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中和热量过程的特征。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％。     

三江平原大豆田蒸散特征及能量平衡研究

试验研究三江平原大豆田蒸散规律、水分利用效率及辐射收支和能量平衡研究结果表明 ,三江平原 5～ 9月份农田蒸散力基本与降雨量持平 ,正常年份作物生育期内降雨量能满足农田蒸散量的需求 ,大豆田蒸散量变化与大豆叶面积指数的变化呈相关性。大豆生育期内净辐射通量占总辐射的比例有所变化 ,播种～苗后期其比值约为 50 %左右 ,开花～结荚期约为 60 % ,灌浆～收获期约为 55%。大豆田能量平衡具有明显日变化与季节变化特征 ,净辐射收入的 90 %以上用于潜热消耗 ,而用于感热通量与土壤热通量的消耗则极少 ,整个生长季分别低于1.5%和 10 %。     

黄土高原晋南旱塬长时间序列冬小麦产量与水量平衡要素动态变化

为揭示黄土高原旱地冬小麦田长期产量及水文变化,以山西省万荣县连作冬小麦为研究对象,分析了冬小麦产量1951—2020年变化趋势及气候年际波动对产量的影响,同时利用Hydrus-1D模型和标定的模型参数模拟了1965—2020年田间水量平衡要素各分量的变化过程。结果表明：试验地冬小麦产量多年平均增产率是31.9 kg/(hm²·a),年际气候变化对冬小麦产量的影响达到±22.4%,其中影响最为显著的气象要素是生育期平均相对湿度和全年降水量;标定期和验证期Hydrus-1D模型的决定系数分别为0.65～0.68,0.57～0.65;近56 a冬小麦平均蒸腾量为(176±29) mm,土壤蒸发量为(296±28) mm占降水量的60%～80%,渗漏量一般小于40 mm,土壤含水量变化为(-2±45) mm。综上,研究地70 a冬小麦产量呈上升趋势,且受年际气候变化的影响其产量波动较大。Hydrus-1D模型能够较好地模拟晋南旱塬冬小麦田的水文变化情况,多年来研究地冬小麦田土壤含水量呈下降趋势。     

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。     

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%。     

冬小麦-夏玉米适宜氮磷用量和平衡施肥效应

在河北衡水对冬小麦-夏玉米适宜氮、磷用量及高产高效平衡施肥效应的研究表明,在土壤中等肥力水平下,冬小麦-夏玉米施用氮肥和磷肥均能显著增加产量和效益,冬小麦和夏玉米施用氮肥分别增产11.1%～32.2%(平均22.5%)和12.5%～24.1%(平均19.2%),分别增收853.50～2 775.00元/hm2(平均1 876.60元/hm2)和1 352.33～2 293.77元/hm2(平均1 651.04元/hm2);施用磷肥分别增产8.1%～14.0%(平均11.7%)和2.5%～13.2%(平均9.1%),分别增收563.4～1 380.6元/hm2(平均974.7元/hm2)和189.74～1 458.39元/hm2(平均765.31元/hm2).冬小麦-夏玉米适宜N用量范围分别为220～260 kg/hm2和220～280kg/hm2,适宜施氮水平的氮肥利用率分别为36.5%和26.3%;适宜P2O5用量分别为90～110 kg/hm2和95～115kg/hm2,适宜施磷水平的磷肥利用率分别为16.8%～17.3%和11.8%～20.5%.冬小麦-夏玉米高产高效平衡施肥较农民习惯施肥增产5.3%～9.0%,增收454.19～992.5元/hm2,提高氮肥利用率5.0～15.2个百分点.     

冬小麦条锈病单叶光谱特性及严重度反演

对冬小麦条锈病胁迫不同严重度(0、1%、10%、20%、30%、45%、60%和80%)的单叶进行光谱测定,其光谱特征明显,随严重度增加,单叶光谱反射率在可见光550～740 nm处增加,差异显著;而近红外平台750～1340 nm反射率也呈上升趋势,差异不显著;中红外1350～1600 nm反射率上升,差异显著.反射率与严重度相关系数在376～1600 nm范围内基本成正相关,达到极显著相关的敏感波段区域为446～725 nm与1380～1600 nm.入选了493、666 nm和1430 nm与严重度的相关系数最高的单个波段,利用相关性最好的666 nm和相关性最弱的758 nm波段组合设计了光谱角度指数SAI(Spectral Angle Index),与严重度建立的模型相关系数较高.并利用连续统去除法对540～740 nm特征反射峰进行归一化定量分析,吸收深度(Depth)与吸收面积(Area)与严重度呈极显著相关,设计的吸收面积指数AAI(Absorption Area Index)与严重度相关系数最好,可较好地反演单叶严重度.结果表明,条锈病单叶光谱特性明显,利用其光谱反射率可以很好的估算单叶严重度,建立的模型具有很高的反演精度.结果对深入研究冬小麦条锈病害遥感监测机理提供了理论依据.     

