稳定同位素法和涡度-微型蒸渗仪区分玉米田蒸散组分的比较

农田蒸散组分区分研究对理解土壤-植物-大气连续系统水分传输动力学过程与调控机制具有重要意义。利用稳定同位素原位连续观测技术测定了玉米田不同高度大气水汽稳定同位素的动态,结合Keeling Plot方法区分了玉米田蒸散组分动态过程,并与涡度相关系统(eddy covariance system,EC)-微型蒸渗仪(micro-lysimeter,MLS)结合法的区分结果进行了比较。研究表明:降雨后大气水汽稳定同位素组成δv显著降低,不同高度δv与大气饱和水气压差VPD、太阳净辐射Rn呈线性相关,相关系数R均值分别为0.65和0.51;土壤蒸发水汽稳定同位素组成δE存在显著的分馏效应,较低的土壤含水率和大气相对湿度会降低分馏效应;与传统的EC-MLS法的区分结果相比,利用Keeling Plot方法和连续原位监测的水汽稳定同位素信息,可准确估算农田蒸散比,误差仅为-0.02~0.08;试验观测期内即玉米中等覆盖地面后,IS法和EC-MLS确定的作物蒸腾与农田蒸散比的均值分别为0.81和0.78,二者较一致。     

基于双作物系数的旱作玉米田蒸散估算与验证

农田蒸散(ET)准确估算与区分对理解土壤-植物-大气连续系统水分传输动力学过程和调控机制具有重要意义。本研究基于FAO-56 Penman-Monteith(PM)模型计算参考作物蒸散量(ET0),运用双作物系数法计算黄土高原东部地区旱作玉米田2011-2012年蒸散(ETFAO),以同期涡度相关系统实测值(ETEC)作为标准值对双作物系数法计算结果进行评价,并将玉米田ET区分为土壤蒸发和作物蒸腾。结果表明:2011年春玉米生长季ET0、ETEC和ETFAO分别为628、400.3和492.7mm,双作物系数法RMSE、AAE和R~2分别为0.864mm·d~(-1)、0.678mm·d~(-1)和0.755,且R~2达极显著水平(P0.01);2012年三者分别为553、372.6和441.4mm,RMSE、AAE和R~2分别为0.676mm·d~(-1)、0.693mm·d~(-1)和0.781,R~2亦达极显著水平(P0.01),说明双作物系数法在该地区模拟旱作春玉米ET有较高的精度。基于双作物系数法对ET进行区分表明,2011年全生育期土壤蒸发和作物蒸腾分别占ET的36.4%和63.6%;2012年分别占ET的31.7%和68.3%,说明旱作春玉米田ET主要来自春玉米蒸腾。     

北京山区侧柏林蒸散组分d18O的确定及其定量区分

基于稳定同位素技术,对北京山区侧柏林蒸散各组分的δ~(18)O 进行了确定,并定量区分了蒸散量中蒸腾量和蒸发量所占的比例。在对侧柏林大气水汽氧同位素组成δV进行原位连续观测的同时,选择典型晴天对侧柏枝条和土壤进行野外采样,并结合室内分析分别获得了枝条和土壤水中的氧同位素值。结果显示:(1)用Craig-Gordon方程估测的4个测定日δE介于(-20.26‰)~(-17.48‰),δS介于(-5.22‰)~(1.75‰),δV介于(-19.09‰)~(-16.21‰),δSδVδE。表明在蒸发过程中,土壤蒸发水汽~(18)O 明显贫化;(2)基于稳态假设,4个测定日侧柏林δT介于(-7.31‰)~(-2.09‰);用Keeling曲线拟合的δET介于(-8.21‰)~(-3.84‰),且方程的相关性均大于0.89,δEδETδT,说明日中时满足氧同位素稳态假设;(3)在获得了δE、δT及δET的情况下,对侧柏林蒸散量进行定量区分的研究结果显示:4个测定日侧柏林蒸腾量占总的蒸散量的比例介于85.37%~93.04%。研究结果表明,侧柏林蒸腾量是蒸散量的主要组成部分,蒸腾耗水远远大于蒸发耗水。     

