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Influence of density correction on latent heat, CO2 flux and energy balance closure in winter wheat/summer maize rotation fields

密度修正对冬小麦/夏玉米轮作田潜热、CO2通量 及其能量闭合度的影响



全 文 :中国生态农业学报 2016年 1月 第 24卷 第 1期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2016, 24(1): 7480


* 国家自然科学基金项目(31171500, 31371574)和中国科学院战略性先导科技专项(XDA05050601)资助
** 通讯作者: 王建林, 主要研究方向为作物生理生态学和稳定同位素生态学。E-mail: wangjianlin@qau.edu.cn
王娟, 主要研究方向为环境生物物理学。E-mail: juanwang@qau.edu.cn
收稿日期: 20150518 接受日期: 20150928
* The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 31171500, No. 31371574) and the Special Fund for
Strategic Pilot Technology of Chinese Academy of Sciences (No. XDA05050601).
** Corresponding author, E-mail: wangjianlin@qau.edu.cn
Received May 18, 2015; accepted Sep. 28, 2015
http://www.ecoagri.ac.cn
DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.150579
密度修正对冬小麦/夏玉米轮作田潜热、CO2通量
及其能量闭合度的影响*
王 娟1,2 曹元元3 张志广1 姜永超1 王建林3**
(1. 青岛农业大学理学与信息科学学院 青岛 266109; 2. 西北农林科技大学理学院 杨凌 712100;
3. 青岛农业大学农学与植物保护学院 青岛 266109)
摘 要 本文利用涡度相关技术对青岛农业大学现代农业科技示范园试验站 2013—2014 年冬小麦/夏玉米轮
作田与大气之间 CO2、水汽和能量交换进行测量, 分别对潜热和 CO2通量进行两种密度修正(WPL修正和 Liu
修正)并进行对比, 计算了两种密度修正前后冬小麦/夏玉米轮作田的能量闭合度。结果表明: WPL 修正与 Liu
修正可以提高潜热通量, WPL修正后夏玉米田潜热通量约提高 6%, 冬小麦田约提高 2%; Liu修正后夏玉米田
提高不足 1%, 冬小麦田提高约 2%。因此 WPL修正对于夏玉米田潜热的修正效果明显优于 Liu修正, 而对冬
小麦田潜热修正两种方法效果相同。两种修正方法对于 CO2通量具有降低的修正效果, WPL修正后夏玉米田
和冬小麦田 CO2通量分别降低 3%和 4%; Liu修正后夏玉米田和冬小麦田 CO2分别降低 2%和 3%。可以看出,
WPL 修正和 Liu 修正对 CO2通量修正前后差别非常小(差距均为 1%)。通过对青岛地区冬小麦/夏玉米轮作田
能量闭合度的分析, 发现密度修正可以提高能量闭合度, 但不同下垫面有不同的修正效果。裸地情况下, WPL
修正可以提高能量闭合度约 2.53%~9.76%, 夏玉米田为 4.05%, 冬小麦田为 1.35%; 而 Liu 修正对裸地能量闭
合度的提高小于 2.53%, 对夏玉米田和冬小麦田提高约为 1.35%。显然 WPL 修正对于能量闭合度的修正幅度
大于 Liu修正。能量闭合度大小关系为裸地Ⅰ(夏玉米出苗前)>裸地Ⅱ(冬小麦出苗前)>夏玉米田>冬小麦田。
关键词 密度修正 潜热通量 CO2通量 能量闭合度 冬小麦/夏玉米轮作田
中图分类号: P404; S183 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2016)01-0074-07
Influence of density correction on latent heat, CO2 flux and energy balance
closure in winter wheat/summer maize rotation fields*
WANG Juan1,2, CAO Yuanyuan3, ZHANG Zhiguang1, JIANG Yongchao1, WANG Jianlin3**
(1. College of Science and Information, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China; 2. College of Science, Northwest
A&F University, Yangling 712100, China; 3. College of Agronomy and Plant Protection, Qingdao Agricultural University, Qingdao
266109, China)
Abstract In the past two decades, the eddy covariance technique has been used as a normalized measure method of exchange
of CO2, water vapor and heat between vegetation and the atmosphere. To understand the variation characteristics of CO2, water
vapor and heat fluxes of winter wheat/summer maize rotation system, an experiment was conducted in the period from June
2013 to June 2014 at Qingdao Modern Agricultural Demonstration Farm of Qingdao Agricultural University. The CO2, water
vapor and heat fluxes were measured during both winter wheat and summer maize growing seasons using the eddy covariance
method and the values corrected by two density correction methods (WPL correction and Liu correction), and then the
第 1期 王 娟等: 密度修正对冬小麦/夏玉米轮作田潜热、CO2通量及其能量闭合度的影响 75


