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。     

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。     

Penman Monteith模型中水稻冠层阻力的模拟

针对Penman Monteith模型冠层阻力的参数化问题,以南京地区2012-2013年水稻为研究对象,参照Jarvis的气孔阻力模型,建立了水稻的冠层阻力rc与气象、环境因子（太阳净辐射、饱和水汽压差、气温和土壤水分）的关系模型,并以蒸渗仪实测蒸散量资料为对照,对模型的精度进行检验。结果表明,所建水稻冠层阻力模型的拟合度2012年为0.911,2013年为0.810,将模型应用于Penman Monteith公式计算稻田蒸散量,两年的拟合精度分别为0.967和0.953,能较精确地估算稻田耗水量。对模型的敏感性分析表明,饱和水汽压差的拟合参数a2对模型的影响最显著。模型在一定程度上解决了冠层阻力计算复杂,观测量大且易产生观测误差的问题,可作为稻田蒸散的计算方法之一。     

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。     

不同蒸散量时间尺度提升法用于节水灌溉稻田的对比分析

蒸散量（ET）时间尺度提升方法能充分利用遥感数据与地面观测的优势,获得精确的区域日尺度估算值,对指导农业水管理特别是农田灌溉具有重要的意义。该研究以节水灌溉稻田为研究对象,基于2015和2016年稻季涡度相关系统实测数据,在能量强制闭合的条件下,选择了4种基于能量平衡原理的蒸散量尺度提升方法,分析了蒸发比、作物系数、冠层阻力、辐照度比4个尺度转换因子在节水灌溉条件下的变化特征,对比了四种方法提升估算日尺度ET与涡度相关系统实测值的差异。结果表明,节水灌溉条件下蒸发比、作物系数、冠层阻力3个尺度转换因子的生育期平均日变化和其他下垫面相比有一定特殊性,辐照度比的变化仅取决于研究区域所处纬度位置。作物系数法与冠层阻力法以 10:00－11:00小时值估算日蒸散量结果的准确性较好,决定系数和一致性系数分别达到0.92和0.97以上,正弦关系法的模拟效果稍差,但该方法估算效果稳定,可作为一种粗略的尺度提升方法。各时段蒸发比法估算值均存在一定程度的低估,但相关性较好,用考虑饱和水汽压差的线性关系修正后,10:00－11:00估算结果的准确性和一致性均最好,决定系数和一致性系数分别为0.987和0.996。研究结果明确了适宜长江中下游节水灌溉稻田ET时间尺度提升各估算方法的较优时段,并表明修正后的蒸发比法提升估算日尺度ET最优。     

网室内作物蒸散量的变化和影响要素研究

在香蕉种植网室内,研究了网室内外作物蒸散量和参考作物蒸散量的关系,以及网室内小气候变化对参考作物蒸散量的影响.研究结果显示,网室内参考作物蒸散量(ET0)和A级蒸发皿水面蒸发量分别比大田减少39%和42%,网室内香蕉树蒸腾量较网室外下降53%.网室内净辐射降低和风速减小是网室内香蕉树蒸腾量和参考作物蒸散量降低的主要原因,而网室内温度和饱和水汽压差变化对蒸散量的影响较小.建立了网室内参考作物蒸散量和网室内外水面蒸发量的关系,计算出该地区的A级蒸发皿系数为0.84.     

基于温室环境和作物生长的番茄基质栽培灌溉模型

为解决涵盖土壤蒸发和作物冠层蒸腾的土培作物蒸散模型不能直接应用于稻壳炭基质栽培番茄灌溉的问题,该研究首先通过修改Penman-Monteith模型的原始表达式来去除土壤蒸发部分,并引入TOMGRO模型来模拟番茄冠层生长,给出了阻抗参数的修正计算,得到了新的番茄基质栽培蒸腾模型。考虑到蒸腾模型中净辐射项削弱了室外太阳辐射对冠层及以下部整株植株的耗水影响,进而将新的蒸腾模型与太阳辐射线性比例供水模型结合建立蒸腾-辐射综合灌溉模型。结果表明,蒸腾-辐射综合灌溉模型对上海崇明A8温室番茄灌溉量的模拟结果与实际结果之间的相关系数高于0.95,平均相对误差小于20%。这说明蒸腾-辐射综合灌溉模型能够较好地估算温室稻壳炭基质栽培番茄的灌溉需水量,对深入研究温室灌溉实施具有参考价值。     

