劉笑吟，吳勇強(qiáng)，劉詩夢，呂玉平，楊士紅，徐俊增

(1．河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，南京 210098； 2．河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098)

0 引 言

近年來，以水資源短缺為背景的“水問題”和以大氣中CO2濃度增加為背景的“碳問題”引發(fā)了全球陸地生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)和碳循環(huán)研究的熱潮[1]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水碳循環(huán)是陸地生態(tài)系統(tǒng)水碳循環(huán)的重要組成部分[2]。農(nóng)田水汽通量與作物蒸發(fā)蒸騰密切相關(guān)，是制定農(nóng)業(yè)灌溉策略和農(nóng)田水分管理的重要決定因素[3]；而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分[4]，人類所需糧食的90%以上直接來源于作物光合作用對(duì)CO2的固定。因此，對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水碳通量特性的探索，將有助于掌控作物生產(chǎn)力程度以及農(nóng)田水分生產(chǎn)效率。

渦度相關(guān)技術(shù)作為通量測量的可靠方法，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)田水碳通量的監(jiān)測[5,6]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作物冠層矮小、簡單且勻質(zhì)性高，是進(jìn)行渦度相關(guān)通量觀測的理想類型[7]。目前，農(nóng)田水碳通量的研究多集中在小麥、玉米等旱作植物上，針對(duì)水稻的不多，但水稻是我國的最主要糧食作物，種植面積2 800萬hm2，占糧食播種面積的近30%，水稻產(chǎn)量占禾谷類總產(chǎn)量的33.4%[8]。同時(shí)，在當(dāng)前水資源緊缺、氣候變暖的背景下，為保證我國糧食安全與水資源安全，節(jié)水灌溉稻田的發(fā)展與普及勢在必行[9]。但節(jié)水灌溉技術(shù)會(huì)造成作物生理生長、土壤環(huán)境以及田間水碳含量的改變，進(jìn)而影響稻田的田間小氣候。因此，本文以節(jié)水灌溉稻田為主要研究對(duì)象，用渦度相關(guān)系統(tǒng)連續(xù)觀測不同土壤水分條件下2013年稻季水碳通量日變化數(shù)據(jù)，探究不同土壤水分條件對(duì)節(jié)水灌溉稻田水碳通量日變化過程的影響，旨在為揭示節(jié)水灌溉條件下的水碳循環(huán)機(jī)理及其環(huán)境效應(yīng)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

試驗(yàn)于河海大學(xué)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室昆山試驗(yàn)研究基地進(jìn)行，地處太湖流域水網(wǎng)區(qū)低洼平原(31°15′15″ N，120°57′43″ E)，屬亞熱帶南部季風(fēng)氣候區(qū)。年總降水量1 097.1 mm，總蒸發(fā)量1 365.9 mm，日照時(shí)數(shù)2 085.9 h，年平均氣壓101.63 kPa，平均氣溫15.5 ℃，平均相對(duì)濕度83 %。試驗(yàn)區(qū)土壤為潴育型黃泥土，耕層土壤為重壤土，容重1.30 g/cm3，平均飽和體積含水率50.2%，土壤全氮1.79 g/kg，全磷1.40 g/kg，全鉀20.86 g/kg，有機(jī)質(zhì)21.88 g/kg。試驗(yàn)區(qū)常年盛行東南風(fēng)，習(xí)慣稻麥輪作，水稻(晚稻)生育期平均氣溫24.8 ℃，平均相對(duì)濕度79.2%。稻季試驗(yàn)區(qū)所監(jiān)測下墊面為控制灌溉的稻田，2013年水稻于6月26日移栽，10月26日成熟，種植行距0.25 m，株距0.13 m。控制灌溉處理在返青期田面保留5～25 mm薄水層，以后的各個(gè)生育期灌溉后田面不建立水層，以根層土壤含水率占飽和含水率60%～80%的組合為灌水控制指標(biāo)，各生育期具體土壤水分調(diào)控指標(biāo)參照彭世彰等[10]的研究結(jié)果。試驗(yàn)區(qū)水稻施肥與農(nóng)藝措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣一致。

