全 文 ：应 用 生 态 学 报 年 月 第 卷 第 期
〕 了 , , 一
中国南方典型地区油
一稻轮作条件下大气
干沉降速率动态变化 ‘
胡正义“ 徐成凯‘ 曹志洪‘ 王体健 , 赵言文 ,
‘ 中国科学院南京土壤研究所土壤圈物质循环重点实验室 , 南京 南京大学大气科学系 , 南京
南京农业大学 , 南京
【摘要 】 以 年 月 一 年 月中国科学院红壤生态试验站农 田小气候观测站气象梯度资料
温度 、 风速 、 气压 , 计算近地 面湍流特征参数 ‘ 、 夕‘ 、 , 然后 采样阻力模式计算 干沉降速率
巧 , 研究了该地油
一 稻轮作条件下大气 干沉降 妈 动态变化 结果表明 , 一年中大气 以 〕 干沉降 妈
时平均年均值为 一
· 。一 ‘ 士 二 士 。 · 一 ‘ 一年中大气 干沉降 妈
存在如下规律性 白天 晚上 一 月份 妈 平均值
· 一 ‘ 大于 一 、 一 月份 巧 平
均值
· 一 ‘ 水稻生长期间 仍 土
· 一 ‘ 油菜 士
· 一 ‘ 休闲
士 · 一
关键词 二氧化硫 干沉降速率 大气沉降 油菜 水稻
文章编号 一 一 一 中图分类号 文献标识码
、 , , 、 , ,
‘乙、穴护 , 了, 泛弘 。 , 以 八‘口法 ”刀 、 。,
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一
· 一 妈
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土
· 一
山 , , , , , ,
引 言
大气硫干沉降量 占硫沉降总量的 一 ,
硫酸盐粒子 一 干沉降占硫干沉降量很小 ,
干沉降才是大气硫干沉降量主要贡献者 ‘
, ‘、 丁
干沉降速率 , 是求算大气 干沉降量必备参
数 在过去 多年中 , 国内外对 干沉降 妈 区
域分布进行了许多研究〔’“
, ” 〕为了适应不同生态系
统硫循环规律研究 的需要 , 国外对不 同下垫面 仇
干沉降 沁 进行了很多定位观测 「一 〕 国内一些单
位用涡旋相关方法也对 干沉降 玲 进行 了探
讨〔’ 由于涡旋相关法需要高精度仪器 , 限制了该
方法的广 泛应 用 微气象方 法 也是 国外研究大气
干沉降 、与 定位观测常用方法之一 ’, “
, ’, 川 该
方法 需 要 气象梯度 资料 用 于 计算湍流 特 征 参数
’ 、 夕‘ 、 , 进而采用阻力模式求算 干沉降
玲陈 ’
, “ 了 过去几年 , 我们将该方法应 用到 姚 干
沉降 妈 定位观测之中
, 结果令人满意 但仍然没
有不同地区不同下垫面 干沉降 妈 动态变化结
果报道 本研究以中国科学院红壤生态试验站农田
小气候观测站为研究对象 , 研究该地油一稻轮作条件
下大气 干沉降速率动态变化 , 旨在为进一步开
国家基础研究发展规划项 目 , 中国科学院知识创
新工程领域前沿项 目 和中国科学院红壤生态试验站
资助项 目
, 通讯联系人
一 一 收稿 一 一 接受
应 用 生 态 学 报 卷
展大气硫沉降提供基本参数
研究地区与研究方法
实验场地
本研究在中国科学院红壤生态试验站农 田小气候分站
进行 观测时间为 年 月 一 年 月 , 共观测
个月 不同时期下垫面见表 农田小气候观测塔高度为
在 、 、 和 高度处分别安装有风速
、 温度
等 自动记录传感器
,
表 不同作物生育期下垫面粗糙度长 。 , , 一 , , ,
卜 。 】 罗
《
月份 作物生育期
〔》军 ‘卿三
油菜苗期
一
油菜抽苔前
一
