渦度相關(guān)技術(shù)在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)通量研究中的應(yīng)用

史桂芬 賀偉光

摘要? ? 闡述了渦度相關(guān)技術(shù)的基本原理、觀測(cè)特征及影響因素，綜述了其在我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水熱、碳通量的研究進(jìn)展和模型模擬，分析了農(nóng)田通量的變化特征，對(duì)應(yīng)用渦度相關(guān)技術(shù)開展農(nóng)田地表—大氣間水、熱通量交換觀測(cè)所面臨的問題進(jìn)行分析，指出目前存在的主要問題是通量數(shù)據(jù)修正方法的選擇、數(shù)據(jù)的質(zhì)量保證、通量模擬模型的尺度轉(zhuǎn)換，對(duì)其在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的應(yīng)用提出建議，認(rèn)為觀測(cè)數(shù)據(jù)處理分析、通量數(shù)據(jù)的校正與評(píng)價(jià)、模型開發(fā)、增加觀測(cè)站點(diǎn)、尺度推演、長(zhǎng)期觀測(cè)是未來研究的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞? ? 渦度相關(guān)技術(shù);農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng);通量

中圖分類號(hào)? ? P412? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A? ? ? ? 文章編號(hào)? ?1007-5739（2019）06-0141-03

Abstract? ? The basic principles，observation characteristics and influencing factors of Eddy covariance technology were expounded.The research progress and model simulation of hydrothermal and carbon flux in farmland ecosystems in China were reviewed.The variation characteristics of farmland flux were analyzed.The paper analyzed the problems faced by the application of Eddy covariance technology in the field of surface-atmosphere water and heat flux exchange observation.It pointed out that the main problems existing at present were the selection of flux data correction methods，data quality assurance，and scale conversion of flux simulation models，and put forward suggestions for its application in farmland ecosystems，and considered that? observation data processing analysis and flux，data correction and evaluation，model development，increased observation sites，scale deductions，and long-term observations were the focus of future research.

Key words? ? Eddy covariance technology;farmland ecosystem;flux

世界耕地面積占陸地總面積的10%，我國耕地面積占國土面積的12.7%[1]。農(nóng)田是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是影響全球水熱循環(huán)和全球變暖的因素之一，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水熱、碳通量的長(zhǎng)期觀測(cè)研究是氣候變化和水資源科學(xué)利用研究的重點(diǎn)[2-3]。

渦度相關(guān)技術(shù)（Eddy Covariance Technology）始于20世紀(jì)50年代，最早由Swinbank提出并驗(yàn)證[4]。90年代中期，全球通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)建立并快速發(fā)展[5]，目前全球已有近600個(gè)通量觀測(cè)站[6]。

在中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN）基礎(chǔ)上，為研究生態(tài)系統(tǒng)通量變化及其對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)，2002年中國陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)（China FLUX）建立并快速發(fā)展[7-8]。國內(nèi)外關(guān)于通量的研究多是森林和草原[9-11]，對(duì)農(nóng)田的研究較少。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)通量的變化受灌溉、天氣、作物發(fā)育期和農(nóng)田管理等因素共同影響，研究不同氣候和作物的農(nóng)田水熱通量特征對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)意義重大。

1? ? 渦度相關(guān)技術(shù)基本原理及通量模型應(yīng)用

1.1? ? 渦度相關(guān)技術(shù)的基本原理

渦度相關(guān)技術(shù)主要測(cè)定冠層上方的三維風(fēng)速、大氣溫濕度、CO2濃度、地表通量、土壤溫度和水分等。觀測(cè)系統(tǒng)位于大片均勻農(nóng)田的中心，以滿足試驗(yàn)要求的盛行風(fēng)向風(fēng)浪區(qū)長(zhǎng)度，由數(shù)據(jù)采集器、超聲風(fēng)速儀（測(cè)量三維風(fēng)速和超聲虛溫）、CO2 /H2O分析儀組成。

渦度相關(guān)技術(shù)是一種直接測(cè)定植被與大氣間通量的微氣象學(xué)方法[12-13]，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的干擾小，不破壞觀測(cè)環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)長(zhǎng)期的觀測(cè)，可自動(dòng)連續(xù)采集數(shù)據(jù)，可測(cè)得生態(tài)系統(tǒng)水熱等環(huán)境變量的傳輸過程及為土壤—植被—大氣間的物質(zhì)、能量交換模型提供驗(yàn)證，計(jì)算區(qū)域的蒸散量和凈初級(jí)生產(chǎn)力。

