河西绿洲膜下滴灌调亏对食用向日葵耗水特征、光合特性及品质的影响

于2019年在张掖市益民灌溉试验站进行食用向日葵膜下滴灌调亏大田试验,探究在现蕾期、开花期和灌浆期充分灌溉条件下,苗期轻度—成熟期(轻度、中度)水分调亏、苗期中度—成熟期(轻度、中度)水分调亏、苗期重度—成熟期(轻度、中度)水分调亏处理分别对食用向日葵耗水、光合特性、品质及产量的影响,为河西绿洲冷凉灌区优质高产高效种植食用向日葵提供理论依据。结果表明:(1)苗期和成熟期食用向日葵的阶段耗水量、耗水模数、日耗水强度均随水分调亏程度增加而降低,与充分灌溉相比,苗期水分调亏处理阶段耗水量、耗水模数、日耗水强度降幅分别为10.10%～46.08%,7.57%～34.58%,10.68%～46.60%,成熟期水分调亏处理阶段耗水量、耗水模数、日耗水强度降幅分别为5.50%～30.29%,2.93%～16.72%,5.56%～30.34%,苗期重度水分调亏经后期复水补偿作用有限;(2)苗期重度和成熟期中度水分调亏显著降低食用向日葵叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率(P0.05),与充分灌溉相比,苗期重度水分调亏的降幅分别为40.30%～45.98%,43.99%～47.37%,38.20%～42.10%,成熟期中度水分调亏的降幅分别为14.23%～32.07%,15.98%～51.23%,10.02%～28.45%;(3)苗期中度—成熟期轻度处理品质最优,其粗脂肪含量与粗蛋白含量较充分灌溉分别显著提高10.84%,14.90%(P0.05)。(4)苗期中度—成熟期轻度水分调亏处理产量为4 145 kg/hm~2,与对照CK处于同一水平,产量无明显降低情况,具有节水、调质作用。综合考虑食用向日葵耗水量、光合特性、品质及产量等指标,在其他生育期充分灌溉条件下,进行苗期中度—成熟期轻度水分调亏,作为当地食用向日葵节水优质最优调亏灌溉模式。     

冬小麦农田二氧化碳通量及其影响因素分析

以冬小麦农田为研究对象,利用涡度相关通量测量系统,测定了CO2通量及其影响因素。结果表明:冬小麦CO2通量存在明显的日、季变化,各生育时期CO2通量日变化均呈倒"U"型,CO2通量瞬时最高值和累积值在灌浆前期达到最大,抽穗期次之,返青期最低。潜热通量、显热通量、净辐射、光合有效辐射均与CO2通量呈极显著正相关。潜热通量与CO2通量的相关系数在0.920～0.955之间,苗期、拔节期和抽穗期相关性较高,灌浆期较低;显热通量与CO2通量的相关系数在0.801～0.953之间,拔节期相关性最高,苗期次之,抽穗期和灌浆期较低;净辐射与CO2通量的相关系数在0.879～0.967之间,苗期、拔节期和抽穗期较高,灌浆期较低;光合有效辐射与CO2通量的相关系数在0.910～0.953之间,冬小麦生育前期和后期光合有效辐射对CO2通量的影响小于生育中期。灌溉在一定程度上可以提高CO2通量。     

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。     

Stacking集成模型模拟膜下滴灌玉米逐日蒸散量和作物系数

为准确模拟膜下滴灌玉米逐日蒸散量和作物系数,该研究以4个经典机器学习模型:随机森林(Random Forest,RF)、支持向量机(Support Vector Machine,SVM)、BP神经网络(Back Propagation Neural Network,BP)和Adaboost集成学习模型(Adaboost,ADA)为基础,基于Stacking算法建立了集成学习模型(Linear Stacking Model,LSM)对膜下滴灌玉米逐日蒸散量和作物系数进行模拟。并将LSM的模拟精度与RF、SVM、BP和ADA模型的模拟精度相比较,结果表明:1)RF、SVM、BP和ADA模型模拟膜下滴灌玉米的逐日蒸散量和作物系数时的相对均方根误差均大于0.2;2)相比RF、SVM、BP和ADA模型,LSM模型提高了玉米逐日蒸散量和作物系数模拟精度。LSM模拟的膜下滴灌玉米的作物系数相比于FAO推荐值更接近实测值;3)日序数、平均温度、株高、叶面积指数和短波辐射5个特征对玉米膜下滴灌玉米日蒸散量和作物系数影响最高,基于这5个特征建立的LSM模型模拟膜下滴灌玉米的蒸散量和作物系数的R2分别为0.9和0.89,相对均方根误差分别为0.23和0.16。因此,建议在该研究区使用日序数、平均温度、株高、叶面积指数和短波辐射5个特征参数建立LSM模型模拟膜下滴灌玉米蒸散量和作物系数。该研究可为高效节水条件下作物蒸散量和作物系数的精准模拟和合理制定灌溉制度提供参考。     

