節水灌溉稻田不同土壤水分條件下水碳通量日變化特征

劉笑吟，吳勇強，劉詩夢，呂玉平，楊士紅，徐俊增

(1．河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點試驗室，南京 210098； 2．河海大學水利水電學院，南京 210098)

0 引 言

近年來，以水資源短缺為背景的“水問題”和以大氣中CO2濃度增加為背景的“碳問題”引發了全球陸地生態系統水循環和碳循環研究的熱潮[1]。農田生態系統水碳循環是陸地生態系統水碳循環的重要組成部分[2]。農田水汽通量與作物蒸發蒸騰密切相關，是制定農業灌溉策略和農田水分管理的重要決定因素[3]；而農田生態系統碳循環是陸地生態系統碳循環的重要組成部分[4]，人類所需糧食的90%以上直接來源于作物光合作用對CO2的固定。因此，對農田生態系統水碳通量特性的探索，將有助于掌控作物生產力程度以及農田水分生產效率。

渦度相關技術作為通量測量的可靠方法，已廣泛應用于農田水碳通量的監測[5,6]。農田生態系統作物冠層矮小、簡單且勻質性高，是進行渦度相關通量觀測的理想類型[7]。目前，農田水碳通量的研究多集中在小麥、玉米等旱作植物上，針對水稻的不多，但水稻是我國的最主要糧食作物，種植面積2 800萬hm2，占糧食播種面積的近30%，水稻產量占禾谷類總產量的33.4%[8]。同時，在當前水資源緊缺、氣候變暖的背景下，為保證我國糧食安全與水資源安全，節水灌溉稻田的發展與普及勢在必行[9]。但節水灌溉技術會造成作物生理生長、土壤環境以及田間水碳含量的改變，進而影響稻田的田間小氣候。因此，本文以節水灌溉稻田為主要研究對象，用渦度相關系統連續觀測不同土壤水分條件下2013年稻季水碳通量日變化數據，探究不同土壤水分條件對節水灌溉稻田水碳通量日變化過程的影響，旨在為揭示節水灌溉條件下的水碳循環機理及其環境效應奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試區概況

試驗于河海大學國家重點試驗室昆山試驗研究基地進行，地處太湖流域水網區低洼平原(31°15′15″ N，120°57′43″ E)，屬亞熱帶南部季風氣候區。年總降水量1 097.1 mm，總蒸發量1 365.9 mm，日照時數2 085.9 h，年平均氣壓101.63 kPa，平均氣溫15.5 ℃，平均相對濕度83 %。試驗區土壤為潴育型黃泥土，耕層土壤為重壤土，容重1.30 g/cm3，平均飽和體積含水率50.2%，土壤全氮1.79 g/kg，全磷1.40 g/kg，全鉀20.86 g/kg，有機質21.88 g/kg。試驗區常年盛行東南風，習慣稻麥輪作，水稻(晚稻)生育期平均氣溫24.8 ℃，平均相對濕度79.2%。稻季試驗區所監測下墊面為控制灌溉的稻田，2013年水稻于6月26日移栽，10月26日成熟，種植行距0.25 m，株距0.13 m。控制灌溉處理在返青期田面保留5～25 mm薄水層，以后的各個生育期灌溉后田面不建立水層，以根層土壤含水率占飽和含水率60%～80%的組合為灌水控制指標，各生育期具體土壤水分調控指標參照彭世彰等[10]的研究結果。試驗區水稻施肥與農藝措施與當地農民習慣一致。

1.2 試驗儀器與觀測內容

在試驗區下風向安裝渦度相關系統自動觀測儀器 (OpenPath Eddy Covariance，OPEC)，對2013年水稻生育期水碳通量進行連續觀測。該系統主要由EC150開路CO2/H2O分析儀、CAST3A三維超聲風速儀、HMP155A空氣溫濕度探頭、CNR4四分量凈輻射表、HFP01SC熱通量板和CR3000數據采集器等組成。觀測內容包括太陽輻射、氣溫、氣壓、土壤溫度等氣象因素，以及土壤熱通量、感熱通量、潛熱通量和CO2通量。采集器以10 Hz頻率采集原始通量數據，然后在線計算并儲存30 min的平均數據。

本研究用TDR (Trase system 1, Soil Moisture Equipment, USA)觀測試區土壤含水量，測管埋于試驗區中5個典型觀測小區，每個觀測小區埋兩根，觀測時間為每天上午8∶00，測量后取平均值。隨著水稻生長測定深度分別為20、30和40 cm，測定結果用烘干法率定。

