后期(缓慢增长期)三个阶段。利用Logistic生长曲线拟合小麦籽粒增重的过程发现，近年来郑州地区小麦灌浆前期的平均日期为4月26日至5月7日，灌浆中期为5月8—19日，灌浆后期为5月20日至成熟[35]。从图3可以看出，随着小麦逐渐接近成熟，植株生命体活力逐步降低，无论是正常年份(2012、2016年)，还是干热风年份(2013、2017年)，麦田对CO2的吸收通量均随着开花后时间的推移而逐渐减小，可见，灌浆不同时期麦田对CO2的同化能力存在差异，但衰减速率正常年与干热风年未有明显差异(未通过显著性检验)。

图3 不同年份麦田开花后CO2通量逐日变化Fig.3 The daily variation of CO2 flux after the flowering of wheat in different years

为了区分灌浆不同时期干热风对麦田CO2通量的削减与自身随进程的衰减特征，采用灌浆不同时期干热风日前后共4 d正常日的通量值作为对照，发现相同等级干热风天气下灌浆不同时期CO2通量峰值和平均值变化率不同，2013年和2017年轻度干热风天气下，白天CO2通量峰值减小率最大分别出现在灌浆中期与后期，而平均值减小率最大均出现在灌浆中期(表2)，表明灌浆中期出现干热风对麦田CO2通量平均值影响最大。

2.4 干热风天气下麦田蒸发比日变化特征

表2 灌浆不同时期轻度干热风日CO2通量峰值及平均值变化率Tab.2 Variation rate of mean and the maximum CO2flux on light dry-hot wind days during different stages of grain filling 单位：%

注：“-”表示未出现干热风。

图4 2013年(a、c、e)和2017年(b、d、f)不同等级干热风天气与正常天气条件下潜热通量(a、b)、可供能量(c、d)和蒸发比(e、f)的日变化Fig.4 The diurnal changes of latent heat flux (a, b), available energy (c, d) and evaporation ratio (e, f) under dry-hot wind weather with different grades and normal weather conditions in 2013 (a, c, e) and 2017 (b, d, f)

由于夜间和早晚麦田蒸发比不稳定，故而给出两年份不同天气下白天时段潜热通量、可供能量和蒸发比日变化曲线(图4)。总体看出，干热风灾害程度越重，蒸发比值越高。其中，2013年和2017年正常天气下白天时段蒸发比平均分别为0.5118和0.5621，而2013年轻度干热风天气下蒸发比平均值增加了35.9%，2017年轻、重度干热风天气下分别增加18.7%和19.8%；从蒸发比峰值来看，2013年轻度干热风天气下蒸发比峰值较正常天气增加了49.5%，而2017年轻、重度干热风天气下分别增加32.5%和32.0%。

两年度灌浆期麦田0～50 cm土壤相对湿度维持在60%左右。正常天气下蒸发比的峰值出现在12:00左右。当出现轻度干热风时，由于正午之后气温升高，伴随着较低的空气相对湿度和较高的风速，麦田潜热交换加剧，而可供能量正午之后却在减小，因此蒸发比峰值出现在14:00—16:00之间；当出现重度干热风时，麦田蒸发比波动较大，09:00—12:00期间，伴随着剧烈辐射和升温，可供能量大量用于维持作物蒸腾，蒸发比不断升高，但下午随着气温进一步升高，空气相对湿度降低，植株气孔关闭，蒸腾能力明显减弱，蒸发比在随后的几个小时内持续下降。

3 结论与讨论

(1)干热风天气对白天时段麦田通量有显著影响，白天时段CO2通量较正常天气有所减小，尤其峰值减小显著，且峰值提前出现，表明麦田对CO2的同化时间缩短，而能量通量则较正常天气明显增大。

(2)麦田通量与干热风灾害等级和灌浆进程有关，干热风灾害程度越重，麦田CO2通量峰值和均值的绝对值越小；灌浆中期出现干热风时，麦田CO2通量均值减小最多。能量交换量与干热风程度成正比。

(3)干热风天气下可供能量的分配发生明显变化，故而蒸发比自重度干热风天气、轻度干热风天气、正常天气依次减小，且轻度干热风天气下蒸发比峰值明显后移。

郑州地区冬小麦灌浆期CO2通量、能量通量的日变化符合农田生态系统通量变化的一般特征，但CO2通量和蒸发比在早晚和夜间不稳定，主要原因是夜间土壤和冬小麦呼吸作用使得作物活动层成为高浓度环境的CO2源，而麦田CO2的输送和交换主要依靠湍流交换，通过风的阵性扰动传输堆积于作物活动层，从而引起作物群体CO2通量的波动[36]。早晚和夜间由于气温相对低，空气中水汽凝结，潜热通量相对稳定，但土壤热通量则因天空状况不同散热不规律，尤其是风速扰动使得可供能量不稳定，而白天时段蒸发比相对稳定，常应用于作物耗水量计算、大尺度实际蒸散量遥感估测等研究中，因此干热风天气条件下蒸发比的变化特征具有一定的科学价值。

影响麦田能量通量的因素诸多，除了冬小麦的生育进程、群体的光合作用能力外，外界环境也是重要的影响因子。研究表明，叶片气孔导度对环境因子(特别是光)反应敏感，随着光照强度增强，气孔导度变大，叶片的光合能力增强[37]。正常天气下正午净辐射最强，CO2通量达到峰值，而在干热风天气下正午之前就出现了强烈的净辐射，气体交换速率高，使得CO2通量快速升高，与此同时因温度进一步升高、低湿胁迫影响，气孔受到限制，CO2通量随之下降，故而出现峰值减小及位移现象。参考前期开展的干热风灾害控制试验[38]，干热风使10:00左右小麦旗叶净光合速率下降19.4%～36.6%，与本文群体尺度CO2通量峰值减少的量级相当，表明叶片尺度和群体尺度受干热风胁迫程度相当，因此在无通量观测的麦田条件下叶片尺度的胁迫量观测有一定代表性，为今后深入开展干热风灾害影响机制与评估研究奠定科学基础。

从麦田产量来看，2013年冬小麦受晚霜冻和干热风共同影响而减产，而2017年前期无明显气象灾害，最终千粒重较上年增加，但麦田CO2通量的削减是麦田生态系统受胁迫的直接表现，因此增产不代表没有受干热风影响，而无灾情况下产量会更理想，科学、适时、动态的干热风灾害影响评估还有待进一步研究。