WPL校正和坐标轴旋转对稻田湍流通量计算的影响

利用鄱阳湖流域赣抚平原灌区2011年晚稻种植期间观测的涡度相关通量数据,定量分析了WPL校正与3种坐标轴旋转方法对稻田生态系统摩擦风速和湍流通量计算的影响,结果表明:WPL校正对CO2通量与潜热通量计算结果有显著影响。与未经WPL校正的通量数据计算值相比,WPL校正可使CO2通量计算值减小11%,潜热通量计算值增大5.5%,即通过WPL校正可使稻田能量闭合度提高5%左右。二次坐标轴旋转法对晚稻田摩擦风速值的影响最小,而平面拟合法对其影响最大,但二次坐标轴旋转法、三次坐标轴旋转法以及平面拟合法的计算结果之间的差别并不大(1%)。倾斜校正使得湍流通量计算结果的绝对值趋于变小,且对动量通量计算值的影响最大。对于下垫面平坦、均质的稻田,推荐采用二次坐标轴旋转法对其观测的通量数据进行倾斜校正。     

涡度相关系统不同平均周期对干旱区玉米水热通量的影响

【目的】研究不同平均周期对涡度相关通量数据计算的影响,提高涡度相关数据质量和能量闭合率。【方法】采用Loggernet软件将2015年7月河西走廊地区制种玉米10 Hz涡度相关原始数据以1、2、5、10、15、30、60、120、180、360、720 min的不同平均周期进行分割,利用分割得到的数据计算了相应时段内的能量通量,并分析了不同平均周期对于不同灌溉方式下制种玉米能量通量计算的影响。同时,以30 min周期计算结果为标准,分析了不同平均周期对通量计算的影响。【结果】当平均周期小于30 min时,平均周期的改变只影响白天(07:00—20:00)的通量,平均周期越小,能量通量越小;当平均周期在30~180 min时,平均周期的改变对通量计算结果的影响因通量变化阶段的不同而不同,在通量上升阶段,平均周期的延长使通量减小,在通量下降阶段,平均周期延长使通量增加;当平均周期为360 min和720 min时,能量通量的计算结果误差明显,能量闭合率均不足40%。试验中15、60 min平均周期计算所得的通量闭合率最高,且15、60 min周期计算所得通量日平均值与30 min计算结果的相对误差最小,均小于1%。【结论】干旱区玉米水热通量计算的最适平均周期为15~60 min。     

冬小麦蒸散源区代表性分析

【目的】利用涡度相关技术观测冬小麦生育期内湍流通量,结合通量模型分析试验区农田生态系统通量贡献区的时空分布。【方法】使用闭路涡度系统对2019年10月—2020年6月新乡综合试验基地冬小麦进行通量观测,采用足迹解析模型中的FFP模型和基于土地利用信息的KM模型对通量源区分布和规律进行了分析。【结果】(1)整个生育期主风向为西南风,次风向为东北风,白天(大气非稳定状态)的主风向为西南风,夜间(大气稳定状态)的主风向为西南风。(2)不同生育期、不同大气状态下的源区面积存在一定的差异,大气稳定状态下源区面积均大于非稳定状态,源区方向与长度受风向风速的影响。(3)FFP模型和KM模型计算的源区面积间存在线性关系(SKM=0.93SFFP-1 962.5,R~2=0.96),其中KM模型计算通量足迹值整体大于FFP模型。【结论】不同模型得到的源区不同,风向和风速是源区分布的主要影响因素,田块是试验区内湍流通量重要贡献的主要来源。     

基于涡度系统的干旱区枣林能量平衡分析

【目的】揭示干旱区枣林的能量循环与能量变化规律。【方法】利用涡度相关法得到干旱区枣林连续2 a的通量数据,分析了能量变化规律、分配方式以及热存储项能量的日平均变化规律。【结果】(1)干旱区枣林生态系统的净辐射Rn、潜热通量LE、显热通量H、土壤热通量G在各月份的日均值变化均呈以净辐射变化规律为基础的单峰变化。(2)干旱区枣林2018年和2019年的整年度30 min尺度能量闭合率为73.45%、73.11%,计入热储存项后,能量闭合率分别提高了3.72%、2.75%,达到了77.17%、75.86%。(3)干旱区枣林的土壤热储存项日均值在生育期和休眠期变化规律相似;潜热热储存项和显热热储存项在生育期和休眠期变化规律不同;光合热储存项和冠层热储存项在休眠期均为0,但在生育期有典型的日变化。【结论】热存储项对干旱区枣林生态系统的能量平衡闭合程度贡献不大,干旱区枣林的能量分配方案受水分条件、植被类型和气候特征的影响。     

