湖北林业科技
Hubei Forestry Science and Technology
第49卷第6期2020年12月
Vol. 49,No. 6Dec. ,2020
涡度相关在估算棉田水分利用效率上的应用
浩宇⑴杨承睿⑴张雪松⑵
(1陕西省突发事件预警信息发布中心西安710014'.南京信息工程大学应用气象学院南京210044)
摘 要：以华北平原棉花农田尺度为研究对象，以中科院禹城综合观测站的涡度相关数据为基础，研究棉花蕾期、花铃
期、吐絮期瞬态的CO?通量和热通量日变化特征，在此基础上计算农田的水分利用效率，并讨论水分利用效率的日变化、季
节变化及其与Fc 的关系，还讨论了水分利用效率的影响因子。结果表明，在无水分胁迫下CO?日变化为
U 型，其中正午 为一个谷值区，此后CO 2又逐渐增大。棉花的水分利用效率日变化趋势为早上较大$&0左右达到最大，此后逐渐降低%
比较不同生育期的水分利用效率的变化，花铃期的水分利用效率最高，在79. 2〜142. 7 umol CO 2/mmol HO，蕾期为 18 6〜121. 2 umol CO 2/mmol HO，吐絮期为42. 5〜124. 5 umol CO 2/mmol H 2O %利用涡度相关技术，可以对所需的能量
和质量通量(碳、水)进行直接测定，进而分析水分利用效率的规律，了解棉田水循环的特征，更好地促进棉花生产产量和质
量的提高％
关键词：棉花；涡度相关；水分利用效率；潜热通量；感热通量;CO2通量
中图分类号:P49 文献标识码：A 文章编号：1004- 3020(2020)06 -0026 -04
The Application of Eddy Covariance in Estimating Water U Efficiency of Cotton Fields
Hao Yu ⑴ Yang Chengrui !) Zhang Xuesong !)
(1 & Shanxi Emergency Early Warning Information Relea Center Xi'an '10014；
2. School of Applied Meterorology,Nanjing University of Information Teachnology Nanjing 2 004 4)
Abstract : The article take the scale of cotton fields in the north China plain as the rearch object. Ad, the article is bad on
the data of latent and nsible heat and CO2 fluxes, which were measured by eddy correlation system in cotton fields at Yucheng in the year of 2017. We study the diurnal features of transient CO2 and heat fluxes in cotton bud,flower and boll, boll opening stage,
and take it as a ba of estimating water u efficiency of cotton fields. Then we will discuss the diurnal,asonal variation in water ue f iciency ,andwewi l alsoanalysis h eimpac
f ac o rsofwa *e rue f iciency.Theresulsshow *h a **hediurnalvariaionof
CO2 is a U style in the abnce of water stress. At noon, there is a valley area, thereafter CQ fluxes gradually incread. The diur nal variation tendency of water u efficiency in cotton fields is compuratively lager, and it reached the lagest number at about
8 ：00, then it decread. The water u efficiency of cotton also has an obvious asonal v
ariation. Making a comparison in difeent
grow *h periods $weconclude h a **hewa *e rue f iciencyofflowerandbo l s a geis *h ehighes $whichis 79.2〜142.7umolCO 2/
mmolH2O,the water u efficiency of boll stage is 18. 6〜121.2 umolCQ/mmolHsOand the water u efficiency of boll opening sageis 42.5〜124.5umolCO 2/mmolH 2O.
