基于氧同位素的玉米农田蒸散发估算和区分

农田蒸散发(evapotranspiration,ET)的估算和区分是土壤-植物-大气连续体中的重要研究内容,是农业水资源高效利用的重要基础。该研究分析了土壤水、蒸发水汽、蒸腾水汽和大气背景混合水汽氧同位素组成分布特征,并采用2种同位素的方法对玉米农田蒸散发进行估算和区分:1)结合Keeling plot和Craig-Gordon模型的同位素方法(Iso-CG);2)基于土壤水同位素守恒和水量平衡的方法(Iso-WB)。结果表明,在玉米生育期内Iso-WB方法与Iso-CG方法所计算的玉米蒸腾比例分别为0.64~0.91和0.52~0.91,平均值分别为0.80和0.78。玉米蒸散发总量在前期、中期和后期均值分别为3.95、5.30和4.98 mm/d。通过比较参数并与前人研究结果对比分析,表明采用Iso-CG方法估算区分ET相对精确,采用Iso-WB方法计算蒸散发要求的测量精度相对较高,计算误差较大。该研究成果不仅为玉米农田制定灌溉制度及提高用水效率提供了理论依据,而且对深入探索氧同位素水文学领域具有重要意义。     

GFDL-ESM2M气候模式下京津冀地区未来潜在蒸散量时空变化

为探究未来潜在蒸散量时空变化特征,该研究以京津冀地区为例,基于美国GFDL提供的GFDL-ESM2M全球气候模式,得到京津冀地区92个格点2000-2050年的平均气温、最高气温、最低气温、太阳总辐射、平均相对湿度和近地面平均风速,应用Penman-Monteith公式计算京津冀地区未来92个格点的逐日潜在蒸散量(ET0),分析其时空分布特征及其与气象要素的相关关系。结果表明:未来年ET0总体呈增加趋势,RCP8.5情景下ET0上升速度最快,且随着时间推移增幅越来越大。夏季ET0增长速度最快,其次为春季、秋季与冬季,意味着未来ET0季节差异将愈加明显,可能出现更为严重的季节性干旱。ET0空间分布呈由西南向东北逐渐递减趋势,其中中部地区增速最快,增长趋势由中部向南北递减。不同气候情景下平均气温均呈逐年上升趋势,风速、太阳总辐射略微上升,而相对湿度下降。ET0与太阳总辐射的相关系数最大,呈由东北向西南递增趋势,其次为最高气温,呈由西北向东南递增趋势。ET0与相对湿度变化呈显著负相关,相关系数绝对值呈东北向西南递增趋势,ET0与风速相关度不明显。该研究可为农业需水预测与灌溉管理、科学应对气候变化提供基础支撑。     

渭北旱塬不同水肥条件下气象因子对苹果树干茎流的影响

为了研究基于苹果树干茎流的果树蒸腾耗水规律及水肥、气象因子的影响,于2018年在陕西渭北旱塬苹果园开展了不同水肥处理(低肥中水、中肥中水、高肥中水、中肥高水和中肥低水)对苹果树茎流影响的试验研究。结果表明:苹果树茎流速率在生育期内不同月份,昼升夜降,昼增夜减的日变化特征明显。灌水量一致时,随着施肥量的增加,果树日茎流量与日均气温、日辐射量和日相对湿度等气象因子的相关性逐渐减小;施肥量一致时,日辐射量、日均气温和地表温度与茎流量的相关性在中肥中水时取得最高值。苹果树茎流在不同水肥处理下排序为:中水高水低水;中肥高肥低肥,低水和低肥处理都会明显降低苹果树的茎流速率,灌水对于苹果树茎流速率的影响要比施肥显著,水肥耦合效应对果树茎流有更大的促进作用,比单肥水平处理和单水分处理更明显。     

柑橘树与枇杷树蒸腾规律比较研究

以湖北省宜昌市经济作物柑橘树和枇杷树为研究对象,使用SF-DL2茎流计对柑橘树和枇杷树蒸腾速率变化规律进行了观测。通过观测比较了柑橘树与枇杷树蒸腾速率的差异,并对柑橘树和枇杷树的蒸腾速率与其同期的气象因子进行了相关性分析。结果表明:①柑橘树与枇杷树蒸腾速率均为多峰曲线,昼夜蒸腾强度差异较大;柑橘树蒸腾速率变化曲线较平缓且峰值范围较窄,枇杷树蒸腾速率变化曲线较陡且峰值范围较宽;相同条件下,枇杷树蒸腾速率曲线增长速度要大于柑橘树,同时其日平均蒸腾量也比柑橘树大44.33%(376.95 g)。②两种植株蒸腾启动时间基本相同,中午均会出现不同程度的午休现象,相比柑橘树,枇杷树午休现象更明显。③柑橘树和枇杷树蒸腾速率均与太阳净辐射、大气温度、土壤温度成正比,而与环境湿度成反比;对于柑橘树,环境湿度为最大影响因子,相关系数为0.79,大气温度对其影响最小,相关系数仅为0.65;而相比于柑橘树,太阳净辐射为限制枇杷树蒸腾速率最大的因素,相关系数为0.77,相对来说土壤温度的影响最小,与蒸腾速率的相关系数仅为0.46。     