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difference between the two methods compared. An energy balance closure was also computed during bare and vegetation cover
periods of both winter wheat and summer maize based on the two density correction methods. It was found that both of the two
methods (WPL correction and Liu correction) increased the amount of latent heat flux. WPL correction method increased latent
heat flux by about 6% for summer maize season and 2% for winter wheat season, while Liu correction method increased latent
heat flux by less than 1% for summer maize season and about 2% for winter wheat season. WPL correction method reduced the
amount of CO2 flux by less than 3% for summer maize and 4% for winter wheat. Also the Liu correction method reduced the
amount of CO2 by about 2% for summer maize and 3% for winter wheat. There was little difference (about 1%) between the
two correction methods for the correction of both latent heat and CO2 fluxes. The two correction methods had the potential to
increase energy balance closure. WPL correction obviously increased energy balance closure by about 2.53%9.76% for bare
soil, by 4.05% for summer maize and by 1.35% for winter wheat. Then Liu correction increased energy balance closure by less
than 2.53% for bare soil and 1.35% for both summer maize and winter wheat seasons. This suggested that the degree of
correction by WPL method was greater than that by Liu method. Energy balance closure during bare soil period was obviously
higher than that during vegetation cover period. The order of the energy balance closure was: bare soilⅠ(before maize seed
emergency) > bare soil Ⅱ (before winter wheat seed emergency) > summer maize vegetation period > winter wheat vegetation
period.
Keywords Density correction; Latent heat flux; CO2 flux; Energy balance closure; Winter wheat/summer maize rotation
field
为了更好地了解地区乃至全球的碳、水循环特
点, 越来越多的地区建立了碳水通量观测站, 并且
成为全球碳水通量观测网(FLUXNET)的一员, 实时
监测地区 CO2 的排放与吸收、水的蒸散等动态变
化 [1]。涡度相关法虽然还存在一些未能解决的问题,
但已经成为国际上公认的测量各种生态系统碳水循
环动态变化的标准方法[2]。密度修正是处理涡度相
关系统数据的一个必不可少的过程。最早由 Webb
等[3]在 1980 年提出对潜热和碳通量进行密度修正,
在假定干空气质量守恒基础上, 计算出平均垂直速
度 , 从而得出潜热和 CO2 通量的计算方法 , 称为
WPL修正方法。WPL修正方法自提出 30多年以来,
一直保持着强有力的生命力, 现已经成为对试验观
测大气边界层能量和物质通量进行修正的必不可少
的部分。截止到 2010 年, 对于 WPL 修正的引用已
