喬 英，張百和，邱 凱，王騰飛

（新疆理工學院，新疆 阿克蘇 843100）

0 引 言

【研究意義】生態(tài)系統(tǒng)中地表能量是陸-氣之間能量和物質(zhì)傳輸、轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)，也是生態(tài)系統(tǒng)中一切過程和功能的動力，而地表能量研究的核心問題是以太陽能輸入為驅(qū)動的有機化學能循環(huán)及能量交換規(guī)律[1]。所以，深入探究生態(tài)系統(tǒng)的能量循環(huán)規(guī)律，不僅有助于了解區(qū)域氣候系統(tǒng)的能量和物質(zhì)循環(huán)以及氣候變化過程[2]，而且還為維持生態(tài)系統(tǒng)的能量和水碳循環(huán)提供重要的科學依據(jù)[3]?！狙芯窟M展】能量平衡閉合率（Energy balance ratio，EBR），表示為生態(tài)系統(tǒng)的地表有效能量（潛熱通量LE+顯熱通量H）與可利用能量（凈輻射Rn+土壤熱通量G）的比值[4]，國內(nèi)外學者們深入分析了多種生態(tài)系統(tǒng)的能量平衡，Wilson 等[4]對FLUXNET 的22 個通量站的50 個站點年進行能量平衡分析，結(jié)果顯示EBR在53%～99%之間，平均值為79%；李正泉等[5]對ChinaFLUX 的8個通量站進行能量平衡分析，結(jié)果顯示EBR平均約為73%。國內(nèi)外學者們的研究結(jié)果均顯示地表的能量均無法閉合，能量平衡閉合率均在52%～99%之間[4-8]，生態(tài)系統(tǒng)種類包括落葉闊葉林[9]、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)（稻麥輪作）[10]、干旱區(qū)人工檸條林[11]、熱帶季雨林[12]等。

目前，渦度協(xié)方差技術(shù)（Eddy covariance technique，EC）作為監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)能量交換過程的最有效、最準確的方法，已經(jīng)得到了微氣象學家和生態(tài)學家們的認可，成為檢驗其他測定方法、評價各類模型模擬精度的標準方法[13]。棗樹因耐旱、喜光照、結(jié)果早，兼顧經(jīng)濟和生態(tài)效益[14]被成功引進新疆，目前種植面積已達50 萬hm2，成為新疆特色經(jīng)濟林果業(yè)的支柱[15]。阿克蘇地區(qū)棗樹的種植面積（占全疆34.34%）和產(chǎn)量（占全疆54.70%）均為新疆首位[15]?！厩腥朦c】當前國內(nèi)外學者對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究多為一年生作物，對于人工經(jīng)濟林的研究相對較少，干旱區(qū)棗林生態(tài)系統(tǒng)的能量平衡分析及各能量分項的變化規(guī)律還需進一步探索。

【擬解決的關(guān)鍵問題】綜上，本文以干旱區(qū)人工棗林生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，利用渦度相關(guān)系統(tǒng)在田間開展2 a 的觀測試驗，采用REddyProc 包[16]插補通量缺失數(shù)據(jù)，計算干旱區(qū)人工棗林的熱儲存項，評價棗林能量平衡閉合率，并量化和分析棗林生態(tài)系統(tǒng)的能量變化規(guī)律和能量分配規(guī)律，為干旱區(qū)棗林的水碳循環(huán)研究和優(yōu)化水碳管理模式提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆阿克蘇市農(nóng)業(yè)示范園（80°18'—80°22'E，41°05'—41°07'N，海拔1 198 m），面積約170 hm2。研究區(qū)氣候干旱少雨屬溫帶沙漠氣候，年均太陽總輻射量5 671.36 MJ/m2，年均日照時間2 911 h，年均降水量68.40 mm，年均氣溫11.20 ℃，年均蒸發(fā)量1 993 mm[17]。研究區(qū)土壤質(zhì)地為砂土，砂粒量87.27%，土壤密度為1.63 g/cm3，田間持水率為8.93%，地下水埋深大于10 m。試驗作物為棗樹，品種為灰棗，株行距2 m×4 m，冠層高度為（4±0.2）m[18]。棗樹每年4 月10 日—10 月20 日為生育期，10 月21日—次年4 月9 日為休眠期。

