黑河中游綠洲春小麥生育期農(nóng)田熱儲通量分析

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1、灌溉排水學(xué)報２０１５年５月第３４卷第５期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｒｒｉｇａｔｉｏｎａｎｄＤｒａｉｎａｇｅ文章編號：１６７２－３３１７（２０１５）０５－００３３－０８黑河中游綠洲春小麥生育期農(nóng)田熱儲通量分析高紅貝１，邵明安１，２（１．中國科學(xué)院／水利部水土保持研究所，陜西楊凌７１２１００；２．中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京１００１０１）摘要：研究以２０１２年黑河中游綠洲農(nóng)田春小麥生育期渦度相關(guān)通量觀測結(jié)果為基礎(chǔ)，對干旱區(qū)農(nóng)田能量平衡中各熱儲通量項進(jìn)行了深入研究，并以此結(jié)果對春小麥農(nóng)田的能量閉合進(jìn)行了再分析。結(jié)果表明，在干旱區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能量閉合分析中，

2、總的熱儲通量在凈輻射通量消耗中占比約７．５％～１２％，隨作物的生長發(fā)育呈先減小后增大的趨勢；其中土壤表層熱儲通量對總的熱儲通量貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)度超過９５％。對農(nóng)田熱儲通量影響較大的因素包括太陽輻射、植被因素以及土壤水分條件。在能量平衡方程中加入生態(tài)系統(tǒng)熱儲通量項后，春小麥農(nóng)田能量閉合度得到顯著提高，平均增長幅度超過１０％。關(guān)鍵詞：能量平衡；凈輻射；感熱通量；潛熱通量；土壤熱通量；渦度相關(guān)中圖分類號：Ｐ４２２．４文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａｄｏｉ：１０．１３５２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｇｇｐｓ．２０１５．０５．００７高紅貝，邵明安．黑河中游綠洲春小麥生育期農(nóng)田熱儲通量分析［Ｊ

3、］．灌溉排水學(xué)報，２０１５，３４（５）：３３－４０．地表生態(tài)系統(tǒng)接受的凈輻射能量與生態(tài)系統(tǒng)由各種途徑消耗或存儲的能量應(yīng)相等，即生態(tài)系統(tǒng)能量平衡。然而在實際應(yīng)用當(dāng)中除了受到技術(shù)條件和觀測手段等因素限制而引起的系統(tǒng)誤差外，為了便于分析和［１－４］研究，通常將生態(tài)系統(tǒng)能量存儲部分因其所占比例較小而忽略。這種簡化方式是否合理，特別是對有濃［５－７］［８］郁植被冠層的生態(tài)系統(tǒng)，值得商榷。Ｍｅｙｅｒｓ等曾連續(xù)２ａ對玉米和大豆農(nóng)田熱儲項進(jìn)行分析，結(jié)果表［９］明玉米地?zé)醿α吭诳偟膬糨椛渲姓急瘸^２０％，而大豆地的熱儲通量占比也超過１０％。竇軍霞等曾對熱帶雨林的熱儲通量

4、項進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，以１２：００為界，１２：００之前的熱儲通量占比超過１０％，最大值達(dá)到３８％；１２：００之后則均超過２０％，表明熱儲通量在能量平衡分析中不可忽略。［１０］渦度相關(guān)法已成為直接測定地表與大氣間物能通量的標(biāo)準(zhǔn)方法。利用渦度相關(guān)法可以對某一區(qū)域內(nèi)地表水、熱以及ＣＯ２通量實施長期、連續(xù)、高頻，同步監(jiān)測。盡管渦度相關(guān)法的優(yōu)勢明顯，但渦度相關(guān)觀測系統(tǒng)容易受到邊界層氣候和下墊面地形限制，例如要求邊界層湍流穩(wěn)定，下墊面平坦開闊，植被冠層規(guī)則等。［１１－１２］隨著渦度相關(guān)法的廣泛應(yīng)用，對于渦度相關(guān)系統(tǒng)的觀測結(jié)果的準(zhǔn)確性也提出了更高的要求。近年來，利［１３－

5、１７］用能量平衡原理分析和評價渦度相關(guān)系統(tǒng)的觀測結(jié)果已成為一種普遍的方法。能量閉合度分析認(rèn)為在理想條件下，生態(tài)系統(tǒng)能量平衡可表示為：Ｒｎ－Ｇ＝ＬＥ＋Ｈ＋Ｓ＋Ｘ，（１）式中：Ｒ為地表接受的凈輻射通量（Ｗ／ｍ２）；Ｇ為土壤熱通量（Ｗ／ｍ２）；ＬＥ為潛熱通量（Ｗ／ｍ２）；Ｈ為感熱通ｎ量（Ｗ／ｍ２）；Ｓ為土壤－植物－大氣系統(tǒng)中存儲的熱量通量（Ｗ／ｍ２）；Ｘ表示因儀器條件限制或其他因素影響而未知的熱量通量。上述各項中，ＬＥ、Ｈ、Ｇ可通過渦度相關(guān)系統(tǒng)等相關(guān)的觀測設(shè)備直接測得且在總的能量消耗中占比較大，因此能量閉合分析方程常表示為：Ｒｎ－Ｇ＝ＬＥ＋Ｈ。（２）收稿日期

6、：２０１５－０１－１８基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（９０１２５０１８）作者簡介：高紅貝（１９８６－），男，山西臨汾人。博士研究生，研究方向為土壤物理。Ｅ－ｍａｉｌ：ｇａｏｈｏｎｇｂｅｉｆｓｈ＠１２６．ｃｏｍ通訊作者：邵明安（１９５６－），男。研究員，主要從事土壤物理學(xué)研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｍａｓｈａｏ＠ｍｓ．ｉｓｗｃ．ａｃ．ｃｎ３３一般認(rèn)為，Ｘ項為由于觀測技術(shù)條件等因素限制而未知的能量消耗部分；Ｓ項則認(rèn)為其在總的凈輻射能量消耗中所占比例較小而忽略。對于Ｓ項的忽略與否，研究表明對某些生態(tài)系統(tǒng)的能量閉合度能夠引起較［１８－２０］大差異；例如森林生態(tài)系統(tǒng)，加

7、入Ｓ項后能夠明顯提高能量閉合度，其增加幅度在５％～１０％。根據(jù)黑河中游綠洲春小麥農(nóng)田渦度相關(guān)水熱通量觀測數(shù)據(jù)、土壤水文數(shù)據(jù)以及區(qū)域微氣候資料等，對作物生育期不同階段（２０１２年４—７月）的近地大氣感／潛熱存儲通量、林冠熱儲通量、光合作用耗能、土壤表層熱儲通量以及各項在凈輻射通量中所占比例進(jìn)行了探討，以期能更好地了解干旱區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)與外界環(huán)境之間進(jìn)行的物質(zhì)交換與能量傳輸。１材料與方法１．１研究區(qū)概況研究區(qū)地處張掖市臨澤縣平川鎮(zhèn)境內(nèi)（１００°０３′Ｅ，３９°３８′Ｎ，海拔約１３７０ｍ），位于黑河中游北岸，毗鄰巴丹吉林沙漠南緣，北靠合黎山脈，南與祁連山脈隔

8、河相望，區(qū)域范圍內(nèi)地勢較平坦，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，形成了以黑河上游來水為主要供水水源的灌溉型農(nóng)業(yè)綠洲。受