陳 晗，黃津輝

(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074;2.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350)

中國南方農(nóng)田蒸散量實(shí)測及其影響因素分析

陳 晗1，黃津輝2

(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074;2.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350)

利用基于閉路QCLAS-EC激光分析儀的渦度相關(guān)法對(duì)湖南省岳陽市郊區(qū)的一片蔬菜地的實(shí)際蒸散發(fā)、水汽通量以及潛熱通量進(jìn)行了連續(xù)兩年的野外觀測,并對(duì)原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算蒸散量，以分析研究區(qū)域?qū)嶋H蒸散量的年際尺度周期變化趨勢和季節(jié)變化規(guī)律。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)區(qū)域全年蒸散量在730～803 mm之間；季節(jié)變化大，8月達(dá)到全年最高水平3.5 mm/d，而1月只有0.4 mm/d。整個(gè)研究區(qū)域?qū)崪y蒸散量變化規(guī)律是：春夏季較高，秋冬季較低；種植季較高，非種植季較低；每天的正午以及下午較高，夜晚較低。此外，利用高分辨率的實(shí)測工具觀察不同的農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)實(shí)際蒸散的影響，發(fā)現(xiàn)種植引起蒸散發(fā)上升，收割引起蒸散發(fā)下降，并且收割使蒸散發(fā)下降的幅度要明顯高于種植使蒸散發(fā)上升的幅度；灌溉對(duì)蒸散發(fā)有促進(jìn)作用但是作用較小，施肥對(duì)蒸散發(fā)的影響目前尚不明確。

蒸散發(fā)；南方農(nóng)田；蔬菜地；渦度相關(guān)法

人類對(duì)水循環(huán)特點(diǎn)及水資源的了解程度，直接影響流域水資源利用、開發(fā)、管理的合理性與科學(xué)性[1]。農(nóng)業(yè)是各個(gè)行業(yè)中第一用水大戶，而灌溉用水大部分通過蒸散發(fā)返回大氣中，因此研究農(nóng)田蒸散發(fā)(ET)，可以為農(nóng)業(yè)節(jié)水和高效水資源利用提供科學(xué)依據(jù)。

蒸散發(fā)是水分從地表傳輸?shù)酱髿庵械乃诌\(yùn)移過程，是植物與外界環(huán)境水分交換的一種普遍現(xiàn)象。蒸散發(fā)不僅是生態(tài)圈水循環(huán)重要的組成部分，也是陸地以及大氣之間能量循環(huán)的重要組成部分。準(zhǔn)確測定蒸散發(fā)量，對(duì)優(yōu)化區(qū)域水資源配置、水資源規(guī)劃與管理，以及對(duì)更加深入地了解陸面生態(tài)水文過程，正確評(píng)估氣候和人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2-5]。近年來隨著微氣象學(xué)理論以及量子激光技術(shù)的逐步成熟，利用微氣象學(xué)中渦度相關(guān)法高精度測定蒸散發(fā)成為可能。

湖南省是我國農(nóng)業(yè)大省，位于亞熱帶季風(fēng)區(qū)，多年平均降水量為1 427 mm。從總量看，湖南省降水豐沛，但水資源分布不均，年內(nèi)各季節(jié)降水量相差較大，而且農(nóng)業(yè)用水消耗量大，用水效率較低[6-8]。農(nóng)業(yè)灌溉用水主要用于補(bǔ)給作物生長所需的水量，而作物需水量與土壤蒸發(fā)和作物蒸騰有著密切的關(guān)系，研究不同的農(nóng)業(yè)活動(dòng)如何影響蒸散發(fā)至關(guān)重要[9]。

本研究通過長達(dá)兩年的對(duì)湖南省岳陽地區(qū)一年兩熟的蔬菜地進(jìn)行高精度連續(xù)觀測，探索蒸散發(fā)變化規(guī)律和農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)蒸散發(fā)的影響情況。

1 研究區(qū)概況

本研究始于2014年10月，止于2016年12月。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于湖南省岳陽市君山區(qū)廣興洲鎮(zhèn)六支渠村的一塊典型施肥蔬菜農(nóng)田。實(shí)驗(yàn)地屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫16.5～17.0℃，冬季平均氣溫3.8～4.7℃；夏季平均氣溫29～30℃左右，年平均降水量1 250～1 450 mm[10]；秋冬季盛行風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，春夏季盛行風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)；土壤質(zhì)地為沙壤土，離地表0～1 m的平均土壤容重為1.38 g/cm3，土壤含水量為29%，土壤偏堿性，pH值在7.0到8.0之間。