1.3 渦度數據處理與質量控制

研究所需的渦度相關數據用EdiRe[11]軟件處理，實現了傾斜修正(二次坐標旋轉)、通量單位轉換及頻率響應修正等，并對感熱通量做了超聲虛溫修正，對潛熱通量進行了空氣密度脈動(WPL)訂正。本研究選用了2013年6月26日至10月26日水稻生育期連續觀測的30 min通量數據進行分析，為真實反映稻田生態系統與大氣間的交換過程，首先對觀測數據進行嚴格篩選，剔除降雨時段及降雨前后1 h的通量數據、時間序列中大于3倍方差(±3σ)的數據和夜間湍流不充分混合引起的潛熱通量低估數據[12,13]。摩擦風速u*是反映湍流強弱的指標，根據u*與夜間通量間的關系可確定一個合理的u*閾值(通常取0.1～0.3 m/s)[14]，本研究選取u*=0.1 m/s，剔除u*<0.1 m/s的通量數據，以提高夜間通量數據的可靠性，減少數據處理和分析時的不確定性[15]。剔除后的數據根據缺失時段長短用不同的方法插補延長[13]，本次研究觀測資料中短時間內(<3 h)的缺失數據，采用線性內插法插補；對于較長時間(>3 h)的缺失數據用平均日變化法(MDV)，以 10 d(一般取7～14 d)為窗口的相鄰數據變化規律進行插補[8]。

能量閉合狀況分析作為一種通量數據質量評價的標準程序已被人們廣泛接受[16]。本研究對試驗區2013年稻季通量數據分析結果表明，能量平衡比率(EBR)大多在0.8～1.0之間小幅度波動，平均為88%，高于國際通量網( FLUXNET) 約80%的平均能量閉合度[16]，表明本觀測獲得的通量數據質量與可信度高，能代表觀測區域水碳通量大小與變化特征。

2 結果與分析

2.1 節水灌溉稻田不同土壤水分條件下水汽通量典型日變化

本研究選擇2013年稻季各月晴好天氣條件下，節水灌溉稻田復水退水過程中復水后與土壤水分狀況達到下限的復水前典型日的水汽通量進行分析。研究選擇的稻季各月復水日分別為7月17日，8月12日，9月4日和10月7日。

由圖1可以看出，復水前稻田各月典型日水汽通量變化較一致，均呈倒“U”型變化趨勢，且白天的波動幅度較大。凌晨與夜間稻田水汽通量較小，有的甚至接近于0。白天水汽通量從日出后開始升高，在10∶00-16∶00一直保持在較高的水平，然后開始下降，20∶00以后變化緩慢。復水前稻田日內水汽通量總體上均大于0，7月和8月復水前水汽通量日內變化的峰值均為170 mg/(m2·s)左右，是9月峰值的1.5倍、10月峰值的2.5倍左右。

復水后稻田各月典型日水汽通量變化也均呈現倒“U”型曲線。凌晨和夜間水汽通量的變化比較平穩，且處在較低的水平。白天隨著太陽輻射的增大從6∶00左右開始逐漸升高，在12∶00-14∶00達到一天中最大值，然后開始下降，到18∶00后平穩變化。7、8月稻田水汽通量呈現單峰變化且在中午12∶00左右達到峰值，9、10月則是多峰變化。8月復水后稻田水汽通量的峰值最大為204.6 mg/(m2·s)，7月的與其接近，分別是9、10月峰值的1.5倍、3倍。7、8兩個月稻田水汽通量日內變化各時刻偏差較小，且白天時段值遠遠大于其他兩月值。

圖1 不同土壤水分條件稻田水汽通量各月典型日變化Fig.1 Diurnal variation of water flux in water-saving rice field under different soil moisture conditions

對比不同土壤水分狀況下節水灌溉稻田水汽通量日變化可知，水稻生長前期的7、8月，土壤水分對稻田水汽通量日變化的影響較顯著，復水前后差異比較大。7、8月復水前的水汽通量日變化峰值在14∶00左右，分別為160.9和178.4 mg/(m2·s)；復水后的峰現時間則在12∶00左右，峰值分別為201.6和204.6 mg/(m2·s)，約是復水前的1.25倍。而9、10月不同土壤水分下稻田水汽通量在峰值處的偏差則較小。研究結果表明，節水灌溉稻田控制灌水后存在復水補償效應, 尤以分蘗中后期和拔節孕穗前期較明顯[圖1(a)和1(b)]，與郝樹榮[17,18]等對盆栽水稻水分脅迫的研究結果一致。這是因為水稻在節水灌溉條件下，經過前期水分虧缺的鍛煉，對土壤水分虧缺的耐受力提高，土壤含水率較低，其蒸散量沒有顯著降低，復水前后的差異可能只來源與土壤蒸發量的不同。水稻經過前期水分虧缺的鍛煉，在抑制了水稻營養生長的同時(莖稈、葉片、株高)，提高了后期生殖生長階段控水處理的耐受力，在不影響結實率的條件下減少了灌溉水量，也進一步證明了該節水灌溉稻田控制灌溉處理的合理性與優越性。