1.2 試驗(yàn)儀器與觀測內(nèi)容

在試驗(yàn)區(qū)下風(fēng)向安裝渦度相關(guān)系統(tǒng)自動(dòng)觀測儀器 (OpenPath Eddy Covariance，OPEC)，對(duì)2013年水稻生育期水碳通量進(jìn)行連續(xù)觀測。該系統(tǒng)主要由EC150開路CO2/H2O分析儀、CAST3A三維超聲風(fēng)速儀、HMP155A空氣溫濕度探頭、CNR4四分量凈輻射表、HFP01SC熱通量板和CR3000數(shù)據(jù)采集器等組成。觀測內(nèi)容包括太陽輻射、氣溫、氣壓、土壤溫度等氣象因素，以及土壤熱通量、感熱通量、潛熱通量和CO2通量。采集器以10 Hz頻率采集原始通量數(shù)據(jù)，然后在線計(jì)算并儲(chǔ)存30 min的平均數(shù)據(jù)。

本研究用TDR (Trase system 1, Soil Moisture Equipment, USA)觀測試區(qū)土壤含水量，測管埋于試驗(yàn)區(qū)中5個(gè)典型觀測小區(qū)，每個(gè)觀測小區(qū)埋兩根，觀測時(shí)間為每天上午8∶00，測量后取平均值。隨著水稻生長測定深度分別為20、30和40 cm，測定結(jié)果用烘干法率定。

1.3 渦度數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量控制

研究所需的渦度相關(guān)數(shù)據(jù)用EdiRe[11]軟件處理，實(shí)現(xiàn)了傾斜修正(二次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn))、通量單位轉(zhuǎn)換及頻率響應(yīng)修正等，并對(duì)感熱通量做了超聲虛溫修正，對(duì)潛熱通量進(jìn)行了空氣密度脈動(dòng)(WPL)訂正。本研究選用了2013年6月26日至10月26日水稻生育期連續(xù)觀測的30 min通量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為真實(shí)反映稻田生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的交換過程，首先對(duì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格篩選，剔除降雨時(shí)段及降雨前后1 h的通量數(shù)據(jù)、時(shí)間序列中大于3倍方差(±3σ)的數(shù)據(jù)和夜間湍流不充分混合引起的潛熱通量低估數(shù)據(jù)[12,13]。摩擦風(fēng)速u*是反映湍流強(qiáng)弱的指標(biāo)，根據(jù)u*與夜間通量間的關(guān)系可確定一個(gè)合理的u*閾值(通常取0.1～0.3 m/s)[14]，本研究選取u*=0.1 m/s，剔除u*<0.1 m/s的通量數(shù)據(jù)，以提高夜間通量數(shù)據(jù)的可靠性，減少數(shù)據(jù)處理和分析時(shí)的不確定性[15]。剔除后的數(shù)據(jù)根據(jù)缺失時(shí)段長短用不同的方法插補(bǔ)延長[13]，本次研究觀測資料中短時(shí)間內(nèi)(<3 h)的缺失數(shù)據(jù)，采用線性內(nèi)插法插補(bǔ)；對(duì)于較長時(shí)間(>3 h)的缺失數(shù)據(jù)用平均日變化法(MDV)，以 10 d(一般取7～14 d)為窗口的相鄰數(shù)據(jù)變化規(guī)律進(jìn)行插補(bǔ)[8]。

能量閉合狀況分析作為一種通量數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)程序已被人們廣泛接受[16]。本研究對(duì)試驗(yàn)區(qū)2013年稻季通量數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，能量平衡比率(EBR)大多在0.8～1.0之間小幅度波動(dòng)，平均為88%，高于國際通量網(wǎng)( FLUXNET) 約80%的平均能量閉合度[16]，表明本觀測獲得的通量數(shù)據(jù)質(zhì)量與可信度高，能代表觀測區(qū)域水碳通量大小與變化特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 節(jié)水灌溉稻田不同土壤水分條件下水汽通量典型日變化

本研究選擇2013年稻季各月晴好天氣條件下，節(jié)水灌溉稻田復(fù)水退水過程中復(fù)水后與土壤水分狀況達(dá)到下限的復(fù)水前典型日的水汽通量進(jìn)行分析。研究選擇的稻季各月復(fù)水日分別為7月17日，8月12日，9月4日和10月7日。

