蒸发比法能量强制闭合及其对稻田蒸散量估算精度的影响

分类：论文范文 发表时间：2021-11-17 11:43

　　摘要：为探求节水灌溉稻田蒸发比（潜热通量与有效能量的比值，EF）变化特征及能量平衡闭合情况对稻田蒸散量测算的影响，该研究采用涡度相关系统，监测了2014－2016年节水灌溉稻田湍流通量过程，分析了稻田蒸发比的不同时间尺度的变化特征，对比了能量强制闭合前后湍流通量的比例与过程变化。结果表明，节水灌溉稻田EF与旱作物不同，小时尺度EF先减小后增加，在10:00－12:00时段的数值最为稳定。水稻全生育期EF均在0.7～1.0之间变化，均值约0.93，潜热蒸散是稻田主要的能量消耗项。能量强制闭合修正后湍流通量明显增加，日峰值差异最大，昼夜交替时，稻田能量平衡处于过闭合状态；能量强制闭合后不同时间尺度上的蒸散量都明显增加，能量强制闭合是涡度相关法准确计算蒸散量的前提。研究结果可为稻田蒸散量准确测算与蒸散模型扩展研究提供重要的数据支撑与方法。

　　关键词：蒸散；灌溉；稻田；节水；能量平衡闭合；蒸发比；潜热通量

　　0引言

　　水稻作为耗水量最大的粮食作物，在的种植面积居世界第二（约3000万hm2），产量占世界首位，其中长江中下游地区又是水稻的主产区，节水灌溉制度的应用与普及对保障粮食和水资源安全十分关键。节水灌溉是提高水稻用水效率，落实“节水优先”治水理念的重要途径，但它也改变了土壤水热状况及作物生长环境，进而影响了稻田耗水量和“土壤-冠层-大气”间的水热转换，以及近地面湍流通量过程[1]。

　　1材料与方法

　　1.1试验区概况

　　试验于2014－2016年在河海大学水文水资源与水利工程科学重点实验室昆山试验研究基地开展。试验区地处太湖流域（31°15′15″N，120°57′43″E），属亚热带南部季风气候。年降水量1097.1mm，年蒸发量（E601型蒸发器测量水面蒸发）1365.9mm，总日照时数2085.9h，年平均气温15.5℃，平均气压101.63kPa，平均无霜期234d。2014—2016年水稻生育期（6月下旬—11月上旬）平均气温24.5℃，平均相对湿度80.1%。试区常年盛行东南风，多年来均实施稻麦轮作，6—11月观测场所监测下垫面为控制灌溉稻田，下垫面均一、平坦。试验区土壤为潴育型黄泥土，耕层土壤质地为重壤土，土壤容重1.3g/cm3，根层土壤饱和含水率（θs）平均为50.2%，田间持水量（θf）为39.2%，凋萎系数（θw）17.9%（含水率指标均为体积含水率）。3a试验种植水稻品种保持一致，均为南粳46。

　　1.2试验设计与布置

　　试验区长×宽约为200m×200m，2014－2016年，观测场所监测稻田均采用控制灌溉模式，秧苗本田移栽后，田面保留浅薄水层返青，返青期以后的各生育阶段灌水后田面均不建立水层，以根层土壤含水率占饱和含水率60%～80%为灌水下限水分控制指标（不同阶段不同），确定灌水时间和灌水定额。若遇暴雨导致小区蓄水过多时（田面水层超过5cm），打开小区地表排水口及时排水，同时记录排水前后小区田面水层，计算排水量。各生育期具体控制指标见表1。稻田施肥以及病虫害防治均按照当地农民习惯。稻季所监测下垫面全为控制灌溉稻田。

　　2结果与分析

　　2.1节水灌溉稻田蒸发比变化特征

　　图2为2014－2016年稻田EF在水稻全生育期07:00－16:00间9个时段的平均日变化过程。从图2可知，水稻全生育期平均蒸发比EF在3a稻季的变化趋势相似，总体上呈先减小后增加，但均值较高。因为该试验区所处亚热带季风气候，空气湿度大，且下垫面为节水灌溉稻田，土壤含水率相对旱作物高，无论在一天中什么时段，潜热蒸散都是能量的主要消耗，因此，计算的EF均较高。此外，EF在10:00—12:00时段的变幅最为平缓，数值也较稳定，因为中午时段太阳辐射大，空气湿度相对较小，因此相应的EF较其他时刻小。

