FACE對(duì)水稻-小麥冠層微氣象和能量平衡的影響.pdf

1、本文利用位于中國江蘇省江都市小紀(jì)鎮(zhèn)的中國目前唯一的稻麥輪作農(nóng)田開放式CO2濃度升高(Free-airCO2Enrichment，簡稱FACE)的試驗(yàn)平臺(tái)，于2006年7月18至10月15日(即水稻拔節(jié)期至成熟期)和2007年3月19日至5月24日(即小麥拔節(jié)期至成熟期)進(jìn)行水稻/小麥冠層微氣候及相關(guān)項(xiàng)目的連續(xù)觀測(cè)，并結(jié)合能量平衡分析，用以研究中國FACE系統(tǒng)對(duì)水稻/小麥冠層小氣候各要素的變化特征及能量平衡各分量的變化特征的影響，并通過對(duì)

2、作物冠層蒸散進(jìn)行的模擬分析，揭示FACE對(duì)兩種作物水分利用率影響的生態(tài)機(jī)理。從而為研究大氣CO2濃度升高對(duì)水稻/小麥生長發(fā)育、合理灌溉及水稻/小麥種植制度全球分布的影響提供生態(tài)理論依據(jù)。研究結(jié)果表明： (1)FACE處理使得水稻和小麥的葉片氣孔導(dǎo)度減小。在觀測(cè)期間內(nèi)，水稻冠層的倒一、倒二、倒三葉的氣孔導(dǎo)度比對(duì)照平均分別減少了25％，24％，18％，均達(dá)極顯著水平(p＜0.01)。小麥在觀測(cè)期間內(nèi)，F(xiàn)ACE葉片氣孔導(dǎo)度低于對(duì)照葉片

3、氣孔導(dǎo)度。且這種減小的現(xiàn)象隨著生育期的推進(jìn)、葉片的逐漸衰老而逐漸不明顯。在觀測(cè)期間內(nèi)，冠層的倒一、倒二、倒三葉FACE的氣孔導(dǎo)度比對(duì)照平均分別減少了28％，32％和26％，均達(dá)極顯著水平(p＜0.01)。 (2)FACE處理使水稻/小麥葉片氣孔導(dǎo)度降低，從而削弱了植株的蒸騰降溫作用，導(dǎo)致白天冠層溫度升高。觀測(cè)期間內(nèi)，F(xiàn)ACE系統(tǒng)中白天水稻冠層溫度均高于對(duì)照，平均高0.45℃，兩者之差日最大值在0.4～1.9℃之間，日最大值隨太陽

4、輻射強(qiáng)度增強(qiáng)而增加，生育期對(duì)兩者差值也有影響，開花期是FACE對(duì)水稻冠層溫度影響最大的時(shí)期，即FACE與對(duì)照冠層溫度差值最大值出現(xiàn)在水稻生長旺盛的開花期。白天小麥冠層溫度FACE均高于對(duì)照，平均高達(dá)0.77℃，冠層白天的平均溫度FACE與對(duì)照的差值最大可高達(dá)1.58℃。 (3)FACE條件下水稻/小麥冠層溫度升高使冠層空氣溫度也升高。白天水稻冠層空氣溫度FACE均高于對(duì)照，這種差異隨太陽輻射增強(qiáng)而增大，且冠層中部大于冠層頂部；抽

5、穗期至蠟熟期，冠層中部和頂部白天空氣平均溫度FACE比對(duì)照分別高0.45℃和0.29℃。白天水稻冠層空氣濕度FACE均低于對(duì)照。觀測(cè)期間內(nèi)白天小麥冠層內(nèi)部空氣溫度之差最大值在0.12～0.98℃之間，冠層頂部最大值在0.03～0.7℃之間。白天小麥冠層空氣濕度FACE均低于對(duì)照，冠層中部的空氣濕度之差日最低值在-0.3％～-7％之間，出現(xiàn)在午后14:00左右。 (4)FACE對(duì)水稻冠層凈輻射的影響不大，比對(duì)照平均增大約1.3％，

6、但未達(dá)顯著水平。在開花期之前，F(xiàn)ACE使得小麥冠層上方凈輻射平均增加約0.9％，開花期后，F(xiàn)ACE使得小麥冠層上方凈輻射平均減小約2.5％。 (5)用能量平衡余項(xiàng)法計(jì)算顯熱和潛熱的分析結(jié)果表明，在觀測(cè)期間內(nèi)，白天水稻冠層顯熱通量FACE均高于對(duì)照，F(xiàn)ACE與對(duì)照顯熱差值日最大值變化在13～63Wm-2之間;白天水稻冠層潛熱通量FACE均低于對(duì)照，F(xiàn)ACE與對(duì)照潛熱差值日最大值變化在-12～-66Wm-2之間，隨太陽輻射的增加而增

7、大；在觀測(cè)期間內(nèi)，白天小麥冠層顯熱通量FACE均高于對(duì)照，兩者差值日最大值變化在12～78Wm-2之間；白天小麥冠層總潛熱通量FACE均低于對(duì)照，兩者差值日最大值變化在-12～-63Wm-2之間，隨太陽輻射的增加而增大。 (6)能量平衡的變化是微氣象變化的根本，通過小氣候的觀測(cè)反推出的能量平衡的結(jié)果正確與否，可以通過氣孔導(dǎo)度來驗(yàn)證。利用P-M方程反演出的冠層群體氣孔導(dǎo)度與實(shí)測(cè)的氣孔導(dǎo)度相關(guān)關(guān)系較好，小麥R2為：對(duì)照0.91，F(xiàn)A

8、CE0.89(在0.01水平下極顯著)，RMSE分別為：對(duì)照0.59cm/s,FACE0.57cm/s；水稻R2為：對(duì)照0.84，F(xiàn)ACE0.73(在0.01水平下極顯著)，RMSE分別為：對(duì)照1.07cm/s，F(xiàn)ACE1.10cm/s，從而證明能量平衡的計(jì)算結(jié)果及微氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)基本正確。 (7)逐步回歸分析表明，光合有效輻射和飽和水氣壓差是對(duì)葉片氣孔導(dǎo)度產(chǎn)生最主要影響的環(huán)境因子。構(gòu)建了適于FACE條件下水稻和小麥的氣孔導(dǎo)度對(duì)環(huán)

9、境因子的響應(yīng)模型。將氣孔導(dǎo)度模型與P-M方程相結(jié)合模擬出兩種作物的日蒸散量。模擬值與試驗(yàn)期間用lycimeter實(shí)測(cè)的水稻的日累積蒸散量進(jìn)行比較，表明本方法可以較好地模擬FACE和對(duì)照條件下水稻的蒸散量，日蒸散模擬結(jié)果與1:1直線之間相關(guān)性較好，F(xiàn)ACE:R2=0.88,RMSE=0.29mm；對(duì)照：R2=0.90,RMSE=0.39mm。 (8)觀測(cè)期間內(nèi)，模擬計(jì)算結(jié)果表明CO2濃度升高使得水稻的水分消耗減小約10mm，小麥的