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.     

辽宁东部山区几种主要森林植被类型水量平衡研究

采用固定标准地观测方法 ,在对辽宁东部山区 5种主要森林类型降雨分配、植被层的蒸腾耗水及林地土壤蒸发的实际观测及对某些平衡因子 (如径流量 )通过简化水量平衡方程余项法推求基础上 ,建立森林水量平衡关系。研究表明 ,各林分类型生长季总蒸散量为 4 76 .6～ 6 5 1.3mm,以林冠的蒸发散为主 ,占同期总蒸散量的 73.5 %～ 88.6 % ,林冠下林地蒸发散为 6 9.3～ 12 6 .5 mm,占总蒸发散的 11.4 %～ 2 6 .5 % ;林地不易发生地表径流 ,生长季地下径流深 76 .6～ 2 6 3.9mm ,占同期降雨量的 10 .3%～ 35 .5 %。各林型间水量平衡分量有很大差异 ,针叶林总蒸散量明显高于阔叶林     

冬小麦节水灌溉制度下不同施氮量的氮素平衡

用15N示踪技术研究了节水灌溉条件下冬小麦对不同施氮量的氮素吸收和氮素平衡 ,并比较了两种灌溉制度下小麦对节肥施氮量的吸收动态。结果表明 ,与常规施氮量处理相比 ,节水灌溉条件下节肥施氮量处理的氮肥损失率降低 ,氮肥当季利用率和土壤残留率提高 ;基施氮肥的利用率高于追施氮肥 ;土壤肥料氮的残留率在 2 9%～ 41 %之间 ,分布于 1m土层中 ,其中60 %以上集中在 0～ 2 0cm土层 ;在整个小麦生长季内 ,肥料氮并没有淋洗到 1 30m以下。节肥施氮量在常规灌溉下的当季利用率比在节水灌溉下降低 1 6 6%。     

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.     

巴丹吉林沙漠湖泊-沙山地貌格局对局地小气候的影响

通过对巴丹吉林沙漠腹地湖泊和沙山两测点不同气象要素的同期观测,对比分析了湖泊和沙漠区地表辐射特征、能量平衡、地表反照率、散度场和风沙环境等差异。结果表明,湖泊区的气压要比沙漠区高,在观测期内,平均高出约243hPa;沙山处摩阻速度的平均值为0.31m/s,而同期湖泊处为0.24m/s;散度场(D)与湖泊中心的垂直速度场具有很好的相关性,夜晚,D0时,湖泊中心有下沉气流,垂直风速为负值;而白天,D0时,湖泊中心气流上升,垂直风速为正值,存在一定的局地环流。     

华北平原冬小麦/夏玉米轮作田能量闭合状况分析

对华北平原冬小麦/夏玉米轮作田连续3a(2003-11-2006-10)涡度相关观测的能量闭合状况进行综合分析,并探讨下垫面对能量闭合程度的影响.结果表明,能量平衡比率(EBR)日变化规律明显,以昼夜交替时波动最大,下午略高于上午,白天能量闭合状况明显优于夜间.将湍流能的相位提前0.5h,湍流通量和有效能的匹配度及能量闭合程度均得到提高.白天EBR呈秋冬高(分别为0.98和0.94)、春夏低(分别为0.85和0.70)的季节变化特征,EBR的波动幅度依次为:夏＞秋＞冬＞春.下垫面状况对地表能量闭合程度影响显著,裸地阶段、小麦季和玉米季的年均白天EBR分别为1.11、0.94和0.74,小麦季的能量闭合状况优于玉米季;EBR波动幅度依次为:裸地阶段＞玉米季＞小麦季.观测期间,白天EBR年均值范围在0.82 ～0.97,平均0.89,较好地满足了农田通量观测对数据质量的要求.     

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。     

干旱区春小麦发育期反照率变化及其不对称性

反照率是影响农田热量平衡的一个关键因子,也是作物生长监测和产量估测的一个重要参数.为了研究反照率随春小麦发育期的变化规律,探讨地表反照率日变化的不对称性及其影响因子,运用辐射仪对春小麦分蘖、拔节、抽穗、灌浆及成熟等不同发育期的地表反照率日变化进行了观测.结果表明,地表反照率变化的整体趋势是随春小麦发育期的变化而先升(分蘖期至抽穗期)后降(灌浆期和成熟期).地表反照率的日变化随太阳高度角变化呈现上、下午不对称特征,当太阳高度角小于40°时,上午地表反照率要明显大于下午同样太阳高度角时的反照率,当太阳高度角大于40°时,上、下午地表反照率则逐渐对称.分析推测早晨春小麦叶片表面存在露珠是造成地表反照率日变化不对称的主要原因.研究结果为准确确定干旱区地表反照率及运用地表反照率进行作物生长临测提供一定参考依据.     