华北平原冬小麦田问蒸散与棵问蒸发的变化规律研究

试验研究冬小麦田间蒸散和棵间蒸发变化规律及其影响因子结果表明 ,播种～返青期冬小麦棵间蒸发占蒸散比例 (E ET)最大 ,抽穗～灌浆期最小。整个生长期间棵间蒸发占蒸散量 31 .4 % ,棵间蒸发占蒸散比例 (E ET)与冬小麦叶面积指数 (LAI)有一定关系 ,E ET =0 .36 93× (LAI) - 0 .74 93(R2 =0 .82 36 )。     

双作物系数模型SIMDual_Kc的验证及应用

为了将棵间蒸发与叶面蒸腾有效地分开,该文利用3 a冬小麦的田间实测数据（土壤含水率和实际腾发量）,率定和验证双作物系数模型SIMDual_Kc 在华北地区的适用性,并计算各生育阶段以及整个生育期冬小麦棵间蒸发量占作物腾发量比例。结果表明,模型模拟土壤含水率及实际腾发量的效果均比较好,拟合度较高。模型所模拟的棵间蒸发变化过程趋势明显,与作物生长阶段密切相关,整个生育期棵间蒸发量占作物腾发量比例在17%～22%左右变化,此模型在华北地区具有一定的适用性。     

冬小麦灌溉随机模拟模型研究

为了考虑随机因素(气象因素等)对冬小麦灌溉的影响，用时间序列方法建立了蒸发蒸腾量的随机模型，并将其导入田间水量平衡方程，推导出冬小麦灌溉的随机模拟模型。将该模型用于商丘市李庄乡的冬小麦灌溉，其灌水量与实际情况较为符合，最大误差仅为4.7%，可用于制定冬小麦的灌溉计划。     

六种冠层阻力模型在冬小麦蒸散估算中的应用

蒸散量是农田水循环中水分损失的主要途径,其准确估算对节水灌溉具有重要意义。单源的Penman-Monteith （P-M）模型是最常用的蒸散量估算方法,但模型中冠层阻力的合理参数化一直是研究中的难点。该研究选取常用6种冠层阻力模型,使用北京顺义2 a（2020年和2021年）的波文比实测结果,分析不同模型进行冬小麦冠层阻力及蒸散估算的可行性。结果表明：1）无参数校正条件下,6种模型均低估了冬小麦冠层阻力,同时高估了蒸散量。其中,Todorovic模型（TD）的普适性最好,其模拟的冠层阻力、蒸散量与实测值的R2都在0.605及以上;耦合的冠层阻力模型（CO模型）普适性最差,冠层阻力、蒸散量与实测值的R2分别为0.113、0.046;2）进一步使用2021年的试验数据进行模型参数校正、2020年的数据进行验证,发现校正后的JA、CO、GA、KP及FAO56-PM模型计算的冠层阻力和蒸散量与实测值的一致性大幅提高。除JA模型低估冠层阻力外,其余均高估冠层阻力、低估蒸散量。其中KP模型模拟的冠层阻力和蒸散量效果最好,R2均在0.907及以上,而其余5种模型估算精度也较好。6种模型的估算精度排序为KP、GA、TD、FAO56-PM、CO、JA。综上,所评价的模型校正后均可作为P-M模型的冠层阻力输入来估算冬小麦蒸散量,但TD 模型不需要参数校正,在数据不足时可作为首选;而KP模型参数较少,校正后拟合精度最高,在数据充足时可作为首选。研究结果对华北地区使用P-M一步法计算冬小麦蒸散量具有重要价值。     