Key words : cotton ； eddy covariance ； water u efficiency ； latent heat flux ； nsible heat flux ；CO 2 flux
全球气候变化引起全球降水格局发生变化，使
淡水资源更加匮乏’农业是占据首位的用水大户，
如何节约农用水，提高水分利用率——(水分利用
效率,Water U Efficiency)是节约淡水资源，促
进水资源的可持续利用，加快社会经济发展的关键。近年来涡度相关技术得到了长足的发展，已成 为
长期连续观测生态系统水碳通量最有效的方法。 棉花是我国的主要经济作物，在西北内陆地区及华 北黄河流域地区具有典型代表性。开展农田生态
系统尺度的作物水分利用效率的相关估算工作，这
收稿日期"019-07-31
第6期浩宇，等：涡度相关在估算棉田水分利用效率上的应用27
有助于了握以涡度相关为代表的新技术在农业生产中的应用，并为进一步研究评价植合作用与蒸腾作用的关系，加深对生态尺量传输及碳、水循环的理解和认识奠定基础。
1材料和方法
本文使用2017年山东禹城站涡度相关技术获得的棉花涡度相关通量观测资析、评价试验数据。试验观测时间从2017年6月到2017年8月(共92d)，试验观测期间经历了棉花的蕾期，花铃期及吐絮期。
地通量的测定和计算，大多是以梯度一扩散理论为基础。垫大于中结状况下！替热、动量通量式表:
1E=!zv"v f H=paCp@T'#'p a@3
式中LE为潜热通量密度(W/m2),H为感热通量密度(W/m2),#为动量通量密度(W/m2) C(°C)、p A(g/n?)(m/s)和u(m/s)为近地面大气湍流运动的、湿度、风速的脉动量！a为密度(g/m3)"p为
比热(J/kg・K)!为水的汽化潜热(J/g)。
涡度相关法的理论假少！寸湍流交换系数、风廓线的形状浮力的影响等都没有的假设。随着计算机及其相关测量技术的高速发展，方被推广应用，目前被认为是垫面通量最好的方，甚至被认为是检验方法的“标准”%&。涡度相关观测的通量数据在使'进行数据筛选和插值。此外，还要进行相关的能量闭析。
2结果与分析
2.1能量闭合评价
能量闭合度是评价农田生态系统能量平衡状况的重标，能量闭计算采用“RMA”法%2，根据第律和涡度相关观测的基本假设，通验能量闭合程度，可以评价利用涡度相关技观测得到的数据的可信量。生态中既没有被储存，也没有被传递到地表的那部量与大气中和的湍流交换，这部量被称为湍流能量%，根据能量方程有:
可利量=Rn-G=H+LE
以可利量(Rn-G)为自变量，湍流能量#+LE)为应变量，用直线回归方程拟合得：量平衡闭合状况:y'0.7264乂,r=0.81,n=38520图1表示禹城站棉花生育期内农田能量平衡闭合状况，得出棉花能量闭合程为80%，闭合程度较高%4。
(
Z
U
V
M
X
+
UJ7
700n
600-
500-
400-
300-
200-
100-
0-
-100-
-200-
-300-
y=0.7264x
R2=0.8147,n=3852
-300-200-1000100200300400500600700
Rn-G(\N/m2)
图1棉花生育期内能量平衡闭合状况
2.2CO2通量的日变化规律
图2-2是棉花6〜8月间CO2通量平均日变化曲线，从变化曲线中！，白天通量值为负! 11：30达到最低，为一15.3528mg/m2・s。夜间，CO2通量为正值。由于日出后棉花的作用慢慢增强，向下的通量增大大值，在曲线上表现为中午时分，随着的升'能“光合午休“现象，同时呼吸作快，也会减缓CO2吸收，以至在12:00CO2通量曲线出现一个小回升，午后到13:00，光合有效速率再次逐渐增大,CO2又出现增大！争速率回升,CO?向下通量增大到一个次低谷值，13:00 !，光合速率下降，同化作用开始下降! CO2量开，曲线开升。
4
2^>^
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*5
图26〜8月间CO2
通量平均日变化
28湖北林业科技第49卷
