FACE对水稻/小麦冠层微气象和能量平衡的影响

论文摘要

本文利用位于中国江苏省江都市小纪镇的中国目前唯一的稻麦轮作农田开放式CO2浓度升高（Free-air CO2Enrichment,简称FACE）的试验平台,于2006年7月18至10月15日（即水稻拔节期至成熟期）和2007年3月19日至5月24日（即小麦拔节期至成熟期）进行水稻/小麦冠层微气候及相关项目的连续观测,并结合能量平衡分析,用以研究中国FACE系统对水稻/小麦冠层小气候各要素的变化特征及能量平衡各分量的变化特征的影响,并通过对作物冠层蒸散进行的模拟分析,揭示FACE对两种作物水分利用率影响的生态机理。从而为研究大气CO2浓度升高对水稻/小麦生长发育、合理灌溉及水稻/小麦种植制度全球分布的影响提供生态理论依据。研究结果表明:（1）FACE处理使得水稻和小麦的叶片气孔导度减小。在观测期间内,水稻冠层的倒一、倒二、倒三叶的气孔导度比对照平均分别减少了25%,24%,18%,均达极显著水平（p<0.01）。小麦在观测期间内,FACE叶片气孔导度低于对照叶片气孔导度,且这种减小的现象随着生育期的推进、叶片的逐渐衰老而逐渐不明显。在观测期间内,冠层的倒一、倒二、倒三叶FACE的气孔导度比对照平均分别减少了28%,32%和26%,均达极显著水平（p<0.01）。（2）FACE处理使水稻/小麦叶片气孔导度降低,从而削弱了植株的蒸腾降温作用,导致白天冠层温度升高。观测期间内,FACE系统中白天水稻冠层温度均高于对照,平均高0.45℃,两者之差日最大值在0.4～1.9℃之间,日最大值随太阳辐射强度增强而增加,生育期对两者差值也有影响,开花期是FACE对水稻冠层温度影响最大的时期,即FACE与对照冠层温度差值最大值出现在水稻生长旺盛的开花期。白天小麦冠层温度FACE均高于对照,平均高达0.77℃,冠层白天的平均温度FACE与对照的差值最大可高达1.58℃。（3）FACE条件下水稻/小麦冠层温度升高使冠层空气温度也升高。白天水稻冠层空气温度FACE均高于对照,这种差异随太阳辐射增强而增大,且冠层中部大于冠层顶部;抽穗期至蜡熟期,冠层中部和顶部白天空气平均温度FACE比对照分别高0.45℃和0.29℃。白天水稻冠层空气湿度FACE均低于对照。观测期间内白天小麦冠层内部空气温度之差最大值在0.12～0.98℃之间,冠层顶部最大值在0.03～0.7℃之间。白天小麦冠层空气湿度FACE均低于对照,冠层中部的空气湿度之差日最低值在-0.3%～-7%之间,出现在午后14:00左右。（4）FACE对水稻冠层净辐射的影响不大,比对照平均增大约1.3%,但未达显著水平。在开花期之前,FACE使得小麦冠层上方净辐射平均增加约0.9%,开花期后,FACE使得小麦冠层上方净辐射平均减小约2.5%。（5）用能量平衡余项法计算显热和潜热的分析结果表明,在观测期间内,白天水稻冠层显热通量FACE均高于对照,FACE与对照显热差值日最大值变化在13～63 W m-2之间;白天水稻冠层潜热通量FACE均低于对照,FACE与对照潜热差值日最大值变化在-12～-66W m-2之间,随太阳辐射的增加而增大;在观测期间内,白天小麦冠层显热通量FACE均高于对照,两者差值日最大值变化在12～78 W m-2之间;白天小麦冠层总潜热通量FACE均低于对照,两者差值日最大值变化在-12～-63W m-2之间,随太阳辐射的增加而增大。（6）能量平衡的变化是微气象变化的根本,通过小气候的观测反推出的能量平衡的结果正确与否,可以通过气孔导度来验证。利用P-M方程反演出的冠层群体气孔导度与实测的气孔导度相关关系较好,小麦R2为:对照0.91,FACE 0.89（在0.01水平下极显著）,RMSE分别为:对照0.59cm/s,FACE 0.57cm/s;水稻R2为:对照0.84,FACE 0.73（在0.01水平下极显著）,RMSE分别为:对照1.07cm/s ,FACE 1.10cm/s,从而证明能量平衡的计算结果及微气候观测数据基本正确。（7）逐步回归分析表明,光合有效辐射和饱和水气压差是对叶片气孔导度产生最主要影响的环境因子。构建了适于FACE条件下水稻和小麦的气孔导度对环境因子的响应模型。将气孔导度模型与P-M方程相结合模拟出两种作物的日蒸散量。模拟值与试验期间用lycimeter实测的水稻的日累积蒸散量进行比较,表明本方法可以较好地模拟FACE和对照条件下水稻的蒸散量,日蒸散模拟结果与1:1直线之间相关性较好,FACE: R2=0.88,RMSE=0.29mm;对照: R2=0.90,RMSE=0.39mm。（8）观测期间内,模拟计算结果表明CO2浓度升高使得水稻的水分消耗减小约10mm,小麦的水分消耗减小约26mm,结合生物量的增加,FACE条件下水稻水分利用率增加约12%,小麦水分利用率增加约19%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究概况和进展
• 2浓度升高对作物影响的研究方法的发展'>1.2.1 大气 CO₂浓度升高对作物影响的研究方法的发展
• 2浓度增高的响应'>1.2.2 作物对大气中 CO₂浓度增高的响应
• 1.2.3 农田蒸散的计算方法及其在FACE 试验中的应用
• 1.3 本文研究的主要内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 拟解决的关键问题
• 1.3.4 研究方法
• 2 材料与方法
• 2.1 试区概况
• 2.2 观测项目与仪器安装
• 2.3 数据分析
• 3 FACE 对水稻/小麦冠层小气侯的影响
• 3.1 FACE 对水稻冠层小气侯的影响
• 3.1.1 FACE 对水稻冠层温度的影响
• 3.1.2 FACE 对水稻冠层空气温度和湿度的影响
• 3.1.3 FACE 对水稻冠层气孔导度的影响
• 3.1.4 FACE 对水稻冠层上方净辐射和反射辐射的影响
• 3.2 FACE 对小麦冠层小气侯的影响
• 3.2.1 FACE 对小麦冠层温度的影响
• 3.2.2 FACE 对小麦冠层空气温度和湿度的影响
• 3.2.3 FACE 对小麦冠层气孔导度的影响
• 3.2.4 FACE 对小麦冠层上方净辐射和反射辐射的影响
• 4 FACE 对水稻/小麦冠层能量平衡的影响
• 4.1 冠层能量平衡的计算方法
• 4.2 FACE 对水稻冠层能量平衡的影响
• 4.2.1 FACE 对水稻冠层显热通量日变化的影响
• 4.2.2 FACE 对水稻冠层潜热通量日变化的影响
• 4.3 FACE 对小麦冠层能量平衡的影响
• 4.3.1 FACE 对小麦冠层显热通量日变化的影响
• 4.3.2 FACE 对小麦冠层潜热通量日变化的影响
• 4.4 能量平衡的验证
• 5 蒸散的模拟
• 5.1 气孔导度对环境因子的响应模拟
• 5.2 蒸散的模拟结果
• 5.3 水分利用率
• 6 结论
• 6.1 微气象
• 6.2 能量平衡
• 6.3 能量平衡的模拟
• 6.4 水分利用率
• 7 讨论
• 7.1 本文特色
• 7.2 不足和有待解决的问题
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文