1.2? ? 渦度相關(guān)技術(shù)所測(cè)通量的常用模型

目前應(yīng)用比較廣泛、被驗(yàn)證認(rèn)可的模型是SiB2，對(duì)冬小麥農(nóng)田能量、CO2通量及地表溫度的模擬表明，SiB2模型在華北平原農(nóng)田通量模擬上的模擬精度較高。Sellers等[14]對(duì)SiB2作了詳細(xì)描述;王紹強(qiáng)等[15]、劉樹華[16]、趙少華等 [17]也對(duì)其進(jìn)行了介紹與評(píng)述;高志球等[18]應(yīng)用SiB2進(jìn)行了水熱、碳通量的模擬分析。

多層-雙葉模型是農(nóng)田與大氣間物質(zhì)輸送和能量交換常用的一種模型。該模型對(duì)CO2通量進(jìn)行模擬時(shí)需要一些光合作用的生理參數(shù)，運(yùn)用植物生理生態(tài)的一些知識(shí)和公式。多層一雙葉模型的主要原理是把冠層分為多層，分別計(jì)算各層陽葉和陰葉吸收的光合有效輻射，計(jì)算光合作用和氣孔傳導(dǎo)。

2? ? 渦度相關(guān)技術(shù)在我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用

研究發(fā)現(xiàn)，影響農(nóng)田通量變化的主要因子是氣溫、降水、光強(qiáng)、凈輻射、土壤濕度和土壤含水量等[19-20]。農(nóng)田獲得的太陽輻射，大部分用于熱輻射、顯熱、潛熱和土壤熱通量，潛熱所占的比重最大，小部分用于光合作用[21-22]。馮敏玉等[23]對(duì)農(nóng)田能量平衡閉合狀況進(jìn)行了研究;高志球等[24]對(duì)常熟市水稻不同生長(zhǎng)期的能量收支進(jìn)行了研究;袁再健等[25]研究了華北平原冬小麥農(nóng)田碳通量特征與過程模擬;陸佩玲等[26]研究了冬小麥農(nóng)田輻射與熱量過程的特征;童應(yīng)祥等[27]對(duì)冬小麥農(nóng)田能量平衡閉合狀況進(jìn)行了分析;萬志紅等[28]對(duì)錦州玉米農(nóng)田水汽通量變化特征及其調(diào)控機(jī)制進(jìn)行了研究。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)能量交換特征、湍流和通量輸送規(guī)律一直受生態(tài)、農(nóng)林及微氣象學(xué)的關(guān)注[29]。冬小麥、玉米農(nóng)田為主要研究區(qū)，也有部分稻田研究區(qū)。研究區(qū)多在一些試驗(yàn)站，如河南省鶴壁市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所、山東禹城生態(tài)試驗(yàn)站、中科院欒城試驗(yàn)站、聊城位山實(shí)驗(yàn)站等，以滿足試驗(yàn)要求。

2.1? ? 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水、熱通量研究

農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的微氣候環(huán)境受土壤—作物—大氣循環(huán)（SAPC）系統(tǒng)內(nèi)的水熱傳輸過程控制[30]。水分狀況是影響農(nóng)田蒸發(fā)蒸騰量季節(jié)變化的主要因素，研究表明，農(nóng)田蒸散量與冠層氣溫差成顯著負(fù)相關(guān)。郭家選等[31]研究發(fā)現(xiàn)，地表蒸發(fā)蒸騰量在正午存在“蒸發(fā)高地”，蒸發(fā)相對(duì)穩(wěn)定，蒸發(fā)比值略有下降;蒸散影響植物水分利用效率、植物與大氣碳循環(huán)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)邊界層的微氣候狀況;研究農(nóng)田蒸散過程，可了解植物水分傳遞、土壤水分運(yùn)移、土壤—植物—大氣間的水熱交換特征，為農(nóng)田灌溉提供科學(xué)指導(dǎo)。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在SPAC過程中能量的流動(dòng)能達(dá)到一定的平衡即能量閉合程度，太陽凈輻射量理論上是顯熱通量、潛熱通量、土壤熱通量之和[32-33]，渦度相關(guān)法可同步測(cè)量能量平衡方程式中的各分量。

