干熱風(fēng)天氣下麥田通量特征

成 林，張志紅，史桂芬，王秀萍，彭記永

(1.中國氣象局/河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點開放實驗室，河南 鄭州 450003；2.河南省氣象科學(xué)研究所，河南 鄭州 450003；3.河南省商丘市氣象局，河南 商丘 476000)

引 言

麥田生態(tài)系統(tǒng)是陸地植被生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，外界環(huán)境條件影響小麥植株的生命活動，而植物生命活動反過來又對水汽、CO2等氣體成分輸送產(chǎn)生顯著影響，從而調(diào)節(jié)植物生長的微環(huán)境，進而影響作物產(chǎn)量[1]。干熱風(fēng)是中國北方小麥灌漿期最嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一[2-3]，其高溫、低濕并伴有一定風(fēng)力的環(huán)境嚴(yán)重影響小麥正常的生理生態(tài)機能，阻礙正常灌漿，導(dǎo)致千粒重下降。因此，探究災(zāi)害性天氣背景下麥田水汽、CO2和熱量通量的流動對科學(xué)認(rèn)知小麥生理生態(tài)、農(nóng)田小氣候特征、物質(zhì)與能量輸送過程、環(huán)境調(diào)控等有重要意義。

隨著科技手段的進步，土壤-植物-大氣之間的能量輸送與交換研究取得了較大進展[4-5]。觀測方法主要包括直接測定(蒸滲儀、箱式法)和間接測定(波文比法、渦度相關(guān)法)，其中渦度相關(guān)技術(shù)經(jīng)過長期理論發(fā)展與技術(shù)進步，已成為測定地表與大氣之間水汽交換的標(biāo)準(zhǔn)方法[6-8]，其主要優(yōu)點是理論假設(shè)少、精度高，可實現(xiàn)長期、連續(xù)和非破壞性的定點監(jiān)測[9]，且測量步長短，可以在短時間內(nèi)獲得高時間分辨率的環(huán)境要素及變化信息，有利于研究水分交換對環(huán)境變化的快速響應(yīng)[10-12]。近年來，利用渦度相關(guān)技術(shù)開展了不同時間尺度(日、月、季、生育期等)作物碳通量和熱量通量研究[13-15]，通過分析水、熱與CO2通量傳輸和耦合過程，從站點尺度揭示作物冠層光合、蒸散及對能量平衡的影響機制[16-19]，發(fā)現(xiàn)麥田生態(tài)系統(tǒng)具有明顯的碳匯特征，且碳交換主要發(fā)生在作物生長較為旺盛的時期[20-21]，能量通量隨著季節(jié)、天氣和下墊面而變化，其變化幅度、形態(tài)存在明顯差異[22]。在影響通量環(huán)境因素方面，取得了一批逆境脅迫下通量變化規(guī)律的研究成果[23-24]，為認(rèn)清農(nóng)田水熱交換特征奠定了扎實的科學(xué)基礎(chǔ)。

總體來看，麥田通量的觀測分析多以冬小麥全生育期為研究對象，而作為冬小麥重要脅迫因子之一的干熱風(fēng)在灌漿期的脅迫最顯著，因此開展干熱風(fēng)天氣下灌漿期麥田通量特征的相關(guān)研究更有意義[25-26]，但這方面的研究明顯不足，局限了對災(zāi)害發(fā)生規(guī)律及影響機制的科學(xué)認(rèn)識。鑒于河南省干熱風(fēng)災(zāi)害頻發(fā)的氣候背景，本研究利用渦度相關(guān)技術(shù)測定的麥田CO2通量和能量通量資料，與正常天氣狀況對比，多角度探討干熱風(fēng)天氣下麥田通量交換規(guī)律，為進一步認(rèn)清災(zāi)害發(fā)生規(guī)律、科學(xué)開展災(zāi)害影響評估及制定防御措施提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 資料來源

所用資料為河南鄭州農(nóng)業(yè)氣象試驗站(34°43′N、113°39′E)通量觀測系統(tǒng)監(jiān)測的2013、2017年干熱風(fēng)天氣下麥田凈輻射(Rn)、CO2通量(C)、潛熱通量(L)、感熱通量(H)和土壤熱通量(G)資料以及冬小麥發(fā)育期觀測資料。麥田下墊面按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)水肥管理，不設(shè)處理和重復(fù)，2個年度小麥品種分別是鄭麥366和矮抗58，均為當(dāng)?shù)刂髟缘陌攵云贩N。