干旱区咸水滴灌土壤盐分的分布与积累特征

通过三年咸水灌溉田间试验,探讨了新疆干旱区膜下滴灌条件下,咸水灌溉后土壤中盐分的分布及积累特征。研究结果表明:膜下滴灌棉田持续利用咸水进行灌溉,土壤中盐分逐年增加,积盐程度随灌溉水盐度的增加而加重。地表滴灌土壤盐分的表聚明显;而地下滴灌在滴灌管上部土层盐分含量较高。与地表滴灌相比,地下滴灌的盐分会被淋洗到更深的土层。两种滴灌方式下,0￣100cm土壤平均盐度均逐年增加,且积累程度随灌溉水盐度增加而加重。在干旱区连续进行咸水灌溉,盐分的累积效应非常明显,如果不采取必要的洗盐措施,土壤中盐分最终会累积到危害作物生长的程度。     

长期滴灌棉田土壤盐分演变趋势预测研究

膜下滴灌节水增产高效的表现使其成为我国西北干旱区绿洲农田普遍使用的灌溉方式.然而,长期滴灌下土壤盐分的变化趋势亟待研究.于2010年在新疆玛纳斯河绿洲进行微成水灌溉试验,校验Hydrus 2D模型,并模拟预测长期滴灌下土壤盐分积累的变化特征.结果显示:Hydrus 2D模型可以有效模拟滴灌土壤盐分分布与积累特征;滴灌根区土壤盐分主要受灌溉输入土壤盐分与深层淋洗作用影响,随着滴灌年份的增加,根区盐分逐步增加,作物蒸腾受限,下渗淋洗量加大,最终根区的输入盐量与淋洗盐量相当,根区盐分处于相对平衡状态.以矿化度分别为4.8,3.2,1.6,0.8 g/L的灌溉水质为例,在420 mm灌溉水量下,分别在10,15,20,35 a后土壤盐达到平衡,根区盐分分别稳定在4.2,3.8,3.2,2.8 mg/cm3,作物的蒸腾满足率分别为72％,80％,85％,91％,为保证研究区内作物的正常生长,需要的灌溉量至少应分别为495,470,425,395 mm.     

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     

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。     

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 %。     

青藏高原高寒金露梅灌丛湍流热通量交换与分配特征及其环境影响机制

青藏高原重要植被类型之一高寒灌丛的湍流热通量交换是局地微气候特征和植被物候事件的主要调控因素,但其时间格局与分配特征及环境影响机制尚不明确。以青藏高原东北隅的高寒金露梅(Potentilla fruticosa)灌丛为研究对象,基于涡度相关系统连续观测的湍流热通量,研究该生态系统显热通量和潜热通量交换与分配的特征及潜在环境调控过程。结果表明(1)全年逐时显热通量和逐时潜热通量的平均日变化均表现出单峰型特征,最大值出现在13:30左右。在非生长季(11月-翌年4月)、生长初期(5月)和生长季末期(10月),热量交换以显热通量为主,而在生长季中期(6-9月)则以潜热通量居多;(2)显热通量呈现出双峰型季节特征,最大峰和次高峰分别出现在4月中旬和10月上旬。潜热通量为单峰型季节变化,最大值在7月下旬;(3)湍流热通量的逐时、逐日变异均主要受控于太阳短波辐射;(4)波文比呈现出U型季节变化,而解耦系数、蒸散比例表现为钟型季节变化,热量分配指标在非生长季和生长季分别受控于土壤表层温度和增强植被指数。高寒金露梅灌丛的热量交换主要受控于太阳辐射,热量分配则受下垫面温度和植被覆盖影响。     

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。     

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。     

蒸发比法能量强制闭合及其对稻田蒸散量估算精度的影响

为探求节水灌溉稻田蒸发比(潜热通量与有效能量的比值,EF)变化特征及能量平衡闭合情况对稻田蒸散量测算的影响,该研究采用涡度相关系统,监测了2014-2016年节水灌溉稻田湍流通量过程,分析了稻田蒸发比的不同时间尺度的变化特征,对比了能量强制闭合前后湍流通量的比例与过程变化。结果表明,节水灌溉稻田EF与旱作物不同,小时尺度EF先减小后增加,在10:00-12:00时段的数值最为稳定。水稻全生育期EF均在0.7～1.0之间变化,均值约0.93,潜热蒸散是稻田主要的能量消耗项。能量强制闭合修正后湍流通量明显增加,日峰值差异最大,昼夜交替时,稻田能量平衡处于过闭合状态;能量强制闭合后不同时间尺度上的蒸散量都明显增加,能量强制闭合是涡度相关法准确计算蒸散量的前提。研究结果可为稻田蒸散量准确测算与蒸散模型扩展研究提供重要的数据支撑与方法。     

Reviewing SEBAL input parameters for assessing evapotranspiration and water productivity for the Low-Middle São Francisco River basin,Brazil: Part A: Calibration and validation