2.2? ? 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳通量變化特征及影響因素

2.2.1? ? 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳通量的變化規(guī)律。CO2通量代表農(nóng)田的凈生產(chǎn)力，渦度相關(guān)技術(shù)通過測(cè)定CO2脈動(dòng)與風(fēng)速脈動(dòng)的協(xié)方差來測(cè)定地表—大氣間CO2通量，計(jì)算農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳積蓄能力。華北平原冬小麥—夏玉米農(nóng)田的碳通量具有如下特點(diǎn)：11月至次年2月，農(nóng)田碳排放接近于0.3;5月和7—9月是主要生長(zhǎng)季，農(nóng)田碳通量日變化規(guī)律明顯，即白天吸收、夜晚釋放CO2，日出后，農(nóng)田吸收的CO2不斷增加，到12：00左右達(dá)到最大，之后不斷下降，日落前后接近于0，夜間農(nóng)田變?yōu)樘荚?4月、5月和8月、9月農(nóng)田碳通量日較差較大[34]。

CO2通量最高值從苗期到灌漿前期不斷增大，灌漿前期達(dá)到最大后迅速下降。冬小麥月平均日CO2吸收峰最大在4月、5月，夏玉米月平均日CO2吸收峰值在8月最大。6月與10月收獲后，CO2通量日變化不顯著，為碳源[35]。除生長(zhǎng)季外，農(nóng)田以碳排放為主。

2.2.2? ? 環(huán)境因素對(duì)碳通量的影響。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中潛熱、顯熱、CO2通量分別代表著水汽的蒸騰、能量的流動(dòng)（熱量）、碳同化。凈輻射、光合有效輻射、潛熱、顯熱與CO2通量成顯著正相關(guān)[36]。灌溉在一定程度上可以提高CO2通量。

影響碳通量觀測(cè)的因素：一是CO2的儲(chǔ)存效應(yīng)，即大氣較穩(wěn)定時(shí)，從土壤和葉片擴(kuò)散的CO2 不能到達(dá)儀器所測(cè)高度，這種情況對(duì)低矮作物影響很小，但對(duì)森林影響較大;二是地形有一定坡度和起伏且風(fēng)速低時(shí)，部分CO2不能通過冠層和大氣的交界面，容易產(chǎn)生CO2通量漏流和平流效應(yīng)[37-38]。

3? ? 存在的問題

3.1? ? 渦度相關(guān)技術(shù)的不足之處

渦度相關(guān)技術(shù)觀測(cè)時(shí)受環(huán)境條件的限制。一是對(duì)于測(cè)定數(shù)據(jù)的精確性，如果上風(fēng)向沒有足夠的下墊面，會(huì)造成平流問題;夜間大氣比較穩(wěn)定造成數(shù)據(jù)不確定性，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期碳收支計(jì)算帶來偏差，并對(duì)過程模型的建立造成影響[39]。二是在復(fù)雜地形下，模型很難量化，地形起伏不平、測(cè)定儀器下方的點(diǎn)源等因素都會(huì)造成數(shù)據(jù)精度的降低[40]。三是土壤—作物—大氣系統(tǒng)內(nèi)的水分、熱量傳輸已從單一研究轉(zhuǎn)向了水、碳、氮等物質(zhì)的耦合性研究，這要求對(duì)作物的生理特性指標(biāo)和土壤指標(biāo)（如土壤鹽分、養(yǎng)分等）進(jìn)行同步動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，而渦度相關(guān)方法不能實(shí)現(xiàn)這種觀測(cè)[41]。

3.2? ? 渦度相關(guān)技術(shù)通量觀測(cè)修正方法的選擇

渦度相關(guān)技術(shù)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)需修正后才能應(yīng)用，只有選擇正確的修正方法，才能得到正確可靠的結(jié)論。目前常用的是WPL和Liu方法，二者各有優(yōu)缺點(diǎn)和使用條件。一是WPL通量修正方法。渦度相關(guān)技術(shù)觀測(cè)通量時(shí)，熱量和水汽的傳輸導(dǎo)致空氣體積變化，但這并不是真實(shí)物質(zhì)的增減，會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。針對(duì)這種情況，產(chǎn)生了WPL通量修正方法。該方法的基本原理：假設(shè)干空氣質(zhì)量守恒，以消除干空氣壓縮/膨脹對(duì)通量觀測(cè)帶來的影響。WPL方法對(duì)CO2通量的修正，比較適合干旱的下墊面環(huán)境。二是Liu[42]提出了直接從濕空氣膨脹/壓縮的物理過程出發(fā)，不做任何假設(shè)，由濕空氣密度變化計(jì)算出潛熱、CO2通量的Liu方法。該方法理論上對(duì)水汽的估計(jì)比較準(zhǔn)確，并得到試驗(yàn)的驗(yàn)證，例如郭建俠用2種方法對(duì)華北地區(qū)玉米的潛熱和CO2通量進(jìn)行修正，得出WPL方法高估了水汽的作用，而Liu修正更合理[43]。