油菜抽苔 、
油菜开花 ,
油菜成熟
水稻苗期 , 、司
月份 作物生育期
水稻抽穗扬花
水稻成熟
休闲
油菜苗期 、 呀
油菜苗期 吃
油菜苗期 、 飞
。
内、︺月气八︵︺︸
储
所需气象参数的观测和仪器
采集
、 和 高度处温度
、
气压和 处风
速用于计算近地面湍流特征参数 ‘
、 夕‘ 和 一 型磁悬
浮微风传感器测风速 ,
一 型 电动通风干湿表温湿传感器
测温度 型振筒气压传感器测气压 数据用 一 型
智能数据采集器采集
干沉降速率求取
影响硫素干沉降的因素主要有大气状况 、 下垫面性质
等川 为了考虑主要因素对干沉降的贡献 , 本研究用阻力模
式计算 干沉降速率「
, ’, ‘, 即 玲 十
其中 。 、 。 和 。 分别代表空气动力学阻力
、 片流层阻力和
下垫面层阻力 。 是 由大气湍流运动所引起的 由大气
输送至近地面附近受到的阻力 根据近地层中污染物的质量
输送和类似热量输送的假设 , 。 可以表示为
。 一 巩
掩
其中 , 是计算 玲 时选择的参考高度 , ‘ 是摩擦系数 , 是
常数 , 约等于 , 几 是下垫面的粗糙度长 与
质量通量有关的稳定度修正函数 巩 取为
气体分子扩散率乓 之比 ,联系起来
, 有 凡 一 洽 〔”
·
与污染物和接受表面之间的相互作用有关
等 “ 在前人研究基础上 , 给出了不同季节 阳 沉降的表面
阻力 范围
计算各种沉降阻力时需要 用到近地层湍流特征参数
‘ 、 夕‘ 和
,
本研究根据
一 大气近地层相 似
理论 , 采用气象梯度资料 风速 、 温度和气压 , 通过迭代方法
求解 ‘ 、 夕‘ 和 五〔川
数据处理
本研 究 中 , 根 据观 测时期下 垫 面 植株高度 , 并参 见
。 研究结果〔‘
, ‘ 〕, 不同时期下垫面粗糙度长 。 见表
根据 。 研究结果 “ 〕, 本研究中厌毛沉降表面阻力
按
· 。 一 ‘计 气象梯度资料 自动采集 次 , 据此
计算 次 巧 以 内 妈 算术平均值获得 妈 时
天均值 简称时均值 由时平均 妈 值的算术平均获得 日月
平均 巧 值 简称 日均值 以 日平均 妈 值的算术平均获得
月年平均 妈 值 简称月均值 以每月平均值的算术平均获
得作物生长期间 , 平均 巧 值 , 不同时期下垫面分别为 一
月为水稻 , 月休闲 下垫面为杂草 , 以下简称休闲 , 其余月
份为油菜
结果与讨论
干沉降 妈 时均值的 日动态变化
本研究获得了休闲 下垫面为杂草 , 以下简称休
闲 时期 月 日大气 干沉降 妈 时均值的 日
变化 , 并以油菜 、 水稻生长期间每月 日大气 干
沉降 沁 时均值为基础 , 计算了油菜 、 水稻生长期间
大气 干沉降 妈 时均值的算术平均值
, 获得 了
大气 干沉降 巧 时天均值的 日变化规律 由图
可见 , 油菜 、水稻和休闲 杂草 时期大气 干沉
降 玲 时均值范围分别为 一 、
·
一
·
和 一
· 一 ‘ 个时期大气 干沉降
玲 时均值之 间无 显著差异 国外用微气象方法测
定 干沉降速率 , 下垫面为禾谷类作物时 玲 为
乙 住
的·日。一言。蝙爱
铃圳岂蛇十梦
一
其中 , 一 五 ‘ , 是
一
长度
。是 向地表沉降时经过近地面片流层所受阻力 ,
理论上 是乙 , 和 ‘ 的函数 , 即
二 一 共
圣
时间
其中 , 是与沉降物输送有关的粗糙度长〔’〕 很难测定 ,
所以一般对 进行参数化 基于一系列研究 , 将气体
在植被层中沉降的 。 和 数 空气动粘系数 与
图 每月 日 干沉降速率时均值的 日变化
即