北京山区侧柏林蒸散组分δ~(18)O的确定及定量区分

基于稳定同位素技术,对北京山区侧柏林蒸散各组分的δ~(18)O 进行了确定,并定量区分了蒸散量中蒸腾量和蒸发量所占的比例。在对侧柏林大气水汽氧同位素组成δV进行原位连续观测的同时,选择典型晴天对侧柏枝条和土壤进行野外采样,并结合室内分析分别获得了枝条和土壤水中的氧同位素值。结果显示:(1)用Craig-Gordon方程估测的4个测定日δE介于(-20.26‰)~(-17.48‰),δS介于(-5.22‰)~(1.75‰),δV介于(-19.09‰)~(-16.21‰),δSδVδE。表明在蒸发过程中,土壤蒸发水汽~(18)O 明显贫化;(2)基于稳态假设,4个测定日侧柏林δT介于(-7.31‰)~(-2.09‰);用Keeling曲线拟合的δET介于(-8.21‰)~(-3.84‰),且方程的相关性均大于0.89,δEδETδT,说明日中时满足氧同位素稳态假设;(3)在获得了δE、δT及δET的情况下,对侧柏林蒸散量进行定量区分的研究结果显示:4个测定日侧柏林蒸腾量占总的蒸散量的比例介于85.37%~93.04%。研究结果表明,侧柏林蒸腾量是蒸散量的主要组成部分,蒸腾耗水远远大于蒸发耗水。     

基于叶面积指数改进双作物系数法估算旱作玉米蒸散

为准确估算和区分黄土高原旱作春玉米蒸散(evapotranspiration,ET),该文基于实测叶面积指数(leaf area index,LAI)动态估算基础作物系数,利用LAI修正土壤蒸发系数,并基于修正后的双作物系数法估算和区分黄土高原地区旱作春玉米ET,并以2012、2013年寿阳站基于涡度相关系统和微型蒸渗仪实测的春玉米ET和土壤蒸发(soil evaporation)对修正后的双作物系数法的适用性进行评估。结果表明:修正后的双作物系数法能够较为准确的估算春玉米ET,2012年春玉米全生育期ET估算值、实测值分别为365.3、372.6 mm,2013年分别为385.6、369.4 mm;2012年全生育期改进双作物系数法决定系数、均方根误差、模型效率系数和平均绝对误差分别为0.824、0.561 mm/d、0.817和0.449 mm/d,2013分别为0.870、0.381 mm/d、0.871和0.332 mm/d;同时,修正后的双作物系数法可对春玉米各生育期ET进行准确区分,土壤蒸发估算值与实测值有较好的一致性,2012年全生育期估算和实测土壤蒸发分别为0.98和0.99 mm/d,分别占ET的38.12%和37.08%;2013年估算和实测土壤蒸发分别为0.86和0.89 mm/d,分别占ET的33.59%和35.90%。因此,修正后的双作物系数法能够较为准确地估算和区分黄土高原地区旱作春玉米ET。该研究可为黄土高原区农田水分精准管理提供科学指导。     

灌溉农田水汽氢氧同位素组成特征研究初探

灌溉农田生态系统水汽变化能够直接反映其耗水状况。本研究应用基于高频实时气态稳定同位素分析仪的箱式法测定水汽氢氧同位素特征, 结合涡度相关技术所测定的农田水汽通量结果, 探讨不同高度大气水汽在不同时段的稳定同位素组成特征。研究结果表明: 对于不同的时间尺度, 生态系统边界层水汽稳定同位素组成在连续几天内的变化有波动, 日变化比较稳定, 小时尺度波动很小; 水汽稳定同位素的大气背景组成特征表现为日尺度上的组成变化呈稳步富集趋势, 小时尺度上几乎无变化。蒸散水汽重同位素特征随时间推移富集明显, 午夜蒸发和蒸腾水汽同位素组成特征相似, 清晨蒸腾水汽比蒸发水汽轻, 午间蒸腾水汽比蒸发水汽重。对于不同高度的水汽来说, 玻璃箱内蒸散水汽稳定同位素组成要比生态系统边界层2 m 处水汽高。建立了土壤蒸发和植物蒸腾稳定同位素变化特征与蒸散过程的线性关系, 相关系数达到0.87。     

