全 文 ：[H三一 ，7
第l7卷第4期
l 9 9 7年 7月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
28 l{
Vd．17．No 4
Ju_l， 1997
大气 CO 浓度增加对春小麦冠层温度、蒸发
蒸腾与土壤剖面水分动态影响的试验研究’
康绍忠 。
马清林”
1)西北学农业大学农业水土工程研究所．陕西杨睦．712100
2)中国科学院、水利部水土保持研究所．陕西杨瞳．712100
7
摘 要 根据 1994～1 995年在大型 ^气候室内取得的试验资料，分析丁大气CO：浓度倍增条件下，春小
麦冠层温度、蒸发蒸腾和根层土壤剖面水分动态的变化状况。结果表明。大气CO 敞度增加1倍，春小麦冠层
温度明显升商，且高水讣杀件升高的值比低水分条件下大 0．7 c左右；蒸发蒸腾臧少的幅度在不同土壤水分
处理间也不相同，高水分处理的蒸发蒸腾量减少 9．88 ．低水分处理的减小 8 50 ．根层土壤含剖面水分诮
耗减小．高 c02裱度处理的根层土壤含水率高于低CO 浓度处理的，特别是在底部根系密度减小．其水分诮
耗 明显减少 。
根屉生壤含水率，
‘ 。 ’ ’ -
～
ARCH oN EFFECTS oF THE
ATM 0SPl i Co，CoNCENTRATIoN INCREASE
o THE C f TEMPRATURE，EVAPoTRANSPIRA一
’H ON AND ()IL M OISTURE DIRSTRIBUTIONI
IN RooT ZoNE oF SPRING W HEAT
Kang Shaozhong ’ Cai Huanjie Liang Yinli
Ma Qingling 、 Hu Xiaotao Zhang Fueang
f” Institute Soil and Water Engineering． f^叫“ m
AgriculturM UniversitytYang Ling Shaanxi，7121O0，China)
( Institute of Soil and~tater Conser~,ation Chinese Academy
ofScien ．YahgLing Shaan ．7I21O0．China)
Abstract This paper analyses the effects of the atmospheric carbon dioxide(CO 2)concen
tration increase on canopy temperature，evapotranspiratj0n rate，and soil moisture distri一
· 本项研究获得霍差东基金和中国科学院“百^计划”项 目的资助
l盆稿时间 1996 09 o9．修改稿l盆到时间：1996 05 03。
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4期 康缁忠等：大气CO 浓度增加对春小麦冠层温度等试验研究 413
bution in root zone of the spring wheat．based on the data measured in the artificiaJ climate
houses during 1 994～ 1 995． The results show that the canopy temperature increased by
1．4～ 2．7℃ with the doubling of CO2 concentration under sufficient soil water supply，but
it increased only by 0．7～ 2．0℃ in soil water deficit condition．The average evapotranspi—
ration decreased by 9．88 with sufficient soil water supply，and by 8．5 under soi1
deficit condition． W ith the same water supply．the soil water content in root zone in
creased with the dubling of C02 concentration．
Key words：carbon dioxide coneentration·canopy temp~y ture，eVapotranspiration，root
distribution．soiJ moisture in root zone．
由于CO 气体是绿色植物光合作用过程中利用碳的唯一来源，因此全球大气 CO 浓度的上升会明显
地影响植物的生产力。大量的事实表明。大气CO 浓度增加是由于石化燃料的加速使用、工业污染和废气
排放，森林退化、木材燃侥和土壤腐殖质的衰退而造成的 =在车世纪初大气 CO 的水平大约在 26o～
290flmol·tool。。的范围 ] 到 l 958年就达到了 315#mol·mol ，现在已超过了 350#mo[·tool叫 。预计
在 F一世纪内大气CO。浓度将会在目前的术平下增加一倍 。不菅有关气候变化的争论的最终结果如何．
