基于动态模拟的作物系数优化蒸散量估算研究

通过作物生长模型动态模拟的冬小麦全生育期潜在蒸散量和实际蒸散量计算冬小麦各生育时期的模拟作物系数,并与FAO提供的冬小麦各个生长阶段的标准作物系数对比,验证了其数值和变化趋势的准确性。基于地面实测和遥感反演的叶面积指数,建立了作物系数与叶面积指数的经验对数模型,根据遥感反演的叶面积指数获取冬小麦全生育期以天为步长的区域尺度的作物系数。利用冬小麦各生育时期模拟作物系数与以天为步长的区域尺度作物系数的比值优化蒸散量模型,获取关中平原2013—2014年冬小麦全生育期优化前后的蒸散量反演结果。通过与实测数据对比,发现优化前最大相对误差为14.36%,优化后最大相对误差为9.89%,优化后的蒸散量反演模型比未优化的蒸散量反演模型能够更加准确地反演冬小麦全生育期的蒸散量,特别是在低植被覆盖条件下的反演精度有明显的提升。     

冬小麦蒸发系数变化规律研究

作物蒸发蒸腾量(ET)是进行合理灌溉和水资源配置的重要依据。为了更方便地估算作物蒸发蒸腾量,以大型称重式蒸渗仪实测的冬小麦蒸发蒸腾量(ET)为依据,分析了水面蒸发量(E0)与实测蒸发蒸腾量(ET)的相关性,并研究了蒸发系数的变化规律。结果表明:水面蒸发量(E0)和蒸渗仪实测值(ET)呈线性关系,冬小麦全生育期内二者的相关系数R2=0.7708,蒸发系数α=1.37。在冬小麦的整个生育期内α先是由大变小,接着再增大直到在抽穗—灌浆期达到最大值,之后再慢慢减小。     

春玉米生长中期灌水量差异对其蒸发蒸腾量估算精度的影响

为提高旱区作物蒸发蒸腾量估算精度,以石羊河流域春玉米为研究对象,分析灌水量对FAO-56估算作物蒸发蒸腾量精度的影响,并对估算误差进行讨论,提出使用部分根区含水量平均值用于土壤水分胁迫系数计算.结果表明:FAO-56对不同灌水处理下作物蒸发蒸腾量的估算精度存在较大差异,可较精确地估算低灌水处理下作物蒸发蒸腾量;随着灌水量增大,其估算精度有所降低,对高灌水处理下作物蒸发蒸腾量的估算误差达-14.13%;根区上部土层含水量与土壤水分胁迫状况关系紧密,以缓变层及以上土层含水量平均值代替整个根区含水量平均值用于土壤水分胁迫系数计算,可有效改善高灌水处理下旱区作物蒸发蒸腾量计算精度,亦可较为精确地估算低灌水处理下作物蒸发蒸腾量.     

CERES-Wheat模型中两种蒸发蒸腾量估算方法比较研究

基于CSM-CERES-Wheat模型中Priestley-Taylor(PT)和FAO56 Penman-Monteith(PM)2种蒸发蒸腾量估算方法分别模拟了冬小麦2011—2012年和2012—2013年2个生长季的累积蒸发蒸腾量、日蒸发蒸腾量、土壤含水率、地上干物质以及籽粒产量,并对2种方法的模拟结果进行了评价和比较。对2种方法模拟的蒸发蒸腾量值与试验区域内大型称量式蒸渗仪的实测结果进行了比较,结果表明,基于PT和PM方法的CERES-Wheat模型均可以准确地模拟干旱-半干旱地区冬小麦的蒸发蒸腾量,累积蒸发蒸腾量和日蒸发蒸腾量的误差分别小于5.4%和3.4%。同时,模型还可以模拟土壤水分动态情况,在0~20 cm土层,CERES-Wheat模型的模拟值与实测值的标准化均方根误差(RRMSEn)为39.38%,模拟结果较差,但20 cm土层以下,2种方法的模拟值与实测值的RRMSEn均小于23.1%,且对40~60 cm土层的模拟结果最好。CERES-Wheat模型基于PT和PM方法对冬小麦在2011—2012年和2012—2013年生长季地上生物量的模拟值与实测值的RRMSEn分别为13.57%和22.76%,产量的RRMSEn分别为11.80%和15.42%,模拟结果均较好。另外,CSM-CERES-Wheat模型基于PT方法模拟的蒸发蒸腾量小于基于PM方法的模拟值,而PT方法对土壤含水率的模拟结果高于PM方法的模拟结果,且PT方法对地上生物量以及产量的模拟结果高于PM方法,用2种方法模拟的成熟期地上生物量及产量的RRMSEn值均在25%以内。总之,CSM-CERES-Wheat模型采用2种方法对蒸发蒸腾量、土壤含水率及干物质和产量的模拟结果均较好,表明该模型在我国干旱-半干旱地区的应用性较好,可为该地区不同水分条件下冬小麦的生长情况提供理论支持。     