覆膜滴灌对玉米田间水热传输及耗水的影响

基于充分滴灌条件下,定量分析了东北典型区玉米膜下滴灌与不覆膜滴灌下太阳净辐射、土壤热通量、土壤温度和作物耗水量的差异.结果表明:在晴天覆膜使得净辐射峰值时间滞后约1 h,在阴天覆膜处理土壤热通量能够为玉米生长提供更多的能量;全生育覆膜与不覆膜处理,冠层上方获得净辐射分别为133.25和135.42 W/m²,覆膜处理获得的可供能量低于不覆膜处理的,但在玉米生长中后期,覆膜处理提高了2%的净辐射;全生育期覆膜提高了0~80 cm土层平均地温1.13 ℃和土壤积温149.68 ℃;覆膜滴灌下玉米生长初期和后期的耗水量显著低于不覆膜滴灌处理下的,全生育期耗水量显著减少10.21%,生育期内平均作物系数K_c显著降低7.42%.     

黑河中游绿洲春小麦生育期农田热储通量分析

研究以2012年黑河中游绿洲农田春小麦生育期涡度相关通量观测结果为基础,对干旱区农田能量平衡中各热储通量项进行了深入研究,并以此结果对春小麦农田的能量闭合进行了再分析。结果表明,在干旱区农田生态系统能量闭合分析中,总的热储通量在净辐射通量消耗中占比约7.5%~12%,随作物的生长发育呈先减小后增大的趋势;其中土壤表层热储通量对总的热储通量贡献最大,贡献度超过95%。对农田热储通量影响较大的因素包括太阳辐射、植被因素以及土壤水分条件。在能量平衡方程中加入生态系统热储通量项后,春小麦农田能量闭合度得到显著提高,平均增长幅度超过10%。     

不同灌溉水源及方式对玉米生长特性及水肥利用效率的影响

【目的】探求河套灌区不同灌溉水源及方式对玉米生长特性及水肥利用效率的定量影响。【方法】试验设置地下水畦灌(J)、黄河水畦灌(H)和地下水滴灌(D)2种灌溉水源及3种灌溉方式,对比分析了不同灌溉水源及方式对玉米生长特性及水肥利用效率的影响。【结果】滴灌能显著促进玉米对氮肥的利用效率以及玉米生长,增加玉米籽粒产量。滴灌处理玉米产量较黄河水畦灌、地下水畦灌分别提高8%~15%和10%~15%(P0.05);滴灌处理作物水分利用效率较黄河水畦灌、地下水畦灌分别提高36.7%~57.6%和44.4%~66.7%,黄河水畦灌较地下水畦灌分别提高5.6%、17.3%(P0.05);滴灌处理氮肥偏生产力较黄河水畦灌和地下水畦灌提高117%~131%、120%~131%(P0.05)。【结论】膜下滴灌可以明显提高玉米水分利用效率,促进植株生长和产量增加,是目前适宜于河套灌区玉米灌溉的节水方式之一。     

覆膜滴灌紫薯农田水热传输规律及其对环境因子的响应

农田水热传输过程的量化对于农业用水管理和作物灌溉制度的制定具有重要意义。本文利用波文比通量观测系统实测数据和气象站资料,对覆膜滴灌紫薯农田的水热通量变化规律及其对环境因子的响应进行了研究。结果表明：潜热通量是全生育期覆膜滴灌农田能量支出的主要部分,显热通量和土壤热通量支出占比较小,全生育期潜热通量、显热通量、土壤热通量支出占比分别为69.12%、25.14%、6.57%。不同天气条件下,显热通量的大小和变化范围均小于潜热通量。潜热通量对降雨和灌溉的响应最为显著,且降雨影响程度大于灌溉。净辐射、气温对潜热通量的影响较大,表层土温和风速变化的影响则较低,各环境因子主要通过直接和间接作用共同对潜热通量产生影响。该研究成果可以深化对覆膜滴灌紫薯农田水热传输规律的认识,为作物高效用水提供理论依据。     