　　2.2强制闭合后湍流通量的变化特征

　　节水灌溉稻田2014－2016年能量强制闭合前后的潜热和感热通量数据的OLS回归关系（LE与LE*，Hs与Hs*）如表3所示。2014－2016年LE和LE*各回归系数相似，均在1.4左右，R2和IOA指标表明修正前后相关性和一致性均较好，但修正后潜热通量平均增加了32.1%。2014—2016年Hs和Hs*各回归系数也相似，回归斜率分别为1.21、1.16和1.13，R2和IOA接近于1，R2均高达为0.97，RMSE较小，分别为6.02、4.53和4.64W/m2。能量强制闭合修正后感热通量也有所增加，平均增加了19.8%，2014年增加较大，修正前后感热通量的相关性和一致性均高于潜热通量。

　　3讨论

　　3.1能量平衡不闭合与强制闭合

　　近50a来，国际上关于不同生态系统能量平衡闭合问题开展了大量的试验研究，并得到一个普遍的关于能量不平衡的结论：不同条件下能量平衡不闭合率达10%～30%[25,39]。目前关于能量不平衡的解释有很多[40]：1）测量仪器本身系统误差及安装问题等引起的偏差；2）各能量项测量源区贡献大小不同及确定实际源区面积产生的误差；3）部分能量汇在观测中被忽略造成的能量损失；4）采样平均时长对能量闭合的影响；5）高频或低频部分对湍流通量贡献的丢失；6）摩擦风速对湍流通量测定的影响以及摩擦风速阈值确定对计算夜间湍流的误差等。研究表明，土壤-作物-大气之间的能量储存未充分计入[20]以及Rn通量向LE、Hs和G转换过程中存在时间滞后性[39]，是能量不闭合重要的且能够修正的原因。但是能量存储项和能量各分量相位的修正，对能量平衡闭合率的提高作用是有限的，修正后仍然存在一定程度的能量不闭合，这说明还存在其他一些导致能量不闭合的原因。Ding等[41]研究也发现，在南方香蕉园考虑了能量存储项后，还存在20%无法修正的能量亏缺。由此可见，因为仪器的系统误差等原因，无论测量仪器精度再高，也无论将观测数据做怎样的修正，地表能量都不可能完全闭合。辐射传感器在20a前就被认为相当精确[42]，考虑了土壤热储存后的土壤地表热通量计算也较为准确[20]，其他热储存约占稻田下垫面能量交换的2%，小于测定主要成分时的实际误差[43]。大量国外研究还对比了其他观测结果，都表明在考虑了能量各存储项后，湍流通量的低估是造成能量不闭合的最主要原因[9-10,12]。

　　本文采用较为简单的蒸发比强制闭合法对节水灌溉稻田白天的湍流通量数据进行修正。但夜间，一方面稻田蒸散量小且趋近0，按蒸发比分配能量将没有实际意义；另一方面，夜间能量平衡受平流损失和摩擦风速等的影响较大，湍流通量的随机相对误差因通量绝对值很小而被无限放大[15]，从而使蒸发比强制闭合法不再适用于夜间湍流通量的修正。因此，对于夜间的湍流数据，本文用过滤插值法[28]进行修正，即根据摩擦风速和饱和水汽压亏缺对湍流数据进行剔除插补。本研究用上述方法将能量平衡强制闭合后，潜热和感热通量均有明显增加，占Rn的比例分别为89.5%和5.4%，潜热较强制闭合前所占比例明显增加。且强制闭合前能量不平衡程度越大，LE*和Hs*较LE和Hs增加的幅度越大。

