西北地区夏玉米不同生育期蒸发蒸腾量模拟模型适用性评价

【目的】蒸发蒸腾量(ET)是农业生产的主要参数,ET的准确估算对农田精准用水管理和区域水资源优化配置具有重要意义。【方法】利用2012—2013年夏玉米作物指数与气象因子,采用基于参考作物蒸发蒸腾量(ET0)经验模型(Schendel、Hargreaves-M4(H-M4))的单作物系数法、单源模型(Priestley-Taylor(P-T))和双源模型(Shuttleworth-Wallace、Two-Patch)对作物蒸发蒸腾量进行模拟,并对比分析各估算模型模拟情况。【结果】基于不同生育期实测和平衡蒸发蒸腾量均值的比值修正P-T模型经验系数?,P-T修正模型对夏玉米全生育期ET模拟值与大型称质量式蒸渗仪实测值拟合的平均绝对误差(MAE)、决定系数(R2)、平均相对误差(MRE)、相对均方根误差(Relative root mean-squared error,RRMSE)和整体评价指标(GPI)排名分别为0.977 5 mm/d、0.5689、0.843 4、0.450 4和1,苗期分别为0.959 2 mm/d、0.332 0、0.478 4、0.481 1和3,拔节抽雄期分别为1.038 8 mm/d、0.507 8、0.551 7、0.429 0和1,成熟期分别为0.548 1 mm/d、0.774 6、0.915 8、0.423 9、0.692 1和1;H-M4模型对灌浆期ET模拟MAE、R2、MRE、RRMSE和GPI排名分别为1.344 3 mm/d、0.727 9、2.298 3、0.491 0和1。模拟结果均达到极显著(P<0.01,P代表显著性水平)。【结论】P-T和基于单作物系数法的H-M4均具有输入较少参数获取较精确ET估算值的优势,因此P-T可作为全生育期及苗期、拔节抽雄期和成熟期蒸发蒸腾量最优模拟模型,H-M4可作为灌浆期蒸发蒸腾量最优模拟模型。     

齿型迷宫流道灌水器水力性能数值模拟研究

【目的】定量探究流道结构参数与灌水器水力性能之间的互馈关系。【方法】研究齿角度(a)、齿底距(b)、齿高度(c)和流道深度(d)4个关键因素,选用L18(37)正交试验设计方案,通过室内测试与数值模拟,定量分析了流道结构参数对其水力性能的影响。【结果】采用四面体含边界层网格或混合多面体网格的模拟精度最高,采用标准k-ε计算模型,流量偏差率可控制在6.00%的误差范围内,可推荐作为齿型流道结构灌水器数值模拟时的参考设置模式;按显著性水平α=0.1检验,流道深度和齿高度对流态指数存在显著影响;此外,研究构建了流态指数与齿型灌水器关键结构参数之间的定量多元线性回归方程为;X=4.67×10-4a-0.005 4b-0.016 1c+0.041 7d+0.442 2,流量系数的回归方程为:K=0.211 1a+2.822 4b+1.796 5c+8.247 8d-11.584 9。【结论】齿型流道结构滴头的网格划分宜采用四面体含边界层网格或混合多面体网格型式,且流态指数和流量系数与齿型灌水器关键结构参数之间的关系可以通过多元线性回归方程表示。     

基于支持向量机的干旱区月潜在蒸散发的模拟

探讨支持向量机回归模型模拟无风速和日照时数条件下潜在蒸散发的有效性,为气象资料短缺的干旱地区提供潜在蒸散发模拟的新途径。根据西北干旱区石羊河流域5个气象站1999―2009年基准期的日气象资料,用Penman-Monteith方程计算月潜在蒸散发量,采用支持向量机回归模型(SVR)模拟潜在蒸散发。以均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)、确定性系数(DC)以及相关系数(R)作为模型的性能评价指标。结果表明,在模拟月潜在蒸散发时,无论在训练期还是验证期,当输入变量为最高气温、最低气温、平均气温、相对湿度、风速和日照时数等6个气象因子时,SVR模型取得了较好的模拟效果,各站的R和DC均在0.9以上;当输入气象变量为最高气温、最低气温、平均气温及相对湿度4个气象因子时,SVR模型对月潜在蒸散发的模拟精度略低于6个因子输入的精度,但各站的R和DC依然在0.9以上,说明在无风速和日照时数两个气象因子时,SVR模型可以有效的模拟干旱区月潜在蒸散发量。     

