直接辐射和散射辐射变化对农田生态系统光能利用率的综合影响研究

In recent half a century, the phenomenon of solar radiation reduction has been observed across the world. Direct radiation was significantly decreased, and diffuse radiation had no significant change or increased. Diffuse radiation made the light scatter evenly within the canopy. So the enhancement of diffuse radiation improved conapy light use efficiency (LUE). Research on the effects of direct and diffuse radiation on LUE in cropland ecosystem, and the quantization of the effects are very important for estimating the effects of solar radiation reduction on crop yield. Yucheng and Shouxian experiment stations will be choosed for this rearch in the North China Plain. The research subject is cropland ecosystem.The observations will include the gradient of micrometeorology,radiation and turbulent fluxes collected by using eddy covariance technology.The effects of variations in direct and diffuse radiations on LUE in cropland ecosystem will be investigated by using photosynthesis model and statistics analysis methods. The contribution of solar radiation, direct and diffuse radiation, temperature and vapor pressure difference to LUE will be revealed. The quantity relationship among LUE, photosynthetically active radiation and diffuse radiation fraction under different time scale will be clarified. It is expected that the results of this study will provide scientific foundation for improving LUE modeling and evaluating the impacts of solar radiation reduction on crop production accurately.

近半个世纪以来，世界各地均观测到太阳辐射减弱的现象，其中直接辐射为显著下降趋势，散射辐射多为无明显变化或增加的趋势。散射辐射增强能促使冠层受光均匀，提高植物光能利用率。研究直接辐射和散射辐射变化对农田生态系统光能利用率的综合影响，以及对这种影响的量化，是准确评估太阳辐射减弱对作物产量的影响的迫切需要。本项目拟在华北平原选择禹城和寿县两个代表性站点，以农田生态系统为研究对象，在涡度相关通量观测、小气候梯度观测和气象辐射观测的基础上，利用光合作用模型和统计分析方法，分析直接辐射和散射辐射变化对农田生态系统光能利用率的不同影响，探究光合有效辐射、散射辐射比例、温度和水汽压差对光能利用率的贡献；定量理解不同时间尺度上光能利用率与光合有效辐射和散射辐射比例之间的关系，为提高光能利用率模拟的准确度，进而客观评估太阳辐射减弱对作物生产的影响提供科学依据。

近半个世纪以来，世界各地均发现太阳辐射减弱的现象，同时伴随着散射辐射比例的增加。太阳辐射及其组分的变化，会对作物总初级生产力（GPP）和光能利用率（LUE）产生重要影响。本项目在冬小麦田间CO2通量观测的基础上，分析了冬小麦GPP和LUE的变化规律，研究了散射辐射比例（DF）变化对冬小麦GPP和LUE的影响；并且在小时和日尺度上分别明确LUE和DF之间的数量关系，帮助提高作物模型LUE的模拟准确度。结果表明：冬小麦主要生长期（3-5月）GPP和LUE表现为先增加后降低的变化趋势，与叶面积指数变化动态较为一致。DF的增加提高了冬小麦对光的利用能力，初始量子效率多云比晴天增加了59%，阴天比晴天增加了104%。年际间，DF的增加，促使冬小麦GPP明显降低。随着DF的变化，GPP为先升高后降低的趋势。中等太阳辐射条件下（两年的均值为DF=0.57，PAR=27.7 mol m-2 d-1），冬小麦GPP达到最高；主要生长期内PAR水平的增加会提高达到最高GPP的PAR值。半小时和日尺度的LUE和DF均为显著线性正相关关系，半小时尺度不同太阳高度角范围内，线性方程相近，斜率平均值为1.5 g CO2 mol-1；两年间日尺度的线性方程斜率差异较大。年际间PAR水平和DF频率分布的差异，会引起DF对GPP和LUE影响的差异。本项目在冬小麦主要生长期CO2通量观测的基础上，得出冬小麦光能利用率随着散射辐射比例的增加为线性增加的趋势，但是总初级生产力为先升高后降低的趋势，中等太阳辐射条件最有利于GPP的增加；DF与LUE的线性方程的斜率会随着年际间PAR水平和DF分布频率的变化而改变，本项目的研究结果有助于提高LUE模型的模拟准确度。