R-K蒸散模型用于华北平原冬小麦农田的参数校正与评价

为了解华北平原冬小麦田蒸散特征,并对蒸散估算模型在冬小麦田的适用性和稳定性进行分析,该文利用涡度相关系统对2013-2015年冬小麦田的蒸散量进行观测,以气象数据为基础对估算模型Rana和Katerji模型(简称R-K模型)进行修正;利用修正后模型对日蒸散量进行预测;并与FAO-PM模型的预测值及涡度相关系统的测量值进行对比,来说明R-K模型在冬小麦田的适用性。结果表明冬小麦田蒸散量有明显的季节变化,日蒸散量在1月底最小,返青期开始逐渐增大,于4、5月份达到最大值;2个冬小麦生长季总蒸散量分别为436.3和334.8 mm。统计参数的对比说明修正后R-K模型对冬小麦田日蒸散量的预测效果优于FAO-PM模型。敏感性分析说明R-K模型对气象因素不敏感,稳定性良好。R-K模型对冬小麦不同生长阶段的蒸散量预测效果在后期表现最佳,其次为发育期、中期和初期,越冬期表现最差。该研究可为利用模型估算蒸散量及指导农田精确灌溉提供参考。     

灌溉频率对冬小麦产量及叶片水分利用效率的影响

为了探讨中国北方冬小麦高效节水灌溉模式,采用了3种灌溉处理:在拔节期一次灌溉120mm,在拔节期和抽穗期各灌溉60mm及在拔节期、抽穗期和灌浆期各灌溉40mm,研究了在总灌溉量为120mm的情况下,灌溉频率对冬小麦产量及叶片水分利用效率的影响.结果表明,在冬小麦的拔节期和抽穗期各灌溉60mm,显著提高乳熟期和蜡熟期旗叶...     

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。     

不同冠层阻力模型对冬小麦返青-成熟期蒸散量估算的影响

蒸散量是农田水循环的重要组成部分,其准确估算对精准灌溉及农业节水具有重要意义。PenmanMonteith(P-M)模型是常用的估算方法之一,但冠层阻力/表面阻力的准确表达一直是应用中的难点。选取常用的7种冠层阻力模型,根据北京市顺义区2a(2020年和2021年)的波文比实测结果,对不同模型模拟的小麦冠层阻力及P-M估算的小麦蒸散量进行比较,并进一步分析影响小麦冠层阻力的主要因子。结果表明,7种模型均低估了小麦冠层阻力,同时高估了蒸散量。总体而言,Todorovic模型（TD）模拟效果最好,其模拟的冠层阻力和蒸散量的R2均大于0.605,平均偏差（MBE）分别为-82.8s·m-1和10.4W·m-2,相应的均方根误差（RMSE）分别为254.4s·m-1和33.5W·m-2;其余6种模型表现均较差,所模拟的冠层阻力R2仅0.113～0.241,MBE和RMSE在-236.4～-61.3s·m-1、277.2～373.8s·m-1;基于6种模型模拟阻力得到的小麦蒸散量与实测值的R2在0.046～0.184,MBE和RMSE分别在44.5～97.4W·m-2、81.4～147.9W·m...     

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。     

Soil Evaporation and its Affecting Factors under Crop Canopy

Abstract

Based on field experiments, changing patterns and affecting factors of soil evaporation and energy balance under crop canopy were studied. Soil evaporation under crop canopy was measured directly using the microlysimetry technique. The main factors affecting soil evaporation under crop canopy including surface net radiation, leaf area index, soil water content, and crop growth period were analyzed to give scientific proof for the soil evaporation control. The results showed that no soil evaporation occurred under the crop canopy when net radiation was reduced to a threshold of 230.57 w/m². Under crop cover conditions, evaporation/evapotranspiration (E/ET) reduced with increases of crop leaf area index, followed by an exponential function to a leaf area index (LAI) threshold of 4. The cumulative evapotranspiration, transpiration, and evaporation under crop canopy conditions during the winter wheat growing season were 443.9 mm, 272.2 mm, and 171.7 mm, respectively, with E/ET having a relatively high value of 38.7%.     

