苜蓿草地FPAR時間變化規律研究

徐麗君,唐華俊,張宏斌,楊桂霞,王 波,張 釗,曹恒武,辛曉平

(1.農業部資源遙感與數字農業重點開放實驗/ 呼倫貝爾國家野外站/中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081; 2.中國工程院,北京 100088)

太陽輻射中波長位于400～700 nm，能被綠色植物利用進行光合作用的太陽輻射能量稱為光合有效輻射(photosynthetically active radiation，PAR)[1-2]。PAR是形成生物產量的基本能源，控制著生物光合作用的速率，對植物的生長、發育、產量及品質有直接的影響[3]，同時，對地表與大氣物質和能量交換也有較大影響[4]。吸收性光合有效輻射(fraction absorbed photosynthetically active radiation,FPAR)表征植被冠層能量的吸收能力的強弱，是在光合有效輻射波段有多少太陽光能被吸收的一個度量[5]，是描述植被結構以及與之相關的物質與能量交換過程的基本生理變量[6]，是估算全球或區域碳支出，尋找碳丟失的一個關鍵參量[1，4]。

自20世紀60年代以來，國內外眾多學者對光合有效輻射的觀測和理論進行了廣泛的研究與探討[7]。關于FPAR的研究主要集中在利用遙感數據和物理模型反演[8-13]方面。而我國關于FPAR方面的研究起步較晚，20世紀80年代以后，一些學者才開始逐步對FPAR進行相關研究。周曉東等[14]對夏玉米(Zeamays)冠層的PAR各分量與FPAR、葉面積指數(leaf area index,LAI)之間進行相關研究；隨后王培娟等[15]對冬小麥(Triticumaestivum)的FPAR與各指數以及葉面積之間的關系進行了研究；董振國和于滬寧[12]對農田上的入射PAR和反射PAR進行了測定與分析。目前，關于研究我國天然草地FPAR的時間變化規律的報道較少[1]，而關于紫花苜蓿(Medicagosativa)栽培草地FPAR的時間變化規律，及利用實測數據對栽培草地FPAR時間變化規律的研究則更少。

本研究以呼倫貝爾紫花苜蓿栽培草地為研究對象，對其PAR分量變化規律進行研究。通過對苜蓿栽培草地PAR分量的測量，分析苜蓿栽培草地PAR的動態變化，通過獲得的實測PAR數據，利用公式最終計算出苜蓿栽培草地的FPAR，其結果可為苜蓿栽培草地FPAR的精度評估和驗證提供依據與理論參考。因此，研究呼倫貝爾地區苜蓿栽培草地PAR對FPAR算法的改進與驗證具有重要的學術價值，也可為呼倫貝爾地區苜蓿栽培草地的合理利用提供科學的理論依據。

1 研究地區與研究方法

1.1研究區概況 試驗地選在呼倫貝爾生態實驗站，地處49°06′～49°32′ N，119°32′～120°35′E，研究區域內水熱條件較好，屬于溫帶大陸性季風氣候，無霜期110 d左右，年平均氣溫-2℃，年均日照時數為2 807 h，太陽輻射年總量平均為5 161 MJ/m2。試驗以種植2年的紫花苜蓿栽培草地為研究對象，種植面積200 m2。土壤為黑鈣土，肥力中等，土壤含水量13%～15%，植被蓋度在70%左右。采用條播種植，行距30 cm，播量7.5 kg/hm2。

1.2研究方法 選擇固定的苜蓿樣地，于2010年8月7-27日苜蓿開花期，在晴朗無云天氣，利用AccuPAR植被冠層分析儀對樣方冠層400～700 nm波段內的光和有效輻射[μmol/(m2·s)]進行連續測定。觀測時間從5:30-17:30，每30 min測定一次，連續觀測2 d。每次測定冠層入射(PARci)、反射(PARcr)、透射(PARgi)和土壤反射(PARgr)4個分量。

太陽入射到冠層的有效輻射，一部分被冠層吸收，一部分被冠層反射，還有一部分透射過冠層到達土壤表面。到達土壤表面的PAR，一部分被土壤吸收，另一部分被土壤直接反射，所以，只有被冠層吸收的PAR才能對作物的干物質積累有作用。因此：

APAR=(PARci-PARcr)-(PARgi-PARgr)；

2 結果與分析

2.1苜蓿栽培草地入射 PAR及透射PAR日變化規律

2.1.1苜蓿栽培草地入射PAR日變化 從2010年8月2日呼倫貝爾綜合試驗站每30 min自動記錄的光合有效輻射數據(圖1)可以看出，苜蓿栽培草地的太陽光合有效輻射集中在早晨 6:00-18:00，之前或之后光合有效輻射量均較低。因此，本試驗選擇在5:30-17:30進行光合有效輻射測定。

圖1 入射太陽有效輻射日動態

2.1.2苜蓿栽培草地透射PAR日變化 圖2反映的是8月7-27日苜蓿栽培草地冠層入射PAR及冠層透射PAR日變化情況。苜蓿栽培草地光合有效輻射日變化特征明顯，即隨著早晨太陽逐漸升高，入射到冠層的光合有效輻射與透射的光合有效輻射逐漸升高，中午12:30 左右達到全天的最大值，約為1 376 μmol/(m2·s)；13:30以后PAR值逐漸降低。冠層透射PAR也隨時間呈先升高后降低的變化趨勢，從冠層入射PAR與透射PAR的變化曲線看，整體上均呈單峰曲線，出現峰值的時間基本一致，均在12:30左右。

