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...     

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。     

Penman-Monteith蒸散模型及其在森林下垫面中参数的确定

Penman-Monteith公式是在蒸散研究中应用最多,也是变化形式最多的方法,该文在对目前Penman-Monteith模型在森林下垫面中应用总结的基础上,阐述了其中众多参数的意义和常用的确定方法,着重探讨了影响该模型精确性的关键因子净辐射、空气动力学阻力和冠层阻力的计算方法,并分析了Penman-Monteith模型在实际应用中存在的一些问题,提出了该模型在今后森林蒸散研究中发展的思路.     

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。     

计算农田蒸散量的冠层温度法研究

目前,测算农田蒸散的方法有许多种,但都难以准确地求出大面积范围内的平均蒸散.红外测温技术由蒸散的估算提供了一种新的方法,本文在对几种冠层温度——蒸散模型评述的基础上,由实测资料用Brown-Rosenbefg模型计算了冬小麦郁闭地面后的农田蒸散并与波文比方法计算的蒸散做了比较.结果表明,该模型可以较好地用于计算作物郁闭地面后的农田蒸散.     

基于冠层上下部温差的冠层阻力计算

为了研究交替隔沟非充分供水下玉米冠层阻力的计算方法,于2009—2010年在中国农业科学院农田灌溉研究所作物需水量试验场进行了田间试验.根据实测资料分析了玉米气孔阻力与各环境因素的关系,基于 Jarvis (1976)多因子冠层阻力模型,引入冠层上、下部温差变量(ΔTc),提出了交替隔沟非充分供水下玉米冠层阻力的计算方法,即基于ΔTc的冠层阻力法,并分别与Jarvis(1976)、Ortega-Farias(2004)和Brisson et al(1998)法作对比研究,验证其准确性.结果表明,Javias(1976)、Ortega-Farias(2004)、基于ΔTc的冠层阻力法和Brisson (1998)的日平均冠层阻力计算结果分别为355.93、318.75、300.61和253.42 sm-1.其中,Ortega-Farias(2004)法和Javias(1976)法模拟结果分别偏高9.70%和22.50%;Brisson(1998)法模拟结果偏低12.78%;基于ΔTc的冠层阻力法计算结果比实测值偏高3.46%,二者的相关性最好,其计算结果与实测值间的平均绝对误差(MAE)、标准差(SD)和拟合度(d1)值分别为2.42、6.77和0.89,R2为0.86,计算精度优于Jarvis(1976)、Ortega-Farias (2004)和Brisson et al(1998)模型.基于冠层上、下部温差的冠层阻力计算法,考虑了作物、土壤、气候3大因素,模型的模拟范围、数据获取和精度都优于其他方法,能够较准确地表达交替隔沟非充分供水下的玉米冠层阻力.     

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。     

冠层—气温差监测和诊断冬小麦农田水分

以农田生态系统为研究单元，以ＳＰＡＣ的理论为基本原则，深入探讨了冠层－气温差与冬小麦农田土壤和作物水分状况的关系。在比较精确和连续的大田试验基础上，得出了冠层－气温差监测０￣５０ｃｍ土层相对含水量的模型及诊断冬小麦水分状况的指标，该模型和指标可直接用于指导灌溉。     

基于植被遥感信息的作物蒸散量估算模型--以华北平原冬小麦为例

本文基于作物系数法并结合植被遥感信息(MODIS/NDVI),提出一种能反映作物空间分布和土壤供水差异信息的作物蒸散量估算模型。利用该模型得到2000—2013年华北平原冬小麦的蒸散量,模拟结果与遥感蒸散产品吻合度较高(R2=0.952,RMSE=1.3×107 m3),并分析了冬小麦蒸散量和灌溉耗水量的时空变化。结果表明:1华北平原冬小麦蒸散量呈南高北低的格局。基于250 m空间分辨率上来看,山东省、河南省的黄河灌区以及太行山前平原的冬小麦蒸散量可达400 mm以上,中部平原区冬小麦蒸散量350 mm,滨海一带蒸散量200 mm。2冬小麦灌溉耗水量与其蒸散量格局相一致。在太行山前平原、河南省和山东省的引黄灌区,灌溉耗水量可达250 mm以上;河北平原北部由于冬小麦种植比例较低,灌溉耗水量100 mm。3近14年河北平原北部冬小麦播种面积下降明显,区域灌溉耗水量减少,地下水位下降趋势得到明显缓解。本文提出的作物蒸散量估算模型能够较好地用于确定较大区域作物蒸散耗水量,并可应用于区域作物灌溉量的评估与管理中。     

优化灌溉与施肥对冬小麦冠层结构的影响研究

试验研究优化灌溉与施肥对冬小麦冠层结构的影响结果表明,与限量灌溉处理相比,优化灌溉和传统灌溉处理小麦最上部3个节间明显伸长,导致株高增高10cm,旗叶叶面积减小7%,但倒2叶和倒3叶叶面积分别增加7%和20%;优化灌溉处理小麦旗叶茎叶夹角明显减小。与未施N肥处理相比,施用N肥有增大小麦株高、叶面积和茎叶夹角的趋势,且传统施N比优化施N更加明显。优化水N管理麦田各层次透光率与传统处理差异较小,但它们均显著低于限量灌溉和未施N处理。     

