不同水分条件麦田能量与CO2通量变化特征研究

试验观测不同水分处理冬小麦田能量平衡各分量、反射率和CO2 通量日变化及日际变化特征结果表明 ,小麦拔节期麦田地表反射率平均值约为 0 .18,不同水分处理农田潜热通量和显热通量均有明显差异 ,晴朗天气冬小麦冠层顶部CO2 通量日变化呈抛物线形 ,麦田主要表现为CO2 的汇。     

开放式空气CO2浓度升高对小麦冠层微气候的影响

利用农田开放式CO2 浓度升高 (Free-air CO2 Enrichment,简称FACE)系统平台,于小麦拔节-成熟期进行作物冠层微气候要素的连续观测.结果表明:FACE条件下叶片气孔导度低于对照,倒一、倒二、倒三叶的气孔导度比对照平均分别减少了28%、32%和26%,均达极显著水平(p<0.01);由于叶片气孔导度降低使得蒸腾降温作用减弱,导致白天FACE条件下小麦的冠层温度升高,开花-蜡熟期平均升高0.77℃,抽穗后最高达1.58℃;FACE系统中,白天小麦冠层内部空气温度比对照高0.12～0.98℃(最大差值),冠层顶部空气温度高0.03～0.7℃(最大差值),但冠层空气湿度均低于对照,冠层中部空气湿度最低差值在-0.3～-7个百分点;FACE处理对小麦冠层上方净辐射的影响不大.     

冬小麦冠层温度及其影响因素探析

采用涡度相关法测定冬小麦农田潜热通量和显热通量 ,研究农田热量平衡各分量及风速对冠层温度和冠层 大气温差的影响结果表明 ,净辐射通量是影响冠层温度高低的主要能量因子 ,二者呈极显著线性相关关系 (α =0 .0 1) ,潜热通量、显热通量和土壤热通量对冠层温度的影响与天气状况有关 ,风速变化对冠层温度的影响作用不显著 ,而与冠层 大气温差间有较好的负相关关系     

红壤坡地农业景观(旱季)地表界面水分传输研究——Ⅱ．叶面冠层一大气界面水分传输

定位观测红壤坡地典型作物系统叶面冠层 大气界面水分传输结果表明 ,叶面冠层 大气界面水汽传输通量大小取决于景观植物群落的构建 ,稳定群落叶面冠层 大气界面水汽传输通量有明显日变化规律 ,除受植物生理机制影响外 ,还明显受土壤水分和气象条件的影响。植株叶片蒸腾速率有明显日变化规律且呈单峰型曲线及多峰态势。净辐射、空气饱和水汽压差、气温、地表温度、风速对蒸腾的影响均达极显著水平 (正相关 ) ,其中净辐射、气温为主要影响因子。叶片气孔导度可反映叶片蒸腾速率 ,叶片气孔阻力日变化规律是植物对气象条件的响应 ,且受土壤水分状况强烈影响。改善作物生长环境 ,调节气孔行为 ,进而协调作物蒸腾作用和光合作用耗水制约 ,可调控叶面冠层 大气界面水分传输 ,提高作物水分利用效率     

苏南地区典型作物冠层阻力参数及潜热通量的模拟

准确测算和模拟农田潜热通量对农业生产有着重要意义。该研究基于波文比能量观测系统对苏南地区夏玉米和冬小麦生育期内潜热通量进行连续观测,采用Katerji-Perrier（KP）和Todorovic（TD）两种方法来确定Penman-Monteith（P-M）模型中冠层阻力参数,探究两种冠层阻力参数子模型的估算误差及成因。结果表明：冬小麦生育期内主要气象因子呈现相似变化趋势,净辐射日均值呈现出波动上升趋势。两种冠层阻力参数子模型对冬小麦潜热通量模拟均取得良好的模拟效果,模拟R2不小于0.84,纳什系数不小于0.86,但KP模型精度稍高于TD模型。KP模型对冬小麦和夏玉米潜热通量均有高估,而TD模型高估了夏玉米潜热通量,饱和水汽压差是影响KP和TD两种冠层阻力参数子模型误差的主要因素,且饱和水汽压差越大绝对误差越大。研究为当地农业用水管理提供科学依据。     