理論和試驗(yàn)表明，經(jīng)2種方法修正后，結(jié)果的差別主要受大氣水汽含量的影響，WPL方法可能修正過度，Liu方法更加合理。對(duì)于缺失數(shù)據(jù)，不同插補(bǔ)方法會(huì)產(chǎn)生不同結(jié)果。目前還沒有統(tǒng)一的方法來進(jìn)行通量數(shù)據(jù)的修正。只是針對(duì)不同的研究區(qū)、研究對(duì)象、研究時(shí)段，選擇相對(duì)合適的、誤差較小的修正方法。因此，修正方法的選擇和繼續(xù)修改完善已有模型的參數(shù)等方面還有很多工作要做。

3.3? ? 通量數(shù)據(jù)的質(zhì)量保證

植被—大氣間通量觀測(cè)的校正主要采用2種方式：一是與其他觀測(cè)方法，如波文比法能量平衡法的結(jié)果進(jìn)行比較;二是利用多個(gè)渦度相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行平行觀測(cè)比較[44]。

對(duì)地面不平坦或儀器傾斜產(chǎn)生的通量誤差，常采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法進(jìn)行校正;觀測(cè)中只采用一維的垂直平流效應(yīng)，會(huì)過高或過低估計(jì)凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換量[45];對(duì)夜間通量觀測(cè)，最常用摩擦風(fēng)速的臨界值來判定觀測(cè)值是否有效，但臨界值的選擇目前還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

3.4? ? 通量模型模擬的尺度轉(zhuǎn)換問題

目前在各站點(diǎn)通量觀測(cè)、水熱CO2傳輸機(jī)理模型模擬，都是在局域地區(qū)進(jìn)行的小尺度（常為幾平方公里）研究。隨著全球變化及大氣、生態(tài)、水文等研究的需要，研究尺度需要從局部轉(zhuǎn)向區(qū)域甚至全球。在大尺度上，遙感在通量模型的參數(shù)初始化、驅(qū)動(dòng)變量輸入、模型結(jié)果驗(yàn)證等方面得到應(yīng)用;遙感數(shù)據(jù)可提取多種地表生物信息，但無法提供如風(fēng)速、氣溫、水汽壓等以及一些植被生理學(xué)特性參數(shù)，這些必須通過地面觀測(cè)或模型來模擬獲得。因此，需將地面觀測(cè)與遙感觀測(cè)結(jié)合起來。將站點(diǎn)測(cè)得的植被數(shù)據(jù)、遙感獲得的大尺度參數(shù)，通過模型建立關(guān)系和轉(zhuǎn)換，進(jìn)而了解生態(tài)系統(tǒng)通量傳輸過程，進(jìn)行氣候變化分析和預(yù)測(cè)。

將觀測(cè)到的通量數(shù)據(jù)，與多時(shí)相遙感監(jiān)測(cè)和模型模擬相結(jié)合，可進(jìn)行時(shí)空尺度推演。美國1999年始建的BigFoot項(xiàng)目就是從樣地觀測(cè)、通量塔觀測(cè)和遙感估測(cè)3個(gè)尺度對(duì)多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)研究，利用土壤—植被—大氣傳輸（SVAI）模型實(shí)現(xiàn)尺度融合和轉(zhuǎn)換，但對(duì)模型的開發(fā)、模型的有效性與不確定性分析、模型誤差分析與精度檢驗(yàn)等方面的研究還需進(jìn)一步完善和探索。

4? ? 研究展望

全球通量網(wǎng)建立以后，渦度相關(guān)法在觀測(cè)技術(shù)與理論、環(huán)境控制機(jī)理及水循環(huán)等方面已取得很多成果，但仍存在很多問題。通量數(shù)據(jù)校正方法的選擇與評(píng)價(jià)、模型開發(fā)、適當(dāng)增加觀測(cè)站點(diǎn)、尺度轉(zhuǎn)換、長(zhǎng)期觀測(cè)與研究是今后發(fā)展研究的重點(diǎn)。

5? ? 參考文獻(xiàn)

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