通量觀測系統(tǒng)采用美國Campbell Scientific公司的渦度協(xié)方差系統(tǒng)，安裝在距離地表3 m高度處。渦度相關(guān)系統(tǒng)由測定垂直風(fēng)速、氣溫和水汽密度的3部分傳感器組成，包括1個CR3000數(shù)據(jù)采集器，1個LI7500 CO2/H2O分析儀，1個CSAT3三維超聲風(fēng)速儀，1個HMP45C空氣溫度/相對濕度探頭，1個CNR1凈輻射傳感器，2個土壤熱通量板，1個CS616土壤濕度傳感器和1個TCAV土壤溫度傳感器，程序輸出實時數(shù)據(jù)間隔為30 min。

1.2 研究時段

根據(jù)中國氣象局2007年發(fā)布的《小麥干熱風(fēng)災(zāi)害等級》氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(QX/T82—2007)[27]，對2013年和2017年干熱風(fēng)日進行篩選，分別選出3、6 d，具體日期及對應(yīng)的氣象要素條件及災(zāi)害等級見表1。

另外，正常時段定義為開花后第2天至乳熟期。其中，2013年4月28日至5月20日、2017年4月24日至5月17日均為正常時段(不包含干熱風(fēng)日)。

表1 2013年和2017年干熱風(fēng)日氣象條件及災(zāi)害等級Tab.1 Meteorological conditions and hazard grades under dry-hot wind days in 2013 and 2017

1.3 資料處理與方法

對通量數(shù)據(jù)進行野點剔除、插補和校正。插補方法：對小于2 h的資料缺失采用線性內(nèi)插法，而大于2 h的缺失數(shù)據(jù)則采用平均晝夜變化法[28]。野點判定標(biāo)準(zhǔn)為4倍方差法[29]。利用WPL法訂正水熱通量傳輸對CO2通量和潛熱通量的影響[30]。

麥田蒸發(fā)比表征群體對可供能量的蒸散能力，可用來反映麥田獲取能量后再分配情況，是潛熱通量占可供能量的比值，表達(dá)式如下：

(1)

其中：Ew為麥田蒸發(fā)比；L為潛熱通量(W·m-2)；Rn為凈輻射(W·m-2)；G為土壤熱通量(W·m-2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 干熱風(fēng)天氣下麥田CO2通量日變化特征

農(nóng)田碳循環(huán)在全球碳平衡中發(fā)揮著重要作用，CO2通量是農(nóng)田碳循環(huán)最重要的特征參數(shù)之一[31]。作物吸收大氣中的CO2，它由冠層上方大氣向冠層內(nèi)傳輸，故而CO2通量為負(fù)值。從干熱風(fēng)天氣與正常天氣條件下CO2通量對比(圖1)看出，麥田CO2通量存在明顯的U型日變化，但U型的深度明顯受外界環(huán)境條件影響[32]。其中，正常天氣條件下，灌漿期麥田對CO2的凈吸收峰值出現(xiàn)在12:00(北京時，下同)左右，兩品種的吸收峰值平均為0.73 mg·m-2·s-1；在干熱風(fēng)天氣條件下，CO2凈吸收峰值隨干熱風(fēng)程度有提前趨勢。如2013年輕度干熱風(fēng)天氣下麥田CO2凈吸收峰值出現(xiàn)在09:30，凈吸收峰值較正常天氣下12:00提前2.5 h、減小35.4%；2017年重度干熱風(fēng)天氣下麥田CO2凈吸收峰值出現(xiàn)在上午09:00，較正常天氣下12:00提前3 h、減小38.2%，輕度干熱風(fēng)天氣下CO2通量峰值出現(xiàn)時間無明顯提前，但減小25%，這充分反映出干熱風(fēng)天氣對小麥群體光合作用能力的削減。

從白天時段平均狀況來看，2017年輕、重度干熱風(fēng)天氣下白天CO2通量日均值比正常天氣條件下分別減少33.02%和59.73%，而2013年輕度干熱風(fēng)天氣下CO2通量日均值比正常天氣下減少38.68%。此外還發(fā)現(xiàn)，不同天氣條件下CO2通量由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值的時間不同，即麥田由CO2“匯”轉(zhuǎn)為“源”的時間不同，重、輕度干熱風(fēng)日比正常日分別提前約60、30 min，說明小麥?zhǔn)艿矫{迫越重，對CO2的同化時間越短。