自然的和农业生态系统中的植被都将会受到 CO 浓度增加的直接影响lE
近十多年，有关此方面的研究主要集中在 CO 浓度增加产生的气候变化和对区域水分循环及作物生
产的影响等方面。大量的研究已表明大气 CO 浓度增加会增大作物水分利用效率、光合作用、生物量及产
量D叫 。但过去的研究未能很好地把土壤一植物一大气作为一个整体来对待，在对大气CO 浓度增加对土
植 气系统中水分转化的影响方面还研究 够，在国内此方面的研究也才刚刚起步。本文将在以前研究的
基础上，突出反映不同土壤水分条件下，冠层温度、作物蒸发蒸腾和根系分布及根区土壤含术率对CO 浓
度增加的敏感性以及CO 浓度增加对整个土 植 气系统中水分运行的影响。这对于评价大气CO 浓度增
加的农田水文效应，对农业用水效率的影响及制定相应的水分管理对策具有重要的意义。
1 试验研究方法
试验于 1994年4月～1995年 8月在西北农业大学灌{既试验站大型人工气候室内进行．人工气候室内
的 CO 浓度设置 340~mo1·mol_。和 680~mol·rao]。。两个处理，以研究大气 CO 浓度倍增条件下作物冠
层温度、蒸发蒸腾与土壤剖面水分动态的变化。供试作物为春小麦．种植在高4[cm、直径24．5cm的圆形测
筒内，删筒底部开有通气 L。为 r研究不同CO。浓度条件下的根层土壤剖面水分动态 ，还辅 直径 30cm、
深 105cm的园柱形聚己稀塑料容器，在四周对称每 10cm深度开设一排小孔，以观测土壤术分和根系生长
状况。人工气候室内除co 浓度不同外，其温度、湿度、光照均保持相同．由人工气候室的微电脑自动监控
其控制条件与文献：8]相同。
每种CO?浓度下设高水分(土壤水分下限为 85 田闭持水量)、中水分(土壤水分下限为 65 田问持
水量、、低水分(土壤水分下限为 45 田间持水量)3种处理．以研究 CO 浓度增加时下垫面不同土壤水分
条件下作物冠层温度、蒸发蒸腾与土壤剖面水分动态的差异=每种土壤水分处理设 2次重复。每 7d测定 1
次测简内土壤含水率变化和水分消耗量。用美国产 LI一6200型便携式光台测定系统，每 7d测定一次 同
CO 浓度条件下备土壤水分处理叶片周围的环境温度、相对湿度、水汽压、光量子通量密度、CO 浓度和叶
面温度、叶室内的CO 浓度、CO 扩散的气孔导度、承汽扩散的气孔导度与阻力、叶片光台速率与蒸腾速率
等 l 2个因素的El变化。用美国产 AG 42型手持红外测温仪测定不同处理的冠层温度 日变化，每 7d测定一
次。测定 日变化时从 8：0o～18：o0每小时}雯}定一次。此外．还观}卿土柱内不同深度的土壤含水率动态变
化及春小麦的株高和叶面积等生长发育状况。
2 大气 CO 浓度增加对春小麦冠层温度的影响
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4l4 生 态 学 报 l7卷
冠层温度是环境(大气、土壤水分)和植物体 内部因素共同影响冠层能量平衡的结果。作蜘冠层温度与
能量的吸收和释放过程有关，作物冠层吸收太阳辐射能，这种能量转换成热能，作物蒸腾将会消耗一部分
热能-剩余的热能会使冠层温度升高。因此，在高水分条件下的冠层温度较低．在低水分条件下，蒸腾会减
步t所消耗的潜热亦会减小，感热增加，冠层温度会增加。表 1中列出了毒小麦生育期内 3次典型的测定结
果，从中可看出-在相同土壤水分条件下。大气 CO 浓度增加 l倍，冠层温度 (_， )明显增加，冠层一空气温
差(_， 一_， )明显减小；在同一大气 CO 浓度条件下，高水分处理的冠层温度明显低于低水分处理的，而冠
层一空气温差明显高于低水分处理的。大气 CO2浓度由 340~mo1·tool。。增加到 68Oktool·lnol。。时，高水
分处理的冠层温度平均增加 1．4～2．7℃，低水分处理的冠层温度平均增加0．7～2．0"C l大气 CO 浓度倍
增后t高水分处理的冠层一空气温差平均下降 0 8～2．7℃。低水分处理的平均下降o．6～1．8"C。这表明毒
小麦冠层温度对大气CO 浓度增加的敏感性与土壤水分条件有关。在高水分条件下 。气孔对 CO 浓度增加
反应敏感，因而冠层温度增加较大；在低水分条件下，气孔主要由水分起控制作用，CO。浓度的影响变为次
要因紊，因此 co 浓度倍增时．低水分处理的冠层温度增高的幅度小于高水分条件的。在 CO 浓度倍增时，
冠层温度的变化结果与文献[8]报道的单十叶片的温度变化结果不同，冠层温度的变化更具有代表性
衰 1 大气 CO，浓度增加春小爱冠层沮度的变化(1995)
TLhle 1 Effect of the atma~herl~~lrheu dlo~ le(CO{)Incre蚰e oB‘ nl_he_t m 0p，t吼 p州 lI c
· 是冠屡温度· — 是冠层与大气的温差
3 大气CO 浓度增加对春小囊蒸发蒸秘的影响
COz浓度对蒸发蒸腾的影响主要是通过对气孔运动的影响来实现的。大气CO 浓度增大 ，使气孔开度
减小，相应的作物蒸腾减小．从而使作物总蒸发燕辟也减小．但另一方面，大气 CO 浓度增加。作蜘水分利
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4期 康绍忠等，大气CO。浓度增加对春小麦冠层温度等试验研究 415