There is a growing interest in quantifying regional scale actual evapotranspiration (ET) for water accounting and for water productivity assessments at river basin scale. Methods that provide point values fail to describe the situations at larger scales. Remote sensing measurements can be used at different spatial scales. This paper applies the theory of the Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL). SEBAL was originally derived for Egypt, Spain and Niger [Bastiaanssen, W.G.M., 1995. Regionalization of surface flux densities and moisture indicators in composite terrain: a remote sensing approach under clear skies in Mediterranean climates. Ph.D. dissertation, CIP Data Koninklijke Bibliotheek, Den Haag, The Netherlands. 273 pp.] and was calibrated and validated using ground measurements from four flux sites and from seven agro-meteorological stations in the semi-arid region of the Low-Middle São Francisco River basin, Brazil. Measured parameters included surface albedo, surface temperature, atmospheric and surface emissivity, soil heat flux, surface roughness, net radiation, air temperature gradients, sensible heat flux, latent heat flux, evaporative fraction, and photosynthetically active radiation. The daily ET was estimated (RMSE of 0.38 mm d^?1) for mixed agricultural and natural ecosystems. The improved coefficients for the local conditions can now be used to study the impact of expanding irrigated agriculture on the regional water balance and to quantify the water productivity of irrigated horticulture that is the largest water consumer in the Brazilian semi-arid region. Both applications are described in an accompanying paper (Part B).     

双波长交互法测算华北人工林平均水热通量的应用分析

基于红外?微波闪烁仪方法（Optical-Microwave Scintillometer,OMS）,对华北低丘山地人工林生态系统进行热量通量观测,并比较OMS估算结果与涡动相关系统（Eddy Covariance,EC）观测结果的差异,分析OMS方法的估算结果对能量平衡的影响,探讨影响OMS观测结果的影响因子。结果表明,OMS系统观测的显热通量与EC观测结果具有良好的一致性,但观测的潜热通量比EC观测结果高估约28%。由于对潜热通量的高估,OMS系统在观测研究中存在过闭合现象,超出幅度约5%。分析认为,波文比、风速对OMS观测影响显著。OMS作为新兴的水热通量观测方法,可以直接同时测算出区域尺度水平上显热通量和潜热通量,缩短了采样间隔,统计不确定性减小,有助于更精确地测量热量通量,深入研究能量闭合问题。     

Water usage and microclimate

Energy and water budget analyses are employed as methods for assessing the effects of vegetation type, cultivation practices, and irrigation methods on the microclimate. A comparison is made of vegetation types that employ water received from (1) natural precipitation and (2) irrigation. Forest lands are compared to corn cultivated by conventional tillage and no tillage methods. The forest canopy generally has a lower surface albedo, greater surface roughness, higher transpiration rates, and increased water storage than the bare soil, mulched, and vegetated surfaces of a corn field. No tillage cultivation reduces wind and water erosion, lowers soil temperatures, and improves water retention compared to standard tillage used on corn fields. Irrigated agriculture has replaced much of the drought resistant vegetation of the Central Valley of California. The energy and water budgets of irrigated crops grown in the semi-arid climate of the Central Valley and irrigated by flood or sprinkler methods exhibit microclimates in which evapotranspiration dominates the energy and mass fluxes. Drip irrigation methods, by contrast, have reduced water losses compared to flood and sprinkler methods. The drip system supplies metered amounts of water to the base of each plant; low soil evaporation and improved water supply to the growing plant results from this method. The latent heat flux is reduced over that found in fields irrigated by flooding or spraying. Generally, agricultural transformation of large stands of natural vegetation is expected to change the micro- and macroclimate of the areas affected.     

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%.     

基于模糊算法的温室番茄调亏滴灌制度综合评判

该文研究利用改进的模糊综合评判模型在温室滴灌番茄生长、产量、品质和耗水进行综合评判的可行性。于2015和2016年在中国农业科学院新乡综合试验基地的日光温室内,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,分别在开花坐果期和成熟采摘期进行充分灌溉、轻度亏缺和中度亏缺,采用改进的模糊综合评判模型,对调亏灌溉制度温室番茄的生长指标、产量指标、耗水指标和品质指标进行综合评价。结果表明:不考虑阶段水分亏缺条件下,番茄的生长指标、产量指标和蒸发蒸腾量指标均随灌水量的增大而增大,品质指标则相反。轻度亏缺对番茄品质指标的影响较小(两者的品质综合评判指数为0.135和0.138,0.125和0.124),采摘期轻度亏缺的生长指标和产量指标的综合评判指数高于花果期轻度亏缺处理,且全生育期蒸发蒸腾量较低;花果期中度亏缺的产量指标和品质指标的综合评判指数与采摘期中度亏缺相近,但前者的总蒸发蒸腾量低于后者。因此,推荐水资源充足地区可采用在成熟采摘期轻度亏缺的灌溉模式,而水资源短缺地区采用在开花坐果期中度亏缺的灌溉模式。研究可为温室调亏滴灌制度的优化提供参考。