2.2苜蓿栽培草地冠層反射PAR與土壤反射的PAR日變化規律 冠層反射與土壤反射PAR也具有明顯的日變化特征(圖3)。冠層反射的PAR規律明顯，呈明顯的單峰曲線，最高峰值均出現在12:00-12:30，8月7日、17日和27日冠層反射的最大值分別為109.4、95.4和55.5 μmol/(m2·s)。土壤反射量日變化波動較大，總體上與冠層反射規律一致，峰值出現在12:00左右，最大值介于45.0～54.4 μmol/(m2·s)。分析其中原因，可能與測定時間段內空中的云量變化有關，試驗選在晴朗無云的天氣，但草原地區，一天之中氣候變化較大，在測定的某一時刻會有云出現，對測定的結果會造成一定的影響，這可能就是造成草地冠層變化存在波動的原因。

植被冠層反射的PAR和土壤反射的PAR受植被冠層結構、土壤類型和太陽天頂角的影響。在日變化規律分析中，植被冠層結構與土壤類型對冠層反射的PAR和土壤反射的PAR影響可以忽略。所以，草地冠層反射的PAR和土壤反射的PAR日變化主要受太陽天頂角的影響。分析草地冠層反射PAR和土壤反射PAR的相關性，結果顯示(表1)，草地冠層反射的PAR與太陽天頂角存在顯著負相關(P<0.05，r>0.699)。

圖2 冠層入射PAR及透射PAR日變化

圖3 冠層反射PAR與土壤反射PAR日變化

2.3苜蓿栽培草地FPAR的日變化規律 FPAR表示植被冠層能量的吸收能力。在晴天，FPAR日變化總體呈“雙峰”型曲線，11:30左右達到全天最低值，14:30左右達全天最大值(圖4)。

2.4FPAR影響因素分析 冠層結構、葉面積指數、太陽天頂角都是影響FPAR的因素。研究一天之中FPAR的變化規律時，苜蓿栽培草地的LAI可視為恒定，冠層結構也是不變的，所以，影響FPAR的主要因素是太陽天頂角。通過分析FPAR與太陽天頂角的相關發現，太陽天頂角與FPAR存在負相關關系。

表1 冠層反射、土壤反射與太陽天頂角相關分析

圖4 晴天FPAR日變化

y=-29.041x+86.99(r=-0.571，P<0.05)

式中，y表示FPAR，x表示太陽天頂角。

另外，在觀測時間內，苜蓿栽培草地的FPAR的數值在0.70附近波動。這一數值與7:30時刻計算的瞬時FPAR值基本一致，此時的太陽天頂角為80°，也就是說，可以用7:30時或太陽天頂角為80°時瞬時的FPAR值來代表試驗區內苜蓿栽培草地一天的FPAR值(圖5)。

圖5 日平均FPAR變化

3 討論

本研究對呼倫貝爾地區苜蓿栽培草地的吸收性光合有效輻射變化規律進行分析，測定了日光合有效輻射各分量，通過計算最終得到日吸收性光合有效輻射，進而分析出海拉爾地區苜蓿栽培草地吸收性光合有效輻射的變化規律。從本試驗結果可以看出，關于苜蓿草地吸收性光合有效輻射的時間變化規律與李剛等[17]的研究結果不完全一致，這可能與兩者所研究的對象有關，前者研究羊草(Leymuschinensis)天然草地，后者是苜蓿栽培草地，從兩種植物自身的形態特征、生長發育特點來看，都存在較大的差異性，這也可能是導致試驗結果存在差異的原因，另外與測定時植被蓋度、土壤含水量也有關。楊飛等[18]通過實測大豆(Glycinemax)和玉米冠層光合有效輻射各分量并計算其反射率、透射率，分析了各分量日變化規律及其影響因素，對吸收性光合有效輻射進行了研究。結果表明，吸收性光合有效輻射在一天中均接近于常數，吸收性光合有效輻射因植被類型而異，這與本研究結果基本一致。

受試驗儀器的限制，本研究驗未能對苜蓿栽培草地整個生長季的太陽光合有效輻射進行定期測定，這是今后工作中需要補充的。另外葉面指數對苜蓿栽培草地利用光合有效輻射也有一定的影響，這也是進一步研究的重點內容。

4 結論

苜蓿栽培草地冠層入射光合有效輻射與冠層透射的光合有效輻射日變化規律基本一致，呈單峰曲線變化，冠層反射的光合有效輻射與土壤反射的光合有效輻射日變化趨勢與冠層入射光合有效輻射和透過光合有效輻射規律十分相似。

苜蓿栽培草地吸收性光合有效輻射的日變化呈雙峰型曲線，吸收性光合有效輻射在早晚值較高，最高值約0.91 μmol/(m2·s)；草地日平均吸收性光合有效輻射值可以用7:30時或太陽天頂角為80°時瞬時的吸收性光合有效輻射值來表示。

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