应用修订的Shuttleworth-Wallace模型对 半干旱区覆膜玉米蒸散的研究

蒸散发(ET)包括植物蒸腾(T)和土壤蒸发(E),在维持全球能量平衡和气候调节中起关键作用。量化蒸散发及其组分在准确预报气候对生态系统碳水通量和能量的响应中至关重要。基于兰州大学半干旱区农业生态系统试验站2014年玉米生长季涡度相关仪的观测结果,利用修订后的Shuttleworth-Wallace模型(S-W模型)对覆膜玉米田的蒸散发进行模拟,利用实测值对模拟结果进行验证,对蒸散发及其组分的影响因素和敏感性进行分析。结果表明:S-W模型对覆膜玉米农田蒸散发的模拟结果在日蒸散量大于2 mm·d~(-1)的晴天和时晴时云天气较好,阴雨天气模拟结果较差,且模型模拟结果较涡度相关的实测值偏高。E/ET在一天内的变化为单峰曲线,在生长季尺度上,在玉米快速生长期呈下降趋势,在之后的时间基本保持不变。覆膜玉米农田的E/ET在日时间尺度的变化主要受气孔导度影响,在生长季尺度主要受叶面积指数和土壤含水量的共同影响。敏感性分析表明,蒸散发及其组分对作物冠层高度与参考高度间的空气动力阻力(raa)和冠层内边界层阻力(rac)均较敏感,对作物冠层阻力(rsc)敏感性适中,对地面与冠层间的空气动力阻力(ras)和下垫面裸土表面阻力(rss)不敏感,在应用S-W模型模拟覆膜玉米农田蒸散量时,要特别注意阻力参数raa、rac和rsc的合理确定。     

蒸散发条件下农田土壤水盐动态简化模型

利用需水系数、蒸腾系数和潜水蒸发经验公式,引入水分迁移系数和盐分迁移系数,建立了蒸散发条件下农田土壤水盐动态简化模型。提出作物根系吸水比例系数,用以区分计算土层下边界的根系吸水项和土壤毛管水上升项。引入盐分影响下的作物蒸散发修正系数,并与水盐生产函数相反馈进行土壤水盐动态的修正。该模型简单适用,可用于蒸散发期间田间水盐状况的调控管理。     

山东省禹城市夏玉米生长期水分利用特征分析

以山东省禹城地区夏玉米农田为例,利用氢氧稳定同位素技术测定2015年夏玉米生长期茎干水、大气降水以及不同深度土壤水的δD和δ18 O组成,利用直接对比法和多元线性混合模型法分析夏玉米对土壤水的利用情况,并分析农田降水—土壤水—作物水之间的转化规律。降水同位素测定结果显示禹城地区大气降水线方程为δD=6.55δ18 O-3.03(R2=0.88),斜率和截距均小于全球大气降水线,表明蒸发是导致同位素富集的主要过程。对夏玉米生长期水分来源特征分析表明,出苗期主要利用表层0—15cm土壤水,贡献率达73.9%;拔节期从土壤不同深处均吸收水分(0—55cm,81.8%),30—55cm处土壤水利用相对较多,也会利用同时期降雨;抽穗期较多利用深层土壤(30—55cm,71%),此时期浅层土壤蒸发强烈,土壤含水量快速减少,植物可利用水分较少。而30—100cm处土壤含水量受温度,土壤蒸发影响较小,为夏玉米生长持续提供稳定水分。灌浆期吸收各层土壤水分的量相近(15—100cm,72%),此时期无降水,温度下降,蒸发减弱,各层土壤含水量较稳定。成熟期主要吸收30—100cm处的土壤水分,贡献率达70%,表明降雨较少时,夏玉米吸收土壤水分依赖于较深层土壤。此外,夏玉米生长期水分来源受土壤体积含水量及土壤蒸发蒸腾的影响较大,同时降雨,大气温度及湿度会影响土壤含水量。通过水量平衡模型计算得出2015年夏玉米在出苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期的农田蒸散量分别为35.62,34.99,32.4,22.31,16.94mm。研究结果对于夏玉米不同生长期节水灌溉具有指导意义。     

双源蒸散发模型估算潜在蒸散发量的对比

潜在蒸散发取决于气候条件与下垫面植被覆盖状况,是农田及流域水循环研究的重要内容。该文针对现有的3种估算潜在蒸散发的双源模型(层状模型、块状模型、混合型模型),设定不同的下垫面植被覆盖状况,较为详细地比较了3种模型在不同植被覆盖条件下的潜在蒸散发估算能力,并对其区分土壤表面潜在蒸发与植被冠层潜在蒸腾的合理性进行了评价。结果表明,混合双源模型较层状模型和块状模型具有更好的模拟效果,能够适用于更广的下垫面植被覆盖状况。     