2.2 干熱風(fēng)天氣下麥田能量通量日變化特征

在太陽輻射驅(qū)動下，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)進行能量流動、物質(zhì)合成轉(zhuǎn)移和碳水循環(huán)等一系列生態(tài)過程。由于各生態(tài)系統(tǒng)下墊面類型不同和群落結(jié)構(gòu)異質(zhì)性，導(dǎo)致作物蒸散和熱傳導(dǎo)能力的差異。因此，凈輻射在進入生態(tài)系統(tǒng)后，各能量通量在系統(tǒng)內(nèi)的分配存在差異[33]。其中，能量通量主要包括地表凈輻射、土壤熱通量、潛熱通量和感熱通量。

圖2是2013年和2017年不同程度干熱風(fēng)天氣與正常天氣條件下平均能量通量日變化?？梢钥闯觯瑹o論正常天氣還是干熱風(fēng)天氣條件，麥田能量通量的各分量均表現(xiàn)出單峰二次曲線的日變化特征。其中，凈輻射、土壤熱通量和潛熱通量在07:00—19:00時段變化明顯，且均為正值，而感熱通量則在08:30—18:30時段變化明顯，4種能量通量均在12:00—13:00之間達(dá)到最大；在能量通量變化明顯時段內(nèi)，其通量值總體自重度干熱風(fēng)、輕度干熱風(fēng)、正常天氣依次減小(15:00—17:00的感熱通量除外)。另外發(fā)現(xiàn)，夜間，凈輻射、土壤熱通量、潛熱通量數(shù)值均在0線附近，而感熱通量值則均為負(fù)值。

凈輻射是地表能量的重要來源，兩年度小麥灌漿期凈輻射峰值平均約526 W·m-2，干熱風(fēng)天氣的天空狀況往往晴好少云，輻射強烈，重度和輕度干熱風(fēng)日凈輻射的峰值較正常天氣平均分別偏高53.4%和35.8%[圖2(a)]。

土壤熱通量是單位時間、單位面積內(nèi)土壤中因溫度分布不均勻所引起的熱量交換量[34]。根據(jù)能量守恒，太陽輻射能量除了用于潛熱和感熱交換外，多余的能量會分配到土壤中。輕度和重度干熱風(fēng)日，土壤熱通量峰值較正常天氣平均分別偏高41.7%和97.1%[圖2(b)]。

麥田水分蒸發(fā)和作物蒸騰均以潛熱形式與大氣進行能量交換，潛熱通量是指在溫度恒定條件下單位面積的熱量交換。在干熱風(fēng)天氣強輻射、高溫、低濕環(huán)境下，麥田潛熱交換十分劇烈，2013、2017年輕、重度干熱風(fēng)天氣下作物耗水量分別較正常天氣單位面積平均偏高52.4%和77.8%[圖2(c)]。

圖1 2013年(a)和2017年(b)不同等級干熱風(fēng)天氣與正常天氣條件下CO2通量日變化Fig.1 Diurnal variation of CO2 flux under dry-hot wind weather with different grades and normal weather conditions in 2013 (a) and 2017 (b)

圖2 不同等級干熱風(fēng)天氣與正常天氣條件下能量通量日變化(a)凈輻射，(b)土壤熱通量，(c)潛熱通量，(d)感熱通量Fig.2 Diurnal variation of energy flux under dry-hot wind weather with different grades and normal weather conditions(a) net radiation, (b) soil heat flux, (c) latent heat flux, (d) sensible heat flux

感熱通量是物體在加熱或冷卻過程中，溫度升高或降低而不改變其原有相態(tài)所需吸收或放出的熱量通量，通過空氣對流和熱傳導(dǎo)的方式傳輸能量，可以表征大氣的穩(wěn)定程度，與溫度梯度等關(guān)系密切。從圖2(d)看出，感熱通量與能量通量其他 3個分量的日變化特征相似，但不同的是：下午約16:00以后，隨著氣溫降低，麥田開始釋放熱能，感熱通量轉(zhuǎn)為負(fù)值，且干熱風(fēng)日釋放的熱能明顯較正常天氣偏多。