花生叶面积指数地面高光谱遥感估算模型研究

【目的】掌握花生叶面积指数(LAI)及其动态变化,并用于其生长监测和作物估产。【方法】试验于2019年在郑州市农业气象试验站进行,设置了3个不同氮素水平处理,以花生(豫花40)为研究对象,利用便携式光谱仪ASDHandHeld2测量花生冠层高光谱数据,使用LAI2200冠层分析系统采集花生叶面积指数。对原始光谱数据进行倒数对数和导数变换,并选取常见高光谱特征参数建立LAI估算模型,通过模型精度比较从中选择出最优估算模型。最后通过多元逐步回归,建立了花生LAI估算的多元回归模型。【结果】LAI单变量估算模型中,指数模型的R~2较大,其中VI_1(VI_1=R_g/R_r。R_g绿峰反射率,R_r红谷反射率)、VI_2(VI_2=(R_g-R_r)/(R_g+R_r))和R_r的指数模型R2超过0.68,拟合程度最高。同时利用检验样本计算均方根误差(RMSE),VI_2的RMSE值最小,其次是VI_1。【结论】以VI_2为自变量的指数模型最优,其次为VI_1。多元回归模型模拟精度高于单变量估算模型,当多种光谱参数均可获取的情况下,应优先选用多元回归模型对花生冠层LAI进行估算。     

五道沟地区“蒸发悖论”及成因探析

【目的】探讨五道沟地区"蒸发悖论"及成因探析。【方法】以位于五道沟地区的五道沟实验站气象场1970―2017年实测数据为背景资料。对蒸发量的年际变化趋势进行分析与预测,对其影响因素(风速、温度、日照时间、水汽压力差、降雨量、相对湿度)应用线性趋势法进行定性分析,应用熵值法进行综合评价,并深入探讨蒸发皿蒸发量趋势变化的成因。【结果】1970―2017年蒸发量呈明显下降趋势,下降速率为8.7 mm/a,运用灰色系统中的GM(1,1)模型与Verhulst模型对蒸发量的年际趋势进行预测,结果表明GM(1,1)模型预测效果更好。蒸发量与各气象要素的相关关系:风速、日照时间与蒸发量呈正相关关系,气温、相对湿度、降雨量与蒸发量呈负相关关系。1970―2017年间气温每10年平均升高0.25℃,水面蒸发每10年平均下降86.9 mm,该区存在"蒸发悖论"现象。线性趋势法与熵值法对各影响因素分析结果一致:风速>气温>相对湿度>日照时间>降雨量>水汽压力差,表明在全球气候变暖的大背景下,风速下降、相对湿度增加和日照时间减少是该区"蒸发悖论"现象的主要因素。日照时间的下降可能是气溶胶含量增多造成的;风速的下降可能与城镇化发展有关,风速减弱可能会引起气溶胶增多;相对湿度的增加,会导致日照时间的减少。【结论】五道沟地区"蒸发悖论"的成因可能是气溶胶量的增加,太阳辐射减少,蒸发量下降。     

土地利用/覆被数据精度对流域水文过程模拟的影响研究

土地利用/覆被是水文过程模拟的关键参数,影响截留、入渗、蒸散发和地下水补给等过程,最终影响河道径流量。【目的】更好地了解不同精度的土地利用/覆被数据对水文过程模拟的影响。【方法】将黑河上游祁连山区3种具有不同分辨率、不同分类精度的土地利用/覆被数据(NLULC,NLULC-1km以及MICLULC)分别输入SWAT水文模型中模拟黑河上游出山径流量,分析了模型率定前和率定后的模拟效果。【结果】将空间分辨率更高、土地利用/覆被分类较少的土地利用/覆被数据输入SWAT模型,能够减少模型校准的复杂度和工作量;模型校准后,分类程度越详细的土地利用/覆被数据对应的SWAT模型径流模拟效果越差;水文模型的校准过程会导致土地利用/覆被数据的空间分辨率对径流模拟的影响变小。【结论】在利用SWAT模型进行径流模拟时,输入分辨率高且分类较少的土地利用/覆被数据能够使模型模拟效果更好。     