研究區(qū)域蔬菜地總面積大約25 hm2，中間有很多溝和水渠把整個(gè)蔬菜地分為面積1.5～2.5 hm2的小斑塊，這些斑塊東西向長100 m，南北向?qū)?～15 m 不等，每塊地分別由不同農(nóng)戶種植，作物類型、種植時(shí)間、施肥時(shí)間、施肥量都由農(nóng)戶自行決定。在兩年的觀測時(shí)間里，每年都會(huì)有兩個(gè)種植季，春季種植季始于每年的冬季，大約在2月份；夏季種植季始于每年的夏季，大約在8月份。春季種植季的作物一般有包菜、辣椒、南瓜、甜瓜和西瓜等，夏季種植季一般為包菜。每個(gè)種植季之前農(nóng)戶們都會(huì)施用肥料(一般為復(fù)合肥和碳酸氫銨)，施肥量大約在300～400 kg/hm2，待作物成熟收割之后，會(huì)進(jìn)行旋耕滅茬。當(dāng)種植作物為包菜時(shí)，種植密度為2 700株/hm2，每株之間間距為50 cm左右，成熟期包菜高40 cm 左右，種植深度為4 cm。灌溉采用引水渠漫灌的方式，夏季大約每10～15 d灌溉一次，平均每次灌溉水量10～15 mm。

2 研究方法

2.1 微氣象學(xué)方法—閉路QCLAS-EC法

閉路QCLAS-EC法是基于渦度相關(guān)法對(duì)通量進(jìn)行監(jiān)測的方法。渦度相關(guān)是指某種物質(zhì)的垂直通量，即這種物質(zhì)的濃度與其垂直速度的脈動(dòng)協(xié)方差。渦度相關(guān)法的優(yōu)點(diǎn)在于能通過測量各種屬性的湍流脈動(dòng)值來得到它們的通量。和其他方法相比，渦度相關(guān)法并不是建立在經(jīng)驗(yàn)關(guān)系基礎(chǔ)之上，或從其他氣象參量推論而來，而是建立在微氣象學(xué)的物理原理之上，是一種直接測量湍流通量的方法，比其他各種實(shí)測方法更加精密和可靠，并且該方法有利于蒸散發(fā)觀測工作的長期開展[10-13]。傳統(tǒng)渦度相關(guān)法測量蒸散通量多采用基于開路式氣體分析儀(如LI-7500，LI-COR Bioscience，美國)，優(yōu)點(diǎn)是省電、維護(hù)簡便，缺點(diǎn)是容易受到天氣影響，降雨期間的數(shù)據(jù)無法使用。本研究采用閉路QCLAS-EC法測量農(nóng)田的H2O通量，可以最大程度增加數(shù)據(jù)有效性。測量的通量是觀測塔上風(fēng)向斑塊蔬菜地(約100 m范圍內(nèi)，根據(jù)通量貢獻(xiàn)區(qū)模型估算得到)的平均通量。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

選取靠近整個(gè)蔬菜地中間的一個(gè)地塊，在地塊東西向中點(diǎn)位置搭建安放渦度相關(guān)系統(tǒng)氣體分析儀的臨時(shí)小屋。整個(gè)系統(tǒng)的主要設(shè)備包括：一臺(tái)三維超聲風(fēng)速儀(CSAT3，Campbell Scientific Inc，美國)、一臺(tái)數(shù)據(jù)采集器(CR3000，Campbell Scientific Inc，美國)、一臺(tái)大流量真空泵(XDS 35i，Edwards，美國)和一臺(tái)雙光路量子級(jí)聯(lián)可調(diào)諧紅外激光差分吸收光譜儀(QC-TILDAS-DUAL，Aerodyne Research Inc，美國)。數(shù)據(jù)采集器安裝在不銹鋼制作的觀測塔上，超聲風(fēng)速儀以垂直于實(shí)驗(yàn)地主風(fēng)向的方向(東西向)垂直安裝在2m的高度。采用的QCLAS分析儀安裝了兩個(gè)不同波段(2 256.3 cm-1和1 901 cm-1)的激光發(fā)射器，可以高頻(10 Hz)同時(shí)測量多種溫室氣體及H2O濃度。采樣口位于超聲風(fēng)速儀一側(cè)20 cm處，樣氣在真空泵的抽力下，經(jīng)過一條長約10 m的特氟龍管路(內(nèi)徑6.4 mm)進(jìn)入QCLAS分析儀，完成H2O濃度的實(shí)時(shí)檢測。10 Hz的三維風(fēng)速和H2O濃度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在CR3000數(shù)據(jù)采集器內(nèi)。