用分时段修正双源模型估算南京地区冬小麦生育期蒸散量

冬小麦是南京地区重要的粮食作物,模拟冬小麦蒸散量(evapotranspiration,ET)并研究其对气象因素的响应可为冬小麦田间水分管理提供参考。该文基于大型称重式蒸渗仪实际测定值分析了冬小麦ET变化规律,分别采用单源模型(Penman-Monteith,PM)和双源模型(Shuttleworth-Wallace,SW)模拟不同时期冬小麦ET,并探讨分时段修正SW模型的模拟方法,在此基础上,分析了ET对气象因素的响应。结果表明,生育初期,冬小麦的ET逐步增加,进入越冬期则逐步降低并保持在较低水平。返青期和拔节期ET迅速增加,开花和成熟期又保持稳定。2011-2012和2013-2014年分时段采用SW模型估算整个生育期冬小麦的蒸散量比整个生育期采用单一估算模型能够减小模拟平均绝对误差0.01~0.04 mm/h。小麦乳熟成熟期采用最小气孔阻力150 s/m计算的修正SW模型可以比整个生育期用单一最小气孔阻力的SW模型降低冬小麦蒸发蒸腾量的估算平均绝对误差0.03~0.13 mm/h。冬小麦蒸发蒸腾量与气象因素密切相关,与净辐射、空气温度和饱和水汽压差等环境因素决定系数顺序为净辐射饱和水汽压差空气温度风速。这表明南京地区冬小麦蒸发蒸腾量主要决定因素为净辐射。该研究能够为冬小麦蒸散量的模拟方法以及田间水分管理提供参考。     

基于Penman-Monteith方程的节水灌溉稻田蒸散量模型

为利用Penman-Monteith方程直接计算非充分灌溉条件下的稻田蒸散量,该文根据国家“863”节水农业重大专项试验资料,在K-P表层阻抗模型修正研究基础上,提出改进的稻田蒸散量模拟模型。结果表明：根据土壤相对含水率修正后的K-P模型较好地模拟了水稻表层阻抗,且反映出不同土壤水分状况下表层阻抗的变化规律;采用改进的Penman-Monteith方程模拟水分胁迫条件下的稻田蒸散量后,误差从改进前的18.57%降低至10.84%,且对冠层未完全覆盖条件下的稻田蒸散量也具有较好的模拟效果;土壤含水率、空气温度和空气湿度是改进的Penman-Monteith方程最为敏感的因子,它们的准确观测对于提高模型的估算精度至关重要;模型回归系数（c1、c0）的变化对模型估算结果的影响较小。表明当某一特定作物的回归系数值确定后,改进的Penman-Monteith方程可应用于不同地区、不同灌溉模式下作物蒸发蒸腾量的估算。     

喷灌均匀性和灌水量对冬小麦冠层下水量分配的影响

为研究冬小麦冠层对喷灌水量的再分配规律,探讨不同灌水量下喷灌均匀性对土壤含水率空间分布、冬小麦生长状况及产量的影响,该研究于2020-2021年在常州市金坛区开展了冬小麦田间喷灌试验。该试验依据作物需水量设置3个灌水量（充分灌溉、2/3需水量、1/3需水量）处理和2个喷灌均匀性（高：75%、低：55%）处理,通过冠层上、下雨量筒和自制的茎流收集器测量喷灌水量分布,并对喷灌后的土壤含水率（Soil Water Content,SWC）、冬小麦生长状况及产量的空间分布进行了监测。结果表明,冠层上喷灌均匀性比冠层下高约1.5%。喷灌水经冬小麦冠层再分配后所形成的棵间穿透流量、茎秆流量以及冠下喷灌损失分别占冠层上部水量的56.0%～73.9%、25.0%～37.0%和2.5%～12.7%。冠下穿透流率和茎秆流率与冬小麦的冠层特征（叶面积指数、株高）极显著相关（P<0.01）,而受喷灌均匀性和灌水量的影响较小。茎秆流率变异系数高于穿透流率变异系数。喷灌后24 h,0～20 cm深度土壤水分的变化与冬小麦产量及产量变异系数显著相关（P<0.05）。低喷灌均匀性会导致区域性缺水（SWC<65%田间持水量）,引发小范围减产,产量变异系数增大,减少灌水量则会加剧这一现象,冬小麦显著减产,灌水量对产量的影响占主导作用。研究结果可为冬小麦的喷灌设计提供理论依据。     

