东北水稻田湍流通量特征研究

发布时间：2020-01-07

　　摘 要：本文利用 2007 年在中科院三江平原沼泽湿地生态试验站附近稻田内的观测资料，对东北水稻田的 CO2 通量、 潜热通量以及感热通量典型日变化和季变化特征进行了初步的研究和分析，结果表明 CO2 通量日变化呈明显单峰型，即太阳辐射较强时为净吸收，夜晚则释放 CO2。 季变化与水稻生长期一致，水稻生长的越旺盛，CO2 的吸收量越大。 潜热通量最大的时期是拔节期，最小的时期是分蘖期，抽穗期则位于两者之间。 感热通量最小的时期是拔节期，在抽穗期时，水稻吸收太阳辐射最多，感热通量最大，分蘖期居中。

　　关键词：东北水稻田;湍流通量;日变化;季变化

　　1 引言

　　水稻是中国十分重要的农作物之一， 东北的种植面积占全国粳稻总面积的 43%。 对于农田动量通量、CO2 通量、 与大气热量的交换以及农作物的呼吸和蒸腾作用， 在很大程度上可以表征农作物生长状况。 水稻田则作为常见的下垫面，让人们无法忽视对于稻田下垫面的湍流通量特征的分析和研究。

　　2 研究方法

　　本文是利用 2007 年 5 月 2 日-10 月 23 日内观测到并经过 WPL 变换后的 CO2 通量和潜热通量，用超 声 虚 温 计 算 得 到 的 显 热 通 量 以 及 动 量 通 量 的 数据。 采用变量分析的方法，着重对湍流通量中的 CO2 通量、潜热通量、感热通量和动量通量这四个湍流通量进行分析和研究。

　　3 湍流通量变化特征

　　3.1 CO2 通量变化特征

　　为了研究 CO2 通量的日变化特征， 在所给的资料中选取具有代表性的 2 d。 分别是晴天(2007 年 7 月 14 日)和阴天(2007 年 9 月 7 日)。 并根据数据画出 CO2 日变化趋势图。

　　图 1 为晴天的 CO2 通量日变化趋势图。 日出前，因为水稻呼吸作用释放 CO2，CO2 通量为正数。 日出后水稻的光合作用逐渐增强， 水稻吸收 CO2，CO2 通量为负值。 最大的 CO2 吸收通量为 0.48 mg/(m2 ·s)，出现在 11 时 30 分。 在 14 时后，由于光合有效辐射的减弱，水稻的光合作用也逐渐减弱。 日落后，水稻的光合作用完全停止，呼吸作用占主导地位。 整个晴天的 CO2 通 量 吸 收 总 量 为 1271.21 mg/m2 ，CO2 通 量 释放总量为 603.42 mg/m2 。 CO2 吸收量大于释放量，总体表现为净吸收，表示着水稻在积累有机物。

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　　图 2 是阴天的 CO2 通量日变化趋势图， 由于当天辐射量低，所以 13 时 30 分前，土壤和水稻的呼吸作用强于光合作用，为正值。 14 时水稻光合作用逐渐大于呼吸作用，表现为了 CO2 的吸收，为负数。 此后，光照强度减弱 CO2 的吸收快速降低。 而后水稻的光合作用强度小于呼吸作用， 表现为正数。 整个阴天 CO2 通量吸收总量为 2555.40 mg/m2 ，CO2 通量释放总量为 7471.60 mg/m2 。

　　从晴天和阴天两者 CO2 湍流通量特征对比可以看出，晴天光照强度比阴天强，水稻光合作用强度大, 土壤和水稻呼吸作用的时间也比阴天长。 在晴天水稻更容易积累有机物，更有利于水稻的生长。

　　3.2 潜热通量变化特征

　　图 3 是晴天的潜热通量日变化趋势图。 在 5 时 30 分前潜热通量的数值很小，在 50 W/m2 以下，而且变化很平稳。 日出后随着太阳辐射的增强和水稻田气温的增加， 土壤水分的蒸发和水稻蒸腾作用逐渐增强，潜热通量快速增加。 在 13 时 30 分 时，净辐射最大， 温度也是达到最高， 潜热通量达到最大值为 448.9 W/m2 。 午后，太阳辐射逐渐减小，温度缓慢降低，潜热通量也随之减小。 日落后，太阳辐射弱，温度也逐渐平稳，潜热通量也减小并趋于平稳。