旱作覆膜玉米生长和水分利用对气候变化的响应

基于3 a连续冬小麦-夏玉米覆膜轮作试验校准和验证AquaCrop模型的适用性,模拟研究了气候变化对夏玉米生长、产量和水分利用的影响,分析了覆膜措施对气候变化的应对效果。结果表明:关中地区(以武功、宝鸡和西安地区为例)年平均温度呈逐年递增趋势,温度增加幅度由高到低依次为宝鸡、西安和武功,增温速率分别为0.20、0.12℃·10a~(-1)和0.09℃·10a~(-1);降雨量呈逐年递减趋势,减少幅度大小依次为西安、宝鸡和武功,减小量分别为3.59、3.23 mm·10a~(-1)和2.64 mm·10a~(-1)。AquaCrop模型在关中地区表现出了良好的适用性,可以较好地模拟连续覆膜条件下作物的产量指标、水分利用和生长的动态变化,冠层覆盖度模拟值和实测值之间的均方根误差(RMSE)介于1.1%～15.3%,生物量模拟值和实测值之间的RMSE介于0.626～2.540 t·hm~(-2),土壤贮水量模拟值和实测值之间的RMSE介于12.6～47.4 mm。模拟研究表明,上世纪60年代以来,随着气温不断升高,武功、宝鸡和西安地区的夏玉米生育期均呈逐年缩短趋势,特别是1980s以来,减少幅度达2.76、4.82 d·10a~(-1)和5.94 d·10a~(-1);在不同的降水年型下,覆膜处理产量均高于裸地处理,且其变异系数较小;在干旱气候条件下,覆膜处理依然可以获得一定的籽粒产量,与裸地处理相比,覆膜处理表现出了较好的稳产效应。同时,覆膜处理有效减少了玉米苗期土壤表层蒸发(平均减少7.6 mm),从而在土壤中保蓄更多的降雨;覆膜处理虽然增加了土壤耗水量,但其通过保蓄土壤水分,稳定作物产量,有效提高了玉米的水分利用效率。因此,关中地区旱作覆膜可以有效适应当地气候变化,在一定程度上应对干旱气候,具有较好的增产稳产效应。     

基于液流和叶片水势测定的沙柳水分利用特征分析

目的干旱半干旱区植物的水分传输过程依赖于一套有效的调控机制，研究典型沙生植物对土壤干旱的响应机制有助于预测未来气候条件下荒漠生态系统的结构和功能变化。方法采用包裹式茎流仪于2017年5—10月对毛乌素沙地沙柳液流进行长期连续观测，期间选择天气晴朗的19 d测得黎明前叶水势与正午叶水势，同步连续监测林冠上方太阳辐射、气温、空气相对湿度与土壤含水量。结果（1）短期内土壤水势与枝条液流具有较好的相关性（5—6月、7—9月），整个生长季内液流密度与土壤叶片水势差（Ψ_L－Ψ_S）呈正相关。（2）叶片水势（Ψ_L）、大气水汽压亏缺（VPD）均对叶片蒸腾速率（E_L）有调控作用，小于阈值呈正相关，大于阈值呈负相关。VPD对E_L调控阈值为1.9 kPa，Ψ_L对E_L调控阈值为?3.7 MPa。VPD对叶片导度（g_L）有显著调控作用，调控阈值为0.9 kPa，小于阈值呈正相关，大于阈值呈负相关。（3）沙柳木质部栓塞脆弱性曲线呈“r”形，引起枝条50%导水率损失的压力值（P₅₀）为0.73 MPa。（4）整体上看，正午木质部传导度（K_s）与正午叶片传导度（g_L）是正相关的。K_s与黎明前叶水势（Ψ_S）呈现正相关关系，而g_L受VPD影响较大导致其与Ψ_S相关性弱。g_L与K_s对于土壤干旱（Ψ_S降低）的相对敏感性（?）为 1.035 。结论以上结果表明，随着水分胁迫加重，木质部在水势较高时便通过降低导水率来减少水分丧失，木质部栓塞到一定程度也不关闭气孔，而是能保持一定的气孔开度。这些适应策略在一定程度上反映了沙柳最大化蒸腾和同化速率的一种机制，对正确认识干旱地区沙柳的水分利用特征有明显的理论意义，为深入研究沙柳的水力限制补偿机理奠定基础。      