滴灌夏玉米土壤水分与蒸散量SIMDualKc模型估算

为研究西北半干旱地区作物蒸腾和土壤蒸发规律,以及土壤蒸发量占蒸散量的比例(简称蒸发占比),开展2 a夏玉米滴灌控水试验,设置正常灌水(W1)、适度水分亏缺(W2)和中度水分亏缺(W3)3个灌水水平.采用W2实测土壤水分数据对SIMDualKc模型进行参数率定,并采用W1和W3实测土壤水分数据对模型进行验证;进一步基于SIMDualKc模型对不同水分供应的土壤水分胁迫系数、土壤蒸发量、植株蒸腾和蒸散量进行定量模拟分析.结果表明,SIMDualKc模型可以较好地模拟西北半干旱区滴灌夏玉米不同水分供应条件下的土壤水分动态变化过程,实测值与模型预测值有较好的一致性(R2＞0.88,RMSE＜5％);夏玉米生长期,模型能较好地估算不同水分供应的土壤水分胁迫系数、土壤蒸发量和植株蒸腾.土壤蒸发主要集中在生育前期,而生育中期较低,后期略微升高.植物蒸腾主要集中在快速生长期和生长中期,整个生育期呈先增大后减小的趋势.蒸散量随着土壤蒸发和植物蒸腾的变化而变化,前期主要受土壤蒸发的影响,快速生长期、生长中期和后期主要受植物蒸腾的影响.Wl～W3处理土壤蒸发量为78.1～100.2 mm,植株蒸腾为221.8～293.3 mm,蒸散量为299.3～383.0 mm,蒸发占比为24.1％～28.7％.研究可为西北半干旱地区制定合理的夏玉米滴灌制度和灌溉决策提供理论依据.     

东北春玉米单株茎流变化规律及其农田尺度提升方法

为揭示春玉米单株茎流速率规律,明确单株茎流提升至群体蒸腾的尺度转换因子,2017和2018年连续在东北典型黑土区开展了春玉米田间试验,对春玉米灌浆期内茎流速率、气象数据、棵间蒸发及土壤剖面含水率进行观测和分析。结果表明:春玉米茎流速率有明显的昼夜变化规律,降雨对玉米茎流有较强的抑制作用,降雨后茎流速率明显升高;在晴、阴、雨天气情况下玉米白天茎流差异较大,且在阴雨天气情况下,茎流曲线呈多峰曲线,峰值较低。玉米茎流的变化是各种环境因素综合作用的结果,其中茎流速率与空气温度、光合有效辐射、相对湿度间相关系数的绝对值皆在0.8以上,表明他们是影响东北黑土区茎流速率的主要环境因素。以茎粗、茎干截面面积、叶面积为尺度转换因子将单株茎流尺度提升得到春玉米农田尺度群体蒸腾量,将2 a灌浆期春玉米群体蒸腾量与棵间蒸发之和,与水量平衡法计算得到的蒸发蒸腾量进行比较,误差均在20%以内。3种尺度提升方法和水量平衡法得到2 a春玉米灌浆期内日均蒸发蒸腾量分别在4.22～4.78、3.91～4.56 mm/d范围内。其中以叶面积为尺度转换因子计算的蒸发蒸腾量与水量平衡法的结果最为接近,相对误差在5%左右,表明东北高寒黑土区春玉米农田适合采用叶面积作为单株向农田尺度提升的转换因子。     

基于蒸发皿蒸发量的椰糠盆栽番茄适宜灌溉量估算与试验

目前以实测蒸腾量、田间持水量或累计太阳辐射作为灌水依据建立的温室作物蒸腾模型中,其灌水依据的确定所需监测参数项多,且对监测仪器精度要求较高。基于此,该研究以20 cm蒸发皿蒸发量为灌水依据,设置日光温室椰糠盆栽番茄3个生育时期的不同蒸发皿系数灌水量水平（苗期：0.2（ET1）、0.4（ET2）、0.6（ET3）;开花坐果期：0.3（ET1）、0.5（ET2）、0.7（ET3）;成熟采摘期：0.7（ET1）、0.9（ET2）、1.1（ET3））,对番茄株产量、水分利用效率（Water Use Efficiency,WUE）及品质进行综合评价,筛选出较优灌水量水平;基于较优灌水量水平建立蒸腾模型,并以其余两个处理实测值对模型进行验证。结果表明：ET2处理株高、可溶性糖和可溶性蛋白质含量分别显著高于其他处理8.54%～14.27%、28.61%～32.99%和38.70%～70.83%;相较于ET3处理,ET2处理可在仅降低株产量2.50%情况下提高WUE10.05%和节约灌水量22.23%。对株产量、WUE及品质进行主成分分析,综合得分最高处理为ET2;各因子对日蒸腾量的影响程度大小依次为日累积净辐射（M）、日平均温度（T）、叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）,日蒸腾量与M、T和LAI均呈极显著正相关;该研究基于ET2处理所建立的椰糠栽培番茄蒸腾模型拟合较好,均方根误差为49.88 g,相对误差为11.88%。研究结果可为日光温室椰糠栽培番茄高效生产和智能化灌溉提供科学依据和决策参考。     

