基于气象-生理的夏玉米作物系数及蒸散估算

准确估算作物系数对预测作物实际蒸散量和制定精准的灌溉计划至关重要。为反映作物逐日作物系数变化,综合考虑气象和生物因子对作物生长的共同影响,采用五道沟水文实验站大型蒸渗仪夏玉米实测蒸散及气象数据,基于地温及叶面积指数建立了气象-生理双函数乘法模型,并结合梯度下降法对模型进行了精度优化。结果表明,在整个玉米生长期中,作物系数实测值和计算值平均绝对误差为0.12,均方根误差为0.15,相关性为0.91,蒸散量实测值与计算值平均绝对误差为1.0 mm/d,均方根误差为4.5 mm/d,相关性为0.75。该模型计算的全生育期蒸散量准确率(误差在2～3 mm/d以内)相比使用联合国粮农组织(FAO)推荐的作物系数计算所得准确率提高了3倍以上,可更精确用于作物系数及蒸散量计算。     

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。     

基于天气预报的漳河灌区参考作物腾发量预报方法比较

为了提出适合湖北省漳河灌区的参考作物腾发量预报方法,以FAO56-Penman-Monteith公式采用历史气象数据计算出的值为基准,利用天气预报数据,比较Hargreaves-Samani(HS)法、逐日均值修正法及该文改进的逐日均值修正法在该灌区钟祥站点的预报精度,并评价各方法适用性.结果表明:利用这3种方法进行参考作物腾发量预报时,1~7 d预见期平均绝对误差均值分别为0.75、0.80、0.76 mm/d,均方根误差分别为1.00、1.07、1.05 mm/d,相关系数分别为0.82、0.80、0.80.1 d预见期最优预报方法为改进逐日均值修正法,2~7 d预见期的最优方法均为HS法.总体而言,预报精度最好的为HS法、改进逐日均值修正法次之、逐日均值修正法最差.对于漳河灌区,建议采用HS法进行预报,可为灌溉预报提供较为准确的数据基础.     

淮北平原有无作物生长条件下潜水蒸发规律试验

为进一步探索淮北平原不同土壤有无植被生长条件下潜水蒸发与地下水位的变化规律,该文依据五道沟实验站地中蒸渗仪60个原状测筒观测资料,从零埋深、埋深增加和临界埋深3个方面,比较了不同土壤有无植被潜水蒸发的差异,分析了潜水蒸发与气象要素的相关关系。通过逐日和逐旬参数拟合,得到砂礓黑土和黄潮土6个潜水蒸发最优公式及相关参数,建议使用彭曼公式计算的蒸发能力代替实测水面蒸发以提高拟和效果;沿着裸土潜水蒸发加作物多耗水量计算作物潜水蒸发的思路,推荐采用作物各生育期和埋深的多耗水量统计方法计算有作物潜水蒸发量,该方法较简便且适用性强,精度较高。     

盐碱土裸土蒸发Ritchie模型修正及验证

为研究大庆盐碱土区域裸土场地的蒸发规律,并探究Ritchie模型在大庆盐碱土区域的适用性,该文采用微型蒸渗仪对大庆高新区玉米种植场地裸土的蒸发情况进行试验研究,建立相对湿度、降雨量与裸土蒸发量的关系。利用实测值对不同月份Ritchie模型参数进行反算,验证计算所得参数的正确性。结果表明,修正后Ritchie模型计算的蒸发量均方根误差由修正前的3.04 mm/d减少到1.44 mm/d,表明修正模型能够有效地提高盐碱土区域蒸发量计算精度。研究可为黑龙江盐碱土棵间蒸发估算提供参考。     