不同时间尺度农田蒸散影响因子的通径分析

基于2011-2015年冬小麦农田实测大型称重式蒸渗仪数据及农业气象观测数据,分析不同时间尺度农田蒸散量的分布特征,并利用通径分析方法对各时间尺度农田蒸散的影响因子进行辨识。结果表明:(1)冬小麦开花-乳熟期典型晴天小时尺度蒸散呈单峰变化,最大值为0.9~1.1mm·h~(-1),日累计蒸散量7.0~9.1mm·d~(-1);冬小麦全生育期多年平均蒸散总量为385.4mm,日平均蒸散量为2.6mm·d~(-1),最大日蒸散量11.0mm·d~(-1),变化趋势为前期较低、后期较高;在生育期尺度,播种-返青期的蒸散速率较小,多年平均值为1.1mm·d~(-1),返青后,农田蒸散速率加快,多年平均值为4.2mm·d~(-1)。(2)不同时间尺度蒸散变化的影响因子主要包括净辐射(Rn)、饱和水汽压差(VPD)、0cm地温(T_(g0))、20cm土壤水分(SW20)。在小时尺度,VPD对典型晴天蒸散变化的直接作用最大,其次为Rn,T_(g0)通过Rn路径对EThourly变化产生间接影响,对蒸散的综合决定能力排序依次为VPDT_(g0)Rn;在日尺度,Rn作为最关键的影响因子,对蒸散的直接影响最大,VPD对蒸散的间接影响最大,VPD、T_(g0)主要通过Rn路径间接影响蒸散,SW20再通过T_(g0)路径间接影响蒸散且为负效应,各因子决策系数排序依次为RnVPDT_(g0)SW20;在生育期尺度,T_(g0)和Rn是驱动蒸散变化的最主要因子并起直接影响作用,决策系数表明T_(g0)对蒸散变化的促进作用比Rn明显。     

冬小麦拔节抽穗期作物系数的研究

在2000～2004年4个冬小麦生长季节研究了冬小麦拔节抽穗期农田蒸散量和参考作物腾发量（FAO56 PM方法计算）的关系，以及作物系数和叶面积指数及作物株高的关系。研究发现在冬小麦拔节抽穗前期，参考作物腾发量要大于或者接近于农田蒸散量，而在后期则要明显小于农田蒸散量。作物系数随着叶面积指数的增加和株高的增加而增加。用2003和2004年的数据回归建立了叶面积指数和株高与作物系数的数学表达式，并计算了2001和2002年的农田蒸散量。结果显示用叶面积和株高两种方法都能够很好的估算农田蒸散量。但是当农田蒸散量小于3 mm/d时，计算值要小于观测值。用叶面积指数和株高两种方法计算的农田蒸散量没有明显差别，说明用株高计算农田蒸散量是可行的。     

不同施肥处理下麦田水分利用过程及其效率特征

通过田间试验(2010—2011年),就不同施肥处理下麦田水分利用过程及其效率特征进行研究。结果表明:施磷量为90kg/hm2条件下,配施氮量在0～135kg/hm2时,农田耗水率(农田耗水量占总的供水量的比率,ET/SW)和蒸腾比率(蒸腾量占农田耗水量的比率,T/ET)随配施氮量的增加逐渐提高,考虑蒸腾消耗的作物水分利用率(籽粒产量与蒸腾量的比值,Y/T)和降水利用效率(Y/P)在施氮量为180kg/hm2时达到最大。施氮量为90kg/hm2条件下,配施磷量在90～180kg/hm2时,各处理的农田水分消耗率、蒸腾比率几乎相同,但明显高于单施氮肥处理,只考虑蒸腾消耗的作物水分利用率随施磷量的增加逐渐提高,降水利用效率在施磷量为90kg/hm2时达到最大值。与不施肥处理相比,施磷量为90kg/hm2与施氮量为180kg/hm2处理的麦田,冬小麦从拔节期至成熟期的农田耗水量增加23.5%,蒸腾量增加186.8%;农田水分消耗率提高10.5%,作物蒸腾比率提高200%,作物水分利用效率(Y/ET)达到11.13kg/(hm2.mm),降水利用效率达到18.73kg/(hm2.mm)。