用散率增大，叶面积明显增加，使蒸腾的面积增大。实曩龟结果(表 2)表明，大气 CO：浓度倍增所诱发的气孔
开度碱小和叶面积增大．对春小麦蒸发蒸腾的髟响．是使蒸发蒸腾碱小。其碱小的幅度在不同阶段和不同
土壤水分条件间有所差异。前期碱小的幅度 比后期大}高水分条件减小的幅度比低水分条件的要大。如
1994年当大气 COz浓度倍增时，其生育期内的总蒸发蒸腾量在高水分条件下碱小 l0．61 ，在低水分条件
下减小 9．3o }1995年高水分条件下碱小9．15 ．低水分条件下碱小7．7o 。两年的结果基本一致。
寰 2 大气co，{丧度增加对●小囊薰发薰■的影响
TsMe 2 Egect 0fthe atm~p&erlc删 n d-ol e(O仉 )Im 叽 sprig wP4eat eval~trua ntlca
*表中数据单位为 rnm．
出现这一现象的原因是由高水分过渡到低水分．气孔开度的控制因素逐渐由大气CO 浓度转变为土
壤水分条件，所以低水分条件下，CO 。浓度倍增，蒸发蒸腾碱小的幅度低于高水分条件的
4 大气 CO，浓度增加对根层土壤水分动态的影响
根系层土壤水分动态变化可用如下数学模型描述：
署一 [D( 善]一 一 (z∽ (1)
定解条件为；
(z，f)1 ．o一 日(z，0) (2)
一
D(口) a9+ (口)l
。：一 丘 (f) (3)
(z，f)l z． 一 口(d，0) (4)
作物根系吸水速率 (z．￡)与蒸腾具有如下关系：
陆
T( )一 I (z，t)dz (5)
J 0
式中e口是窖积台水率(cm。／cm )，Z是深度坐标(cm)．I是时间(h)，D(口)是土壤水分扩散率(cm ／h)，五(口)
是导水率(cm／h)， (z，f)是根系暇水速率 (h )．丘(f)是棵间土壤蒸发速率 (cm／h)．r(t)是蒸腾速率(cm／
h)，Z，是根系层深度(cm)，d是下边界距地表的距离(cm)。
只要给定大气 COz浓度增加时 r(t)的变化 ．即可由以上方程模拟大气 CO 浓度增加时的土壤水分变
化状况。
从式(5)可知，f时段内根系从土壤中吸收的总水量等于蒸腾量。因为大气COz浓度增加，使蒸发蒸辩
减小，根系吸水减小。因此，从式(1)可知，土壤水分变化减慢，即大气 CO：浓度增加时，根系层剖面的土壤
台水率在相同水分处理(ep外界降水和灌水相同)时略有增大。图 1给出 l 995年春小麦生育期内不同CO：
浓度条件下实翻的土壤水分动态，从中可以看出，CO 浓度为 68 mol·mol 的比 340．umol·mol 的根
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4l6 生 态 学 报 17卷
层土壤水分消耗变小·而且 340~mo[·tool‘的春小麦吸收底部的土壤水分数量明显高于 680／~mo1·tool。。
的 这主要是因为在大气CO：浓度增加时，相同土壤水分处理条件下．春小麦根系分布明显不同；低 CO 浓
度时．春小麦根系密度分布在底部较大(表 3)，因此，根区土壤水分在底部消耗较多。
0
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睦
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lnL(b)( ，|0⋯ m-)0
图 1 不同 CO 浓度蕞件 F春小麦根层士壤水丹动卷变化(1995)
Fig 1 E[fect of the atmospheric carbon dioxide(CO increase
on soll molstme disl ribution in spring wheat zone(1995)
5 结论
5．1 大气CO 浓度倍增条件下，春小麦冠层温
度 明显升高，其中高水分 处理 的升高 1．4～
2 7 c，低水分处理的升高 0．7-2．0℃。因此．从
农田能量平衡状况看，大气CO 浓度增加，感热
所占的比倒明显增大： ‘
5．2 大气 CO 浓度倍增条件下，蒸发蒸腾减小
的幅度在不同土壤水分处理也不同，高水分处
理的减小 9．88 。低水分处理的减小 8．50 。
另外。对于同一水分处理。前期减小的幅度略大
干后期减小的幅度。不同年份的试验结果基本
一 致 =
5．3 大气CO 浓度倍增条件下，当外界降水和
灌承总量相同时，根系层土壤含水率有所增加，
对 80cm 以下深层土壤水分的利用量有所下降。
在低CO z浓度时．作物根系分布密度在40cm 以
表 3 大气 CO：浓度增加对春小麦根系密度分布的影响
Table 3 Effegt of the atmo~pherie cmrbon dioxide(on )
increase 0n spring wheat root density distribution
不同 CO 椎度 时的根 系密度
诛鹿 Depth Root density distribution of d Lferen
(cm、 CO ⋯ ⋯ntl"tion(1O g／cm
340m0}·m口l一 580rnol·mol
*成熟时的干密度．指单位体积土壤的根干重
下的底部较大，而高 CO 浓度时，在上部 40era土层较大。
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