1.2 試驗方法

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

實驗儀器有渦度相關(guān)系統(tǒng)（IRGASON 型一體機）、四分量輻射計（CNR4 型）、土壤溫度計（TCAV 型）、土壤熱通量板（HFP01 型）、土壤水分探頭（Hydra ProbeⅡ型）、數(shù)據(jù)采集器（CR3000 型）[14]，詳見表1。

表1 阿克蘇站點實驗儀器匯總Table 1 Summary of experimental instruments at the Aksu site

1.2.2 通量數(shù)據(jù)計算及數(shù)據(jù)插補質(zhì)量控制

使用軟件LoggerNet 4.5（Campbell Science Inc，USA）按照標準數(shù)據(jù)質(zhì)量控制程序在線計算[19]，并根據(jù)穩(wěn)態(tài)測試、完整湍流特征、超聲風速儀的水平定位等，按照微氣象學經(jīng)驗將數(shù)據(jù)質(zhì)量劃分為0～9 級[14]。根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量分級，將質(zhì)量差的數(shù)據(jù)刪除并使用R 語言的REddyPrco 包[16]進行數(shù)據(jù)插補，并采用交叉驗證法來評價插補數(shù)據(jù)的質(zhì)量[14]；同時，使用能量閉合率來檢驗插補數(shù)據(jù)質(zhì)量。

選擇2018 年和2019 年的30 min 尺度數(shù)據(jù)，采用Kljun 等[20]和Kormann 等[21]的源區(qū)模型計算阿克蘇站點的通量貢獻區(qū)，90%的貢獻區(qū)（通量源區(qū)）的圓形半徑分別為356.50、350.00 m。

1.2.3 能量平衡計算

根據(jù)能量守恒定律，生態(tài)系統(tǒng)能量平衡可用式（1）表示[22]，其中的熱儲存項S可用式（2）表示[23]，熱儲存項的計算方法參見Dou 等[24]文獻計算。能量平衡閉合率（Energy balance ratio，EBR）是指地表有效能量（潛熱通量LE+顯熱通量H）與可利用能量（凈輻射Rn-土壤熱通量G）之比[25]，EBR可用式（3）計算[26]。為了提高能量平衡閉合率，很多研究也將熱儲存項S記入可利用能量中，EBR可用式（4）計算[26]。

式中：Rn為太陽凈輻射（W/m2）；G為土壤熱通量（W/m2）；H為顯熱通量（W/m2）；LE為潛熱通量（W/m2）；S為熱儲存項（W/m2）；Q為其他來源的能量（忽略不計，W/m2）；Ss為一定深度范圍內(nèi)的土壤熱儲存項（W/m2）；Sa為大氣顯熱儲存項（W/m2）；Se為大氣潛熱儲存項（W/m2）；Sc為冠層熱儲存項（W/m2）；Sp為植物光合儲存項（W/m2）；St為樹木枝干熱儲存項（W/m2）[23]。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫、降水量和灌溉量的變化情況

觀測期（2018、2019 年）日平均氣溫、降水量、灌溉量如圖1 所示。觀測期間，日平均氣溫在-12.72～29.16 ℃之間變化，年平均氣溫為10.99 ℃，其中月平均氣溫最低出現(xiàn)在2018 年12 月（-8.36 ℃）和2019 年1 月（-8.45 ℃），月平均氣溫最高出現(xiàn)在2018 年7 月（24.07 ℃）和2019 年7 月（24.74 ℃），6—8 月的月平均氣溫在20 ℃以上。降水集中在4—10 月（生育期）內(nèi)，2018、2019 年年降水量分別為81.50、57.40 mm，單日最大降水量為13.20 mm。灌溉集中在4—10 月，2018、2019 年灌溉量分別為847.15 mm（灌溉31 次）、848.25 mm（灌溉30 次）。

圖1 研究區(qū)2018年和2019年氣溫、降水量及灌溉量Fig.1 Distribution of temperature, precipitation and irrigation of the study area in 2018 and 2019

