作物需水时空尺度特征研究进展

受气象、土壤和种植条件等客观条件的影响，作物需水时空尺度分布具有明显的时空异质性，致使作物需水的理论和模型具有高度的尺度依赖性。基于此，该文对作物需水时空尺度特征的计算方法及其运用情况作了详细的阐述，并建议在今后作物需水时空尺度特征的进一步研究中，应以试验数据为基础，运用分形、小波、信息熵等复杂性理论，研究作物需水的时空尺度特征，发展既有理论基础又便于应用的区域尺度的作物需水量估算新模式。     

冬小麦返青后腾发量时空尺度效应的通径分析

作物腾发量（ET）的时空尺度效应是作物高效用水调控与节水灌溉管理中需面对的基础科学问题。该文对返青后冬小麦生育期内试验小区实际腾发量（ETa）和区域水分通量（LE）以及作物生长环境因子进行实测,利用通径分析方法,对冬小麦ET时空尺度效应及其主要影响因子进行分析。结果表明,不同时间尺度和空间尺度下,作物蒸腾蒸发的影响因子不同,显示了其不同的时空尺度效应。对试验小区实际腾发量ETa来说,以全日24 h的数据来分析,其主要影响因子是叶面积指数LAI和净辐射Rn,而白日时段（7:00-18:00）分析显示主要影响因子是空气饱和水汽压差VPD_7-18和叶面积指数LAI。对田间尺度的区域水分通量LE来说,全日24h数据的主要影响因子是净辐射Rn和作物高度H,白日时段（7:00－18:00）数据的主要影响因子是饱和水汽压差VPD_7-18和作物高度H。冬小麦返青后的时间尺度效应表现是全日24h作物腾发量的主要影响因子是净辐射,而白天时段影响腾发量的主要因子是空气饱和水汽压差;空间尺度效应表现是小面积的作物腾发量大小对作物的叶面积指数变化敏感,区域水分通量的大小与下垫面植被高度的变化有关。     

遥感反演蒸散发时间尺度拓展方法研究进展

区域尺度蒸散发的精确估算对农业生态系统和水文循环至关重要。由于地表空间异质性,传统点上测量和反演方法只能代表有限站点周围区域的蒸散发情况,遥感能够克服传统蒸散发的空间尺度拓展问题。由于遥感只能提供卫星过境时刻的瞬时值,根据其反演的蒸散发是瞬时蒸散发,现实生产活动中通常需要更长时间尺度的蒸散发值。围绕如何解决遥感反演蒸散发时间尺度拓展问题,该文系统介绍了遥感反演蒸散发时间尺度拓展方法,总结了每种方法的基本原理、优缺点、适用性和误差来源,对比了不同时间尺度拓展方法估算精度,并给出选取合适时间尺度拓展方法的可量化意见,简要分析了遥感反演蒸散发模型应用中的地表参数、时间尺度拓展方法本身算法、方法验证及适用性的不确定性,最后对遥感反演蒸散发时间尺度拓展方法的发展趋势进行了探讨。     

绿洲灌区小麦水分生产率在不同尺度上的变化

水分生产率是衡量农业生产水平和农业用水科学性与合理性的综合指标。文章根据民乐县洪水河灌区1995-2006年的气象、灌溉用水量、灌溉面积、作物产量资料,从田间、斗渠、干渠、灌区4个不同尺度分析了小麦灌溉水分生产率年份间的变化情况。结果表明：不同尺度上平均灌溉水分生产率不同,田间尺度为1.414 kg/m3,斗渠尺度为1.013 kg/m3,干渠尺度为1.089 kg/m3,灌区尺度为0.894 kg/m3,并且不同尺度上的灌溉水分生产率在年份间的差异也比较大。2001年洪水河灌区实施了节水灌溉工程,不同尺度上的平均灌溉水分生产率在2001-2006年较1995-2000年有所提高,田间、斗渠、干渠、灌区分别提高了7.9%、19.4%、16.5%、7.4%,说明目前斗渠、干渠尺度上节水力度大,节水效益明显,而灌区尺度还有较大的节水潜力,应成为未来农业节水研究的重点。     