由圖1可以看出，復(fù)水前稻田各月典型日水汽通量變化較一致，均呈倒“U”型變化趨勢，且白天的波動(dòng)幅度較大。凌晨與夜間稻田水汽通量較小，有的甚至接近于0。白天水汽通量從日出后開始升高，在10∶00-16∶00一直保持在較高的水平，然后開始下降，20∶00以后變化緩慢。復(fù)水前稻田日內(nèi)水汽通量總體上均大于0，7月和8月復(fù)水前水汽通量日內(nèi)變化的峰值均為170 mg/(m2·s)左右，是9月峰值的1.5倍、10月峰值的2.5倍左右。

復(fù)水后稻田各月典型日水汽通量變化也均呈現(xiàn)倒“U”型曲線。凌晨和夜間水汽通量的變化比較平穩(wěn)，且處在較低的水平。白天隨著太陽輻射的增大從6∶00左右開始逐漸升高，在12∶00-14∶00達(dá)到一天中最大值，然后開始下降，到18∶00后平穩(wěn)變化。7、8月稻田水汽通量呈現(xiàn)單峰變化且在中午12∶00左右達(dá)到峰值，9、10月則是多峰變化。8月復(fù)水后稻田水汽通量的峰值最大為204.6 mg/(m2·s)，7月的與其接近，分別是9、10月峰值的1.5倍、3倍。7、8兩個(gè)月稻田水汽通量日內(nèi)變化各時(shí)刻偏差較小，且白天時(shí)段值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他兩月值。

圖1 不同土壤水分條件稻田水汽通量各月典型日變化Fig.1 Diurnal variation of water flux in water-saving rice field under different soil moisture conditions

對(duì)比不同土壤水分狀況下節(jié)水灌溉稻田水汽通量日變化可知，水稻生長前期的7、8月，土壤水分對(duì)稻田水汽通量日變化的影響較顯著，復(fù)水前后差異比較大。7、8月復(fù)水前的水汽通量日變化峰值在14∶00左右，分別為160.9和178.4 mg/(m2·s)；復(fù)水后的峰現(xiàn)時(shí)間則在12∶00左右，峰值分別為201.6和204.6 mg/(m2·s)，約是復(fù)水前的1.25倍。而9、10月不同土壤水分下稻田水汽通量在峰值處的偏差則較小。研究結(jié)果表明，節(jié)水灌溉稻田控制灌水后存在復(fù)水補(bǔ)償效應(yīng), 尤以分蘗中后期和拔節(jié)孕穗前期較明顯[圖1(a)和1(b)]，與郝樹榮[17,18]等對(duì)盆栽水稻水分脅迫的研究結(jié)果一致。這是因?yàn)樗驹诠?jié)水灌溉條件下，經(jīng)過前期水分虧缺的鍛煉，對(duì)土壤水分虧缺的耐受力提高，土壤含水率較低，其蒸散量沒有顯著降低，復(fù)水前后的差異可能只來源與土壤蒸發(fā)量的不同。水稻經(jīng)過前期水分虧缺的鍛煉，在抑制了水稻營養(yǎng)生長的同時(shí)(莖稈、葉片、株高)，提高了后期生殖生長階段控水處理的耐受力，在不影響結(jié)實(shí)率的條件下減少了灌溉水量，也進(jìn)一步證明了該節(jié)水灌溉稻田控制灌溉處理的合理性與優(yōu)越性。

2.2 節(jié)水灌溉稻田不同土壤水分條件下CO2通量典型日變化

研究選擇稻季各月晴好條件下，節(jié)水灌溉稻田復(fù)水退水過程中復(fù)水后與土壤水分狀況達(dá)到下限的復(fù)水前CO2通量典型日進(jìn)行分析，本研究選擇的稻季各月復(fù)水日分別為7月17日，8月12日，9月4日和10月7日，研究結(jié)果如圖2所示。

復(fù)水前稻田各月典型日的CO2通量變化均呈“U”型曲線。凌晨和夜間CO2通量的變化比較平穩(wěn)，為正值且處在較高水平，表現(xiàn)為排放。CO2通量白天從7∶00左右開始逐漸降低，在10∶00-14∶00達(dá)到一天中最小值，然后開始升高，到傍晚18∶00左右升高到較大值，此后緩慢平穩(wěn)變化。

