基于涡度相关系统的冬小麦农田能量平衡分量变化特征分析

余卫东（1972—），男，河南商丘人，正高级工程师，博士，从事气候资源利用与农业减灾研究.

Email：sqywd@sohu.com

摘  要

农田生态系统能量平衡分量变化特征与水循环过程、水资源管理和农业可持续发展息息相关。本文基于安阳国家气候观象台2020—2021年的涡度相关系统和气象要素数据，分析了冬小麦农田不同生长阶段净辐射、潜热通量、显热通量和土壤热通量的日变化和月变化特征，明确了影响华北平原农田生态系统能量平衡分量的主要气象因素。结果表明：（1）冬小麦不同生育期能量平衡分量日变化趋势基本保持一致，呈单峰二次曲线变化。出苗期和越冬期白天潜热通量小于显热通量，而拔节期和乳熟期白天潜热通量明显大于显热通量。整个生长季土壤热通量均较小，其中越冬期的最小。（2）从10月到翌年5月，净辐射和潜热通量的月变化特征整体上呈先减少后增加的趋势，1月份的潜热通量最小，为0.39 MJ·m-2·d-1，5月份的最大，为9.38 MJ·m-2·d-1；显热通量的月变化与潜热的相反；整个生长季，土壤热通量12月的最小，5月的最大。随着冬小麦的生长，潜热通量占净辐射的比值呈先减少后增加的趋势，显热通量则相反，二者呈现此消彼长的现象。（3）小时尺度上，潜热通量、显热通量、土壤热通量与气温、饱和水汽压差和风速呈极显著正相关，与相对湿度和土壤含水量呈极显著负相关。日尺度上，除显热通量外，潜热通量、土壤热通量与气温、饱和水汽压差和土壤温度呈极显著正相关，与相对湿度的相关性不显著。

关键词

冬小麦；能量平衡特征；影响因素；华北平原

引 言

地表能量通量是生态系统与大气之间相互作用的研究重点，能量平衡特征的定量分析对水循环过程、水资源管理和农业生产等具有重要意义。地表能量通量与作物生长发育及产量形成、生态系统水分传输和生产力等密切相关，也是地气相互作用的重要参数。目前，能量通量的测量方法较多，如空气动力学法、涡动相关法和波文比能量平衡法等。其中涡动相关法因具有观测精度高、连续稳定和理论完善等优点，被广泛应用于各种生态系统中，并在陆地生态系统水碳循环、能量通量模型模拟等方面取得了一系列成果。

农田生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分，其水热交换过程一直是微气象学、生态学和水文学界的研究热点。近年来，国内外学者对农田生态系统能量通量进行了许多研究。Dugas、梁涛、郭家选等分别对春小麦、夏玉米和冬小麦农田的水热和碳通量进行了研究。李阳等研究发现，净辐射、气温、相对湿度、大气压是集水区和田块尺度稻田水热通量的主控因子。Masseroni、刘笑吟等利用涡度相关系统分析农田各能量通量特征及其影响因素，发现稻田生态系统能量闭合率较高。俄有浩、刘渡和史桂芬等以华北平原典型农田为研究对象，分析了水热和碳通量的变化规律及能量闭合状况，结果表明能量平衡各分量与气温呈正相关，与相对湿度呈负相关关系，但不同生育期相关性存在差异。关于农田能量平衡特征及影响因素的研究虽然较多，但对冬小麦农田能量平衡特征在不同时间尺度上的变化规律及影响因素分析相对较少。本研究以安阳国家气候观象台冬小麦农田生态系统为研究对象，利用农田通量观测数据，分析冬小麦不同生育期能量平衡分量的日变化和月变化特征，以及能量平衡分量与气象要素之间的相关性，更全面地认识农田生态系统能量平衡的机理及转化规律，以期为科学评价华北平原农田生态系统生产力和水分利用率等提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

本研究以位于华北平原的安阳国家气候观象台冬小麦农田生态系统为研究对象。安阳国家气候观象台位于安阳县永和镇（114°34′17″N、36°4′54″E），年平均气温为13.6 ℃，年降水量为650 mm，无霜期为200 d。土地肥沃、光照和水资源充足，主要种植制度为冬小麦-夏玉米轮作。

1.2 观测试验

本研究自2020年10月下旬至2021年5月下旬进行连续田间试验观测。试验田下垫面为均一的冬小麦农田，盛行风向的风浪区长度符合涡动相关法的试验要求。华北平原冬小麦农田能量平衡试验相关仪器及技术参数见表1。