基于多种水文模型结构改进新安江模型

【目的】针对水文模型结构的不足提出改进方法。【方法】选择新安江模型、GR4J(mode′le du Ge′nie Rural a′4parame′tres Journalier)模型以及HYMOD模型在淮河流域进行应用对比分析,并基于GR4J模型与HYMOD模型的汇流结构对新安江模型进行改进,提出2种改进模型方法。【结果】(1)3种概念性水文模型在淮河王家坝流域均具有较好的适用性,其中新安江模型效果最好,但该模型在大流量模拟时存在低估现象;(2)M2模型（HYMOD模型汇流结构下的新安江模型）与新安江模型的模拟结果相近,大流量的模拟同样偏小,改进效果不明显;(3)M1模型（GR4J模型汇流结构下的新安江模型）模拟效果最佳,可以有效改善新安江模型对大流量的模拟效果,改进效果显著。【结论】M1模型可以有效改善新安江模型模拟径流时出现流量以及洪峰流量的低估现象,在研究流域内具有一定的应用价值。     

基于CERES-Maize模型的新疆滴灌玉米灌溉制度优化

【目的】研究新疆膜下滴灌玉米的灌溉制度和需水规律,为新疆玉米节水增产提供科学指导。【方法】基于2020年4个不同灌水水平下的玉米生长发育及产量数据,对DSSAT-CERES-Maize模型进行参数率定和验证,评价模型在新疆地区的适用性;利用1979―2017年气象数据,对典型年型分别设置14种灌溉方案,探究新疆膜下滴灌玉米的最优灌溉制度。【结果】利用玉米的叶面积指数、干物质量、产量的观测值对CERES-Maize模型进行参数率定和验证。叶面积指数、干物质量、产量等的模拟值和实测值都表现出了较好的一致性,模拟效果较好。通过模拟分析可得,不同年型玉米关键需水期对缺水的敏感程度大小为:抽雄期>拔节期>灌浆期。综合考虑产量和水分利用效率,枯水年、平水年、丰水年玉米抽雄期灌溉量分别为180、180、120 mm,灌浆期均灌溉120 mm,其余各生育期灌溉量都为60mm时最优。优化后灌溉制度对应的产量分别在枯水年、平水年、丰水年占对应最高产量的99.53%、97.51%、98.45%。【结论】CERES-Maize模型总体上可以应用于新疆地区滴灌玉米的研究,利用模型优化后的灌溉制度能够为新疆滴灌玉米的种植提供一定的参考依据。     

GPR、XGBoost和CatBoost模拟江西地区参考作物蒸散量的适应性研究

【目的】提高机器学习模型模拟参考作物蒸散量在江西省适应性和精度。【方法】基于江西南昌等15个气象站2001—2015年日值气象数据(最高气温、最低气温、地表辐射、大气顶层辐射、相对湿度和2 m高风速),以FAO-56Penman-Monteith(P-M)公式的计算结果作为对照,建立了计算ET0的高斯过程回归(GPR)、极限梯度提升(XGBoost)和梯度提升决策树(CatBoost)模型,并分别与经验模型进行比较。【结果】各气象参数对机器学习模型模拟ET0的精度影响由大到小依次为:Rs、Tmax和Tmin、RH、U2,且采用Tmax、Tmin、Rs和RH气象参数组合的机器学习模型(RMSE0.2mm/d)模拟ET0精度高。此外,3种机器学习模型在有限的气象数据时具有较好的适用性,且优于传统经验模型,其中GPR和CatBoost模型的预测精度高,但GPR模型稳定性最好。【结论】考虑到所研究模型调参的复杂性、预测精度和稳定性,GPR模型可作为江西地区参考作物蒸散量模拟的推荐方法。     

多因子胁迫下的西藏高原青稞生长动力学模拟

【目的】探究耦合气象、土壤水分和氮素状态对青稞生长的影响机理,构建西藏地区青稞生长动力学模型。【方法】于2016─2017年在拉萨市墨达灌区开展了试验研究,测定了青稞生育期气象参数、土壤水分和氮素质量浓度变化过程。基于日光合作用和呼吸作用模拟日干物质增长量,提出了开关因子计算青稞由发育生长到生殖生长的临界时间,根据叶面积指数变化和干物质质量平衡,以及青稞生育期干物质分配和转化关系发展了干物质日增长量分配关系,基于动态平衡原理,提出了气象条件、土壤含水率和氮素影响下的干物质胁迫关系。基于2016年观测值率定模型参数,模拟2017年青稞生长。【结果】模型在本地参数下,模拟结果与实测结果符合良好,Nash-Sutcliffe系数和相对均方根误差分别为0.84和0.05;变化条件下,能够达到较好的模拟精度,Nash-Sutcliffe系数和相对均方根误差分别为0.67和0.11。【结论】所提出的模型能够描述多因子胁迫条件下的青稞生长动力学机制,具有完备的物理机制。     