2.2 節水灌溉稻田不同土壤水分條件下CO2通量典型日變化

研究選擇稻季各月晴好條件下，節水灌溉稻田復水退水過程中復水后與土壤水分狀況達到下限的復水前CO2通量典型日進行分析，本研究選擇的稻季各月復水日分別為7月17日，8月12日，9月4日和10月7日，研究結果如圖2所示。

復水前稻田各月典型日的CO2通量變化均呈“U”型曲線。凌晨和夜間CO2通量的變化比較平穩，為正值且處在較高水平，表現為排放。CO2通量白天從7∶00左右開始逐漸降低，在10∶00-14∶00達到一天中最小值，然后開始升高，到傍晚18∶00左右升高到較大值，此后緩慢平穩變化。

復水后稻田各月CO2通量典型日變化均呈現先減小后增大的“U”型變化。夜間與凌晨稻田CO2通量總體上為正，白天從7∶00左右開始，稻田CO2通量值從0附近開始急劇降低，到9∶00后降低幅度變小，中午10∶00-14∶00達到峰值，然后一直升高到17∶00再次到達0，以后呈現平穩變化。各月之間對比表明，7、10月稻田CO2通量峰值較接近為-20 μmol/(m2·s)左右，8、9月值較接近為-25 μmol/(m2·s)左右，且7月稻田CO2通量日變化中白天為先急劇升高后平穩變化又急劇減小，8-10月的日變化則是一種平穩升高再平穩降低的過程。

不同土壤水分狀況下稻田各月CO2通量之間的對比表明，水稻生育前期的7、8月復水后，稻田CO2通量總體上要比復水前大，這是由于土壤水分較低的情況下，水稻植株葉片的氣孔導度受到限制，對CO2的吸收減少，光合作用相對減弱。而在水稻生長的中后期(9、10月)，隨著水稻抗逆性的提高，不同土壤水分對稻田CO2通量的影響減弱。各月稻田CO2通量夜間數據對比表明，7-9月稻田夜間CO2通量大多穩定在5 μmol/(m2·s)，且7、8月通量值波動較大，說明水稻生育前期呼吸作用較強。10月份由于夜間溫度的降低其值穩定在2.5 μmol/(m2·s)。朱詠莉[15]等對亞熱帶稻田CO2通量的研究結果表明，在早稻、晚稻的全生育期中稻田CO2通量的峰值通常在-8～-40 μmol/(m2·s)范圍內變動，本研究結果在-4～-29 μmol/(m2·s)內變動與其結果較接近，有一定偏差的原因除了受不同氣候、天氣條件的影響，也可能因為節水環境下，土壤水分條件不同使土壤呼吸作用受到了一定的抑制。同時前期的水分虧缺鍛煉，使后期復水后葉面積指數較大時葉片的光合速率日內波動幅度較未經過水分虧缺鍛煉小。稻田各月CO2通量復水前后的差異大小的變化也說明了該節水灌溉制度的合理性。

圖2 不同土壤水分條件稻田CO2通量各月典型日變化Fig.2 Diurnal variation of CO2 flux in water-saving rice field under different soil moisture conditions

3 結 語

(1)不同土壤水分條件下節水灌溉稻田水汽通量日變化均呈倒“U”型曲線，土壤水分對水稻日內水汽通量的影響較顯著。生育前期，不同土壤水分條件下稻田水汽通量偏差較大，復水后峰值約是復水前的1.25倍，生育后期土壤水分的影響變小，水汽通量在峰值處的偏差也較小。

(2)不同土壤水分條件節水灌溉稻田CO2通量日變化均呈現“U”型變化趨勢，不同土壤水分對水稻CO2通量日變化影響較大。水稻生長前期，復水后稻田CO2通量值較復水前大，水稻生長中后期，土壤水分狀況對稻田CO2通量的日變化影響較小。

(3)土壤水分狀況是影響節水灌溉稻田水碳通量的重要因素。節水灌溉條件下，水稻經前期水分虧缺鍛煉后對土壤水分虧缺耐受力有所提高，土壤含水率較低時，蒸散量沒有明顯改變，CO2固定量也未顯著降低。

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