　　图 4 是阴天的潜热通量日变化趋势图， 在 5 时 30 分前由于太阳辐射弱， 土壤水分蒸发和水稻的蒸腾作用都很弱。 日出后潜热通量开始增加。 由于阴天， 所以土壤水分蒸发和水稻的蒸腾作用增强的都很缓慢，导致潜热通量的增加也很缓慢。 19 时潜热通量达到最大 值为 137.50 W/m2 。 之 后 由 于 云 层 的 存在，地面降温慢，所以土壤水分蒸发和水稻的蒸腾作用缓慢地减弱，导致潜热通量减弱也很缓慢。

　　在整个水稻的生长期中。 土壤水分的蒸发和水稻的蒸腾作用都对潜热通量产生贡献。 但在不同的时期其作用也不同。 在分蘖期，起主导作用的是土壤水分的蒸发。 在拔节期，土壤水分的蒸发和水稻的蒸腾作用对潜热通量都有贡献。 在抽穗期则是水稻的蒸腾作用起主要作用。 这三个时期中潜热通量最大的时期是拔节期，最小的时期是分蘖期，抽穗期则位于两者之间。

　　3.3 感热通量的变化特征

　　感热通量的大小可以表现下垫面与近地面大气之间湍流热交换的状况， 从而揭示大气稳定度的情况。从图 5 可以看出日出前的感热通量为负数，因为太阳辐射弱， 水稻田温度较低， 又因夜间存在逆温，所以热量由近地层大气向水稻田输送。 日出后太阳辐射增强并逐渐加热水稻田表面， 感热通量表现为正值。 13 时 30 分太阳辐射达到最大，感热通量也达到最大值。 13 时 30 分以后太阳辐射逐渐减小，地表温度也缓慢降低，感热通量呈现一个下降的趋势。到了 16 时 30 分感热通量为负值， 此时地面温度降低到小于近地层的大气温度， 导致热量开始从近地层大气向稻田表面输送。 日落后近地层大气层结比较稳定，不利于湍流的活动，再加上逆温的存在，感热通量的值逐趋于平稳。

　　图6 可以看出这一天感热通量都为负数， 也就是说整个阴天热量都是从近地层大气向稻田输送。图 7 是 2007 年 5 月 2 日到 2007 年 10 月 23 日期间感热通量日平均变化趋势图。 可以看到在整个水稻生长期中， 拔节期土壤水分蒸发和水稻蒸腾都对感热通量有所影响， 但最主要的影响还是土壤水分蒸发，所以此时的感热通量是最小的。 在抽穗期时，水稻生长旺盛叶面积指数最大，吸收的太阳辐射最多，感热通量最大。 分蘖期则位于两者中间。

　　4 结论

　　(1)由于水稻光合作用和呼吸作用共同影响。 晴天水稻田中 CO2 通量表现为随着太阳辐射的增强而增强，减弱而减弱。 阴天晚上依然是释放 CO2，白天太阳辐射达到一定强度时， 水稻田中 CO2 才开始被吸收。 随后 CO2 吸收量迅速减少。

　　(2)晴天潜热通量随着太阳辐射的变化而变化。在整个水稻的生长期中， 土壤水分的蒸发和水稻的蒸腾作用都对潜热通量产生贡献， 在三个时期中潜热通量最大的时期是拔节期，最小的时期是分蘖期，抽穗期则位于两者之间。

　　(3)晴天晚上的感热通量为负值，热量由近地层大气输送给水稻田表面。 整个水稻生长期中，分蘖期水稻田中灌溉水对感热通量的影响最大， 感热通量的波动不大。 拔节期水稻和灌溉水共同作用感热通量增加的较为缓慢，而减少的则较为迅速。 抽穗期的感热通量在中午达到最大，在晚上最小，感热通量的日变化最为明显，日变化的幅度也是最大的。