热带桉树人工林液流特征及其对环境因子的响应

【目的】探明热带桉树蒸腾耗水时间变化规律及其与环境因子的关系。【方法】通过热扩散探针法(TDP)于2016年1—12月对海南省儋州林场桉树树干液流进行实时监测,并同步监测气象、土壤水分等相关环境因子。【结果】①雨季桉树液流瞬时变化特征多为"双峰"型曲线,旱季为"单峰"型,雨季液流到达峰值时间在11:00—11:30之间,峰值平均为8.68 mL/(cm2·h),并在15:00—15:30出现第2个液流峰值,平均峰值为8.16 mL/(cm2·h),旱季液流达到峰值时间在13:00—13:30之间,峰值平均为7.45 mL/(cm2·h);②旱季和雨季桉树液流瞬时速率对相对湿度和大气温度的时滞均为30 min,对光合有效辐射的时滞均为-30 min;③日尺度上桉树平均液流速率为2.06 mL/(cm2·h),最大值出现在7月15日,为4.25 mL/(cm2·h);最小值出现在11月25日,为0.14 mL/(cm2·h),太阳有效辐射(PAR)、大气温度(Ta)、饱和水气压差(VPD)是影响桉树日均液流的主要环境因子,树木胸径大小与日均液流速率正相关;④桉树月均液流速率的变化特征为"单峰型"曲线,雨季液流速率均值为2.53 mL/(cm2·h),旱季为1.80 mL/(cm2·h),最大值出现于7月,为3.42 mL/(cm2·h),最小值在2月,为1.40 mL/(cm2·h),其中PAR、Ta、VPD是主要影响因子。【结论】热带桉树人工林液流存在明显昼夜与季节节律,不同观测尺度下影响桉树液流速率的主要环境因子均为PAR、Ta、VPD。     

热带桉树树干液流的时滞效应分析

[目的]探明热带桉树树干液流与环境因子间的时滞效应及其影响因素.[方法]运用Granier热扩散探针技术对海南省西北部儋州林场生长季(5-10月)桉树树干液流速率进行了实时监测,并同步监测了光合有效辐射(PAR)、大气温度(Ta)、相对湿度(Rh)和0～60 cm土壤含水率(SWC),运用错位相关法分析了液流速率与PA...     

1968―2018年民勤地区参考作物需水量的年际变化特征及相关气象影响因子研究

【目的】研究民勤地区作物需水量的主要影响因子。【方法】基于民勤地区1968―2018年气象数据,利用Penman-Monteith公式计算了不同时间尺度的平均参考作物需水量ET0,分析ET0变化趋势,并与气象因子变化趋势进行相关性拟合。【结果】1968―2018年民勤地区年平均参考作物需水量呈波动上升趋势,最低值为1968年的3.15mm/d,最高值为2013年的3.72 mm/d,且参考作物需水量的上升趋势是从2003年开始最为明显;参考作物需水量与年平均最高气温、年平均最低气温、年平均气温、年平均相对湿度、年平均日照时间以及年平均风速的相关性比较显著,与降雨量和净辐射相关关系不显著。【结论】民勤地区的干旱状况目前处于平稳期,年平均最高气温和年平均相对湿度是导致民勤地区参考作物需水量年际变化的最主要的气象因子。     

不同灌水定额对北疆苜蓿叶面积指数和产量的影响

【目的】研究紫花苜蓿在浅埋式滴灌条件下,不同灌水定额对叶面积指数生长特性和产量的影响及二者之间相互关系。【方法】通过开展大田试验,共设置5个水分处理,依次为300 m3/hm2(T1)、375 m3/hm2(T2)、450m3/hm2(T3)、525 m3/hm2(T4)、600 m3/hm2(T5),采用植物冠层分析仪测量了不同灌水定额的紫花苜蓿叶面积指数和产量,分析相互关系,运用回归分析法拟合生长模型并进行验证。【结果】紫花苜蓿叶面积指数随着灌水定额的增大而增大,生长规律呈现先快后慢,倒"L"型趋势,2茬末期均出现衰败现象,第2茬受天气转冷因素表现更加明显。灌水定额525 m3/hm2以上叶面积指数没有明显提高,对应T4处理产量最高,叶面积指数、产量、灌水定额三者相互之间均存在显著相关性,建立三者之间相互单因素回归分析方程,拟合度较高。WUE随着灌水定额的增大呈现单侧下降趋势。【结论】运用浅埋式滴灌技术开展紫花苜蓿灌溉试验,适宜的灌水量可以改善紫花苜蓿生长状态,提高作物产量,达到节水增效的目的。     