復(fù)水后稻田各月CO2通量典型日變化均呈現(xiàn)先減小后增大的“U”型變化。夜間與凌晨稻田CO2通量總體上為正，白天從7∶00左右開始，稻田CO2通量值從0附近開始急劇降低，到9∶00后降低幅度變小，中午10∶00-14∶00達(dá)到峰值，然后一直升高到17∶00再次到達(dá)0，以后呈現(xiàn)平穩(wěn)變化。各月之間對(duì)比表明，7、10月稻田CO2通量峰值較接近為-20 μmol/(m2·s)左右，8、9月值較接近為-25 μmol/(m2·s)左右，且7月稻田CO2通量日變化中白天為先急劇升高后平穩(wěn)變化又急劇減小，8-10月的日變化則是一種平穩(wěn)升高再平穩(wěn)降低的過程。

不同土壤水分狀況下稻田各月CO2通量之間的對(duì)比表明，水稻生育前期的7、8月復(fù)水后，稻田CO2通量總體上要比復(fù)水前大，這是由于土壤水分較低的情況下，水稻植株葉片的氣孔導(dǎo)度受到限制，對(duì)CO2的吸收減少，光合作用相對(duì)減弱。而在水稻生長的中后期(9、10月)，隨著水稻抗逆性的提高，不同土壤水分對(duì)稻田CO2通量的影響減弱。各月稻田CO2通量夜間數(shù)據(jù)對(duì)比表明，7-9月稻田夜間CO2通量大多穩(wěn)定在5 μmol/(m2·s)，且7、8月通量值波動(dòng)較大，說明水稻生育前期呼吸作用較強(qiáng)。10月份由于夜間溫度的降低其值穩(wěn)定在2.5 μmol/(m2·s)。朱詠莉[15]等對(duì)亞熱帶稻田CO2通量的研究結(jié)果表明，在早稻、晚稻的全生育期中稻田CO2通量的峰值通常在-8～-40 μmol/(m2·s)范圍內(nèi)變動(dòng)，本研究結(jié)果在-4～-29 μmol/(m2·s)內(nèi)變動(dòng)與其結(jié)果較接近，有一定偏差的原因除了受不同氣候、天氣條件的影響，也可能因?yàn)楣?jié)水環(huán)境下，土壤水分條件不同使土壤呼吸作用受到了一定的抑制。同時(shí)前期的水分虧缺鍛煉，使后期復(fù)水后葉面積指數(shù)較大時(shí)葉片的光合速率日內(nèi)波動(dòng)幅度較未經(jīng)過水分虧缺鍛煉小。稻田各月CO2通量復(fù)水前后的差異大小的變化也說明了該節(jié)水灌溉制度的合理性。

圖2 不同土壤水分條件稻田CO2通量各月典型日變化Fig.2 Diurnal variation of CO2 flux in water-saving rice field under different soil moisture conditions

3 結(jié) 語

(1)不同土壤水分條件下節(jié)水灌溉稻田水汽通量日變化均呈倒“U”型曲線，土壤水分對(duì)水稻日內(nèi)水汽通量的影響較顯著。生育前期，不同土壤水分條件下稻田水汽通量偏差較大，復(fù)水后峰值約是復(fù)水前的1.25倍，生育后期土壤水分的影響變小，水汽通量在峰值處的偏差也較小。

(2)不同土壤水分條件節(jié)水灌溉稻田CO2通量日變化均呈現(xiàn)“U”型變化趨勢，不同土壤水分對(duì)水稻CO2通量日變化影響較大。水稻生長前期，復(fù)水后稻田CO2通量值較復(fù)水前大，水稻生長中后期，土壤水分狀況對(duì)稻田CO2通量的日變化影響較小。

(3)土壤水分狀況是影響節(jié)水灌溉稻田水碳通量的重要因素。節(jié)水灌溉條件下，水稻經(jīng)前期水分虧缺鍛煉后對(duì)土壤水分虧缺耐受力有所提高，土壤含水率較低時(shí)，蒸散量沒有明顯改變，CO2固定量也未顯著降低。

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