2.2 能量通量值

使用REddyPrco 包插補后的通量數(shù)據(jù)及式（2）計算了干旱區(qū)棗林的能量分項，詳見表2。由表2 可知，2018、2019年凈輻射Rn年度合計為1 475 227.47、1 481 026.93 W/m2，在生育期明顯大于休眠期；2018、2019 年潛熱通量LE年度合計為898 349.68、922 381.08 W/m2，潛熱通量主要集中在棗樹生育期，在休眠期較?。?018、2019年顯熱通量H年度合計為205 778.37、183 786.36 W/m2，主要集中在休眠期，在生育期較??；2018、2019 年土壤熱通量G年度合計為-15 839.17、-13 877.22 W/m2，在生育期為正，休眠期為負；且Rn、LE、H、G在2018 年和2019 年情況相似。由表2 可知，顯熱熱儲存項Sa為S中的最大項，2018、2019年Sa年度合計分別為22 053.05、17 847.04 W/m2，占凈輻射Rn的1.49%、1.21%；其次是植物光合熱儲能Sp，2018、2019 年Sp年度合計分別為13 153.85、11 345.06 W/m2，占凈輻射Rn的0.89%、0.77%；土壤熱儲存項Ss、冠層熱儲存項Sc、潛熱熱儲存項Se在2018 年和2019 年的年度合計均較小。

表2 干旱區(qū)棗林的能量分項Table 2 Energy subdivision of date jujube forests in arid areas W/m2

2.3 能量通量的月平均日變化特征

2018、2019 年REddyProc 插補后的能量通量（凈輻射Rn、潛熱通量LE、顯熱通量H、土壤熱通量G）的月平均日變化規(guī)律見圖2。由圖2 可知，Rn、LE、H、G的月平均日變化均呈單峰變化趨勢，2018 年和2019 年各月的能量變化趨勢相似。Rn、LE、H、G在白天為正，夜間為負，正負轉(zhuǎn)換的交點與白晝變化的時間一致。各月Rn的最小值均為負，在-74.16～-47.51 W/m2之間波動；Rn在夜間為負值，在白天為正值，說明在夜間地表損失熱量，而在白天吸收熱量。2018年Rn的最大值為653.05 W/m2，出現(xiàn)在7 月；2019年Rn的最大值為638.98 W/m2，出現(xiàn)在6 月；2 a 最大值均出現(xiàn)在15:30。2018 年和2019 年LE的最大值均出現(xiàn)在8 月，最大值分別為331.85、290.20 W/m2，且最大值出現(xiàn)時間和Rn一致，均在15:30。LE在生育期明顯大于休眠期，在5—9 月，LE為Rn的主要分配項。H在2018 年和2019 年的變化幅度相似，在-80.51～180.45 W/m2之間波動，2018 年H的最大值為180.45 W/m2，出現(xiàn)在4 月；2019 年H的最大值為165.06 W/m2，出現(xiàn)在5 月。H在1—4 月和10—12月為Rn的主要分配項。G在2018 年和2019 年的變化幅度相似，在-24.09～71.16 W/m2之間波動，2018年G的最大值為34.52 W/m2，出現(xiàn)在4 月；2019 年G的最大值為71.16 W/m2，出現(xiàn)在3 月；G占Rn的比值較小。

圖2 2018、2019年干旱區(qū)棗林1—12月能量的月平均日變化規(guī)律Fig.2 Monthly average daily variation of energy in jujube forests in arid areas from January to December 2018 and 2019