芝麻不同生育阶段需水特性与干旱灌溉应用研究

探讨芝麻不同生育阶段需水特性与干旱灌溉水分生产效率,为芝麻高产栽培的合理灌溉和水分管理提供科学依据,2013-2018年在安徽、新疆等不同地域,选用6个芝麻主栽品种,开展芝麻不同生育阶段需水特性和灌溉水利用研究。结果表明：盆栽芝麻的全生育期蒸腾需水量平均为283.59mm,品种间差异大,形成100kg芝麻籽粒蒸腾需水量为263.56mm(175.7t/666.7m²),苗期、蕾期、初花期、盛花期、终花期、成熟期的蒸腾需水量分别为18.76mm、21.91mm、21.03mm、149.28mm、71.21mm和34.79mm,蒸腾模系数为5.89%、7.21%、6.85%、47.07%、23.93%和9.05%；盛花期最大,出苗期最小。池栽芝麻全生育期需水量531.36mm,其中株间蒸发量、蒸腾量分别占全生育期需水量的46.1%和53.9%；株间蒸发量最大的时期为苗期；蒸腾量最大的时期为花期。芝麻苗期、花期和成熟期需水模系数平均为18.65%、66.79%和14.56%。合肥基地出苗期、临泉基地花期遇旱喷灌,水分生产效率高达0.61kg/m³和0.65kg/m³；新疆精河基地按需滴灌处理比传统滴灌方式的水分生产效率提高43.28%,节水19.61%,这对水资源匮乏的新疆干旱区来说意义重大。芝麻需水量与栽培条件、品种、气温(r＝0.99)等密切相关。在芝麻不同生育阶段遇旱灌溉是提高水分生产效率和产量的关键措施之一。     

基于三温模型和热红外遥感的不同大豆品种蒸腾特征研究

蒸腾耗水是水循环中重要的水分存在形式之一,是准确量化水分利用效率的关键参数,对研究碳水循环关系及节水农业有重要意义。本研究以大豆品种‘晋21’(J21)和‘Union’(C08)为研究对象,设置两种水分处理[当地经验灌水定额的75%(A0)和37.5%(A1)],基于三温模型(3TModel)和热红外遥感,定量研究不同品种和不同水分胁迫下的大豆蒸腾速率,揭示其时空特征差异,从而为抗旱节水大豆品种筛选提供参考。研究结果表明:1)不同处理下大豆的蒸腾速率日变化趋势与气温、太阳净辐射和冠层温度的基本一致,呈先增加后减小的单峰曲线,且于午间达到峰值,峰值为1.2～2.5mm·h~(-1);各处理的大豆冠层温度和蒸腾速率均呈现出明显的空间异质性。2)J21与C08大豆的冠层温度A0处理分别低于A1处理6.55K和5.91K,蒸腾速率A0处理高于A1处理0.28 mm·h~(-1)和0.29 mm·h~(-1);大豆蒸腾速率与灌水量呈正相关、与冠层温度呈负相关。3)在相同水分胁迫下,大豆冠层温度J21低于C08 1.83～2.47 K,蒸腾速率J21高于C08 0.13～0.14 mm·h~(-1)。本研究与传统方法相比,所需要的参数较少,避开了空气动力学阻抗等难获取的参数,对农田尺度更具有适宜性,更能揭示不同农田环境下作物的蒸腾时空异质性,在农业水分高效利用和节水品种筛选上有十分重要的科学意义。     

几种主要造林树种蒸腾量特征研究

利用野外离体快速称重法选取5个主要乔、灌木造林树种进行蒸腾强度的日变化及蒸腾耗水量进行观测和研究。同时,结合小气候因子的同步观测,研究各被调查树种的蒸腾耗水量与小气候的关系。对比研究结果表明:以红松的蒸腾强度为最大0.4300g/g·h-1,其次是落叶松为0.4117g/g·h-1,以榛子的为最小0.2799g/g·h-1,蒸腾强度大小规律为红松落叶松樟子松樟子松幼林水曲柳水曲柳幼林榛子且各树种的蒸腾强度日进程曲线均呈单峰,气温与植物蒸腾强度的有密切的相关性。     

蒸腾速率、阻力与叶内外水势和光强关系的研究

本文采用ＬＩ一１６００稳态气孔计和压力室测定了杨柴的蒸腾速率、阻力、叶水势及其环境因子的日变化，分析结果表明：当０～２ｍ土层内土壤平均水势在－０．０４～－０．２０ＭＰａ时，光照强度是影响杨柴等树木蒸腾速率的主要因子，它主要是通过影响蒸腾阻力所致。光照强度（Ｌｉ）与蒸腾阻力（Ｄｒ）的关系符合方程Ｄｒ＝ａｅｂ／Ｌｉ。这样，根据光照强度对阻力的影响过程，把光照强度与蒸腾速率（Ｔｒ）的关系分成３个区段：①弱光照区，Ｔｒ＝Ｋ／Ｄｒ；②过渡区，Ｔｒ＝Ｋ·ψＬ－Ａ／Ｄｒ；③光饱和区，Ｔｒ＝ａ·ψＬ－Ａ＋ｂ，其中ａ、ｂ和Ｋ是系数。