宁夏地区潜在蒸散发变化特征及成因分析

根据宁夏地区1962-2017年11个国家级气象站的逐日气象资料,采用Penman-Monteith公式计算宁夏地区潜在蒸散发(Potential evapotranspiration,ET₀)日值系列,采用气候倾向率、Mann-Kendall突变检验、ArcGIS反距离权重空间插值、敏感性分析和贡献率等方法对宁夏地区ET₀时空变化特征及影响因素进行分析.结果表明:宁夏地区1962-2017年多年平均ET₀为1 073 mm,其中,中部干旱带最高(1 135 mm),引黄灌区次之(1 095 mm),南部山区最低(893 mm); 宁夏地区ET₀在1986年发生了突变,突变前以0.571 mm/a的幅度下降,突变后以0.109 mm/a的幅度递增,整个周期内,以0.523 mm/a 幅度递增,但变化幅度均不显著.ET₀对不同区域气象要素的敏感性不同,引黄灌区和中部干旱带对最高温度最敏感,敏感性系数分别为0.41和0.43,南部山区为相对湿度(-0.45); 不同气象要素对ET₀的贡献率不同,引黄灌区和南部山区主导因子是最低温度,中部干旱带是平均风速.突变前后,对引黄灌区、中部干旱带和南部山区ET₀贡献率最高的气象要素分别由平均风速、相对湿度和最低温度,变为相对湿度、平均风速和最低温度.     

基于SEBAL模型评估干旱半干旱区人工灌丛植被对陆表蒸散的影响

评估人工灌丛植被重建对干旱半干旱区陆地生态系统蒸散的影响,不仅能揭示植被变化与水文过程的耦合机理,又可为区域生态治理与水资源管理提供科学指导。该研究利用Landsat-8OLI/TIR遥感影像及气象数据等驱动SEBAL模型,反演宁夏盐池县的年内不同日期的陆表蒸散,结合目视解译选取的人工灌丛区与对照草地,评估了人工灌丛植被对陆表蒸散的影响。结果表明:1)SEBAL模型的蒸散反演精度与站点观测结果较为一致,可用于干旱半干旱区蒸散反演及空间特征研究;2)盐池县人工灌丛植被区日平均蒸散为1.20mm/d,高于对照草地1.17mm/d的日平均蒸散量,即干旱半干旱区人工种植灌木林增加了生态系统水分消耗,但不同季节和不同生物地理条件下的蒸散增强作用存在差异,蒸散增强在8月份最大,而3、4月份呈现负效应;3)人工灌丛的密度越大、植被盖度越高,对陆表蒸散的增强作用越强,特别在NDVI0.4的高盖度情况下蒸散增强作用更加明显。由此可知,在水资源紧缺的干旱半干旱区开展以灌木树种为主的植被重建需在合理的生态水文阈值范围内开展,才能构建出稳定可持续的人工生态系统。     

四川冬春季参考作物蒸散量时空变化及其成因

为深入认识四川冬春季参考作物蒸散量(ET₀)的变化特征,利用1980—2016年四川35个气象站的逐日气象观测资料,采用泰森多边形、气候倾向率和克里金空间插值等方法对其冬春季ET₀的时空变化特征进行分析,并通过敏感性和贡献率分析了ET₀的变化成因。结果表明:ET₀的年代际变化呈先降后增的趋势,空间上呈明显的西南高东部低的分布特征,且高值区范围持续扩大,低值区范围波动缩小。ET₀的年际变化呈上升趋势,春季ET₀气候倾向率和空间差异明显大于冬季,且ET₀高值区与低值区空间分布受海拔高度影响明显。ET₀的同一日多年平均值自初冬至初春逐渐上升,1月22日—5月2日仅有8 d的ET₀值低于多年日平均值,具有明显连续的高值时段。ET₀对日照时数的变化最敏感,其次是对相对湿度与平均气温,对三者均呈高敏感性。平均气温的正贡献率是引起ET₀变化的主导因子,其次是相对湿度。研究时段内平均气温的升高对ET₀的正效应和相对湿度的降低对ET₀的负效应,超过了日照时数减少对ET₀的减少效应,导致四川地区冬春季ET₀呈上升趋势。     

Ridge-furrow plastic mulching with a suitable planting density enhances rainwater productivity,grain yield and economic benefit of rainfed maize

Soil surface mulching and planting density regulation are widely used for effective utilization of limited rainwater resources and improvement of crop productivity in dryland farming.However,the combined effects of mulching type and planting density on maize growth and yield have been seldom studied,especially in different hydrological years.A field experiment was conducted to evaluate the effects of mulching type and planting density on the soil temperature,growth,grain yield(GY),water use efficiency(WUE)and economic benefit of rainfed maize in the drylands of northern China during 2015-2017.Precipitation fluctuated over the three years.There were four mulching types(NM,flat cultivation with non-mulching;SM,flat cultivation with straw mulching;RP,plastic-mulched ridge plus bare furrow;RPFS,plastic-mulched ridge plus straw-mulched furrow)and three planting densities(LD,low planting density,45.0×10^3 plants/hm^2;MD,medium planting density,67.5×10^3 plants/hm^2;HD,high planting density,90.0×10^3 plants/hm^2).Results showed that soil temperature was higher with RP and lower with SM compared with NM,but no significant difference was found between RPFS and NM.More soil water was retained by soil mulching at the early growth stage,but it significantly varied at the middle and late growth stages.Maize growth was significantly improved by soil mulching.With increasing planting density,stem diameter,net photosynthetic rate and chlorophyll content tended to decline,whereas a single-peak trend in biomass yield was observed.Mulching type and planting density did not have significant effect on evapotranspiration(ET),but GY and WUE were significantly affected.There were significant interacting effects of mulching type and planting density on biomass yield,GY,ET and WUE.Compared with NM,RPFS,RP and SM increased GY by 57.5%,50.8%and 18.9%,and increased WUE by 66.6%,54.3%and 18.1%,respectively.At MD,GY increased by 41.4%and 25.2%,and WUE increased by 38.6%and 22.4%compared with those of at LD and HD.The highest maize GY(7023.2 kg/hm^2)was observed under MD+RPFS,but the value(6699.1 kg/hm^2)was insignificant under MD+RP.Similar trends were observed for WUE under MD+RP and MD+RPFS,but no significant difference was observed between these two combinations.In terms of economic benefit,net income under MD+RP was the highest with a 9.8%increase compared with that of under MD+RPFS.Therefore,we concluded that RP cultivation pattern with a suitable planting density(67.5×10^3 plants/hm^2)is promising for rainwater resources utilization and maize production in the drylands of northern China.     