BEPS模型在华北平原冬小麦估产中的应用

粮食是一切生产和生活的根本,准确地估计冬小麦的产量,对国家制定粮食政策至关重要。该文利用北部生态系统生产力模拟（BEPS,boreal ecosystem productivity simulator）模型能够模拟森林植被净第一性生产力的特点,分析了BEPS模型在冬小麦估产中的适用性和局限性。针对冬小麦和森林植被冠层的不同生长特点,假设冬小麦冠层具有水平均一、垂直分层的结构,利用辐射传输方程,将原BEPS模型中的两片大叶模型改造为多层-两片大叶模型;同时,利用前人提出的收获指数（HI,harvest index）的概念,将冬小麦的净第一性生产力转化为经济产量,从而实现利用遥感机理模型对冬小麦产量的估算。将改进后的模型用于华北平原冬小麦估产中,并利用国家级农业气象站点的实测产量资料对模拟结果进行验证,复相关系数达到0.817,说明改进后的BEPS模型可以用于华北平原冬小麦的估产研究。     

不同氮营养冬小麦冠层光谱红边特征分析

利用FieldSpec FR2500光谱仪测定了不同氮素处理冬小麦冠层光谱,分析其红边特征变化规律及与农学成分的相关关系。结果表明,波长550 nm、680 nm、980 nm、1100 nm与350～680 nm和750～1100 nm可作为氮素营养诊断的敏感特征点与波段范围。随着施氮量的提高,拔节期、抽穗期以及灌浆期的红边位置（REP）、红谷位置（Lo）与光谱反射率一阶微分极大值（FD_Max）均增大,红边宽度（Lwidth）则有减小的趋势。总体上看,施氮与无氮处理在整个生育期均存在较大差异,施氮处理之间差异较小。冠层反射光谱的红边位置、红谷位置、随生育期向长波方向移动,呈现红移现象;从抽穗期开始逐渐减小,呈现蓝移现象。冬小麦红边参数中红边位置与农学组分之间的相关性优于其他参数,除与地上部生物量正相关显著外,与叶面积指数、叶含水率、叶绿素含量、叶可溶性蛋白含量、叶鲜重、叶含氮量均呈正相关且达到极显著水平。红谷位置则与叶面积指数、叶含水率、叶绿素含量、叶鲜重以及SPAD值呈极显著正相关;与可溶性蛋白呈显著正相关。红边宽度与叶面积指数、叶含水率、叶氮含量、叶绿素含量以及叶鲜重均呈极显著正相关;与可溶性蛋白含量呈显著正相关。反射率一阶导数极大值与叶面积指数、叶含水率、叶鲜重呈极显著正相关,与叶含氮量极显著负相关。通过红边参数与农学组分稳定良好的数学关系,可以对农学组分进行预测估算。     

条锈病胁迫下冬小麦冠层叶片氮素含量的高光谱估测模型

为利用高光谱遥感诊断条锈病胁迫下作物的营养状况,测量感染条锈病的冬小麦冠层反射率以及相应叶片全氮(LTN)含量,利用线性和非线性回归方法,建立了微分光谱与小麦LTN含量之间的回归模型.研究表明随病情加重,小麦LTN含量逐渐降低,并与一阶微分光谱在430～518、534～608、660～762 nm以及783～893 nm区域具有极显著相关性.经检验,以红边内一阶微分总和与蓝边内一阶微分总和比值(SDr/SDb)为变量的模型是估测LTN含量的最佳模型,其RMSE为0.3567,相对误差为8.33%.因此,利用高光谱遥感估测条锈病胁迫下作物LTN含量是可行的,且具有较高的反演精度.研究成果可为小麦氮素营养监测、精准施肥以及条锈病情诊断等提供理论依据和指导.     

调亏灌溉条件下冬小麦籽粒灌浆特征及其模拟模型

在移动式防雨棚下,采用盆栽土培方法,以冬小麦（Triticum aestivum L.）为试验材料进行了调亏灌溉（regulated deficit irrigation,RDI）试验研究,目的在于了解RDI对冬小麦籽粒灌浆特性的影响,并对其进行模拟,为建立冬小麦RDI指标与模式提供理论依据与技术参数。试验采用二因素（水分调亏阶段和调节亏水度）随机区组设计。结果表明,RDI条件下冬小麦籽粒灌浆过程符合“缓-快-慢”的“S”型生长曲线,并可用Richards方程进行较好的模拟;不同水分调亏处理间最大灌浆速率及其出现时间、平均灌浆速率、灌浆持续期、活跃生长期和3个灌浆阶段灌浆持续期,以及最终千粒质量等特征参数差异达显著水平;其中,越冬期轻度调亏具有最高的平均灌浆速率（每百粒0.234 g/d）、最大灌浆速率（每百粒0.369 g/d）、最高的第3阶段灌浆速率（每百粒0.099 g/d）和最高的千粒质量（58.46 g）。经相关和逐步回归分析灌浆参数与千粒质量的关系,结果表明,多数参数间存在着显著或极显著的相关性,其中,与千粒质量有显著或极显著相关关系的参数有最大灌浆速率、平均灌浆速率、活跃生长期和第3阶段灌浆速率等。