作物多尺度力学初探

作物力学性能广泛应用于作物抗倒伏性、机器-作物-土壤互作系统和作物栽培等领域的研究,为培育抗倒伏品种、提高机器作业质量和改进栽培措施提供理论支持。作物的力学性能与其形态结构、解剖学特征、化合物组分等有密切关系。该研究在梳理作物力学性能研究的基础上,将作物多尺度力学概括为以作物为研究对象,分别以细胞壁层、细胞壁、细胞、组织和器官为基本元件,依次建立细胞壁、细胞、组织、器官和植株的几何结构与力学模型,并解析其力学性能的科学。进一步对细胞壁结构力学、细胞结构力学、组织结构力学、器官结构力学和植株结构力学的研究内容进行了归纳总结。该研究明确提出作物多尺度力学的概念、系统归纳其研究内容和方法,有利于促进作物多尺度力学理论的形成、数据库的建立和分析软件的开发。     

HIMS模型蒸散发模块的改进及在海河流域的应用

利用流域分布式水文模型精确模拟计算和分析流域内不同植被类型实际蒸散发量及其时空分布特征,是当前流域蒸散发研究的一个前沿与难点问题。本文基于点尺度蒸散发观测试验与机理研究,对HIMS(Hydro-Informatic Modelling System)日过程模型蒸散发模块进行改进,考虑流域内植被空间分布和生长变化特性及灌溉措施的影响,利用分类汇总和分段单值作物系数法计算流域实际蒸散发,并在海河流域进行验证分析。研究结果表明:流域实际蒸散发模拟值与水量平衡法计算值相差3.4%,与原HIMS模型相比,蒸散发模拟精度提高9.2%;改进的模型对原有模型的模拟内容有所扩展,能够模拟林地蒸散发、草地蒸散发、冬小麦?夏玉米农田总蒸散发、作物有效蒸腾和土壤无效蒸发。改进后的HIMS模型能够快速模拟分析流域内不同植被类型实际蒸散发量及其时空分布特性,可为海河流域蒸散发管理提供技术支撑。     

干旱区膜下滴灌向日葵农田蒸散发特征

膜下滴灌是中国西北干旱区农业的新兴节水灌溉模式，定量分析膜下滴灌农田蒸散发特征并对比分析其与普通灌溉农田蒸散发的差异，对认识和优化干旱区节水滴灌技术有重要意义。本文以新疆天山北坡三工河流域绿洲向日葵农田为研究对象，基于2016年作物生育期观测数据，利用波文比-能量平衡法、地理探测器及通径分析方法对作物不同生育期农田蒸散发特征进行了定量分析，并与普通灌溉农田进行了比较。结果表明：1）膜下滴灌农田日均蒸散量在作物开花期最高，成熟期次之，苗期最小；随着作物的生长发育，净辐射通量与日蒸散发的相关性逐渐降低；日均蒸散量在各阶段的变化特征与普通灌溉相同，但每个阶段的日均蒸散量均小于普通灌溉农田。2）膜下滴灌农田日内净辐射通量在开花期最高，成熟期次之，苗期最小；日内湍流通量方面，苗期潜热通量与显热通量相当，开花期潜热通量明显高于显热通量，而成熟期潜热通量小于显热通量；而普通灌溉农田在3个时期的潜热通量均高于显热通量。3）温度、湿度与风速是影响膜下滴灌向日葵农田蒸散发的主导因子，湿度的下限决定了蒸散发下限，风速与气温的上限决定了蒸散发的上限；风向对蒸散发的作用不明显。膜下滴灌向日葵农田具有独特蒸散发特征，与普通灌溉农田相比，全生育期节水量超过300 mm。     

区域农业系统自尺度与国家尺度上的协调度评价——以河北省曲周县为例

本文构建了区域农业系统协调度评价理论和指标体系,研究了区域农业系统协调度状况,分析了区域农业系统发展存在的问题,并提出了区域农业协调发展建设性建议.选取1995～2003年资料,从自尺度和国家尺度对河北省曲周县区域农业系统进行了协调度计算分析.研究结果表明:在自尺度上,曲周县区域农业系统及社会子系统以失调为主,生态子系统中期协调,前后期失调,经济子系统后期协调,前期失调;在国家尺度上,曲周县区域农业系统及其子系统均失调.表明在国家尺度上,区域农业系统与子系统的协调度较自尺度普遍降低,反映了曲周县农业系统在经济发展、社会发展和生态环境保护3方面国家尺度下处于较低水平,应加快促进系统的协调发展.     