表1 华北平原冬小麦农田能量平衡试验相关仪器及技术参数

1.3 通量数据处理

使用2020年10月—2021年5月的通量观测数据，参照通量数据质量分析和处理的通用标准，首先进行坐标轴旋转、WPL校正和超声虚温校正。然后对数据进行剔除和插补，剔除其中的异常值、缺省值和雨日资料。短时缺失数据（1 d以内）采用线性插补法或根据相邻日期数据进行插补，缺失数据超过1 d时，根据平均日变化法进行插补。

1.4 能量闭合度

湍流通量（显热通量H+潜热通量LE）与有效辐射能（净辐射Rn-土壤热通量G）的比值为能量闭合率，公式如下：

（1）

1.5 统计分析方法

选取相关系数r对能量平衡各分量与气象要素进行相关分析，公式如下：

（2）

式中，n为样本数量，Xi和

别为净辐射、潜热通量、显热通量、土壤热通量及其平均值，Yi和

分别为各气象要素及其平均值。

2 结果与分析

2.1 能量平衡分量日变化特征

农田生态系统中，净辐射是能量、动量和水分交换过程的能量来源，是地气系统之间热量交换和物质循环的驱动因子。为深入了解冬小麦农田生态系统能量平衡特征，分别选择出苗期（10月29—31日）、越冬期（1月21—23日）、拔节期（4月7—9日）和乳熟期（5月27—29日）连续3天晴天时段，对其求小时平均，分析净辐射Rn、潜热通量LE、显热通量H和土壤热通量G的日变化特征。

冬小麦4个生育期净辐射变化曲线较为平滑，且日变化趋势基本保持一致，呈倒“U”单峰变化（图1）。净辐射在凌晨为负值，且变化幅度较小，上午随着太阳高度角的增加逐渐增大，在13:00或14:00达到最大值，之后逐渐减小，夜间变为负值。出苗期、越冬期、拔节期和乳熟期的净辐射日峰值分别为329.30 W·m-2、284.20 W·m-2、573.33 W·m-2和691.07 W·m-2。潜热通量和显热通量的日变化趋势均呈单峰二次曲线，潜热通量白天为正值，夜间在零值附近波动；显热通量白天为正值，夜间为负值。出苗期00:00—09:00和17:00—23:00潜热通量大于显热通量，10:00—16:00潜热通量小于显热通量，这是因为苗期冠层覆盖度较低，蒸散较弱，净辐射主要用于空气热交换。越冬期潜热通量和显热通量变化结果与出苗期的相似，即白天潜热通量小于显热通量。拔节期潜热通量和显热通量最大值分别为271.07 W·m-2和83.45 W·m-2，乳熟期潜热通量和显热通量最大值分别为384.24 W·m-2和107.95 W·m-2，拔节期和乳熟期白天潜热通量明显大于显热通量，主要是由于此时的冬小麦植被覆盖度较大，蒸散较强造成的。潜热通量变化趋势与净辐射的相似，在整个生长季表现为越冬期的＜出苗期的＜拔节期的＜乳熟期的。显热通量在整个生长季的变化表现为拔节期的＜乳熟期的＜越冬期的＜出苗期的。不同生育期土壤热通量变化曲线均较为平滑，且变化幅度较小，均为-25~115 W·m-2。4个生育期的土壤热通量夜间为负值，白天为正值，在乳熟期出现整个生长季的最大值（111.73 W·m-2）。

2.2 能量平衡分量月变化特征

从冬小麦农田能量平衡分量的月均变化和比例分配可以看出，整个冬小麦生长季，净辐射整体呈现先减少后增加的趋势（图2），12月的净辐射最小，5月的净辐射最大。潜热通量月变化与净辐射的相似，整体上呈先减少后增加的趋势，越冬期1月的最小，为0.39 MJ·m-2·d-1，5月的最大，为9.38 MJ·m-2·d-1。显热通量月分布与潜热通量的相反，4月的最小，为0.41 MJ·m-2·d-1，2月的达到最大值，为1.97 MJ·m-2·d-1，12月至翌年2月的显热通量明显大于潜热通量，主要是由于此时冬小麦植被覆盖度低，有时积雪覆盖使地面反射率增大，净辐射主要用来加热大气和植被造成的。越冬期过后，随着冬小麦的快速生长，作物蒸散变得强烈，3—5月的潜热通量明显大于显热通量。整个生育期，土壤热通量均较小，11月至翌年3月的为负值，这个生长阶段农田生态系统净辐射较小，冬小麦植被覆盖度较低，尤其是越冬期气温较低，深层土壤向上传递热量，因此土壤热通量为负值；10月、4月和5月为正值，说明土壤表现为吸热。