基于液流计估测蒸腾分析覆膜滴灌玉米节水增产机理

深入了解覆膜滴灌下冠层辐射传输和能量分配情况,确定土壤蒸发和作物蒸腾之间的定量区分关系是合理灌溉和提高水分利用效率的重要研究内容。该研究在东北膜下滴灌地区开展连续2 a田间试验,测定了覆膜（M）和不覆膜（NM）玉米田的冠层辐射、田间土壤蒸发和作物蒸腾、作物生长和产量。结果表明：覆膜使冠层上方净辐射降低7.7%,从而减少了蒸发蒸腾可供能量,冠层下方净辐射降低34.0%,减少了土壤蒸发可供能量,冠层净辐射吸收量增加14.0% 用于作物蒸腾;覆膜能小幅度降低蒸发蒸腾总量3.9%～5.2%,而对其在土壤蒸发和作物蒸腾之间的分配影响显著,覆膜处理土壤蒸发占蒸发蒸腾总量的比例为12.5%～14.5%,而不覆膜处理该比例高达21.7%～25.0%;覆膜处理提高了成熟期玉米株高、地表20 cm高度处茎粗、生物量和最大叶面积,最终使产量提高5.9%～8.8%,水分利用效率提高12.0%～13.1%。综上所述,覆膜通过改变冠层辐射能量分配降低了玉米田蒸发蒸腾总量,提高了玉米产量和水分利用效率。     

通径分析结合BP神经网络方法估算夏玉米作物系数及蒸散量

准确估算蒸散量对于精准管理农田水分至关重要。为了解作物系数的动态特征,准确估算作物需水量,使用叶面积指数和气象要素模拟玉米全生育期作物系数及蒸散量。利用2018年五道沟实验站气象和称重式蒸渗仪实测数据,运用通径分析法筛选影响作物系数的关键因子,建立无雨期不同地下水埋深下作物系数模型,以此估算蒸散量。结果表明:1 m埋深下全生育期作物系数平均绝对误差为0.04 mm/d,相关系数为0.94,其中初期、发育期、中期和后期平均绝对误差分别为0.06、0.09、0.05和0.03 mm/d。3 m埋深下全生育期作物系数平均绝对误差为0.08 mm/d,相关系数为0.92,各生育期平均绝对误差分别为0.11、0.10、0.07和0.03 mm/d,利用温度、风速和叶面积指数模拟作物系数精度较高。1 m埋深全生育期ET平均绝对误差为0.72 mm/d,各生育阶段平均绝对误差分别为0.56、059、0.66和0.45 mm/d。3 m埋深全生育期ET平均绝对误差为0.73 mm/d,各生育阶段ET平均绝对误差分别为0.82、0.98、0.68和0.29 mm/d。不同时间尺度下(1、3、5 d)2种埋深ET模拟值与实际值一致性指数均接近1.00,平均绝对误差小于1.0 mm/d,预报准确率达70%。随预报时间尺度的增加,预报精度提高。该方法可用于夏玉米蒸散发量计算。     

日光温室番茄不同空间尺度蒸散量变化及主控因子分析

明确日光温室作物不同空间尺度蒸散量及变化规律是提高水分利用效率、实现农业水资源合理配置的关键。该文针对华北地区典型日光温室,于2015—2016年在中国农业科学院新乡综合试验基地,以滴灌番茄为研究对象,参考20 cm标准蒸发皿的累积蒸发量,设计充分灌溉和亏缺灌溉2种水平,研究不同水平下番茄叶片蒸腾、单株耗水(用茎流速率表征)和群体蒸散量的日变化和生育期变化,并采用通径分析法确定影响不同空间尺度蒸散量的主控因子。结果表明:叶片蒸腾和气孔导度随太阳辐射变化,峰值出现在10:00—14:00之间,移栽54~58 d后充分和亏缺处理的叶片蒸腾和气孔导度开始出现差异;充分和亏缺处理的单株耗水在晴天差异最大,阴雨天最小,且滞后太阳辐射约1 h;全生育期充分和亏缺处理的日群体蒸散量分别在0.32~6.65和0.15~5.91 mm/d之间变化,群体蒸散量在盛果期最大,占总耗水量的31.7%~34.7%。净辐射对叶片、单株和群体尺度的蒸腾量影响均显著,而水汽压差仅对单株和群体尺度蒸散量影响显著,估算日光温室番茄单株耗水和群体蒸散量时需考虑风速影响。水分胁迫条件下,考虑叶温变量可显著提高单株耗水和群体蒸散量的估算精度。研究可为不同空间尺度蒸散量转换方法的选择以及尺度提升理论模型的构建提供借鉴。