冬小麦农田尺度瞬态CO2通量与水分利用效率日变化及影响因素分析

以华北平原冬小麦农田尺度为研究对象,采用涡度相关技术,研究冬小麦灌浆期瞬态CO2通量日变化特征及其与农田热量平衡各分量的关系。结果表明,非水分胁迫下CO2通量日变化(负值表示通量指向冠层)为U型,群体净光合速率最高值为-1.2~-1.4mg/m2.s,夜间瞬态CO2通量呈非稳定变化,最高值达0.4~0.54mg/m2.s。白天时段内CO2通量与净辐射、潜热通量呈高度相关,8:00~15:30时段内CO2和水汽通量呈同步日变化趋势,水分利用效率处于稳定状态,瞬态水分利用效率基本维持在0.012~0.014g(CO2)/g(H2O)范围内;但早晨和傍晚时段内水分利用效率变化较大。     

半干旱风沙草原区草地潜热通量的特征

半干旱风沙草原区是北方的主要生态系统类型,对调节局地和全球气候具有重要意义.蒸散作为热量和水量平衡的重要分量,是该生态系统水分损失的主要途径,在水分平衡中占有重要地位.本文利用开路涡度相关系统和常规气象梯度观测系统对科尔沁半干旱风沙草原2007年9月1日-26日的蒸散量和微气象条件进行了观测,根据观测得到数据分析了观测系统的能量平衡闭合状况,探讨了潜热通量与气象因子之间的关系.结果表明,观测系统的能量平衡闭合度为82.7%,处于国内外同类观测闭合度范围的中上水平.30min的潜热通量与净辐射数据之间呈线性相关关系,潜热通量日变化特点是白天高于夜间,中午时刻最高,净辐射与潜热通量每日峰值同时出现,温度、饱和差的峰值比潜热通量峰值滞后2～3h,潜热通量峰值时刻的空气相对湿度处于一日内最低,此季潜热通量平均日总量为5.44MJ*m-2,相当于2.21mm蒸散量,潜热日总量与净辐射日总量呈指数关系.     

基于能量平衡的华北平原农田蒸散量的估算

通过测定冬小麦主要生育期农田冠层能量平衡的各分量、少风晴天时冠层温度和气温日变化及每周叶面积指数,分析了农田冠层能量平衡日变化规律、各分量季节变化特征,并以波文比系统实测蒸散值为相对标准,基于遥感冠层表面温度和能量平衡原理,采用Brown-Rosenberg公式对农田蒸散进行了估算和验证。结果表明：考虑夜间能量平衡各分量变化时,土壤热通量只占净辐射的3%左右,且夜间潜热交换值均很小,都在零左右波动;采用Brown-Rosenberg公式引入遥感冠层温度后估算的蒸散量较波文比系统实测值稍大,但忽略土壤热通量和考虑土壤热通量相比,二者相对平均偏差分别为16%和10%左右,差别不大,说明拔节-灌浆期（LAI≥3）估算蒸散时可近似忽略土壤热通量和夜间农田蒸散量,利用Brown-Rosenberg公式估算区域蒸散可行,该方法适用于华北平原农田蒸散计算。研究结果为将Brown-Rosenberg公式引入作物模型、基于热红外遥感冠层表面温度计算区域蒸散和水分胁迫系数进行区域估产提供了地面试验依据。     