基于SIMDualKc模型估算非充分灌水条件下温室番茄蒸发蒸腾量

为了探讨SIMDual Kc模型在西北地区温室环境不同水分处理的适用性,以番茄为材料,于2013-2015年在陕西省杨凌区温室内进行亏水处理试验,设置全生育期充分灌水处理、仅发育期亏水50%处理、发育期中期连续亏水50%和全部亏水50%共4种水分处理,通过2013-2014年试验数据对SIMDual Kc模型进行率定,采用2014-2015年试验数据对模型进行验证,并通过模型将土壤蒸发量和番茄蒸腾量分开,利用模拟结果分析不同水分处理对土壤蒸发量和番茄蒸腾量的影响。结果表明:模型模拟不同水分处理蒸发蒸腾量与实测值有较好的一致性,其绝对误差为0.22~0.33 mm/d,均方根误差为0.26~0.48 mm/d、决定系数为0.51~0.81。该模型可以准确的将不同水分处理土壤蒸发量和作物蒸腾量分开,且土壤蒸发量模拟值与实测值有较好的一致性,其绝对误差为0.016~0.024 mm/d,均方根误差为0.013~0.034 mm/d和决定系数为0.63~0.84;通过模拟得到的番茄蒸腾量计算不同水分处理的水分亏缺系数,研究表明水分亏缺系数随亏水时间的增加而降低,复水后水分亏缺系数有不同程度的增加,且发育期、中期和后期连续亏水50%时,后期时水分亏缺系数降到最低,为0.63。因此该模型在西北地区温室环境下非充分灌溉条件下有一定的适用性。除此之外,研究通过模拟结果分析非充分灌水下番茄的响应及复水后的补偿机制,为非充分灌水条件下番茄栽培提供理论依据。     

小麦/玉米套作田棵间土壤蒸发的数学模拟

为了探明小麦/玉米套作条件下棵间土壤蒸发规律及内在机制,该文将 Ritchie 模型和间套作群体光能传输模型结合起来模拟了小麦/玉米套作田的棵间土壤蒸发,并用2012年和2013年微型蒸渗仪的实测值对该方法进行了验证。结果表明,2 a模拟值和实测值的变化趋势都非常一致。与实测蒸发相比,该文所建模型2012年模拟结果的均方根误差为0.447 mm/d,平均绝对误差为0.331 mm/d,分别比原Ritchie模型降低16.8%和20.8%。在实测数据的88 d,累计实测蒸发量为107.2 mm,而模型的模拟值为100.5 mm,仅低估实测值6.7%。在2013年实测数据的68 d,累计实测蒸发量为83.1 mm,而模型的模拟值为73.7 mm,低估11.3%。模拟值与实测值的均方根误差和平均绝对误差分别为0.465和0.333 mm/d,略大于2012年。套作群体根系层水量平衡分析结果表明,小麦/玉米套作系统整个生育期土壤蒸发占总蒸发蒸腾的比例高达41.1%,故有必要在该套作农田实施秸秆覆盖等农艺措施,以减少棵间土壤蒸发,提高土壤水分的利用效率。该研究成果可为小麦套作种植模式下田间水分管理提供依据。     

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。     

热带测雨卫星数据在黑河流域的精度及应用

[目的]验证热带测雨卫星数据TRMM(tropical rainfall measuring mission)3B43降水产品在黑河流域内的精度及可用性,了解全流域降水的空间分布,为西北干旱区流域开展水文和生态研究提供数据支持。[方法]基于黑河流域1998—2013年TRMM 3B43V7数据和11个气象站点数据,使用相关系数、均方根误差、平均误差、平均绝对误差等主要指标评估其在流域内精度,揭示各指标空间分布特征。[结果](1)TRMM数据与实测数据有极强的统计相关性和趋势一致性,但存在不同程度高估现象,月平均高估2.84mm,季、年尺度高估值分别达到8.55和34.1mm;(2)相关系数、均方根误差,从上游到下游依次降低,平均误差在3尺度上上游值均远低于中下游,平均绝对误差在年尺度上游最低,下游次之,中游最高,而在季节尺度上中游相差不大,下游最小,月尺度从上游到下游平均绝对误差值逐渐递减。[结论]TRMM数据显示黑河流域多年平均降雨量呈西南部向中、北部递减的分布格局,且降水量具有上游中游下游的梯度分布,降水年内分配不均,主要集中在5—9月。     

有植被土壤潜水蒸发的模型研究

在农业生产上,潜水蒸发的水分可以补给作物根层土壤,供作物吸收利用。在地下水矿化度较高的地区,随着潜水水分的蒸发,盐分也随之向上运动,并积聚于土壤表层。如果积盐达到一定程度,将影响作物的正常生长。深入研究潜水蒸发的机理、潜水蒸发量的大小、变化规律及有植被土壤潜水蒸发的模型等,用该拟合公式可以估算辽宁省中部地区不同土质的月潜水蒸发系数,进而估算潜水蒸发量。有植被土壤潜水蒸发的模型的研究,对水资源评价、盐碱地治理、水利建设和指导农业生产等都具有十分重要的意义。     