达 130次·a1[4]。可以肯定地说, 如果没有 WPL修正
方法, 那么 FLUXNET研究的发展壮大是不可能的。
2005年, Liu[5]基于气团的膨胀/压缩的物理理论,
在不需要假定干空气质量守恒, 无需计算平均垂直
速度的情况下 , 提出了另外一种对潜热和CO2通量
进行密度修正的方法, 称为Liu修正方法。该修正方
法一经发表 , Kowalski[67]于2006年和Leuning[8]于
2007年对该修正方法提出质疑和批判, 认为Liu修正
是一种错误的理论, 而Liu[9]也就此发表了自己的观
点和看法, 双方针对两种密度修正方法进行了激烈
地争论。不过, 在农田和草地的应用表明, 两种修正方
法对潜热和CO2通量的修正并不存在大的差异[1011]。
两种方法的比较尚需更多的试验结果验证。
本文利用青岛地区 2013 年冬小麦/夏玉米轮作
田的涡度相关数据和气象数据, 分析了两种密度修
正方法对冬小麦/夏玉米轮作田潜热、CO2 通量的影
响, 并且分别计算了冬小麦和夏玉米农田不同生育
阶段的能量闭合度, 以期为WPL修正和 Liu 修正的
比较提供更多的试验数据。
1 材料与方法
1.1 观测区状况
本试验在青岛农业大学现代农业科技示范园
(东经 120.48°, 北纬 36.26°)内进行, 试验所在地属
半湿润易旱区, 平均气温为 12.4 ℃, 年平均日照时
数为 2 229 h; 近 10 年的年平均降雨量为 662 mm,
降雨主要集中在 7 月下旬和 8 月上旬。观测面积为
150 m200 m, 除观测区域西面为果树外, 其他方向
与观测区内种植种类相同, 均为冬小麦/夏玉米一年
两熟轮作制度。2013 年 6 月 26 日种植夏玉米 , 品
种为 ‘郑单 958’, 采取免耕带肥种植方式 , 行距为
0.65 m, 株距为 0.22 m, 肥料为 N-P2O5-K2O(22-10-10)
施肥量每公顷 525 kg, 在小喇叭口期追施尿素
225 kghm2, 10月 10日收获。2013年 10月 14日种
植冬小麦, 品种为‘济麦 22’, 采取翻耕 1 遍, 旋耕 2
遍, 带肥种植方式, 施 N-P2O5-K2O肥, 每公顷 525 kg;
播种量 185 kghm2, 行距为 0.20 m, 2014年 6月 16
日收获。试验地的土壤为砂浆黑土, pH 6.7, 有机质含
量为 12.65 gkg1, 有效氮、速效磷和速效钾分别为
100.41 mgkg1、39.80 mgkg1和 135.8 mgkg1。
1.2 试验仪器
该站的涡度相关系统位于示范园的东南部, 面
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积为 30 000 m2的冬小麦/夏玉米轮作田的中心位置。
三维风速用超声风速仪(CAST3, Campbell. USA)测
量, 潜热、CO2和 H2O 的垂直通量由开路式红外气
体分析仪(LI-7500, Li-cor. Inc. USA)测量。超声风速
仪和红外气体分析仪安装在通量塔的同一高度(玉
米生长前期及中期, 高度为 2.5 m, 玉米季后期高度
调整至 3.5 m; 整个冬小麦生长季高度固定在 2.5 m),
与数据采集器(CR3000, Campbell, USA)相连, 原始
数据采集频率 10 Hz, 每 30 min输出一个平均值。
辐射分量由净辐射仪测量 (CNR1,Kipp and Zonen,
Netherlands); 地下 5 mm 处安装有 3 个土壤热通量
板(HFP01SC, Hukseflux, Netherlands), 测量土壤热
通量; 风速风向由安装在 5 m 高度的开关风速计
(A100R, Rhyl, Vector, UK)和风向仪(W200P, Vector,
UK)测量; 空气温度、湿度由温湿度传感器(HMP45C,
Campbell, USA)测量 ; 降雨量利用雨量筒 (52202,
Young, USA)测量。这些仪器与数据采集器相连, 每
30 min输出一个平均值。
1.3 研究方法
涡度相关技术的理论基础 (雷诺分解 )最早在
1895年由Reynolds[12]建立, 但由于当时缺乏相应的
观测仪器, 该技术并未得到发展和应用。随着快速
响应仪器和计算机的发展, 涡度相关技术才得以发
展 [13]。当下垫面均匀一致时, 潜热和CO2通量密度
(简称通量)可由下述公式表示[14]:
潜热通量(LE): vLE Lw  (1)
CO2通量(Fc): c cF w  (2)
式中: w为垂直方向风速; L为水的蒸发潜热; v 为
水蒸气密度; c 为 CO2密度。‘’表示脉动值, ‘—’表
示平均值。
1.3.1 密度修正
利用式(1)、(2)进行潜热和二氧化碳通量的计算
时 , 通常假设垂直风速的时间平均值为零( 0w  ),
但 Webb 等 [3]指出, 如果空气密度有脉动, 情况则
不同, 由于 w值很小, 难以测量, 因此 Webb 等利用
干空气质量守恒方程计算出 w , 从而得以潜热和
CO2能量的修正结果——WPL修正。
v vLE (1 ) (1 )
w TLw L
T
          (3)
cc c v c
a
(1 ) w TF w w
T
    