轮作稻麦田水热通量及影响因素分析

轮作稻麦田水热通量及影响因素研究可为田间灌水管理和作物高效用水提供依据。该文利用波文比能量平衡监测系统测定的轮作稻麦田的水热通量数据及通径分析方法,分析了2种不同农田的水热通量变化规律及影响因素。结果表明轮作稻麦田的水热通量呈单峰曲线日变化。能量主要被潜热通量所消耗,全生育期小麦田潜热通量占可供能量的比例为71%,而2016和2017年水稻全生育期潜热通量占可供能量的比例分别为106%和122%,表明水稻冠层吸收了感热通量以进行水分消耗。净辐射对轮作稻麦田潜热通量的影响主要为直接作用,而1.5 m高气温、饱和水汽压差和风速主要通过净辐射路径对潜热通量产生间接影响。水稻田潜热通量受净辐射的直接作用小于小麦田,而受饱和水汽压差的直接作用大于小麦田。水稻田各影响因子对潜热通量影响的间接作用比小麦田更大。     

不同冠层阻力公式在玉米田蒸散模拟中的应用

在我国北方地区,水分供给一直是影响粮食产量的主要因素。玉米作为我国三大粮食作物之一,关乎其水分蒸散的观测和模拟一直是气象、水文、生态等相关学科的重要研究内容。研究玉米蒸散对于粮食安全、节水灌溉、提高作物水分利用效率具有重要意义。作为经典的双源模型,Shuttleworth-Wallace(SW)模型分别考虑土壤蒸发和植被蒸腾,非常适合于稀疏植被的蒸散估算。本文在SW模型中采用不同冠层阻力公式对玉米地蒸散进行模拟,并用涡度相关实测通量数据对模型的模拟效果进行验证。结果表明,采用Jarvis冠层阻力公式的SW1模型与采用Kelliher-Leuning冠层阻力公式的SW2模型模拟的蒸散量都与实测值吻合较好,相关系数均在0.85以上(P0.01),一致性指数都达到0.92以上。敏感性分析表明,SW模型估算蒸散对冠层阻力最敏感。在计算冠层阻力的各个参数中,SW1模型估算蒸散对田间持水量最敏感,其次是最小气孔阻力和有效叶面积指数;SW2模型估算蒸散对最大气孔导度最敏感。传统SW模型中,冠层阻力计算采用Jarvis公式,计算复杂。改用Kelliher-Leuning公式后,在一定程度上简化了模型的计算,更方便模型应用。     

华北平原典型冬小麦农田生态系统能量平衡与闭合研究

准确量化分析地气之间的物质和能量交换对于水资源管理和农业可持续发展是十分重要的。能量平衡闭合是评估观测数据准确性和分析地表能量平衡的一个重要的评价指数。本研究利用开路涡度相关系统和全要素自动气象站对华北平原典型冬小麦农田生态系统2013—2014年度的能量通量及常规气象要素进行了连续观测,分析了冬小麦农田各能量通量的日变化和年变化特征,计算冬小麦在4个生育时期(出苗期、越冬期、拔节期和灌浆期)的能量闭合和波文比。结果表明:在日尺度上,选取的4个生育时期净辐射和各能量分量的日变化趋势均为单峰二次曲线,净辐射、显热通量和潜热通量的峰值出现在12:00—13:00,土壤热通量的峰值出现在14:00—15:00。在年尺度上,净辐射和潜热通量的变化趋势较为一致,均在越冬期达到最低值114.51 W·m~(-2)和13.47 W·m~(-2),而在灌浆期达到最大值327.02 W·m~(-2)和116.56 W·m~(-2)。选取的4个生育时期的代表性观测日期能量闭合良好,能量闭合率分别为0.49、0.77、0.81和0.76。4个生育时期内波文比值日变化趋势均呈倒"U"型,出苗期波文比在14:00达到最大值2.12;越冬期、拔节期和灌浆期在10:00左右达到最大值,分别为1.48、0.31和0.58。本文的定量化结果可为华北平原农田生态系统水热通量等研究提供依据。     

