位山灌区冬小麦农田能量分配的季节变化规律研究.pdf
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1、人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45,Sup.1Jun.,2023位山灌区冬小麦农田能量分配的季节变化规律研究郭超平1,雷慧闽2,左冠玲1(1.位山灌区管理服务中心,山东 聊城 252000;2.清华大学 水利水电工程系水沙科学与水利水电工程国家重点试验室,北京100084)收稿日期:2022-06-28作者简介:郭超平(1978),男,山东聊城人,工程师,主要从事农业灌溉工程运行和管理方面的研究工作E-mail:摘要:为把握位山灌区冬小麦农田生态系统能量分配的季节变化规律及其控制因素,在冬小麦的主要生长期内开展能量通量观测试验,采用涡度相关系统观测潜热和显热通
2、量,采用微型蒸渗仪观测地表蒸发量,同时辅以净辐射通量和土壤热通量的观测。结果表明:在冬小麦主要生育期内潜热通量占净辐射的比例为83%;波文比在生长期内呈逐渐下降趋势,季节平均波文比为0.19;地表土壤蒸发占总蒸散发的比例在生长期内亦呈逐渐下降趋势,季节平均值为0.17,表明蒸腾是该地区水分耗散的主要形式。波文比与叶面积指数有较好的负相关关系,土壤蒸发占总蒸散发的比例受土壤水分状态控制。生长期内平均冠层导度为0.011 m/s,冠层与大气间的解耦系数平均为0.55。冠层导度和解耦系数均与叶面积指数有较好的正相关关系。关键词:冬小麦;能量分配;波文比;冠层导度;解耦系数;位山灌区中图分类号:P33
3、2.2文献标志码:Adoi:10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.098华北平原是我国重要的小麦生产基地,其小麦产量占全国小麦总产量的50%,因此该地区对保障我国粮食安全具有重要意义。随着近年来该地区工农业用水激增,同时全球气候变化对水资源分布格局产生深刻影响1,导致华北平原水资源短缺问题逐渐凸显。如何保证粮食产量并实现节约水资源的目标,是当前亟须解决的问题。农田能量分配过程决定田间水量平衡,并控制田间微气候,进而影响作物生长过程,掌握小麦农田能量分配的季节变化规律及其控制因素对于制定合理的灌溉制度有很大的科学意义,因此本研究在位山灌区的典型小麦田内开展了长达一个生
4、长季的能量通量观测试验,探讨其能量分配的季节变化规律及其控制因素。1材料与方法1.1试验设计试验地点选在位山生态水文观测站(N3639,E11603),位于位山灌区中部高营管理所附近。该地区处于亚洲季风区,19842007 年 的 年 均 降 水 量 为 532 mm,年 平 均 气 温 为13.3。依照WRD(World Reference Database)土壤分类标准,该地区土壤类型为粉壤土,含32%砂粒和10%黏粒。表层5 cm土壤的凋萎系数(w)、田间持水率(f)和饱和含水率(s)分别为10%、33%和45%(体积含水率)。该地区冬小麦一般于10月播种,次年6月收割。在冬春干旱季节视
5、土壤水分状况实施灌溉,整个生育期内一般灌溉23次,总灌溉量为200300 mm。本研究采用四分量辐射仪观测向下短波辐射(Rsd)和向上短波辐射(Rsu),向下长波辐射(Rld)和向上长波辐射(Rlu);采用涡度相关系统观测地表潜热(LE)和显热通量(Hs)2(辐射仪和涡度相关系统的安装高度均为3.7 m);采用埋置于地表下3 cm处的土壤热通量板观测土壤热通量;采用安装于地表以上1.5 m处的空气温湿度仪观测空气温度(Ta)和相对湿度(Rh);采用时域反射仪(TDR)观测5 cm处的土壤体积含水率()。以上测量均为自动连续观测,时间步长为1030 min。观测站采用微型蒸渗仪观测地表蒸发。为降