图3是不同生育期内CO2通量的日变化特征，在不同的生育期的CO?不尽相同，这主要与出同生育期
棉花同化CO2有关。图中选取的代表日期为6月6日（棉花蕾期，以虚线表示），7月19日（棉花花铃期，以空点实线表示），8月21日（棉花吐絮期，以三角实线表示$在蕾期棉花尚未发育！同化作用较弱；进入花铃期后，该时期是棉花最为重要的生育期对温度、、光照的都很高，光合同化作，图中表现为明显的“低谷”；进入吐絮期，棉花的需水量大大减少，叶片衰老，光合同化作用乂，但谷是明显的。从蕾期到花铃期，棉花的生理活动升阶段，从花铃期到吐絮期，由于棉花已进入成熟期，由于叶绿素衰老避免，所以其CO2同化作用比花铃期「6&。
23水分利用效率的变化规律
利用涡度相关法测定的瞬时CO2通量（F c）相当于净生态系统生产力NEP（—F c），蒸散量（ET）是LE与1之比，则生态系统的水分利用效率可以表示为：
水分利用效率=玫？丁％o
图4为不同生育期水分利用效率的日变化。虚线代表蕾期的变化，实线代表花铃期的变化，三点线代表吐絮期的变化。比较不同时期的水分利用效率，花铃期的利用效率最高，在79.2〜142.7umol CO2/mmol H2O，蕾期为186〜121.2umol CO2/mmol H2O，吐絮期为42.5〜124.5umol CO2/mmol H2O o
与前文所分析的不同生育期CO2的变化规律相比较，两者的变化规律相似，即在前后期才、，中间大。这是因为在生长前期作物矮小，发育不完全, !，作物的作，所以co2通量，在生长中期，由于作物生长旺盛，叶片也比较多！作！CO2通量也比较大「810&。生长晚期棉花叶绿素的衰老，所以CO2通量很快乂降下来!同时水分利用效率也明显减弱。再与不同生育期量进行对比，见表2-1o花铃期量最大，叶片蒸腾，需水量急剧增加，棉花生长旺盛，生理活动佳状态，利用效率大。在蕾期，棉花生育发育不完
较低，水分利用效率较低。在吐絮期，棉花已经进入成熟后期，生理衰退，水分利效率比花铃期比蕾期要高％-14&o
表2-1棉花不同生育期需水量的百分比
生育期期蕾期花铃期吐絮期比（％）1512〜2045〜5010〜20
图4不同生育期水分利用效率的日变化
24水分利用效率的长期变化分析及其与Fc的关
图5a是Fc与相应的水分利用效率的线性回归分析，将水分利用效率由原来的umol/mmol转换为g/g，将Fc的单位由mg/W•s转换为10-5 mol/m2•S o水分利用效率的长期变化受生育期的影响较小，而主环境
因子的影响。图5b是吐絮期中后期Fc与相应的利用效率的线性回归分析。吐絮期Fc与水分利用效率亦有较好的相关性，且此时多为正值。此时作物的量较大！程对辐射的程，因为此时棉花的利大!净生率!
叶大#3〜4万n?）「1516&。进入吐絮后期利则骤降，光合作用不敷呼吸消%718&，能量效率降低，这时棉铃的增长主要依靠茎叶中积累的
。
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水分利用效率与7c 的关系(不同时次)
图5a 点・14点
M
r )
・8月11日□ 8月12日▲8月19日
X8月20日
图5b 7c 与水分利用效率的关系(不同日期)
3结论
(1) 通过涡度相关技
的棉田 方的
CO 2具有明显的日变化 !日变化表现为白天
负夜间正、开
的 线形式! 一天中 I 值
项在正午 。
同的生育期的CO2不尽相
同，这主要与
同生育期棉花 同化CO 2
有关。
(2) 以涡度相关通量观 据为基础，得到棉
花碳、水循环的重
标 利用效率，其日变
化
生育期的不同 同。蕾期 利用效
率表现为早上8 : 00
! 降，午后
16 : 00时开
速下降的日变化趋势，花铃期
利用效率相比蕾期日变化幅度增大，吐絮期
利
效率的变化呈 缓的 ，这与棉花的生育期
变化有关。
(3) 利用涡度相关技术，可以对 的能量和
量通量(碳、水)进行
，进 析 利
效率的规律! 了解棉田水循环的 ，更好地促
进棉花生
量
量的 ’
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(责任编辑：夏剑萍)