三江平原稻田能量通量研究

基于三江平原稻田2005~2007年5~10月涡度相关通量观测数据, 分析了该区稻田能量通量的日变化、季节变化和能量分配特征以及能量平衡状况。结果表明: 三江平原稻田净辐射和潜热通量日变化均表现为明显的单峰特征, 感热通量日变化在水稻发育进入成熟期后才较明显, 而土壤热通量在水稻整个发育期内日变化特征都不明显。稻田净辐射季节变化特征显著, 6月下旬至7月上旬达到最大值18~20 MJ·m^-2·d^-1。潜热通量季节变化与净辐射同步, 最大值为13~19 MJ·m^-2·d^-1。相比之下感热通量较小, 观测期间变化于-3.90~ 3.94 MJ·m^-2·d^-1, 且没有明显的季节变化。5~10月土壤热通量呈下降趋势, 变化于-2.67~3.62 MJ·m^-2·d^-1。三江平原地区稻田能量分配特征明显, 潜热通量占净辐射的比例(LE/Rn) 5~10月平均值为0.67, 表明净辐射大部分以潜热通量形式所消耗, 但生长旺季LE/Rn略大于生长季初期和末期。感热通量占净辐射的比例(Hs/Rn)的季节变化特征与LE/Rn比值相反, 观测期间平均值为0.10。这导致波文比在水稻生长旺季较小而在初期和末期较大。5~10月土壤热通量占净辐射的比例(G/Rn)呈逐渐下降趋势, 其月平均值由5月的0.14下降到10月的-0.08。线性回归法和能量平衡比率均表明三江平原稻田能量明显不闭合, 2005、2006年5~10月能量不闭合度分别为22%和16%, 而2007年能量“过闭合”, 能量平衡比率平均值为1.07。     

麦田感热通量和潜热通量的测定与计算方法探讨

根据麦田微气象测定资料,用梯度法和地表面能量平衡方程计算感热通量和潜热通量,与热通量测定仪的实测值相比较,其结果非常一致.麦田能量传输主要表现在潜热通量和感热通量,而以潜热通量的方式为主,在有植被覆盖的麦田里潜热通量数值普遍大于麦茬田.这为计算田间能量平衡提供一个有效途径.     

华北地区冬小麦田辐射过程与热量过程的基本特征

观测了冬小麦全生育期田间小气候,分析了冬小麦田辐射过程和热量过程的特征。结果表明,1d中反射率中午低而早晚高,呈“U”字形,反射率中午最低值为0.12～0.17左右。晴天辐射平衡占太阳总辐射的60%～70%。充分灌溉的麦田中午潜热通量占辐射平衡的60%～75%。     

A comparison of operational remote sensing-based models for estimating crop evapotranspiration

The integration of remotely sensed data into models of evapotranspiration (ET) facilitates the estimation of water consumption across agricultural regions. To estimate regional ET, two basic types of remote sensing approaches have been successfully applied. The first approach computes a surface energy balance using the radiometric surface temperature for estimating the sensible heat flux (H), and obtaining ET as a residual of the energy balance. This paper compares the performance of three different surface energy balance algorithms: an empirical one-source energy balance model; a one-source model calibrated using inverse modeling of ET extremes (namely ET = 0 and ET at potential) which are assumed to exist within the satellite scene; and a two-source (soil + vegetation) energy balance model. The second approach uses vegetation indices derived from canopy reflectance data to estimate basal crop coefficients that can be used to convert reference ET to actual crop ET. This approach requires local meteorological and soil data to maintain a water balance in the root zone of the crop. Output from these models was compared to sensible and latent heat fluxes measured during the soil moisture–atmosphere coupling experiment (SMACEX) conducted over rain-fed corn and soybean crops in central Iowa. The root mean square differences (RMSD) of the estimation of instantaneous latent and heat fluxes were less than 50 W m⁻² for the three energy balance models. The two-source energy balance model gave the lowest RMSD (30 W m⁻²) and highest r² values in comparison with measured fluxes. In addition, three schemes were applied for upscaling instantaneous flux estimates from the energy balance models (at the time of satellite overpass) to daily integrated ET, including conservation of evaporative fraction and fraction of reference ET. For all energy balance models, an adjusted evaporative fraction approach produced the lowest RMSDs in daily ET of 0.4–0.6 mm d⁻¹. The reflectance-based crop coefficient model yielded RMSD values of 0.4 mm d⁻¹, but tended to significantly overestimate ET from corn during a prolonged drydown period. Crop stress can be directly detected using radiometric surface temperature, but ET modeling approaches-based solely on vegetation indices will not be sensitive to stress until there is actual reduction in biomass or changes in canopy geometry.     

