基于涡度协方差测量评估坡地条件下春小麦能量通量差异

推荐 为解决涡度协方差（EC）技术在复杂地形下能量平衡闭合度不足的问题，研究人员在中国西北部半干旱地区开展了实验。通过在坡地春小麦田设置三座EC塔，发现感热、潜热和土壤热通量存在显著差异，揭示了地形诱导的大涡旋对能量平衡的影响。该研究强调了多塔测量在减少坡地能量通量估算不确定性中的重要性，为精准农业和水资源管理提供了科学依据。

　　

论文解读
在农业生产中，精准量化农田能量收支对水资源管理和可持续农业发展至关重要。然而，涡度协方差（EC）技术在复杂地形下的适用性一直存在争议，尤其是在丘陵农田中，能量平衡闭合问题尤为突出。为解决这一难题，中国科研团队在位于美国华盛顿州东南部的内陆太平洋西北地区（IPNW）的坡地春小麦田开展了实验。该地区具有典型的地中海气候，冬季寒冷湿润，夏季温暖干燥。研究区域年降水量较高，主要种植春小麦，且长期采用连续轮作制度。

研究人员在实验田中设置了三座EC塔，分别位于不同坡位，以确保每个塔的通量足迹覆盖约90%的相应区域（US-SZ1、US-SZ2和US-SZ3）。尽管三个站点在小麦生长周期内的气象条件相似，但在日变化和季节尺度上，感热、潜热和土壤热通量均存在显著差异。其中，感热通量的差异约为10%，潜热通量为27%，而土壤热通量则高达29%。这种差异导致各站点的能量平衡闭合比率（CR）分别为93%、84%和85%。

研究结果表明，感热和潜热通量的差异主要由气象和生物因素驱动，而土壤热通量的差异则归因于地形复杂性导致的地表遮荫和太阳辐射的空间异质性。此外，不同站点的闭合比率与摩擦速度、大气稳定性、湍流动能及热量传输效率的关系也存在显著差异。特别是在坡顶附近，地形诱导的大涡旋对能量平衡闭合产生了重要影响。

通过多塔测量，研究人员发现，在平坦且均质的农田中，单个EC塔的测量结果通常可以代表较大区域。然而，在复杂地形条件下，空间代表性的限制使得多塔测量成为减少能量通量估算不确定性的关键手段。该研究不仅揭示了坡地地形对能量通量分布的影响机制，还为优化EC技术在复杂地形中的应用提供了科学依据。

研究方法
本研究采用了涡度协方差（EC）技术，通过在实验田中设置三座EC塔，分别测量不同坡位的能量通量。每座塔配备了三维超声风速仪和开路式二氧化碳/水汽分析仪，用于实时监测风速、温度、湿度及二氧化碳和水汽浓度。此外，还记录了净辐射、土壤温度和湿度等气象参数。数据采集频率为10 Hz，并通过涡度协方差方法计算感热、潜热和土壤热通量。

研究结果
实验场地
实验在位于美国华盛顿州东南部的圣约翰农业田进行，该地区属于内陆太平洋西北地区（IPNW），具有典型的地中海气候特征。实验田面积约90英亩，主要种植春小麦，采用连续轮作制度。

气象条件比较
三个EC塔站点在2018年小麦生长周期内的气象条件相似，光合有效辐射（PAR）的10天平均值在450至650 μmol m^-2 s^-1之间波动。尽管总太阳辐射未直接测量，但PAR的变化趋势反映了太阳辐射的季节性变化。

结论
研究表明，在坡地春小麦田中，尽管气象条件相似，但能量通量存在显著差异。感热、潜热和土壤热通量的差异分别达到10%、27%和29%，导致能量平衡闭合比率（CR）在不同站点间存在显著差异。地形复杂性是导致土壤热通量差异的主要原因，而感热和潜热通量的差异则受气象和生物因素共同影响。多塔测量有助于减少能量通量估算的不确定性，为复杂地形下的农田管理提供了科学依据。

研究意义
该研究通过实证数据揭示了坡地地形对能量通量分布的影响机制，强调了多塔测量在复杂地形条件下的必要性。研究成果不仅提高了能量通量估算的准确性，还为优化农业水资源管理和提高作物产量提供了理论支持。此外，研究结果对全球气候变化背景下的农业适应策略制定具有重要参考价值。