2.3 數(shù)據(jù)處理及通量計(jì)算

由于原始觀測數(shù)據(jù)有許多因?yàn)槿藶椴僮骱蛢x器故障導(dǎo)致的無效值，所以必須進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確處理是渦動(dòng)相關(guān)法能否正確測定蒸散量的關(guān)鍵。根據(jù)渦度相關(guān)系統(tǒng)得到的10 Hz湍流原始記錄，完整的通量計(jì)算過程如下：首先進(jìn)行原始水汽濃度及風(fēng)速數(shù)據(jù)的預(yù)處理，步驟如下：①查看超聲風(fēng)速儀和激光分析儀的狀態(tài)信息報(bào)告，儀器出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)要將此時(shí)間段的觀測數(shù)據(jù)刪除。②查看幾個(gè)觀測變量的原始數(shù)據(jù)，手動(dòng)刪除明顯不合理的數(shù)據(jù)點(diǎn)(如明顯超出或者低于上下界閾值的數(shù)據(jù))，然后，進(jìn)行幾項(xiàng)重要修正：①傾斜修正，即坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，對(duì)于相對(duì)較為平坦均一的下墊面，一般采用2次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)；而對(duì)于非平坦下墊面情況，采用“平面擬合”的方法。②對(duì)于每個(gè)測定的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，如實(shí)測均值、實(shí)測方差、實(shí)測協(xié)方差，以及偏斜值、峰值等統(tǒng)計(jì)參數(shù)。依據(jù)數(shù)據(jù)獲取情況設(shè)置，必要時(shí)對(duì)水汽濃度做相應(yīng)的校正或者轉(zhuǎn)換。③對(duì)切應(yīng)力項(xiàng)，感熱通量以及潛熱通量和水汽通量等進(jìn)行頻率響應(yīng)修正。④校正各項(xiàng)通量，其中對(duì)顯熱通量做超聲虛溫修正，以用于去除濕度的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 蒸散量的季節(jié)變化趨勢

根據(jù)計(jì)算的0.5 h蒸散量，可得到研究區(qū)域日蒸散量(圖1)。從圖1中可以看出，蒸散量在2015年內(nèi)的日變化幅度較大，日蒸散量在0.4～6.7 mm之間，日與日之間變化無規(guī)律可循。初步猜測這與每日溫度、濕度、風(fēng)速、降雨等氣象因子變化有關(guān)。

(a) 1月

(b) 2月

(c) 3月

(d) 4月

(e) 5月

(f) 6月

(g) 7月

(h) 8月

(i) 9月

(j) 10月

(k) 11月

(l) 12月

圖2為實(shí)驗(yàn)地從2014年10月至2016年9月連續(xù)兩年的蒸散量實(shí)測數(shù)據(jù)。從圖2可以看出蒸散量在這兩年之內(nèi)具有相似的變化趨勢，變化規(guī)律大致可以總結(jié)為：蒸散量秋冬季較低，春夏季較高；蒸散量在種植季較高而在非種植季較低。具體來說，實(shí)測蒸散量從2014年10月至2015年1月逐漸下降，2015年1月蒸散量達(dá)到實(shí)驗(yàn)期間較低水平，只有0.5 mm/d，蒸散量從2015年2月春季種植季開始逐漸升高，一直持續(xù)到2015年6月收割后蒸散量出現(xiàn)了明顯下降。造成這個(gè)現(xiàn)象的原因是每年的6月處于兩個(gè)種植季之間，土壤此時(shí)為裸土狀態(tài)，缺少了植物蒸騰導(dǎo)致。從2015年7月開始，隨著夏季的到來，氣溫和太陽輻射急劇升高，導(dǎo)致蒸散量也明顯增高；從2015年8月下半年種植季開始，蒸散量持續(xù)升高，在2015年8月達(dá)到全年最高水平，為3.5 mm/d；試驗(yàn)地蒸散量從2015年9月開始持續(xù)降低，直到2016年1月的0.4 mm/d。造成蒸散量在冬季較低主要有兩個(gè)原因：①冬季溫度低，太陽輻射強(qiáng)度小于其他幾個(gè)季節(jié)；②冬季一般是非種植季，缺少了植物蒸騰。2016年的變化情況與2015年類似，不做贅述。經(jīng)計(jì)算，實(shí)驗(yàn)地在2015年蒸散量為730 mm，每日平均蒸散量2.0 mm/d；2016年蒸散量為803 mm，每日平均蒸散量2.2 mm/d。