新疆地区棉花和甜菜需水量的统计降尺度模型预测

气候变化情景下新疆地区作物需水量空间分布规律的研究,可作为农业用水规划的参考依据。基于新疆维吾尔自治区41个气象站1961-2010年逐日气象数据,分别采用FAO-56 Penman-Monteith公式和单作物系数法计算各站参考作物腾发量和作物系数,由两者的乘积获得棉花和甜菜需水量(crop water requirement,ETc);运用统计降尺度模型SDSM4.2软件,预测2015-2099年高排放和低排放两种气候情景下各站棉花和甜菜的日ETc时间序列。结果表明,新疆地区1961-2010年棉花和甜菜在不同生育阶段作物系数变化范围为0.58~1.08,棉花和甜菜生育期多年平均ETc的空间分布由南部向北部逐渐减小。统计降尺度预测过程中的26个预报因子中,地表平均比湿和地表平均气温与ETc在多数站点相关性较好。2015-2099年高排放和低排放情景下的ETc空间分布规律与1961-2010年的类似,但数值小的多。总体上,全疆历史和未来的棉花和甜菜ETc均以不同程度下降。该研究可为新疆地区灌溉决策及节水规划提供依据。     

国外作物生长模型区域应用中升尺度问题的研究

系统研究总结了小区或田间尺度上开发的作物生长动力模拟模型应用于更大区域尺度和更高级系统水平时 ,易发生环境变量的时空变异、响应变量的空间归并以及由于空间平均、时间变异和现有模型未考虑的新特性及其新过程时所产生的偏差等升尺度问题 ,归纳并提出有效控制和减小误差的方法     

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。     

河网区灌溉水利用系数的尺度转换

大尺度灌区灌溉水利用系数的测定条件难以保障,而小尺度灌区的灌溉水利用系数可以通过试验测定,如何通过小尺度灌区的灌溉水利用系数来预测大尺度灌区的灌溉水利用系数,就有必要对灌溉水利用系数的尺度转换问题进行研究。河网灌区的特点是没有统一的水源引水口,通常是由若干个小灌区合并成一个大灌区,是一个典型的自相似系统。论文以地处里下河水网地区的盐城市水稻灌区作为研究对象,于2012-2013年对9个县区不同规模的样点灌区进行了灌溉水利用系数的试验观测,利用分形理论研究了河网灌区的分形特征,运用盒维数法计算了盐城市河网灌区和不同尺度灌区的盒维数,其盒维数介于1.703~1.996之间,并随着面积尺度的增加而增大。基于灌溉水利用系数与灌区面积、盒维数的相关性,建立了河网灌区灌溉水利用系数尺度转换模型,并通过验证,表明该尺度转换模型能够较好地预测河网灌区灌溉水利用系数,同时也能够很好地实现灌溉水利用系数的尺度转换,为分析河网灌区灌溉水利用系数及其尺度效应提供了新途径。     

时间尺度对农田灌溉设计保证率的影响

设计保证率是灌溉系统设计的重要参数之一,以年尺度为计算时段选择的典型年,存在对降雨的年调节估计过高的可能。该文以河南省郑州市1951—2015年的气象数据为基础,对其年降雨量、月降雨量及旬降雨量等进行排频计算,分析了不同灌溉设计保证率下对应典型年的降雨分布。以冬小麦、夏玉米需水关键期对应的4月、7月和8月为典型时段,研究了同一保证率下降雨的变化情况,并按照不同的计算时间尺度制订出相应的灌溉制度,讨论了时间尺度对灌溉定额及降雨利用量的影响。结果表明:1)在相同灌溉设计保证率下,各典型年、月和旬的降雨量均相差较大,同一月份的降雨量相差5倍以上;降水量的极差由大到小依次为年尺度、月尺度、旬尺度。2)利用水量平衡法,制订了不同时间尺度下典型年冬小麦-夏玉米连作的灌溉制度,在25%灌溉设计保证率下,季尺度下的年灌溉定额显著高于日尺度;与季、月和旬尺度相比,日尺度下的年灌溉定额分别降低了34%、23%和3%;偏干旱年灌溉定额随降水计算尺度减小而减小,但差异不明显。考虑不同的时间尺度具有不同的节水潜力和效果,完善灌溉排水工程中相应标准及其选取方法,选择合适的计算时长,既有利于落实灌溉设计保证率,又能提高各种水资源的利用率。     