油菜生长期间 水稻生长期 ’
休闲期间
期 胡正义等 中国南方典型地区油
一 稻轮作条件下大气 〔 干沉降速率动态变化
、 八 。 八
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表 干沉降速率 屿 月均值的特征值
,
。
日期 。
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图 干沉降速率 , 日平均值月动态变化
” 、 妈 〔 即、 ‘
一 】二 · 一 ‘仁 , 下垫面为小麦时 妈 为 。一 一
· 、一 ‘【 宋文质等 ’“ 用涡旋相关法测定江西
南昌下垫面为低矮的樟树苗和棕桐树 干沉 降
速率 妈 为 一 一
· 一 ‘ 由此可见 , 本
结果与现有报道基本一致 , 特别与国外相 同方法测
定结果接近 本研究结果还表明 , 种下垫面 姚 干
沉降 妈 时天均值 日变化规律相似 , 都表现 为白天
高 、夜晚低的规律性 干沉降 、与 最大值出现在
一 之 间 图 与相关 研 究 规 律 一
致【
, ’, 主要是 由于夜晚植物气孔关闭 , 植物直接
吸收大气 减 少 白天大气处于 不 稳 定或 近 中
性 , 大气湍流活动 , 可能也是导致 干沉降 白
天高夜晚低原因
干沉降 妈 日均值的月动态变化
图 和表 显示 了一年中大气 干沉降 妈
日均值月变化 由此可见 , 一年 天大气 干沉
降 妈 日均值的平均值为
· 一 ’, 标准差 为
· 一 ’, 变异系数达 表 一年中大
气 干沉 降 最 大值 出现 在 月 口
, 为
· 一 ‘ 而最小值出现在 月 日 , 为
· 一 ’ 图
从 日均值的算术平均值获得 的月均 玲 值来
看 , 月 一 月 干沉降 妈 值较大
, 为 一
· 一 ‘ 个月均值
· 一 ’ 而 月
一 翌 年 月 干 沉 降 妈 值较 小
, 为 一
· 一 ’ 个月均值 一
· 一 ‘ 表
就平均值来讲 , 前者是后者 倍 这种差异性可能
是一年中 月 一 月份是作物旺盛生长期 , 作物 叶
面能吸收较多 之故
一年中大气 干沉降 玲 月均值的变异性有
明显 的 差 异 、 、 、 和 月 变 异 最 小 , 分 别 为
· 、 、 、 和 , 个月平均变异系数
为 其次为 、 和 月 , 分别为 、
和 , 个月平均变异系数为
、
和
月变异较大 , 其分别为 、 和 , 个月
平均变异系数达 而 月 份 干沉降 妈
变异最大 , 其变异系数达 表 月份休闲 、
下垫面为少量杂草 土壤表面湿度可能 已经成为影
响 干沉降因素之一 因此
, 土壤湿度 的易变性
是导致 月份 变异系数大的主要原因
油菜 、水稻和休闲期间大气 干沉降 妈 比
较
由图 可见 , 油菜 、水稻和休闲 下垫面为杂草
大气 干沉降平 均 妈 依次 为 一
、
一 和
,
一
· 一 ‘ 变异 系
数分别为 、 和 从不同作物 植物
生长季节大气 干沉降 均值来看 , 水稻 油
菜 休闲 而不 同作物 植物 生长季节大气 干
了、
二日卜
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一 袜闲
目。口一牙汾、﹄
哥瑕胜蛇十‘的
图 油菜
、 水稻和休闲时期 干沉降速率比较
即 ,
一
字母表示 检验达 显著水平
应 用 生 态 学 报 卷
沉降 变异系数可见 , 休闲时期变异最大 , 其次是
油菜生长季节 , 而水稻季节变异性最小
讨 论
微气象方法是国外研究大气 干沉降 沁 定
