黃淮海平原典型冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水熱通量及能量平衡研究.pdf

1、黃淮海平原是我國(guó)主要的冬小麥種植區(qū)和重要的商品糧基地，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水熱通量和能量平衡的研究是當(dāng)前陸地生態(tài)系統(tǒng)和全球變化研究的熱點(diǎn)之一。本研究以位于黃淮海平原上的中國(guó)科學(xué)院封丘農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用渦度相關(guān)系統(tǒng)、波文比能量平衡系統(tǒng)和全要素自動(dòng)氣象站開(kāi)展連續(xù)觀測(cè)試驗(yàn)、并分析了該區(qū)域近50年常規(guī)氣象要素觀測(cè)資料和農(nóng)業(yè)氣象資料。將冬小麥的生長(zhǎng)發(fā)育期劃分為播種期、出苗期、分蘗期、越冬期、返青期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成

2、熟期9個(gè)生育階段；綜合運(yùn)用渦度相關(guān)法、波文比能量平衡法、相關(guān)分析法、Morlet小波分析法等研究方法，分析冬小麥農(nóng)田微氣象環(huán)境要素的變化特征、冬小麥各生育期水熱通量和能量平衡特征及不同尺度的環(huán)境氣象要素對(duì)冬小麥生育期和能量平衡的影響。揭示了冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)各生育期水熱通量特征和能量平衡特征，為了解黃淮海平原農(nóng)田人工植被系統(tǒng)生態(tài)—水文過(guò)程和互饋機(jī)理，得到優(yōu)化的水熱結(jié)構(gòu)模式，及科學(xué)合理的評(píng)價(jià)黃淮海平原糧食主產(chǎn)區(qū)的生產(chǎn)力和水分利用效率提供科

3、學(xué)依據(jù)。主要結(jié)論如下：
　　（1）各生育期太陽(yáng)總輻射的變化趨勢(shì)與凈輻射相似，抽穗期氣溫日較差大，夜間氣溫相對(duì)較低，在9℃左右，溫度條件適宜大穗形成；抽穗、灌漿期的氣溫顯著高于其他時(shí)期，平均高出4℃左右；成熟期氣溫日較差最大，日平均氣溫達(dá)26.1℃，高溫利于冬小麥的成熟和收獲。研究時(shí)段內(nèi)降水量為174.4 mm，與黃淮海平原冬小麥最佳需水量357.8 mm相比嚴(yán)重不足；出苗期的降水能滿足出苗的底墑要求；分蘗期降水量22 mm，水分不

4、足；越冬前期幾乎無(wú)降水，2月之后降水較多，能滿足小麥生長(zhǎng)需求；返青前期降水充沛，后期降水不足；拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期降水量分別為35.9 mm、13.0 mm、48.5 mm，遠(yuǎn)不能滿足冬小麥的抽穗需求，應(yīng)適時(shí)進(jìn)行灌溉。各生育期每日最大相對(duì)濕度值變化不大，在85—95％之間，分蘗期、越冬期稍低，為84%，其余生育期均為94%左右；分蘗期的相對(duì)濕度日較差最大，抽穗期最小。各生育期的10 cm土壤溫度抽穗期最高，越冬期最低日較差最小，日變化

5、與氣溫的一致，峰值滯后于氣溫。各生育期土壤含水量的日變化都很微小，日變率都在1%以內(nèi)。
　?。?）研究區(qū)近50年年平均氣溫線性上升幅度為0.10℃/10 a，年平均氣溫主要存在三種不同尺度的震蕩周期：3—5年、16—17年和30年左右。降水年際差異較大，多雨期和少雨期大致交替出現(xiàn)，總體呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。年降水量主要存在2個(gè)震蕩周期：4—6年、15—20年。年平均相對(duì)濕度年際變幅很小，存在3個(gè)震蕩周期：5—8年，12—14年和30年左

6、右。各生育期內(nèi)氣溫變幅約在7℃以內(nèi)。近50年各生育期日照時(shí)數(shù)均呈明顯下降趨勢(shì)，越冬期下降最嚴(yán)重，速率為-11.41 d/10 a。近50年封丘地區(qū)播種—分蘗期、越冬期、返青—拔節(jié)期氣溫均呈上升趨勢(shì)，上升速度分別為0.13℃/10 a、0.24℃/10 a、0.44℃/10 a。封丘地區(qū)1989—2009年返青—拔節(jié)期縮短趨勢(shì)明顯，與此時(shí)段氣溫升高有關(guān)。各生育期的降水變幅都很大。播種—分蘗期、灌漿—成熟期降水量呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。返青—拔節(jié)期

7、降水量下降最明顯，此時(shí)段冬小麥需水量較大且春旱嚴(yán)重。
　?。?）冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)所獲得的凈輻射主要用于潛熱、顯熱和土壤熱通量，凈輻射、顯熱、潛熱的日變化均基本呈倒“U”型曲線，受環(huán)境因素和作物生長(zhǎng)狀況共同影響，越冬期之前凈輻射較小，返青、拔節(jié)、灌漿期，凈輻射逐漸增大并維持在較高水平，至灌漿—成熟期，凈輻射達(dá)到最大值。凈輻射日平均最大值出現(xiàn)在灌漿期（142 W.m-2），其次是成熟期（132 W.m-2），最小值出現(xiàn)在越冬期（15

8、 W.m-2）。各生育期間的能量分配特征不同，出苗期潛熱僅占40%，拔節(jié)、抽穗期潛熱所占比重高達(dá)80%以上，成熟期潛熱所占比例雖有下降但仍占主導(dǎo)地位，其他生育期所占比重均在55%以上。越冬期以前顯熱通量與凈輻射的日變化趨勢(shì)基本一致；播種期、出苗期顯熱通量所占比重最高，達(dá)50%以上；分蘗期及以后所占比重均在35%及以下，拔節(jié)、抽穗期比重最小只占10%左右；隨著冬小麥的生長(zhǎng)發(fā)育顯熱通量占凈輻射比重基本呈下降趨勢(shì)，到灌漿、成熟期略有上升。各生

9、育期間土壤熱通量的區(qū)別不明顯，越冬期土壤熱通量均為負(fù)值，比重占15%。其余各時(shí)期基本都在0值附近，白天為正值夜晚為負(fù)值，均在10%以下。
　　（4）各生育期的能量閉和度較高，出苗期為83%，分蘗期為90%，返青以后均在90%及以上，表明在本研究中，渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測(cè)的數(shù)據(jù)精確、可靠，不同生育期、一天不同時(shí)段，能量閉合程度不同，主要是由于忽略冠層儲(chǔ)熱、水平湍流通量、異常天氣條件等原因造成的。冬小麥農(nóng)田微氣象環(huán)境要素與各生育期各通量之間