从10月到翌年5月，潜热通量占净辐射的比值呈先减少后增加的趋势（表2），1月的最小，为12.71%，5月达到最大值，为66.02%，5月植被覆盖度较大，净辐射大部分能量用于潜热消耗，增湿大气。显热通量则相反，12月的最大，占比为50.18%，4月达到最小值，为4.08%。二者呈现此消彼长的现象。土壤热通量与净辐射的比值均较小，整体呈先减少后增大的趋势，12月的最小，5月达到最大值，为6.86%。这是因为冬季太阳辐射较弱，植株较矮，热量主要从土壤深层向地表传输。冬小麦能量闭合率在5月达到最大，为0.72，在12月最小，为0.43。

图1 华北平原冬小麦出苗期（a）、越冬期（b）、拔节期（c）和乳熟期（d）冬小麦农田能量平衡各分量日变化

图2 华北平原冬小麦农田能量平衡分量月变化

表2 华北平原冬小麦农田能量平衡分量日积值及分配比例

2.3 小时尺度上能量平衡分量与气象要素的关系分析

冬小麦农田能量分配受多种因素影响。选取空气温度（T）、空气湿度（RH）、实际水汽压（ea）、饱和水汽压差（VPD）、风速（U）、土壤温度（Tsoil）和土壤含水量（W）7个气象要素，分析其与能量平衡分量之间的相关关系。

分析结果（表3）表明，小时尺度上,净辐射与气温、实际水汽压、饱和水汽压差、风速和土壤温度均呈极显著的正相关，其中与风速的相关性最好，相关系数达到0.540，其次为与气温和饱和水汽压差的相关性，与相对湿度和土壤含水量呈极显著的负相关，与土壤含水量的相关系数为-0.122。潜热通量与气温的相关性最好，相关系数为0.574，其次为与饱和水汽压差和土壤温度的相关性，相关系数分别为0.476和0.452，与土壤含水量和相对湿度呈极显著负相关，相关性较弱。与潜热通量相比，显热通量与气温和饱和水汽压差的相关性有所减弱，与风速的相关性增强，达0.434，说明风速是影响显热通量的主要因素。显热通量与相对湿度、实际水汽压、土壤温度和土壤含水量呈极显著负相关，与相对湿度的相关系数（绝对值）最大，达-0.280。土壤热通量与气温极显著正相关，相关系数为0.616，主要是由于气温直接影响表层土温，从而对土壤能量的储存与传递产生影响；与风速的相关性达0.511，呈极显著正相关；与相对湿度和土壤含水量呈极显著负相关。综上，气温、饱和水汽压差和风速是影响冬小麦农田潜热通量、显热通量和土壤热通量的最主要因素，而土壤含水量的影响较小。能量闭合率与气温、水汽压、饱和水汽压差、风速和土壤温度呈极显著正相关，与土壤含水量呈极显著负相关，与相对湿度的相关性不显著。

表3 小时尺度上华北平原冬小麦农田能量平衡分量与气象要素的相关关系

注：*表示在0.05水平上显著相关，**表示在0.01水平上显著相关，下同。

2.4 日尺度上能量平衡分量与气象要素的关系分析

表4为日尺度华北平原冬小麦农田能量平衡分量与气象要素的相关关系。与小时尺度类似，净辐射与气温、实际水汽压、饱和水汽压差、风速和土壤温度均呈极显著的正相关，与气温的相关系数最大（r=0.705），与饱和水汽压差和土壤温度的相关系数分别为0.661和0.655；与相对湿度呈负相关，且未达显著水平；与土壤含水量呈显著负相关。潜热通量与气温、实际水汽压、饱和水汽压差和土壤温度呈极显著正相关，其中，与气温和土壤湿度的相关性较好，相关系数在0.7以上；与风速呈显著正相关，与相对湿度和土壤含水量的相关性较差。显热通量与相对湿度和土壤含水量呈显著负相关，与其他气象要素的相关性不显著。土壤热通量与气温的相关性最好，其次是与实际水汽压、饱和水汽压差和土壤温度的相关性，与风速的相关系数较小，但均呈极显著相关，与相对湿度的相关性不显著，气温是影响土壤热通量的最主要因素。总的来说，气温和饱和水汽压差是影响潜热通量和土壤热通量的主要气象要素，相对湿度是影响显热通量的主要气象因素。除土壤含水量外，能量闭合率与其他气象要素呈极显著正相关，其中，与气温、水汽压、土壤温度的相关系数较大，均在0.5以上。