不同水分条件下棉花冠层含氮量高光谱监测研究

【目的】建立1种适用于不同水分条件的棉田氮肥高光谱监测模型。【方法】通过设置包含灌溉梯度和施氮梯度的大田水肥试验,在生育期内同步测定棉花冠层光谱反射率、冠层含氮量(Canopy nitrogen content, CNC)、冠层等效水厚度(Canopy equivalent water thickness, CEWT)等信息,综合分析棉花冠层含氮量及冠层等效水厚度与光谱指数的相关性,确定最优光谱指数并构建棉花CNC的高光谱监测模型。【结果】冠层光谱与CNC在可见光波段附近出现连续的敏感区域,其中最大相关系数|r|max为0.53,位于718nm;在不考虑CEWT对模型精度影响时,NDSI(800,770)的建模效果最佳(R^2=0.76),但是进入花铃后期其预测精度偏低,出现了低估现象;综合考虑CEWT的影响后,本研究选取NDSI(570,500)作为最优光谱指数,所建模型有效改善了棉花含水率变化而造成模型精度偏低的现象(RRMSE=0.18)。【结论】本研究建立的新型水分钝感光谱指数NDSI(570,500)可以有效提升棉花CNC的估算精度,为高光谱技术在棉田氮肥监测的应用提供技术依据。     

基于冠气温差的淮北地区水稻日需水量估算模型研究

【目的】构建水稻日需水量估算模型,为灌区动态用水管理提供科学指导。【方法】以淮北淮涟灌区水稻为研究对象,通过称质量法获取水稻日需水量,同步采集水稻冠层温度和相关气象要素,分析各要素与实测水稻日需水量关系,构建了以太阳净辐射和冠气温差为参数的水稻日需水量估算模型,并利用叶面积指数对其进行修正。【结果】太阳净辐射量和冠气温差是反映水稻日需水量的关键因子,水稻日需水量与太阳净辐射呈正线性相关,与冠气温差呈负线性相关,冠气温差随着生育期延续有增大的趋势。通过叶面积指数修正的模型相对误差为5.07%,均方根误差为0.183 mm/d。【结论】利用冠气温差估算水稻日需水量,方法较为简单,精度满足灌溉管理要求。     

江苏省稻作区低压管道灌溉适宜控制规模研究

【目的】充分考虑工程经济性、实用性以及江苏省的现实情况,提出适合江苏省的低压管道输水灌溉工程的适宜控制规模。【方法】初步分析江苏省稻作区管道灌溉系统适宜控制规模的影响因素,建立灌溉管网的系统优化模型并采用界限流量法求解该模型。按照优化模型,估算出不同灌溉工程规模下的管网系统年费用,得到系统控制规模与单位面积年费用的关系。【结果】绘制系统控制规模与单位面积年费用关系图,在综合考虑工程建设投资和后期运行、管理和维护的情况下,建议管灌系统工程的适宜控制规模为23～30 hm2。【结论】根据现实情况适当选取管道灌溉工程的控制规模,对于节省工程投资以及工程运行后期的管理维护具有现实意义。     

吉兰泰及周边地区蒸散发的时空变化规律

【目的】探索吉兰泰及周边地区蒸散发的时空变化规律。【方法】以吉兰泰为对象,利用MODIS数据通过SEBAL模型估算了研究区2017年植被生长季5—10月的日蒸散发,并分析了蒸散发与环境因子的相关性。【结果】①生长季日平均蒸散量整体趋势呈单峰型分布趋势,日均蒸散量最大值在7月(3.98 mm),最小值在10月(1.11 mm);②在空间分布上,研究区东南部蒸散发最高,东北部蒸散发最低;不同土地利用类型中蒸散发值由大到小分别为林地、耕地、草地、戈壁、沙漠;各土地利用类型蒸散发量的时间动态表现一致,呈生长期>生长初期>生长后期;③归一化植被指数、高程与蒸散发正相关,风速以及地表温度与蒸散发负相关。【结论】SEBAL模型估算的蒸散发与P-M作物系数法的蒸散发进行对比,相对误差在允许范围之内,表明SEBAL模型对本研究区蒸散发的估算是可靠的。研究区靠近山地的蒸散发大于荒漠区的蒸散发。在植被生长季中生长初期的蒸散发受温度和风速影响最大,生长期和生长后期的蒸散发受地表温度和高程影响最大。