       (4)
式中: T为空气温度, a 为干空气密度, 为干空气与
水汽分子量之比(1.608), σ为干空气与水汽密度之比。
2005 年, Liu[5]在不需要假设干空气质量守恒,
不需要计算 w的情况下 , 基于气团膨胀 /压缩的物
理理论 , 得出潜热和 CO2通量的修正结果——Liu
修正。
v a
v vLE [ ( 1) 1] (1 )
w TLw L
T
     
      (5)
c c
c c v c( 1) (1 )
w TF w w
T
      
        (6)
式中: ρ为湿空气密度。
1.3.2 能量闭合度分析
能量闭合度分析是对任何生态系统进行水、碳
和热量循环研究的一个重要方面, 它可以作为判断
数据质量的一个重要指标[1516]。国际上常用的能量
闭合评价方法有最小二乘法、压轴回归法、能量平
衡比率和能量平衡残差 频率分布图法[17]。本文使
用的是最小二乘法进行分析。定义一段时间内有效
能量 (—(H+LE)占可利用能量 (RnG)的百分比称为
能量闭合度 (能量平衡比率 ), 其中 Rn 为净辐射
(W·m2), G为地表土壤热通量(W·m2), H为显热通量
(W·m2), LE为潜热通量(W·m2)。在理想情况下, 能量
闭合度为 100%, 但实际情况中能量闭合度都小于
100%。很多研究表明能量存在不闭合的情况[1820], 不
闭合度约为 10%~30%[2,2122]。计算能量闭合度时, 以
30 min 平均数据为基础, 计算有效能量与可利用能
量的比值, 然后再进行统计平均得出能量闭合度。处
理数据所使用的软件为 Originpro 8.5和 Excel 2007。
2 结果与讨论
2.1 密度修正对潜热通量和 CO2通量的影响
对青岛地区 2013—2014 年冬小麦/夏玉米轮作
田的潜热通量和 CO2通量进行了WPL修正和 Liu修
正, 分别与修正前的潜热通量和 CO2 通量进行线性
拟合, 结果见图 1和图 2。
通过对潜热通量进行密度修正分析(图 1), 发现
经过WPL修正的潜热通量比修正前有所提高, 在夏
玉米田 WPL 修正提高幅度约为 6%, 冬小麦田提高
约为 2%; 而 Liu 修正对潜热通量同样有提高效果,
但是提高幅度小于 WPL 修正, 夏玉米田不足 1%,
冬小麦田不足 2%。线性拟合的相关系数均在 99%以
上。因此可以看出, WPL 修正对潜热通量的修正幅
度略大于 Liu修正。通过对 CO2通量的对比分析(图 2)
可以看出, 经过WPL修正和 Liu修正后 CO2通量较
修正前有所降低, 夏玉米田WPL修正降低幅度约为
3%, 冬小麦田约降低 4%; Liu 修正后夏玉米田 CO2
通量降低约 2%, 冬小麦田约降低 3%。线性拟合
相关系数均大于 98%。对于夏玉米和冬小麦两种
第 1期 王 娟等: 密度修正对冬小麦/夏玉米轮作田潜热、CO2通量及其能量闭合度的影响 77


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图 1 冬小麦/夏玉米轮作田潜热通量密度修正前后对比(2013—2014)
Fig. 1 Comparison of latent heat flux in winter wheat/summer maize rotation field using WPL correction and Liu correction
(2013—2014)
LE-irga: 未修正的潜热通量; LE-WPL: WPL修正后的潜热通量; LE-liu: Liu 修正后的潜热通量。LE-irga: uncorrected latent heat
flux; LE-WPL: latent heat flux of WPL correction; LE-liu: latent heat flux of Liu correction.

图 2 冬小麦/夏玉米轮作田 CO2通量密度修正前后对比(2013—2014)
Fig. 2 Comparison of CO2 flux in winter wheat/summer maize rotation field using WPL correction and Liu correction (2013—2014)
Fc-irga: 未修正的 CO2通量; Fc-WPL: WPL修正后的 CO2通量; Fc-Liu: Liu 修正后的 CO2通量。Fc-irga: uncorrected CO2 flux;
Fc-WPL: CO2 flux of WPL correction; Fc-Liu: CO2 flux of Liu correction.
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不同的作物, WPL 修正和 Liu 修正对 CO2通量的修
正差别小于 1%, 这与王有恒等[10]、柳媛普等[11]的研
究结果一致。
虽然 WPL 修正和 Liu 修正是从不同的角度出发,
但是对潜热和 CO2通量的修正效果几乎相同。因此
在对涡度数据进行分析时, 两种密度修正方法都可
使用。
2.2 不同密度修正方法下能量闭合度的分析
为了解青岛冬小麦 /夏玉米轮作田的能量闭合
情况 , 本文分析了不同情况下农田的能量闭合情
况。按照下垫面情况进行能量闭合度分析, 根据轮
作田的作物生长情况分为: 1)小麦收割后至玉米出
苗前, 下垫面为裸地(裸地Ⅰ); 2)玉米出苗后至收获,
下垫面为玉米; 3)玉米收割后至小麦出苗前, 下垫面
为裸地(裸地Ⅱ); 4)小麦出苗后至收获, 下垫面为小
麦。对于每一种情况, 只针对白天(Rn>0)[23]的情况进
行闭合度分析, 结果见表 1。
表 1 冬小麦/夏玉米轮作田不同下垫面的能量闭合情况
(2013—2014)
Table 1 Energy balance closure of different underlying
surfaces in winter wheat/summer maize rotation field
(20132014)

裸地Ⅰ
Bare soil

夏玉米
Summer
maize
裸地Ⅱ
Bare
soilⅡ
冬小麦
Winter
wheat
修正前 Raw 0.82 0.74 0.79 0.74
WPL修正
WPL correction
0.90 0.77 0.81 0.75
Liu修正
Liu correction
0.82 0.75 0.81 0.75
“Bare soil Ⅰ” is underlying surface after winter wheat harvest and
before summer maize emerging. “Summer maize” is underlying surface
from summer maize emerging to harvest. “Bare soil Ⅱ” is underlying
surface after summer maize harvest and before winter wheat emerging.
“Winter wheat” is underlying surface from winter wheat emerging to
harvest.