冬小麦、春玉米间作条件下作物需水规律

通过田间试验研究了冬小麦、春玉米间作条件下各生育期的作物需水规律.结果表明:与单作相比,第1个试验期内冬小麦全生育期内间作麦田土壤蒸发量增加34.63 mm,作物蒸腾量减小65.81 mm, 蒸发蒸腾量减小31.18 mm.第2个试验期内冬小麦生育期内间作麦田土壤蒸发量增加26.00 mm,作物蒸腾量减小64.81 mm, 蒸发蒸腾量减小40.81 mm.与单作春玉米相比,间作春玉米的土壤蒸发减少了40.94 mm,作物蒸腾增加了147.73 mm,ET值增加了106.79 mm.可为间作种植的水分管理提供参考.     

双作物系数法计算华北地区桃树蒸散量的可靠性评价

为评估双作物系数法计算华北地区果树蒸散量和作物系数的可靠性,采用液流法和水量平衡法在2012—2013年对桃树蒸散量和作物系数进行了大田小区试验测定。结果表明,双作物系数法计算的蒸散强度与液流法和水量平衡法测定的蒸散强度在果树生育期内均随时间呈先增大后减小的趋势,计算值与2种实测法测定结果之间均显著相关。全生育期蒸散量计算值与实测值的相对误差小于4.5%,但土壤蒸发量计算值比测定值小59.5%~64.8%,而蒸腾量计算值则比测定值大25.6%~26.0%。双作物系数法计算的作物系数与液流法和水量平衡法测定的作物系数也均随生育期呈先增大后减小的趋势,3种方法获得的整个生育期平均作物系数分别为0.90、0.89和0.95。通过对均方根-实测值标准偏差比(RSR)和纳什效率系数(NES)的分析,认为双作物系数法是估算充分灌溉条件下干旱-半干旱地区桃树蒸散量和作物系数的一种有效方法。     

关中地区夏大豆蒸发蒸腾及作物系数的确定

作物系数-参考作物蒸发蒸腾量法是作物需水量计算最普遍采用的方法。作物系数作为该方法的重要参数,它的确定已成为作物需水量研究的关键问题。依据2005-2007年3年田间试验资料,利用Penman-Monteith公式计算了关中地区夏大豆全生育期间参考作物蒸散量,并利用农田水量平衡方程及土壤水分胁迫系数计算了作物实际蒸发蒸腾量,由此计算了大豆各生育阶段的作物系数,并分析了大豆作物系数变化规律。结果表明:关中地区大豆全生育期间参考作物蒸散量平均为524.6 mm;大豆作物系数全生育期平均为0.82,在开花~结荚阶段最大,平均为1.22,其次为结荚~成熟阶段,平均为1.05,播种~幼苗最小为0.26;在关中气候背景下,大豆作物系数与大于10℃积温具有较好的二次多项式关系。     

砂石覆盖条件下夏玉米蒸发蒸腾量的估算

【目的】准确估算作物蒸发蒸腾量(ETc)。【方法】基于2014—2016年遮雨棚下夏玉米土箱生长试验,对砂石覆盖条件下夏玉米ETc的单、双作物系数法计算公式进行了修正,并以小型蒸渗仪测得的ETc,实测对修正后的作物系数法的适用性进行了评估。单作物系数由ETc,实测和参考作物蒸发蒸腾量直接计算得到,用2014和2016年的单作物系数与砂石覆盖量进行拟合,得出计算ETc的单作物系数法修正公式后对2015年度的数据进行验证。【结果】砂石覆盖条件下夏玉米各生育阶段的ETc,单和ETc,实测较为接近。在双作物系数法中引入修正系数验证后发现各处理条件下的计算值接近ETc,实测。【结论】双作物系数法的计算结果能更好地估算砂石覆盖条件下夏玉米的蒸发蒸腾量。     