Latent heat flux estimation in clear sky days over Indian agroecosystems using noontime satellite remote sensing data

A simplified evaporative fraction (Λ) based single-source energy balance scheme was tested with moderate resolution (1 km) noontime satellite observations to evaluate clear sky latent heat flux (λE) estimates over diverse agricultural landscapes. This approach uses two-dimensional (2D) scatter between land surface temperature (LST) and albedo to determine Λ. The operational utility of this scheme was demonstrated for estimating regional evapotranspiration and consumptive water use during rabi (November to April) crop growing season to predict pre-harvest wheat yield (error within 15.9% of reported mean) using time series data. The existence of triangular relations between Λ and LAI (leaf area index) or NDVI (normalized difference vegetation index) was found with basal line (hypotenuse) linearly coupled with LAI or NDVI at low level of surface soil wetness. The analysis of diurnal course of in situ Λ proved the validity of constant-Λ hypothesis over pure, uniform, homogeneous crop canopies but showed irregular and wave-like patterns over heterogeneous, mixed crop canopies. The root mean square error (RMSE) of noontime and daytime average λE estimates with respect to in situ λE measurements were also smaller over homogeneous agricultural canopies (41 and 23 W m⁻²) with correlation coefficients (r) 0.94 and 0.96, respectively, from 135 clear sky datasets as compared to RMSE over heterogeneous ones (59 and 28 W m⁻² with r = 0.66 and 0.82, respectively from 22 datasets). The intercomparison with another Λ based approach (LST–NDVI 2D scatter) showed the supremacy of Λ determined from LST–albedo 2D scatter. The efficiency of LST–NDVI scatter was better during the dry down or water limited phases of crop growth only. The uncertainties of λE estimates were attributed to errors in core radiation budget inputs, relative loss of conservativeness of Λ due to canopy heterogeneity, and the inherent limitations of the single-source approach. There is further scope to reduce present λE uncertainties by combining the new findings on Λ (LST–albedo scatter)–NDVI triangular relations, diurnal Λ and two-source radiation budget.     

Persistent effects of fire-induced vegetation change on energy partitioning and evapotranspiration in ponderosa pine forests

We compared energy fluxes between a site converted from ponderosa pine (Pinus ponderosa) forest to sparse grassland by a severe wildfire 10 years ago and a nearby, unburned forest. We used eddy covariance and associated instruments to measure total radiation, net radiation, albedo, and fluxes of energy into latent heat, sensible heat, and the soil. Total radiation, vapor pressure deficit, and air temperature were similar for each site. Compared to the unburned site, net radiation efficiency (net radiation/total radiation) was 30% lower and albedo 30% higher at the burned site. The magnitude of sensible and latent heats varied seasonally at both sites. Sensible heat was the major component of the energy balance in cold or dry seasons, whereas latent heat was the major component in the warm and wet season. Soil heat flux was the smallest in magnitude of the measured energy fluxes. Compared with the unburned forest, the burn-created grassland generally had lower sensible and latent heats, but greater soil heat flux for both soil cooling in winter and warming in summer. The grassland had similar maximum air temperature as the forest, and warmer surface soil temperature during the summer. Thus, the lower albedo and greater sensible heat of the forest did not produce a warmer site compared with the grassland, apparently because of the cooling effect of greater latent heat in the forest. Our results suggest only small changes in site air temperature, but larger changes in site surface soil temperature by shifts from forest to grassland caused by severe fire in northern Arizona ponderosa pine forests.     

FACE条件下小麦冠层能量平衡和水分利用率的变化

本文利用中国开放式CO2浓度增高(Free-air CO2 Enrichment,简称FACE)系统平台,于2007年3月19日至5月24日小麦拔节至成熟期进行小麦冠层微气候及相关项目的连续观测,并结合能量平衡分析,研究中国FACE系统对小麦冠层能量平衡各分量的变化特征及水分利用率的影响.能量平衡分析结果表明,小麦冠层白天总显热通量FACE均高于对照,而总潜热通量FACE均低于对照,潜热通量FACE与对照的差异日最大值变化在-12～-63 W˙m-2之间,显热通量FACE与对照的差异最大值变化在12～78 W-m-2之间.能量平衡是小气候变化的根本,利用p-M方程反演出的冠层群体气孔导度与实测的气孔导度相关关系较好,证明能量平衡的计算结果及小气候观测数据基本正确.观测期间内模拟计算结果表明,CO2浓度升高使小麦的水分利用减小约25.5 mm,结合生物量的增加,FACE条件下小麦水分利用率增加约19%.