圖2 2014年10月至2016年9月實(shí)測蒸散量變化趨勢

3.2 蒸散量在植物生長季的影響因子分析

觀測采用高分辨率的蒸散監(jiān)測儀器，最小時(shí)間尺度可觀測0.5 h蒸散量。相比于其他渦動(dòng)相關(guān)監(jiān)測方法，蒸散監(jiān)測儀的分辨率和精度都更高，并且可以在雨天進(jìn)行觀測。本研究采用了兩個(gè)指標(biāo)來評(píng)估農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)蒸散的影響：①農(nóng)業(yè)活動(dòng)發(fā)生前后0.5 h蒸散變化量；②農(nóng)業(yè)活動(dòng)發(fā)生前后10 d累積蒸散量變化量。通過監(jiān)測到蒸散量的變化來定量分析不同農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)蒸散的影響。

3.2.1 種植和收割對(duì)蒸散的影響量化評(píng)估

量化評(píng)估結(jié)果見圖3～5，表1～2。

(a) 2014年下半年

(b) 2015年上半年

(c) 2015年下半年

(d) 2016年上半年

(a) 2015年上半年

(b) 2015年下半年

(c) 2014年下半年

(d) 2016年上半年

時(shí)間2014年下半年種植季2015年上半年種植季峰值累計(jì)量峰值累計(jì)量種菜前0.4516.80.1214.7種菜后0.6419.60.1917.9時(shí)間2015年下半年種植季2016年上半年種植季峰值累計(jì)量峰值累計(jì)量種菜前0.2817.70.2113.9種菜后0.2919.20.2117.5

表2收菜前后實(shí)測蒸散量變化情況 mm

時(shí)間2014年下半年種植季2015年上半年種植季峰值累計(jì)量峰值累計(jì)量收菜前0.4624.20.4818.6收菜后0.0518.60.0510.5時(shí)間2015年下半年種植季2016年上半年種植季峰值累計(jì)量峰值累計(jì)量收菜前0.6023.60.3920.2收菜后0.4220.10.1612.3

圖5 每個(gè)種植季種植后和收割后蒸散量的變化

通過蒸散發(fā)實(shí)測數(shù)據(jù)，可以清楚看出種菜和收割對(duì)農(nóng)田實(shí)際蒸散的影響。其中，種植使農(nóng)田實(shí)測蒸散升高，種植后的幾天之內(nèi)，4個(gè)施肥季0.5 h蒸散峰值分別升高了0.19、0.07、0.01和0 mm；而10 d累計(jì)蒸散量分別升高了2.8、3.2、1.5和3.6 mm。種植使蒸散升高的主要原因是由于原本裸露的土壤表面突然加入了植物產(chǎn)生了作物蒸騰，但是由于作物處于生長初期階段，作物高度和生物量都較小，因此并不會(huì)使實(shí)測蒸散發(fā)生明顯升高，10 d累積量只升高了2～3 mm左右。而收割后的幾天之內(nèi)，實(shí)測蒸散則發(fā)生了明顯下降，4個(gè)施肥季0.5h蒸散峰值分別下降了0.41、0.43、0.26和0.23 mm；10 d累計(jì)蒸散量分別下降了5.8、8.1、3.5和7.9 mm。需要注意的是，收割使蒸散發(fā)生變化的幅度要明顯高于種植，這是由于收割時(shí)作物已經(jīng)處于生長后期，生物量較大，作物蒸騰已經(jīng)在總蒸散中占據(jù)主導(dǎo)地位，所以收割后蒸散量的下降幅度更大。

3.2.2 施肥與灌溉對(duì)蒸散的影響量化評(píng)估

施肥與灌溉對(duì)蒸散的影響量化評(píng)估見圖6～8、表3～4。

(a) 2014年下半年

(b) 2015年上半年

(c) 2015年下半年

(d) 2016年上半年

時(shí)間2014年下半年種植季2015年上半年種植季峰值累計(jì)量峰值累計(jì)量施肥前0.4219.20.01716.4施肥后0.4620.10.01315.1時(shí)間2015年下半年種植季2016年上半年種植季峰值累計(jì)量峰值累計(jì)量施肥前0.5620.50.1314.9施肥后0.4519.90.1516.5

(a) 2014年下半年

(b) 2015年上半年

(c) 2015年下半年

(d) 2016年上半年

時(shí)間2014年下半年種植季2015年上半年種植季峰值累計(jì)量峰值累計(jì)量灌溉前0.0719.80.0815.9灌溉后0.1421.50.2716.6時(shí)間2015年下半年種植季2016年上半年種植季峰值累計(jì)量峰值累計(jì)量灌溉前0.2420.20.0116.3灌溉后0.6322.80.4416.9