2.4 干旱區(qū)棗林生態(tài)系統(tǒng)的能量平衡分析

2018、2019 年干旱區(qū)棗林生態(tài)系統(tǒng)各月能量平衡閉合線性回歸參數(shù)和能量平衡閉合率情況見表3。表3 顯示，未計入熱儲存項時，各月的有效能量和可利用能量之間的統(tǒng)計回歸斜率k為0.32～0.69，2018年k值最低為0.37，出現(xiàn)在1 月，2019 年k值最低為0.32，出現(xiàn)在12 月；各月能量平衡閉合線性回歸參數(shù)決定系數(shù)R2為0.60～0.92；斜率k和R2在3—10 月之間變化較平緩，極小值出現(xiàn)在11—12 月、1—2 月。各月的能量平衡閉合率在34.05%～80.78%之間，閉合率最高為80.78%（2019 年9 月）；閉合率最低為34.05%（2018 年12 月）；未計入熱儲存項時，表明各月的能量平衡閉合程度較好。由于受太陽高度、棗林生育期中地表覆蓋度和葉面積指數(shù)、灌溉、氣象等因素變化的影響，各月的線性回歸斜率和能量平衡閉合比率存在一定的波動。計入熱儲存項后，各月的回歸斜率k、R2、能量平衡閉合率均有所提高，但增加幅度較小。表3 顯示，棗樹生育期的能量平衡閉合率明顯高于休眠期，同時線性回歸斜率和R2也是生育期明顯大于休眠期；計入熱存儲項后，k、R2、EBR也均有提高。

表3 2018、2019年干旱區(qū)棗林各月能量平衡閉合線性回歸參數(shù)和能量平衡閉合率Table 3 Energy balance closure linear regression parameters and energy balance closure rates in arid region of jujube forests by month, 2018 and 2019

干旱區(qū)棗林生態(tài)系統(tǒng)30 min 尺度的能量平衡如圖3 所示。由圖3 和表3 可知，未計入熱儲存項的干旱區(qū)棗林生態(tài)系統(tǒng)2018、2019 年30 min 尺度上的有效能量（H+LE）與可利用能量（Rn-G）的直線擬合斜率為0.60（R2=0.91）和0.61（R2=0.91），能量平衡閉合率分別為73.45%、73.11%。將熱儲存項計入可利用能量，2018 年和2019 年（H+LE）與（Rn-G-S）的直線擬合斜率為0.70（R2=0.95）和0.70（R2=0.92），記入熱儲存項后能量平衡閉合率有所提高，干旱區(qū)棗林2018 年和2019 年的能量平衡閉合率分別為77.17%、75.86%，且2 a 的閉合率相似。學者們[5-10]認為生態(tài)系統(tǒng)能量平衡不閉合程度在10%～30%之間，本文研究結(jié)果在此范圍內(nèi)，說明渦度相關(guān)法在干旱區(qū)棗林生態(tài)系統(tǒng)通量觀測中可靠性較高，下墊面符合觀測范圍；同時，也證明REddyPrco 包插補的通量數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

圖3 干旱區(qū)棗林生態(tài)系統(tǒng)30 min尺度的能量平衡Fig.3 Energy balance of date Jujube forests ecosystems in arid areas at the half-hourly scale

2.5 生育期和休眠期的熱儲存項分項分析

土壤熱儲存項Ss、顯熱熱儲存項Sa、潛熱熱儲存項Se、冠層熱儲存項Sc和光合熱儲存項Sp在棗樹生育期和休眠期的日平均變化見圖4。

圖4 棗林的能量分項在生育期和休眠期的日平均變化Fig.4 Average daily changes in the energy subdivision of date Jujube forests during the reproductive and dormant periods

圖4（a）顯示，2018 年和2019 年土壤熱儲存項Ss日平均變化在生育期和休眠期規(guī)律相似，差異不大，均在-51.17～69.15 W/m2之間呈單峰變化，與土壤熱通量變化規(guī)律相似。Ss在白天為正值，表示為吸收熱量；而在夜間為負值，表示為釋放熱量。圖4（b）顯示，2018 年和2019 年潛熱熱儲存項Se日平均變化規(guī)律在生育期和休眠期不同：在休眠期潛熱熱儲存項的變化范圍在0 附近，變化幅度較小，為±0.05 W/m2，呈單峰變化；在生育期潛熱熱儲存項在-0.23～0.58 W/m2之間呈雙峰變化規(guī)律，在09:00 和20:00 均有峰值，說明在晝夜交替的時候潛熱熱儲存項變化較大。光合熱儲存項Sp和冠層熱儲存項Sc在休眠期均為0，所以圖4（c）只繪制了生育期的光合熱儲存項和冠層熱儲存項的平均日變化。圖4（c）顯示，光合熱儲存項Sp呈單峰變化規(guī)律，在夜間為0，處于0～2.95 W/m2之間，Sp隨著凈輻射的變化而變化，當凈輻射在15:00達到峰值時，Sp繼續(xù)升高在18:00 左右達到峰值，并隨著凈輻射的減小而迅速降低。2 a 的冠層熱存儲項Sc均較小，在-0.39～1.55 W/m2之間呈單峰型變化。Sc在夜間變化平緩，變化幅度?。话滋祀S著凈輻射的增大而增大，到達峰值時間與凈輻射一致。圖4（d）顯示，2018 年和2019 年顯熱熱儲存項Sa在生育期和休眠期變化規(guī)律不同。生育期的顯熱熱儲存項在-0.80～6.50 W/m2之間呈單峰變化；Sa在夜間變化平緩幅度小，白天隨著凈輻射的增大而迅速變大，在12:00左右達到峰值，峰值持續(xù)6 h 左右，在18:00 之后緩慢降低。休眠期的顯熱熱儲存項在-2.74～3.35 W/m2之間變化，其變化幅度比生育期小，在夜間為負，白天為正；日出后，隨著凈輻射迅速升高，Sa也迅速增大，在12:00 左右達到峰值，然后逐漸減小。