从表 1 可以看出: 1)对青岛冬小麦/夏玉米轮作
田的能量闭合度WPL修正前后进行对比, 发现经过
WPL 修正后的能量闭合度较修正前都有所提高, 裸
地时期分别提高 2.53%和 9.76%, 玉米生长季提高
4.05%, 小麦生长季提高幅度较小(1.35%)。而 Liu修
正对能量闭合度的影响较WPL修正小, 裸地Ⅰ没有
变化, 祼地Ⅱ提高了 2.53%, 玉米生长季和小麦生
长季均约提高1.35%。整个玉米季全天的能量闭合
度(WPL修正后)为 0.80, 小麦季为 0.77, 中国通量网
站的平均能量闭合度为 0.73[24], 虽然冬小麦和夏玉
米田的能量闭合度均稍高于平均水平, 前者却小于
刘渡等 [25](1.15)及沈彦俊等 [26](0.90~0.95)的研究结
果, 后者介于刘渡等[25](0.78) 祎和李 君等[27](0.85)的
研究结果之间。2)对于不同下垫面进行分析, 发现能
量闭合度为裸地Ⅰ>裸地Ⅱ>夏玉米>冬小麦。虽然都
为裸地, 能量闭合情况裸地Ⅰ优于裸地Ⅱ原因可能
在于夏玉米收获后至小麦出苗前(裸地Ⅱ), 地面存
留的秸秆比小麦收获后要多, 因此对能量闭合度的
影响大些。裸地能量闭合度高于植物生长季, 其原
因在于植被覆盖期忽略了很多能量项(如冠层热储
存), 导致能量闭合度降低。此外, 不同植被覆盖的
地表反射率不同, 从而影响能量闭合程度。能量闭
合度为夏玉米>冬小麦, 该结果与刘渡等 [28]的研究
结果不同, 可能是气候条件及仪器原因造成的; 但
是与李正泉等[24]的研究结果一致, 冬天的能量闭合
情况低于夏季的能量闭合情况,相关确切的结论 ,
还需要进一步验证。
3 结论
通过对青岛农业大学现代农业科技示范园试验
站冬小麦/夏玉米轮作田潜热和 CO2 通量进行 WPL
修正和 Liu修正对比分析,得出 WPL修正与 Liu 修
正这两种密度可以提高潜热通量, WPL 修正对夏玉
米农田提高 6%, 对冬小麦提高 2%, Liu修正对夏玉
米农田提高仅不足 1%, 冬小麦为 2%, 因此WPL修
正对夏玉米农田潜热的修正幅度略大于 Liu 修正。
WPL 修正和 Liu 修正对于 CO2 通量有降低的效果,
WPL 修正对夏玉米田和冬小麦田降低幅度分别为
3%和 4%; Liu修正对夏玉米田和冬小麦田的降低幅
度分别为 2%和 3%, 不论对于夏玉米还是冬小麦,
两种密度修正前后差距仅约 1%。所以 WPL 修正和
Liu 修正对于潜热通量和 CO2 通量的修正效果差异
不显著。
通过对青岛冬小麦 /夏玉米轮作田能量闭合度
进行分析, 发现 WPL修正和 Liu修正可以提高能量
闭合度, 且对于不同的下垫面有不同的修正效果。
WPL 修正在裸地时期可以提高能量闭合度 2.53%~
9.76%, 玉米和小麦生长季分别提高约 4.05%和
1.35%, 而 Liu修正对能量闭合度的提高裸地时期小
于 3%, 玉米和小麦生长季均提高约 1.35%。 通过对
比发现WPL修正对能量闭合度的影响高于Liu修正,
且下垫面不同时提高幅度不尽相同, 提高最大的为
裸地Ⅰ时期, 小麦生长季提高最少, 仅为 1%。不同
下垫面能量闭合度关系为裸地Ⅰ>裸地Ⅱ>夏玉米>
冬小麦。
参考文献 References
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