圖8 每個(gè)種植季施肥和灌溉后蒸散量的變化

4個(gè)種植季施肥后的幾天之內(nèi)，蒸散量雖然發(fā)生了變化，但是這種變化并沒有明顯的規(guī)律。2014年下半年種植季和2016年上半年種植季，施肥后的10 d累計(jì)蒸散量分別上升了0.9 mm和1.6 mm，而在另外兩個(gè)種植季，2015年上半年種植季和2015年下半年種植季，施肥后的10 d累計(jì)蒸散量分別下降了1.3 mm和0.6 mm。因此，農(nóng)田施肥對(duì)于實(shí)際蒸散是促進(jìn)還是抑制作用從本次試驗(yàn)中并不能得出定性的結(jié)論，這是由于每次施肥對(duì)土壤注入了氮磷鉀等元素，并沒有直接的水分加入。但是灌溉對(duì)蒸散的影響卻比較顯著，從圖8可以看出，4個(gè)種植季每次灌溉之后0.5 h蒸散峰值分別升高了0.07、0.19、0.39和0.43 mm，灌溉前后10 d累計(jì)蒸散量分別升高了1.7、0.7、2.3和0.6 mm。灌溉對(duì)農(nóng)田實(shí)際蒸散的促進(jìn)作用主要是由于兩個(gè)原因?qū)е拢孩倜看喂喔戎蠖紩?huì)引起土壤含水量的升高，而土壤蒸發(fā)的來源是土壤里的水分，因此灌溉會(huì)增大土壤蒸發(fā)量。②植物生長是一個(gè)需水過程，灌溉水的注入會(huì)促進(jìn)作物生長，進(jìn)而加大了植物蒸騰量。

4 結(jié) 論

蒸散量與農(nóng)業(yè)種植規(guī)律有很強(qiáng)的相關(guān)性，同時(shí)也表現(xiàn)出很強(qiáng)的季節(jié)差異性：實(shí)際蒸散量在1月份較小，從2月份種植季開始逐漸增大，到5月份達(dá)到最高；6月份由于蔬菜收割，農(nóng)地變成裸地，蒸散量顯著減??；下半年種植季從9月份開始蒸散量逐漸增高，10月份達(dá)到最大，11月份開始逐漸減小。總體來說，蒸散量在春夏季較高，秋冬季較低；在種植季較高，非種植季較低。此外，人類的種植活動(dòng)增加了田間蒸散量，而收割則使蒸散量發(fā)生明顯下降；灌溉對(duì)總蒸散有促進(jìn)作用，但是這種促進(jìn)作用幅度比較小，而施肥對(duì)于蒸散的影響卻并不明顯。

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Studyonin-situevapotranspirationmeasurementanditsinfluentialfactorsinfarmlandinSouthernChina

CHENHan1,HUANGJinhui2

(1.HehaiCollegeofChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China; 2.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,NankaiUniversity,Tianjin300350,China)

Field observations for two consecutive years were carried out on the actual evapotranspiration, water vapor flux and latent heat flux (LE) for two consecutive years in the vegetable land in the suburb of Yueyang City, Hunan Province by using eddy covariance technique based on closed-path QCLAS-EC Analyzer. The original observation data were processed and the evapotranspiration was calculated so as to analyze the annual periodic change trend and seasonal variation law of the regional evapotranspiration. The results show that annual evapotranspiration in the study area were between 730 and 803 mm; the seasonal variation was substantial, reaching the highest level in August, 3.5 mm/d and in January, only 0.4mm/d. The actual evapotranspiration in the whole study area can be summarized as follows: higher in spring and summer, lower in autumn and winter; higher in planting season, lower in non-planting season; higher at midday and afternoon, lower at night. In addition, the effects of different agricultural activities on the actual evapotranspiration were observed by using high-resolution measured data. The findings are that the evapotranspiration was increased by planting and was decreased by harvesting, and the reduction of evapotranspiration by harvesting was significantly higher than that by planting. While irrigation also contributed to the promotion of evapotranspiration but was less pronounced, the effect of final fertilization on evapotranspiration was not yet clear.

evapotranspiration; southern farmland; vegetable land; eddy covariance method

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.06.12

國家自然科學(xué)基金(41561124015)

陳晗(1992—)男，碩士研究生，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)水文。E-mail:15620691073@163.com

黃津輝，教授。E-mail:huangj@nankai.edu.cn

P332.2

A

1004-6933(2017)06-0079-08

2017-04-19 編輯：彭桃英)