3 討 論

3.1 棗林生態(tài)系統(tǒng)的能量分配特征

在太陽輻射能量的驅(qū)動下，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)進行能量流動、物質(zhì)合成轉(zhuǎn)移和水碳循環(huán)等運動過程。因下墊面的作物類型、種植密度、生育期、季節(jié)、晝夜、氣象、人為干擾等差異，會導致凈輻射進入生態(tài)系統(tǒng)后，各個能量分項等在系統(tǒng)內(nèi)的分配變化存在差異[27]。同時，生態(tài)系統(tǒng)的能量分配變化規(guī)律也可以反映下墊面的干濕狀況[28]。

5—10 月，干旱區(qū)棗林生態(tài)系統(tǒng)的LE/Rn的比值大于50%，LE/Rn的比值最大出現(xiàn)在2018 年8 月（92.10%）和2019 年9 月（96.43%）。在4 月和11月，LE/Rn比值在17.33%～35.18%之間，在1—3 月和12 月，LE/Rn的占比均較小，在3.35%～12.25%之間。分析其原因，本文研究區(qū)是干旱區(qū)，年降水量較小，作物生長依賴于灌溉，棗林只在生育期進行灌溉，時間為每年的4—10 月，灌溉后，土壤濕潤，土壤蒸發(fā)較大，所以5—10 月干旱區(qū)棗林LE/Rn的占比大于50%，說明凈輻射主要用于下墊面的LE，即蒸散（包括植株蒸騰和土壤蒸發(fā)）。而4 月的LE/Rn為27.23%和33.41%，是因為4 月棗林雖然進行了灌溉，土壤濕潤導致土壤蒸發(fā)較大，但是棗樹處于萌芽期，葉面積指數(shù)較小導致植株蒸騰較小，綜合起來表現(xiàn)為LE/Rn比3 月有明顯增加（增幅為21.57%和21.16%）。LE/Rn在8—9月最大，處于86.47%～96.43%之間，此時也是棗林灌溉量最大、葉面積指數(shù)最大的時期。這表明在棗林的生育期（5—10 月）能量分配由LE占據(jù)主導。

在1—4 月和11—12 月，棗林生態(tài)系統(tǒng)中的H為Rn的最大支出項；在1—3 月和11、12 月，H/Rn占比均大于50%，在4 月H/Rn占比接近50%（2018 年為47.59%，2019 年為45.19%），這表明，在棗樹休眠期，能量分配由H占據(jù)主導。Trenberth 等[29]分析了全球能量收支，認為地表吸收的能量有近1/2 消耗在潛熱，同時，能量分配方式與生態(tài)系統(tǒng)中的水分平衡受大氣水分供需影響。也有學者[2,6,9]進一步研究表明，植被覆蓋較好的生態(tài)系統(tǒng)（農(nóng)田、森林和草甸等）能量分配由LE占據(jù)主導，這也驗證了本文的研究結(jié)果，對于干旱區(qū)的棗林生態(tài)系統(tǒng)能量分配來說，水分條件是決定能量分配的關(guān)鍵因素，若生態(tài)系統(tǒng)水分充足，能量分配則以潛熱通量為主，反之則以感熱通量為主[30-31]。干旱區(qū)棗林的能量分配方案由水分條件決定，受到水分條件、植被類型和氣候特征的影響[32]。