6、低土壤蒸发空间异质性带来的采样误差,在田间随机选择4个点,取4个点的平均值作为测量值。测量中每5 d换土一次,灌溉和降水后立即换土。每天17:00称重一次,两次重量之差即为时段内的地表蒸发量。为记录小麦生长状况,采用LAI-2000冠层分析仪测量叶面积指数(LAI),采用尺子测量作物高度(Hc),测量频率均为7 d。为降低采样误差,在田间随机选取10个点,取10个点的平均值作为测量值。1.2数据分析方法涡度相关系统数据后处理主要包括潜热通量和显热通量计算、数据质量控制和空值插补2。地表能量平衡方程为RnLE+Hs+Gs(1)式中:Rn为净辐射,W/m,RnRsd-Rsu+Rld-Rlu;LE为
7、潜热通量;Gs为土壤热通量,W/m。潜热通量可分为蒸腾潜热和蒸发潜热:LELEt+LEe(2)式中:LEt为蒸腾潜热,W/m;LEe为土壤蒸发潜热,W/m。LEeEs(3)式中:Es为观测的地表土壤蒸发量,kg/(m2 s);为水的汽化潜热,取值2.45106J/kg。波文比()为显热通量与潜热通量之比:Hs/LE(4)蒸发潜热比(EF)为土壤蒸发潜热占总潜热的比例:EFLEe/LE(5)其中与EF均无量纲。冠 层 导 度(gc)表 征 冠 层 对 水 分 的 传 导 能 力,依 据Penman-Monteith公式推求可得3:gc=LEga(Rn-Gs)+cpVPDga-LE(+)(6)式中
8、:为空气密度(取1.2 kg/m3);cp为空气比热(取1 004.7 J/(kg K);为湿度计常数,Pa/K;为饱和水汽压曲线斜率,Pa/K;ga为空气动力导度,m/s。冠层与大气关系的解耦系数表征冠层与大气联系的紧密程度4,代表蒸散发对冠层导度变化的敏感程度,其计算公式为(7)可利用土壤水分含量ESW的计算公式为ESW(-w)/(f-w)(8)2结果分析2.1气象水文条件及小麦生长状况图1为试验期内日平均空气温度和相对湿度、日总水量输入(降水和灌溉)、日平均土壤水、叶面积指数和作物高度的季节变化过程,时间轴为儒略日(DOY)。在小麦主要生长期内,气温呈现上升趋势,相对湿度的季节变化不大。
9、在试验期内,田间进行过一次约100 mm的灌溉,灌溉量远高于同期的降水量(59.1 mm),因此小麦生长期所需水分主要来源于灌溉。小麦叶面积指数最高值为4.2,冠层高度最大值为75 cm。2.2净辐射、土壤热通量、潜热、显热季节变化图2为日平均净辐射、土壤热通量、潜热和显热通量的季节变化过程。在小麦主要生长期内,净辐射季节平均值为128.1 W/m2,潜热通量、显热通量、土壤热通量的季节平均值分别为 105.8、-7.4、0.08 W/m2,它们占净辐射的比例分别为 186人 民 黄 河2023年S183%、-6%、8%。潜热通量是净辐射的主要分量,这与该地区小麦生长期内充沛的水量供给有关,整
10、个小麦生长季节内没有水分胁迫。日内10:0014:00时段平均波文比有较明显的季节变化特征。在返青期初,小麦叶面积指数较小,蒸散发量较低,因而波文比较高。随着小麦叶面积指数的增大,蒸散发量逐渐增大,潜热也随之升高,因而波文比逐渐下降。主要生育期内波文比的平均值为0.19,这也表明该冬小麦农田潜热通量是有效能量的主要耗散形式,该值与已有研究比较接近5。土壤蒸发潜热占总潜热的比例与波文比有相似的季节变化特征,都与作物的生长过程紧密相关。在小麦叶面积指数较小时,一方面太阳辐射可以更多地到达地表促进土壤蒸发,另一方面,叶面积指数较小,用于蒸腾的有效叶面积也较小,因而在叶面积指数较小时蒸腾所占的比例较大
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