基于改进S-W与结构方程模型的干旱区枣园蒸散特征分析

为准确量化蒸散及其组分、分析蒸散的控制机制,利用改进的Shuttleworth-Wallace模型(S-W)对干旱区滴灌枣园的蒸散量、植株蒸腾量进行模拟,使用两年的涡度相关系统、针式茎流计数据对模型进行参数率定及验证,并利用结构方程模型（Structural equation model,SEM）分析枣园蒸散与其影响因子之间的关系。结果表明：S-W模型在干旱区枣园有较好的适用性,适宜的模型参数a1为6.9445、g0为0.0439、b2为4.6041、b3为957.1106;蒸散量模拟精度为：均方根误差（RMSE）为0.62~0.76 mm/d,回归系数b为0.77~0.88,决定系数R2为0.95~0.97,一致性指数d为0.92~0.94,模型效率纳什系数（EF）为0.70~0.81,均方根误差与观测值标准差比率（RSR）为0.44~0.55。SEM模型显示,6个测量因子能够解释89%的植株蒸腾量、84%的土壤蒸发量,植株蒸腾量对土壤蒸发量的标准化总影响系数为-0.70。对植株蒸腾量影响最大的因子是叶面积指数,标准化总影响系数为0.52;其次是气温,标准化总影响系数为0.44。对土壤蒸发量影响最大的因子是净辐射,标准化总影响系数为0.50,标准化直接影响系数为0.66;其次是土壤表层含水率,标准化总影响系数为0.49,标准化直接影响系数为0.69。S-W模型是估算干旱区枣园蒸散量的有效工具,基于SEM模型的蒸散特征分析可为干旱区农业节水提供新的思路。     

淮北平原冬小麦蒸发蒸腾量与不同土层土壤含水率关系初探

利用大型称重式蒸渗仪测定了冬小麦不同生育期的农田蒸发蒸腾量,分析了冬小麦的蒸发蒸腾变化规律,探讨了参考作物蒸发蒸腾量(ET0)、土壤含水率与作物蒸发蒸腾量(ET)之间的关系。结果表明,ET0和蒸渗仪实测的ET生育期内变化趋势基本一致;冬小麦ET受0~60cm土层土壤含水率的影响,尤其是0~40cm土层土壤含水率对作物ET影响显著,80cm以下土层土壤含水率基本对作物ET无明显影响。     

The dual crop coefficient approach using a density factor to simulate the evapotranspiration of a peach orchard: SIMDualKc model versus eddy covariance measurements

The dual crop coefficient approach accounts separately for plant transpiration and soil evaporation by using the basal crop coefficient and the evaporation coefficient, respectively. The SIMDualKc model, which performs the soil water balance simulation with estimation of the actual crop evapotranspiration (ET) with the dual crop coefficient approach, was applied to a drip-irrigated peach orchard under Mediterranean conditions. Orchard ET was obtained with the eddy covariance technique, which was subsequently correlated with tree transpiration estimated from sap flow measurements and soil evaporation determined with microlysimeters, thus providing ET for the whole irrigation season. Two years of field observations were used for model calibration and validation using those ET measurements and taking into account the fraction of ground covered by trees through a density factor which adjusts the basal crop coefficient. Model fitting relative to ET observations during calibration and validation provided indices of agreement averaging 0.90, coefficients of regression close to 1.0, root mean square errors around 0.41 mm and average absolute errors of 0.32 mm. Model fitting relative to transpiration and to soil evaporation produced similar results, so showing the adequateness of modelling.     

冬小麦间作种植方式下棵间蒸发规律试验研究

在冬小麦不同种植方式下,研究了麦田的逐日蒸发过程,对比分析了麦田蒸发占蒸散的比例及其和表层土壤含水量的变化关系、灌溉后土壤蒸发的变化过程。结果表明:与单作相比,间作麦田土壤蒸发量增加了34.63mm,作物蒸腾量减小了65.81mm,ET值减小了31.18mm;单作麦田E/ET为20.42%,间作麦田E/ET为29.72%。     

华北冬小麦-夏玉米农田水分动态模拟研究

冬小麦-夏玉米连作是华北地区主要的粮食作物种植模式。根据华北季节性冻土区的特点,将全年划分为作物生长期与越冬期,分别建立了作物生长条件下农田水分运移模型、冻融条件下土壤水热运移模型。前一模型主要包括参照腾发量计算、腾发量分配、作物根系吸水、土壤表面蒸发、土壤水分特征参数和土壤水分运动等子模型;后一模型主要包括冻土水热耦舍迁移、地气水热交换等子模型。应用以上模型对冬小麦-夏玉米连作条件下的土壤水分过程进行模拟,根据北京永乐店试验资料对模型进行检验。模拟了不同降水水平年、不同灌溉处理下的农田灌溉制度及土壤水分过程,分析了降水、灌溉对农田蒸散、土壤水利用、深层渗漏等的影响。     

河西绿洲灌区主要作物需水量及作物系数试验研究

利用Penman-Monteith公式计算了甘肃张掖绿洲主要作物各生育期参考作物蒸散量,利用农田水量平衡方程及土壤水分胁迫系数计算了作物实际蒸发蒸腾量,并计算比较了充分灌溉和非充分灌溉条件下不同生育期作物需水特征,确定了非充分灌溉条件下主要作物的作物系数。结果表明,非充分灌溉条件下,主要作物各生育期需水规律和充分灌溉具有一致变化趋势。非充分灌溉条件下,小麦、玉米、马铃薯全生育期作物系数平均值分别为0.81、0.7和0.73。在全生育期当中,随生育期的延续,主要作物叶面蒸腾比例逐渐增大,棵间蒸发逐渐减少。     