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。     

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。     

荒漠草原不同时间尺度下垫面水分消耗与气象植被因子的关系

利用大型称重式蒸渗仪2012—2018年连续观测数据，系统解析了希拉穆仁荒漠草原植物生长季（4—10月）不同时间尺度蒸散发（ET)与气象植被因子之间的关系。研究表明：（1）小时、日和月尺度上，始终与ET保持高度相关的气象植被因子包括风速（P<0.01）、空气温度（P<0.01）和降水量（P<0.01）；（2）结合不同时间尺度主控因子，利用多元回归定量表征了小时、日、月尺度的下垫面ET变化特征，经验方程决定系数分别为0.94（P<0.01）、0.42（P<0.01）、0.82（P<0.01），小时和月尺度上的经验方程可较好地反映希拉穆仁荒漠草原下垫面耗水特征；（3）ET与降水差值显示，2012—2018年希拉穆仁荒漠草原植物生长季（4—10月）水汽交换以下垫面水分消耗为主，8月份发生干旱事件的概率最大。     

Investigation of crop evapotranspiration and irrigation water requirement in the lower Amu Darya River Basin,Central Asia

High water consumption and inefficient irrigation management in the agriculture sector of the middle and lower reaches of the Amu Darya River Basin(ADRB)have significantly influenced the gradual shrinking of the Aral Sea and its ecosystem.In this study,we investigated the crop water consumption in the growing seasons and the irrigation water requirement for different crop types in the lower ADRB during 2004–2017.We applied the FAO Penman–Monteith method to estimate reference evapotranspiration(ET0)based on daily climatic data collected from four meteorological stations.Crop evapotranspiration(ETc)of specific crop types was calculated by the crop coefficient.Then,we analyzed the net irrigation requirement(NIR)based on the effective precipitation with crop water requirements.The results indicated that the lowest monthly ET0 values in the lower ADRB were found in December(18.2 mm)and January(16.0 mm),and the highest monthly ET0 values were found in June and July,with similar values of 211.6 mm.The annual ETc reached to 887.2,1002.1,and 492.0 mm for cotton,rice,and wheat,respectively.The average regional NIR ranged from 514.9 to 715.0 mm in the 10 Irrigation System Management Organizations(UISs)in the study area,while the total required irrigation volume for the whole region ranged from 4.2×109 to 11.6×109 m3 during 2004–2017.The percentages of NIR in SIW(surface irrigation water)ranged from 46.4%to 65.2%during the study period,with the exceptions of the drought years of 2008 and 2011,in which there was a significantly less runoff in the Amu Darya River.This study provides an overview for local water authorities to achieve optimal regional water allocation in the study area.     

基于公共天气预报的三江平原ET0预报模型比较及敏感性分析

为了提出适合我国三江平原的高精度ET0预报方法,基于该区6个气象站点的天气预报数据和实测气象数据,以FAO56-Penman-Monteith(FAO56-PM)公式计算值为基准,比较Hargreaves-Samani(HS)、Thornthwaite(TH)和Blaney-Criddle(BC)3个ET₀预报模型的效果,对最优模型进行敏感性分析。结果表明:3个模型1~7 d预见期平均绝对误差均值分别为0.66、0.65、0.65 mm/d,均方根误差分别为0.93、0.96、0.95 mm/d,相关系数分别为0.857、0.828、0.840。1~5 d预见期最优预报模型为HS模型,6~7 d为TH模型。总体上预报精度由高到低为HS、TH、BC模型,建议采用HS模型在三江平原开展ET₀预报,HS模型预报对最高温预报的敏感性大于最低温。其预报值在夏季受温度预报误差影响最大,冬季最小,4季整体误差较小。研究可为灌溉预报提供较准确的数据基础。     

毛乌素沙地降水、蒸散时间分布格局及其对土地利用的意义

运用统计分析和遥感分析方法,对毛乌素沙地腹地乌审旗沙区1981-2003年间的降水、蒸散分布格局进行研究.结果表明:1)研究区降水集中在6-8月份,主要以暴雨出现,沙壤土入渗率高,降雨能很快渗入土壤,故很少形成径流;2)研究区23年间平均年蒸散量为252 mm,略低于降水,年蒸散量呈从东向西递减的趋势.7月蒸散量最大,1和12月最小,呈"单峰"正态分布,与降水的年变化趋势基本一致;3)该地区蒸散相对变率为10%～24%,从西北向东南地区递减;4)从水资源总量和现有植被盖度(0.7)来看,水资源收支处于低水平的基本平衡,但降水时空分布的不均匀性、沙地生态系统的脆弱性及特殊的生态过渡性对水资源的有效性造成了严峻的考验,因此在饲草料种植中推广、普及高效节水的农业灌溉技术,对于提高水资源利用率和保持区域水资源平衡具有十分重要的意义.