不同质地裸土潜水蒸发估算方法

为定量分析裸土区潜水蒸发与水面蒸发的关系,该文通过自制试验装置,对粗砂、细砂、壤土和砂土4种质地土壤开展了二者之间相关关系的试验研究。结果表明:相同条件下,不同土壤质地的潜水蒸发与水面蒸发量不相等,二者之间存在一个折算系数,除粗砂外,细砂、壤土和砂土的折算系数均大于1,二者表现出较强的线性相关性,基于该相关性,建立了数学关系表达式。与实测数据的对比分析表明,若用水面蒸发强度代替潜水蒸发,相对误差达-17.79%,这将不可避免地影响到潜水蒸发计算结果的精度;而通过二者相关关系建立的折算系数法,可将相对误差减小至-1.94%,有效提高了潜水蒸发计算结果的可靠度。     

基于蒸渗仪测量的水文要素影响因素分析

降水入渗、地表径流、潜水蒸发等水文要素是研究流域水文及生态环境的重要因素。采用五道沟水文试验站蒸渗仪测量资料,统计分析前期土壤含水量、降水强度、地下水埋深及作物对降水入渗补给、地表径流及潜水蒸发的影响。结果表明:不考虑超渗产流,且在其它条件一致时,前期土壤含水量越大,降水强度越小,入渗补给和地表径流系数越大。无论地表有无作物覆盖,入渗补给、地表径流及潜水蒸发系数均随地下水埋深的增加而减少。降水量小于100mm时,无作物比有作物时的入渗补给系数大;降水量大于100mm时,无作物时的入渗补给系数较小。无作物比有作物时地表径流系数大、潜水蒸发系数小,而潜水蒸发系数的差异在作物生长旺季更为明显。研究成果对淮北地区水土流失治理和生态环境保护具有重要的理论和实际意义。     

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。     

基于蒸渗仪群淮北平原冻融期裸土及麦田潜水蒸发规律研究

为研究淮北平原冻融期潜水蒸发规律,采用五道沟水文实验站 38 套原状土蒸渗仪 1991 2018 年试验资料,采用非线性拟合方法,揭示了冻融期(12 2 月)砂姜黑土和黄潮土有无作物潜水蒸发变化规律。结果表明,淮北平原冻融期多表现为昼融夜冻现象,砂姜黑土和黄潮土有无作物潜水蒸发均随埋深的增大呈先增后减趋势,在埋深 0.1~0.3 m区间出现最大值,且种植小麦潜水蒸发量比裸地小。裸地情景下高斯函数拟合最好,拟合优度 R2 均大于 0.9,其中砂姜黑土冻融期 12 2 月潜水蒸发量最大时埋深平均值在 0.08 m 左右,黄潮土在 0.29 m 左右。小麦生长情景下类高斯函数拟合最好,拟合优度 R2均大于 0.9,其中砂姜黑土冻融期潜水蒸发最大值对应的埋深为 0,潜水蒸发随埋深递减,而黄潮土对应的埋深在 0.23 m 左右,2 种土壤有作物时最大值对应的埋深均比裸地小。拟合的函数形式可直接用于冻融期旬潜水蒸发量的计算。     

潜水埋深为零时塔里木盆地不同土质潜水蒸发与水面蒸发关系分析

根据渭干河灌区潜水蒸发试验站和阿克苏水平衡试验站的实际监测资料,分析了E601型蒸发器与E20蒸发皿观测的水面蒸发的关系、不同土质潜水埋深为零时潜水蒸发与水面蒸发的关系,提出了潜水蒸发能力系数的概念,并分析了其与土壤机械组成的关系.结果表明塔里木盆地非冻结期E601型蒸发器与E20蒸发皿观测的水面蒸发的折算系数变化在0.65～0.78之间;除细砂土外,E601蒸发器观测的水面蒸发强度不能代替潜水埋深为零时的潜水蒸发强度;不同质地土壤的粉粘粒(d<0.02 mm)含量百分数与潜水蒸发能力系数呈指数相关关系.     