3.2 能量平衡閉合率

干旱區(qū)棗林生態(tài)系統(tǒng)在2018 年和2019 年的全年能量平衡閉合率為73.45%、73.11%，這與前人[4-12]在其他的生態(tài)系統(tǒng)中觀測的能量平衡閉合率相似，在合理的范圍內(nèi)（能量平衡不閉合率處于10%～30%之間）。根據(jù)Kljun 等[20]和Kormann 等[21]的源區(qū)模型計算出的下墊面90%通量貢獻區(qū)的圓形半徑分別為356.50、350.00 m，而實際試驗區(qū)的面積覆蓋90%通量貢獻區(qū)；試驗區(qū)的下墊面范圍是合適的，渦度儀器的觀測高度也是合適的，這說明在干旱區(qū)棗林使用渦度相關(guān)觀測系統(tǒng)測量能量是可行的，得到的觀測數(shù)據(jù)可信度高。

干旱區(qū)棗林生態(tài)系統(tǒng)的全年能量平衡閉合程度不高，這可能是由于忽略了熱存儲項，于是本文利用式（4）重新計算了能量平衡閉合率，結(jié)果顯示記入熱存儲項后，2018 年和2019 年的EBR提高了3.72%、2.75%，達到了77.17%、75.86%，與美國溫帶落葉林[33]、加拿大北部楊樹林[34]、西雙版納熱帶季節(jié)雨林[24]的增幅范圍相似；但是比黃土高原檸條林[23]、黑河中游生育期的春小麥農(nóng)田[22]等的增幅低。多位學者指出[13,22-23]，下墊面土壤熱儲量Ss為熱儲存項中的最大占比，忽略Ss是造成地表能量平衡不閉合的主要原因。但是根據(jù)表2 顯示，Ss占凈輻射的比例小于1%，這與岳平等[2]、高紅貝等[22]研究結(jié)果不一致。這可能是因為本文研究區(qū)處于干旱區(qū)，作物需要灌溉，棗林使用深井水進行滴灌，井水溫度低于灌溉時的氣溫和土壤溫度，導致棗林每次灌溉時降低了土壤熱儲量Ss，故本文雖然計算了Ss，但是EBR提高幅度小，Ss占凈輻射的比例小于1%。

4 結(jié) 論

1）Rn、LE、H、G的日均值均呈單峰變化趨勢，2018 年和2019 年的變化趨勢相似。

2）未計入熱儲存項時，各月的有效能量和可利用能量之間的統(tǒng)計回歸斜率為0.32～0.70，決定系數(shù)R2為0.64～0.94，能量平衡閉合率在34.05%～80.78%之間；計入熱儲存項后，各月的有效能量和可利用能量之間的統(tǒng)計回歸斜率、決定系數(shù)、能量平衡閉合率均有所提高，但增幅較小。

3）2018 年和2019 年未計入熱儲存項的全年能量平衡閉合率分別為73.45%、73.11%；計入熱儲存項后，能量平衡閉合率有所提高，但增幅較小。

4）干旱區(qū)棗林生育期的能量平衡閉合率高于休眠期；計入熱存儲項后，生育期能量平衡閉合率的增幅也明顯大于休眠期。

5）土壤熱儲存項的日平均變化在生育期和休眠期規(guī)律相似；潛熱熱儲存項的日平均變化在休眠期呈單峰變化，生育期呈雙峰變化；光合熱儲存項在生育期呈單峰變化；冠層熱存儲項在生育期呈單峰變化；顯熱熱儲存項在生育期呈單峰變化，休眠期波動幅度較小。

6）干旱區(qū)棗林的能量分配受水分條件、植被類型和氣候特征的影響，且能量分配方案由水分條件決定，若生態(tài)系統(tǒng)水分充足，能量分配則以潛熱通量為主，反之則以感熱通量為主。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）