綜上可見，干熱風(fēng)天氣下麥田對熱量的吸收與釋放均異常，導(dǎo)致麥田溫度場異常。

2.3 灌漿期干熱風(fēng)天氣下麥田CO2通量特征

干熱風(fēng)對小麥灌漿期影響最顯著，小麥灌漿過程可劃分為灌漿前期(子粒漸增期)、灌漿中期(快速增長期)和灌漿后期(緩慢增長期)三個階段。利用Logistic生長曲線擬合小麥籽粒增重的過程發(fā)現(xiàn)，近年來鄭州地區(qū)小麥灌漿前期的平均日期為4月26日至5月7日，灌漿中期為5月8—19日，灌漿后期為5月20日至成熟[35]。從圖3可以看出，隨著小麥逐漸接近成熟，植株生命體活力逐步降低，無論是正常年份(2012、2016年)，還是干熱風(fēng)年份(2013、2017年)，麥田對CO2的吸收通量均隨著開花后時間的推移而逐漸減小，可見，灌漿不同時期麥田對CO2的同化能力存在差異，但衰減速率正常年與干熱風(fēng)年未有明顯差異(未通過顯著性檢驗)。

圖3 不同年份麥田開花后CO2通量逐日變化Fig.3 The daily variation of CO2 flux after the flowering of wheat in different years

為了區(qū)分灌漿不同時期干熱風(fēng)對麥田CO2通量的削減與自身隨進程的衰減特征，采用灌漿不同時期干熱風(fēng)日前后共4 d正常日的通量值作為對照，發(fā)現(xiàn)相同等級干熱風(fēng)天氣下灌漿不同時期CO2通量峰值和平均值變化率不同，2013年和2017年輕度干熱風(fēng)天氣下，白天CO2通量峰值減小率最大分別出現(xiàn)在灌漿中期與后期，而平均值減小率最大均出現(xiàn)在灌漿中期(表2)，表明灌漿中期出現(xiàn)干熱風(fēng)對麥田CO2通量平均值影響最大。

2.4 干熱風(fēng)天氣下麥田蒸發(fā)比日變化特征

表2 灌漿不同時期輕度干熱風(fēng)日CO2通量峰值及平均值變化率Tab.2 Variation rate of mean and the maximum CO2flux on light dry-hot wind days during different stages of grain filling 單位：%

注：“-”表示未出現(xiàn)干熱風(fēng)。

圖4 2013年(a、c、e)和2017年(b、d、f)不同等級干熱風(fēng)天氣與正常天氣條件下潛熱通量(a、b)、可供能量(c、d)和蒸發(fā)比(e、f)的日變化Fig.4 The diurnal changes of latent heat flux (a, b), available energy (c, d) and evaporation ratio (e, f) under dry-hot wind weather with different grades and normal weather conditions in 2013 (a, c, e) and 2017 (b, d, f)

由于夜間和早晚麥田蒸發(fā)比不穩(wěn)定，故而給出兩年份不同天氣下白天時段潛熱通量、可供能量和蒸發(fā)比日變化曲線(圖4)?？傮w看出，干熱風(fēng)災(zāi)害程度越重，蒸發(fā)比值越高。其中，2013年和2017年正常天氣下白天時段蒸發(fā)比平均分別為0.5118和0.5621，而2013年輕度干熱風(fēng)天氣下蒸發(fā)比平均值增加了35.9%，2017年輕、重度干熱風(fēng)天氣下分別增加18.7%和19.8%；從蒸發(fā)比峰值來看，2013年輕度干熱風(fēng)天氣下蒸發(fā)比峰值較正常天氣增加了49.5%，而2017年輕、重度干熱風(fēng)天氣下分別增加32.5%和32.0%。

兩年度灌漿期麥田0～50 cm土壤相對濕度維持在60%左右。正常天氣下蒸發(fā)比的峰值出現(xiàn)在12:00左右。當(dāng)出現(xiàn)輕度干熱風(fēng)時，由于正午之后氣溫升高，伴隨著較低的空氣相對濕度和較高的風(fēng)速，麥田潛熱交換加劇，而可供能量正午之后卻在減小，因此蒸發(fā)比峰值出現(xiàn)在14:00—16:00之間；當(dāng)出現(xiàn)重度干熱風(fēng)時，麥田蒸發(fā)比波動較大，09:00—12:00期間，伴隨著劇烈輻射和升溫，可供能量大量用于維持作物蒸騰，蒸發(fā)比不斷升高，但下午隨著氣溫進一步升高，空氣相對濕度降低，植株氣孔關(guān)閉，蒸騰能力明顯減弱，蒸發(fā)比在隨后的幾個小時內(nèi)持續(xù)下降。