　　为了进一步说明能量强制闭合对涡度相关系统测算蒸散量的影响，本研究还将能量闭合前后涡度测量值（ETEC和ETEC*）与蒸渗仪测量值（ETCML）进行了对比。基于2014－2016年小时数据，分别建立ETCML与ETEC和ETEC*之间的进行线性回归（图7），研究发现能量平衡闭合前ETEC平均为ETCML的0.626倍。能量强制闭合后，ETEC*虽仍小于ETCML，但较能量闭合前明显增加，且与ETCML相关性更好。2014－2016年ETEC*分别约为ETCML的0.894、0.897和0.892，R2分别为0.855、0.869和0.866，RMSE分别为0.090、0.095和0.098mm/h，IOA分别为0.960、0.964和0.961。3a回归方程的各参数均较为接近，说明测量的数据具有较高的可靠性。ETCML与ETEC*的差异，主要源于蒸散量的空间尺度差异。蒸散量的时空尺度差异及其影响因素分析，也是目前研究的热点问题。由此可知，能量强制闭合虽然使涡度所测蒸散量明显增加，但增加后代表不同空间尺度蒸散量的相关性和一致性更好，能量平衡的强制闭合为进一步准确模拟估算稻田蒸散量奠定了基础。

　　3.2蒸发比在蒸散研究中的重要意义

　　实践中，任何提高农业用水管理效率和研究水热传输的基础数据都应基于日ET的可靠估计[44]。这些数据通常用于预测日ET、灌溉调度、水资源规划、水分调节，是一般水文和土壤水分模型的重要组成部分。在研究区域尺度的水热问题时，遥感观测不需要繁重的工作量或昂贵的投资，且能够处理地表特征的空间变异性，是利用区域尺度能量平衡分量推导瞬时ET数据的理想方法。也就是说，需要将遥感数据从瞬时观测值外推日ET，这是解决遥感仅提供瞬时ET估计值问题的有效途径，而且这种上升关系如果能通过局部（原位）观测的研究来证明，那研究结果可显著提高遥感方法在区域或全球范围内估算每日ET的便利性和准确性[45]。蒸发比法、作物系数法、冠层阻力法、Katerji-Perrier法、平流干燥度法和正弦函数法，都是可以通过瞬时ET值估算日尺度ET的常用方法[45-47]。

　　4结论

　　本试验研究了节水灌溉稻田蒸发比变化特征，以及能量强制闭合对湍流通量与稻田蒸散量的影响，得到以下结论：

　　1）蒸发比反映了下垫面的能量分配特征，节水灌溉稻田蒸发比（EvaporativeFraction，EF）特征与旱作物不同。小时尺度EF呈先减小后增加，均值较高，在10:00－12:00时段的数值最为稳定，EF日内变化的研究，是遥感瞬时蒸散量时间尺度提升的关键。水稻全生育期EF均在0.7～1.0之间变化，抽穗开花或乳熟期EF达到最大或为1，生育末期，EF迅速下降至0.8以下；2014－2016年，EF均值约0.93，说明潜热占湍流通量的极大部分，潜热蒸散是节水灌溉稻田绝对主要的能量消耗项。

　　2）蒸发比能量强制闭合修正后湍流通量明显增加，2014－2016年潜热和感热通量平均增加了32.1%和19.8%；修正后潜热通量变化幅度明显增加，日峰值差异最大，昼夜交替时，修正后潜热通量明显低于修正前，说明修正前该时段能量平衡处于过闭合状态；修正后感热通量变化幅度也有所增加，但增量小于潜热通量；无论在小时尺度还是日尺度，能量强制闭合后计算的蒸散量明显增加，2014－2016年蒸散量日均值约为3.85mm/d，是能量强制闭合前蒸散量的1.31倍。能量强制闭合是准确估算节水灌溉稻田蒸散量以及蒸散模型研究的重要保障。

　　[参考文献]

　　[1]CastellviF,Martínez-CobA,Pérez-CovetaO.Estimatingsensibleandlatentheatfluxesoverriceusingsurfacerenewal[J].Agricultural&ForestMeteorology,2006,139:164-169.

　　[2]MauderM,OncleySP,VogtR,etal.TheenergybalanceexperimentEBEX-2000.PartII:Intercomparisonofeddy-covariancesensorsandpost-fielddataprocessingmethods[J].Boundary-LayerMeteorology,2007,123(1):29-54.

　　[3]VermaSB,BaldocchiDD,AndersonDE,etal.EddyfluxesofCO2,watervapor,andsensibleheatoveradeciduousforest[J].Boundary-LayerMeteorol,1986,36(1):71-91.

　　刘笑吟1,2，高明逸1，周心怡1，徐俊增1,2※

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