位观测常用方法
, , ’, “ 〕阻力模式是计算大气
干沉降 从, 常用方法 , 利用阻力模式计算 妈关
键是要通过近地层湍流特征参数 ‘ 、 夕‘ 和 来求
算各种沉降阻力 。 、 。、 尺 仁川
,
因此 , 近地层湍流特
征参数 ‘ 、 夕‘ 和 求取是影响阻力模式计算大气
千沉降 精度关键 本研究用气象梯度法求
算湍流特征参数 ‘
、 夕’ 和 , 进而采用阻力模式计
算研究地油菜生长期间 年 月一 年
月 大气 干沉降 平均值为
· 一 ‘ 图
而用能量平衡法求算湍 流特征参数 ‘
、 夕‘ 和
, 也用阻力模式计算研究地 同期大气 干沉降
矶 平均值为
· 一 ’ 二者非常接近 如前所
述 , 木研究 偏 结果接近 国外报道 因此
, 作者认为
采用阻力模式计算大气 干沉降 , 是 可行的
由于气象参数 风速 、 气压 、气温 比能量参数 地温 、
幅射等 易获取 因此 , 气象梯度结合阻力模式计算
干沉降 , 较适合国情 本研究 以 中国科学 院
红壤生态试验站 为研究地 , 研究 了该地农 田条件下
大气 干沉降 竹 时间动态 分布于全国主要生
态区中国生态网络站微气象观测站已具备 自动记录
气象参数条件 , 有必要进一步开展大气 干沉降
、爪, 时空变化研究
,
大气 干沉降 矶 , 受大气性质影响较大 本
研究期间每月 日 , 日平均 , 变异 系数有较
大变异 , 个月均值达 时 日平均 干沉
降 拭, 高变异是所有方法计算 干沉降 从, 共性
问题 如果根据 白天和黑夜来分别计算大气 干
沉降 , , 应 该能降低时 日平均 叭 , 变异系数 图
结果表明 , 白天大气 干沉降 巧 明显大于夜里
而这种计算 从, 结果对计算 沉降通量并无实际
帮助 , 因为通常 报道值是时 口均值 , 很少分白
天黑夜 所以本研究计算时 日平均 , 时没有细分
为白天和黑夜
在获得 日月 平均浓度基础上 , 本结果对估
计月平均 沉降通量和探讨其动态具有参考价
值 这对估计农 田系统硫平衡和 了解作物各生长阶
段硫营养也有帮助 在 年 , ” 曾建议用
平均 干沉降 平均值
· 一 ’来估算英国
大气 干沉降量 在 年 , 陈攀江等川 用平均
干沉降 妈 平均值
· 一 ’来估算四川盆地
干沉降 与其相 比 , 本研究获得的不同月份 、 不
同下垫面 干沉降 妈 值对估算该地区类似条件
下 干沉降通量 及其动态应该 比用固定 干
沉降 妈 来估计优越 当然
, 用瞬时 干沉降 从,
结合 浓度能准确估计瞬时 干沉降量 , 然后
积分获得不 同时段大气 干沉降量 这有 待于
浓度传感器的发展和普及
参考文献
。。 一 陈攀江 , 、 , ,
一 一 一
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一 、
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, 、 风 之 岸 , 一
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王体健 , 一
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李宗恺 、 。
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作者简介 胡正义 , 男 , 年生 , 副研究员 , 主要从事土壤
圈硫素循环和植物硫素营养研究 , 发表论文 篇
, 一