基于能量平衡的喷灌作物冠层净截留损失估算

为了定量评价喷灌作物冠层截留损失，以地面灌为对照，利用热平衡茎流计对喷灌冬小麦和夏玉米冠层截留水量蒸发产生的蒸腾抑制效应进行了连续两年的田间观测，结果表明：各次灌水，喷灌冠层截留水量的蒸发明显影响田间小气候进而抑制作物蒸腾。喷灌冬小麦和夏玉米蒸腾抑制量变化范围分别为1.65～4.09 mm和0.50～2.75 mm。在此基础上，基于能量平衡原理，结合波文比能量平衡系统,计算出的冬小麦冠层净截留损失不足0.1 mm；夏玉米净截留损失变化范围在1～2 mm之间，占灌水量的4.3%～6.5%。     

Carbon dioxide and energy flux partitioning between the understorey and the overstorey of a maritime pine forest during a year with reduced soil water availability

Carbon dioxide, water vapour and energy fluxes were measured above and within a maritime pine forest during an atypical year with long-lasting reduced soil water availability. Energy balance closure was adequately good at both levels. As compared with what is usually observed at this site the ecosystem dissipated less energy via latent heat flux and more via sensible heat flux. The understorey canopy was responsible for a variable, significant component of the whole canopy fluxes of water vapour and carbon dioxide. The annual contribution of the understorey was 38% (154 mm) of the overall evaporation (399 mm) and 32% (89 mm) of the overall sensible heat flux (274 mm). The participation of the understorey reached 45% of the overall evaporation and 30% of the daytime overall assimilation during significant soil water deficit periods in summertime. Even during winter, understorey photosynthesis was consistent as it compensated soil and understorey respiration. The ecosystem behaved as a sink of carbon, with a negative annual carbon budget (−57 g C m⁻²). However, due to high soil water deficit, the annual ecosystem GPP was 40% less than usually observed at this site. This budget resulted from a sink of −131 g C m⁻² for the overstorey and a source of +74 g C m⁻² for the understorey. Moreover, on an annual basis the overstorey layer contributed to almost two-thirds of the ecosystem respiration. Finally, the effect of long-lasting soil water deficit on the maritime pine forest was found more important than the effect of the heat wave and drought of summer 2003.     

冬小麦高产群体源-库-流特征及指标研究

2005～2007年调查分析了山东省龙口和莱州两市的15块高产小麦田群体源-库-流特征。结果表明,"稳叶控株增穗"途径下的超高产麦田群体具有非叶面积比例高,总光合面积大,单位面积总粒数多,群体穗颈维管束总数多等特点,在增源、扩库、畅流方面都具有明显优势。在此基础上,提出了实现9000kg·hm-2麦田的源-库-流各项指标:开花期总光合面积在10～13m2·m-2之间,非叶面积与叶面积的比例在1.3～1.7左右;成熟时地上部生物产量在19500kg·hm-2左右,经济系数在0.45以上;开花期群体维管束总数在22×103～30×103束·hm-2之间,日输导量在230kg·hm-2左右,平均束通量在1mg·d-1左右。3年间小麦高产田源-流-库平衡的综合分析表明,控株增穗途径在增加小麦光合源方面更具优势。