Simulation of water dynamics and irrigation scheduling for winter wheat and maize in seasonal frost areas

Continuous cropping of winter wheat and summer maize is the main cropping pattern in North China Plain lying in a seasonal frost area. Irrigation scheduling of one crop will influence soil water regime and irrigation scheduling of the subsequent crop. Therefore, irrigation scheduling of winter wheat and maize should be studied as a whole. Considering the meteorological and crop characteristics of the area lying in a seasonal frost area, a cropping year is divided into crop growing period and frost period. Model of simultaneous moisture and heat transfer (SMHT) for the frost period and model of soil water transfer (SWT) for the crop growing period were developed, and used jointly for the simulation of soil water dynamics and irrigation scheduling for a whole cropping year. The model was calibrated and validated with field experiment of winter wheat and maize in Beijing, China. Then the model was applied to the simulation of water dynamics and irrigation scheduling with different precipitation and irrigation treatments. From the simulation results, precipitation can meet the crop water requirement of maize to a great extent, and irrigation at the seeding stage may be necessary. Precipitation and irrigation had no significant influence on evaporation and transpiration of maize. On the other hand, irrigation scheduling of winter wheat mainly depends on irrigation standard. Irrigation at the seeding stage and before soil freezing is usually necessary. For high irrigation standard, four times of irrigation are required after greening. While for medium irrigation, only once (rainy year) or twice (medium and dry years) of irrigation is required after greening. Transpiration of winter wheat is very close for high and medium irrigation, but it decreases significantly for low irrigation and will result in a reduction of crop yield. Irrigation with proper time and amount is necessary for winter wheat. Considering irrigation quota and crop transpiration comprehensively, medium irrigation is recommended for the irrigation of winter wheat in the studying area, which can reduce the irrigation quota of over 150 mm with little water stress for crop growth.     

冬小麦生育期有效降水量计算模式研究

根据田间试验数据,建立了冬小麦叶面积指数随有效积温变化的增长模型,实际腾发量模型及土壤入渗模型。并以土壤水分平衡法为基础,综合考虑作物蒸散、降水和灌溉等因素影响,利用新乡地区1951~2001年冬小麦连续50个生长年度的逐日气象资料,模拟了各年度冬小麦生长期土壤水分供需状况。通过模拟结果分析冬小麦生长期降水量和有效降水量相互关系及变化趋势,确定了该地区不同时长尺度下冬小麦生育期有效降水量适宜计算模式,以满足区域农业发展规划及水资源优化配置管理的需求。     

Crop water requirements for rainfed and irrigated wheat in China and Korea

The parametric crop water use model (WATER) was applied for winter wheat to China and its environs in order to examine the evapotranspiration requirements under rainfed conditions and the associated irrigation water applications necessary for optimal production. A network of 241 stations provided climatic data averaged over a 20 year period. Highest ET under full irrigation (first growing season) was observed in the northwestern inland sections of China and the eastern portions of the Tibetan Plateau, while lowest ET occurred in the southeast; under rainfed conditions, these tendencies nearly reversed. About 400 mm of irrigation water was required in the northwest in order to achieve near-optimum yields in contrast with no such water requirements in the central east of China. A sensitivity analysis was conducted to determine the errors introduced by faulty, uncertain, or missing station data.     

基于作物生长模型的冬小麦灌溉方案研究

利用作物生长模拟模型(PS123),以黄淮海平原曲周砂壤土种植的冬小麦为例,对2 280个不同淡水灌溉方案和2 055个微咸水灌溉方案进行了模拟研究,分析了不同灌溉方案对作物生产力、水分利用效率的影响。结果表明,曲周地区多年冬小麦平均生产潜力为11.27 t/hm2,冬小麦最高生产潜力的最小需水量为240 mm,与目前节水灌溉试验相吻合;通过灌溉方案模拟,提出了在冬小麦生育期淡水灌溉1到4次,获得高产的最佳灌溉方案;在灌溉4次的冬小麦生产体系中,建议冬前用淡水灌溉,返青后可以考虑1～2次微咸水灌。     

参考蒸发蒸腾量测定仪器的研究与开发

分析了现有作物需水量测定方法与计算方法在我国应用于灌溉预报时的局限性。根据土壤的蒸发机制与植物的蒸腾机理,按照参考蒸发蒸腾量(ET0)的定义,利用生物膜技术,研制了1种参考蒸发蒸腾量的测定仪器。该仪器可较好地模拟土壤蒸发与植物蒸腾的自然物理过程,仪器的试验结果显示,仪器的水位变化可与ET0有着很好的线性关系,若以此计算作物需水量,能满足灌溉预报精度要求。仪器使用方便、维护简单、价格低廉,将有良好的商品化开发及广阔的市场应用前景。