表4 日尺度上华北平原冬小麦农田能量平衡分量与气象要素的相关关系

3 讨论与结论

3.1 讨论

本研究结果显示，冬小麦不同生育期净辐射日变化趋势基本保持一致，呈倒“U”单峰变化。出苗期白天显热通量大于潜热通量，主要是由于出苗期植被冠层覆盖度较低，蒸散较弱，净辐射主要用于空气热交换造成的；拔节期和乳熟期潜热通量明显大于显热通量，与史桂芬得出的冬小麦农田能量平衡各分量的日变化趋势一致。4个生育阶段中，净辐射和潜热通量表现为越冬期的＜出苗期的＜拔节期的＜乳熟期的，显热通量表现为拔节期的＜乳熟期的＜越冬期的＜出苗期的，与袁再健等对华北平原冬小麦农田水热通量的研究结果一致。李国栋等研究发现，华北平原典型冬小麦显热通量在成熟期最大，越冬期最小，与本研究结果存在差异。土壤中温度分布不均匀造成的热量传输为土壤热通量，在净辐射能量分配中，分量较小，变化较为平滑。土壤热通量在乳熟期达到整个生育期内的最大值，为111.73 W·m-2，而吴东星等发现华北平原冬小麦土壤热通量在拔节期达到最大值，主要是由于作物生长状况和环境条件不同造成的。在小麦生长期内，净辐射的月变化整体呈先减少后增加的趋势，12月净辐射最小，5月份的净辐射最大，与太阳高度和地表状况变化有关。潜热通量总体也呈先减少后增加的趋势，显热通量则与其相反，12月—翌年2月的显热通量明显大于潜热通量，主要是由于苗期冬小麦植被覆盖度低，有时积雪覆盖使地面反射率增大，净辐射主要用来加热大气和植被。土壤热通量11月至翌年3月为负值，该阶段农田生态系统净辐射较小，冬小麦植被覆盖度较低，尤其是越冬期气温较低，热量由深层土壤向上层传递，因此土壤热通量为负值；4月和5月的为正值，12月的最小，5月的最大，谢五三等的研究也得到类似的结果。本研究中，冬小麦能量闭合率在5月达到最大，为0.72，在12月最小，为0.43，与李国栋等的研究结果一致，但其结果优于本研究，而基于涡度相关观测数据能量平衡不闭合现象普遍存在。

许多学者对不同作物农田能量平衡分量的影响因素进行了分析研究，但基本都集中在单一时间尺度上，对不同时间尺度上的研究相对较少。本研究中，小时尺度上，能量平衡各分量与气温呈极显著正相关，与相对湿度呈极显著负相关，与前人研究结果一致；净辐射、潜热通量和显热通量与土壤温度呈极显著相关，但有学者认为它们与土壤本身的物理特性有关，而与土壤温度无显著相关性。与小时尺度相同，在日尺度上，气温是潜热通量和土壤热通量的主要影响因素，而显热通量与气温相关性较弱，与相对湿度的相关性较强。随着时间尺度的增大，能量平衡分量与相对湿度和风速的相关性减弱，主要是由于风速在小时尺度上变化幅度大，加速了蒸散发过程，影响了能量分配过程。从小时尺度扩展到日尺度时，能量闭合率与气象要素的相关性明显增大。本研究仅对能量平衡的日变化和月变化特征进行分析，更长时间尺度的农田能量平衡特征需要进一步研究。此外，本研究分析了小时和日尺度上能量平衡分量与气象要素的相关性，但造成2种尺度能量平衡分量影响因素差异的具体原因尚未给出，有待进一步分析。

3.2 结论

利用2020—2021年的涡度相关系统和气象要素数据，研究了华北平原冬小麦农田能量平衡分量的日变化和月变化特征，并分析了能量平衡分量与气象要素的相关性。结果表明：（1）不同生育期能量平衡分量日变化趋势均呈单峰二次曲线变化，出苗期和越冬期白天潜热通量小于显热通量，拔节期和乳熟期白天潜热通量明显大于显热通量。整个生长季土壤热通量均较小。（2）净辐射和潜热通量随冬小麦发育进程整体上呈先减少后增加的趋势，显热通量月变化与潜热通量的相反。整个生长季，土壤热通量均较小，11月至翌年3月的为负值，10月、4月和5月的为正值。（3）能量平衡分量与气象要素间的关系在时间尺度上存在差异。小时尺度上，气温、饱和水汽压差和风速是影响冬小麦农田能量平衡各分量的主要因素。日尺度上，气温和饱和水汽压差是影响净辐射、潜热通量和土壤热通量的主要气象要素，相对湿度是影响显热通量的主要气象因素。

致谢：感谢安阳国家气候观象台提供涡度相关数据和气象要素数据。

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