3 結(jié)論與討論

(1)干熱風(fēng)天氣對白天時段麥田通量有顯著影響，白天時段CO2通量較正常天氣有所減小，尤其峰值減小顯著，且峰值提前出現(xiàn)，表明麥田對CO2的同化時間縮短，而能量通量則較正常天氣明顯增大。

(2)麥田通量與干熱風(fēng)災(zāi)害等級和灌漿進程有關(guān)，干熱風(fēng)災(zāi)害程度越重，麥田CO2通量峰值和均值的絕對值越小；灌漿中期出現(xiàn)干熱風(fēng)時，麥田CO2通量均值減小最多。能量交換量與干熱風(fēng)程度成正比。

(3)干熱風(fēng)天氣下可供能量的分配發(fā)生明顯變化，故而蒸發(fā)比自重度干熱風(fēng)天氣、輕度干熱風(fēng)天氣、正常天氣依次減小，且輕度干熱風(fēng)天氣下蒸發(fā)比峰值明顯后移。

鄭州地區(qū)冬小麥灌漿期CO2通量、能量通量的日變化符合農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)通量變化的一般特征，但CO2通量和蒸發(fā)比在早晚和夜間不穩(wěn)定，主要原因是夜間土壤和冬小麥呼吸作用使得作物活動層成為高濃度環(huán)境的CO2源，而麥田CO2的輸送和交換主要依靠湍流交換，通過風(fēng)的陣性擾動傳輸堆積于作物活動層，從而引起作物群體CO2通量的波動[36]。早晚和夜間由于氣溫相對低，空氣中水汽凝結(jié)，潛熱通量相對穩(wěn)定，但土壤熱通量則因天空狀況不同散熱不規(guī)律，尤其是風(fēng)速擾動使得可供能量不穩(wěn)定，而白天時段蒸發(fā)比相對穩(wěn)定，常應(yīng)用于作物耗水量計算、大尺度實際蒸散量遙感估測等研究中，因此干熱風(fēng)天氣條件下蒸發(fā)比的變化特征具有一定的科學(xué)價值。

影響麥田能量通量的因素諸多，除了冬小麥的生育進程、群體的光合作用能力外，外界環(huán)境也是重要的影響因子。研究表明，葉片氣孔導(dǎo)度對環(huán)境因子(特別是光)反應(yīng)敏感，隨著光照強度增強，氣孔導(dǎo)度變大，葉片的光合能力增強[37]。正常天氣下正午凈輻射最強，CO2通量達(dá)到峰值，而在干熱風(fēng)天氣下正午之前就出現(xiàn)了強烈的凈輻射，氣體交換速率高，使得CO2通量快速升高，與此同時因溫度進一步升高、低濕脅迫影響，氣孔受到限制，CO2通量隨之下降，故而出現(xiàn)峰值減小及位移現(xiàn)象。參考前期開展的干熱風(fēng)災(zāi)害控制試驗[38]，干熱風(fēng)使10:00左右小麥旗葉凈光合速率下降19.4%～36.6%，與本文群體尺度CO2通量峰值減少的量級相當(dāng)，表明葉片尺度和群體尺度受干熱風(fēng)脅迫程度相當(dāng)，因此在無通量觀測的麥田條件下葉片尺度的脅迫量觀測有一定代表性，為今后深入開展干熱風(fēng)災(zāi)害影響機制與評估研究奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

從麥田產(chǎn)量來看，2013年冬小麥?zhǔn)芡硭獌龊透蔁犸L(fēng)共同影響而減產(chǎn)，而2017年前期無明顯氣象災(zāi)害，最終千粒重較上年增加，但麥田CO2通量的削減是麥田生態(tài)系統(tǒng)受脅迫的直接表現(xiàn)，因此增產(chǎn)不代表沒有受干熱風(fēng)影響，而無災(zāi)情況下產(chǎn)量會更理想，科學(xué)、適時、動態(tài)的干熱風(fēng)災(zāi)害影響評估還有待進一步研究。