不同作物类型下蒸散发时间尺度扩展方法对比

该文的目的是评价由瞬时潜热通量经过时间尺度扩展方法计算日蒸散发量的可靠性。为此,采用蒸发比法、改进的蒸发比法、正弦关系法及作物系数法等4种常用的蒸散发时间尺度扩展方法,针对位于华北平原的高营站和位于东北平原的通榆站的5种典型下垫面类型,分别对瞬时潜热通量进行时间尺度扩展,估算日蒸散发量,并与通量站采用涡度相关系统观测的日蒸散发量进行对比。结果表明,尽管4种方法在总体上具有一致性,但改进的蒸发比法的模拟精度最高(相对均方根误差20%左右),更适合于估算中国北方典型农田的日蒸散发量。然而,4种方法均存在系统误差,从而导致采用上午时段瞬时通量估算的日蒸散发量系统偏小,而采用下午时段估算的日蒸散发量系统偏大。     

基于GLEAM遥感模型的中国1980－2011年地表蒸散发时空变化

对中国地表蒸散发时空变化的分析,有助于了解气候变化对水循环的影响及对中国水资源的合理配置。该文基于GLEAM（global land-surface evaporation: the Amsterdam methodology）遥感蒸散发模型,通过对GLEAM产品在站点尺度和流域尺度的精度验证以及中国地表蒸散发时空变化特征的研究,得出以下结论：1）GLEAM产品在中国区域满足精度要求,在站点尺度上,GLEAM产品在草原半干旱区的模拟程度最好,海北、内蒙古、当雄3个草原站皮尔逊相关系数（pearson correlation coefficient,CC）均值为0.77（0.65～0.85）;森林站的CC相关系数均值为0.66（0.40～0.85）,禹城农田站CC值为0.68;在流域尺度上,海河（相对偏差（relative bias,RB）16.2%）、黄河（RB,15.2%）、西北诸河流域（RB,9.2%）的验证结果精度较好。在绿洲或农灌区降水较少的年份,GLEAM产品符合地表实际蒸散发可能大于降水的规律;2）1980－2011年中国的多年平均蒸散发为18～1 400 mm,空间分布呈从西北向东南方向递增,西北地区多年平均蒸散发最少,海南岛与台湾岛是多年平均蒸散发的极大值区;3）1980－2011年中国平均的年地表蒸散发变化范围为349.7～436.0 mm,多年平均年地表蒸散量为397.5 mm。近32 a中国区域平均地表蒸散发呈显著的上升趋势,上升速率为12.3 mm/(10 a);4）1980－2011年中国各栅格地表蒸散量变化速率为?86.5～108.7 mm/(10 a),地表蒸散发减少的面积占28.4%,9.45%的区域地表蒸散发呈明显减少、显著减少及急剧减少趋势,主要位于内蒙古东部、青藏高原西部（新疆西部及东北部、西藏西北部）、甘肃南部等地。地表蒸散发增加的面积占71.6%,18.2%的区域地表蒸散发呈显著增加、急剧增加的趋势,主要位于海河区的河北南部及山东西北部、淮河流域的山东半岛、黄河区的青海东部、长江中下游区的四川东部、山西南部、湖北、湖南、安徽、江西等地、东南诸河区、珠江区及云南南部等;5）各栅格年蒸散发的变化趋势主要由夏季蒸散发变化趋势主导,春季、秋季、冬季对年蒸散发变化趋势的影响较弱。该研究对理解中国气候变化与水资源之间的相互影响具有重要作用,可为中国水资源评价与管理提供参考及决策依据。     

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。     

基于粒子群的大系统优化模型在灌区水资源优化配置中的应用(简报)

针对灌区水资源优化配置模型存在等式约束的特点,在分析粒子群算法寻优策略的基础上,建立了基于粒子群的大系统优化模型.同时.提出有效的控制粒子速度大小的方法, 克服了粒子因速度过大易逃出约束空间而造成程序中断的不足,成功地将粒子群优化算法应用于作物灌溉制度的寻优中.利用此模型将有限的水资源分配到灌区中的不同子区、子区中的不同作物以及作物的各生育阶段,取得了较好的效果.