覆土浅埋滴灌玉米田双作物系数模型参数全局敏感性分析

为深刻了解双作物系数模型参数对覆土浅埋滴灌玉米田蒸散发耗水结构及水分传输过程的影响,采用拓展傅里叶幅度敏感性检验法对模型参数进行全局敏感性分析,筛选出敏感参数,提高调参校准的效率和精准度。结果表明:参数±10%变化时,全生育期土壤蒸发量、作物蒸腾量、蒸散发耗水量最大值较最小值分别高18.72%、25.37%、19.9%。土壤蒸发是表土水分的消耗过程,总量在最大、最小值条件下1 m土层日贮水量动态接近,而作物蒸腾是消耗整个根系层内土壤水,总量变化对1 m土层水分消耗的影响较大。土壤蒸发总量的敏感参数为土壤表层可蒸发水量、生长中期基础作物系数,其全局敏感性指数为0.662、0.321,是不敏感参数均值的33.6~69.4倍。作物蒸腾总量的敏感参数为根系不受水分胁迫的临界土壤贮水量、生长中期基础作物系数、田间持水量,其敏感性指数为0.569、0.485、0.455,是不敏感参数均值的34.5~43倍。敏感参数与蒸发蒸腾的关系为:表土完全湿润后,其可蒸发水量决定干燥过程土壤蒸发量,二者正相关。中期基础作物系数影响蒸发系数,总蒸发量与其负相关。根系不受水分胁迫的临界土壤贮水量越高,玉米根区易利用的水量区间越窄,根系越早发生水分胁迫,作物蒸腾受限,总蒸腾量与其负相关。中期基础作物系数与总蒸腾量正相关,对其影响程度远高于初期、后期基础作物系数。田间持水量高的土壤能在灌溉、降雨量较大时存贮更多水分用于作物蒸腾,总蒸腾量与其正相关。     

土壤水盐与玉米产量对地下水埋深及灌溉响应模拟

引黄水量的削减将进一步加剧宁夏银北灌区农业用水短缺问题,合理应用地下水进行灌溉对保障作物产量具有重要意义。为探究地下水灌溉条件下土壤水盐与作物生长的互馈机制,该研究修正了HYDRUS-1D的土壤蒸发模块,并嵌入可模拟作物生长与产量的EPIC模块,以此提高该模型在农田水文过程模拟中的适用性。采用2008年银北灌区不同水质灌水处理的玉米田间试验数据对模型进行了率定与验证。进一步应用该模型探寻地下水灌溉条件下,土壤水盐动态及玉米产量对地下水埋深变动及灌溉的响应规律。结果表明,玉米产量随地下水埋深增大呈现先增后减趋势,为保障玉米产量应将地下水适宜埋深控制在140~155 cm,且灌水量不宜低于现状灌水量,即玉米生育期内灌3水,每次900 m3/hm2。该研究对干旱银北灌区农业生产具有重要意义。     

基于SIMDualKc模型估算西北旱区冬小麦蒸散量及土壤蒸发量

为研究西北旱区冬小麦蒸散和土壤蒸发规律,以及土壤蒸发比例与其影响因子的关系,利用2 a冬小麦小区控水试验实测数据,对SIMDual Kc模型进行了参数校正和验证,对比大型称重式蒸渗仪的实测蒸散量值(或水量平衡法计算值)与模型模拟值。用建立的模型模拟精度评价标准对模拟值和实测值的误差进行评价。用经参数校验的模型模拟冬小麦农田土壤蒸发,并与微型蒸渗仪的实测值进行对比。基于通径分析方法研究气象因子(最低气温、最高气温、平均相对湿度、2 m处风速、太阳辐射量)和作物因子(地面覆盖度)与土壤蒸发比例的关系。结果表明,该研究建立的模型模拟精度评价标准能够较为全面地评价模型精度;SIMDual Kc模型可以较好地模拟西北旱区不同灌溉制度下冬小麦蒸散量和土壤蒸发量的变化过程,且在模拟长时段累积值时具有较高精度;拔节-灌浆期是冬小麦的需水关键期,冬小麦全生育期土壤蒸发比例呈现出生长中期生长后期快速生长后期生长初期的规律;灌水仅在短时间内影响土壤蒸发,地面覆盖度是影响土壤蒸发的最主要因子;在实测数据不充足的情况下,可以将地面覆盖度和蒸散量作为输入变量,用该研究确定的土壤蒸发比例与地面覆盖度的回归模型计算土壤蒸发量,该模型在计算不同水分条件下冬小麦农田土壤蒸发量时表现出较高的计算精度,决定系数在0.721~0.902之间,可以作为计算土壤蒸发量的简便方法。研究可为西北旱区冬小麦农田节水和灌溉决策提供理论依据。     

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.