东北半干旱地区膜下滴灌玉米生产水足迹研究

在作物生产中,田间尺度的水足迹变化在制定可持续发展的农业用水策略中发挥着重要作用。【目的】探讨中国东北半干旱地区玉米生产中水足迹田间尺度的变化。【方法】通过3 a的田间试验,确定了膜下滴灌玉米全生育期水足迹的蓝、绿、灰水的组成;分析了气温、降雨和灌溉时间与次数组合下的土壤水量平衡和水足迹变化。【结果】(1)玉米生育期的水足迹中,绿水足迹占65.5%~67.9%,蓝水足迹占8.7%~9.4%,灰水足迹占23.3%~25.1%。(2)在降雨能满足玉米各生育期耗水需求的年份,有效降雨量占绿水量的103.2%,玉米耗水高峰期(6—8月)的高温和多有效降雨具有显著地增产效果,且能有效降低玉米生产水足迹。(3)在生育期水分亏缺较大的年份,玉米耗水高峰期少次多量(灌水总量一定)的灌水可以有效地保证玉米产量,同时降低玉米生产水足迹。4)在生育期各时期降雨均匀的年份,玉米产量最低,水足迹最高。【结论】覆膜条件下玉米生产的绿水资源得到有效保护,而为了提高产量和降低水足迹,应根据不同水文年型制定合理的灌溉制度。     

不同种植密度下制种玉米液流变化及其影响因子分析

【目的】探究不同种植密度下制种玉米液流的变化规律和影响因子。【方法】于2015年3—9月进行了制种玉米的大田试验,共设置4个种植密度,分别为9.75万、11.25万、12.75万和14.25万株/hm2,观测了不同种植密度下制种玉米的液流。【结果】不同种植密度下液流速率的变化趋势一致,并且随种植密度的增加而减小;通过相关分析与通径分析表明,小时尺度液流速率(Qh)与气象因子相关性排序为:太阳辐射(Rs)水汽压差(VPD)大气温度(Ta)相对湿度(RH)风速(Ws);日尺度液流速率(Qd)与气象因子相关性排序为:VPDTaRsRHWs;相比于茎粗(D),Qd与叶面积指数(LAI)的相关性更高,而与株高(H)无明显关系;全生育期内蒸腾量(T)随种植密度的增加而增加,蒸腾比(T/(E+T))为88%~89%;微型蒸渗仪法(E)加液流法(T)测得的耗水量较水量平衡法低估作物耗水量9%。【结论】Rs是Qh的主要驱动因子,VPD是Qd的主要驱动因子;制种玉米夜间茎流不可忽略。     

南方节水灌溉稻田能量通量特征及其规律分析

利用涡度相关系统在江苏省昆山市试验研究基地2013年水稻生育期所测的净辐射量、土壤热通量、潜热通量和显热通量等观测资料,分析了能量各通量在典型晴天、阴天的日变化规律和稻季能量通量的日变化、月变化及分配特征,讨论了能量各组分占净辐射量的比例和不同时间尺度上稻田的能量闭合情况。结果表明:能量平衡各分量在亚热带南部季风区节水灌溉稻田典型晴天以及水稻生育期间月均日变化均呈明显的倒"U"型单峰趋势,典型阴天能量平衡各分量日均值和峰值均小于晴天,但也呈单峰型变化趋势。稻季潜热通量占净辐射量的86.2%,土壤热通量占净辐射量的1.3%,不同时间尺度上净辐射量均主要以潜热形式加湿大气,感热通量占净辐射量的0.8%,与潜热通量差异显著,且占净辐射量的比例呈此消彼长的关系。在能量通量的测量过程中,与净辐射量相比,感热、潜热通量滞后于净辐射量约0.5 h,土壤热通量滞后1.5~2.5 h。热传输速度不同步,从而影响了能量的短期闭合率。但与其他生态系统相比,该节水灌溉稻田生态系统能量闭合度较高,说明该试验区涡度数据可靠,通量特征及规律具有较好的代表性,有利于通量研究的进一步开展。     

不同气象条件下陇中玉米农田生态系统水分利用效率研究

【目的】探究陇中半干旱区玉米农田生态系统水分利用情况。【方法】利用陇中半干旱区玉米农田生态系统,涡度系统碳水通量数据,分别从生态系统水分利用效率(WUE)、固有水分利用效率(IWUE)探讨了不同气象条件对半干旱区玉米农田生态系统水分利用效率的影响。【结果】WUE和IWUE在生长季均值分别为4.71 g/kg和32.04(g·h Pa)/kg。IWUE考虑了饱和水汽压差(VPD)对蒸散量(ET)的非线性影响,GEP与ET在日尺度上存在滞后效应,而IWUE能有效地减弱滞后效应。阴晴天的光合有效辐射、饱和水汽压差、液流速率、蒸散量均为单峰曲线,晴天的值大于阴天的。阴晴天的碳通量变化不明显,水分利用效率为"U"型曲线,阴天的碳通量大于晴天的。阴天饱和水汽压差和液流速率与WUE的线性相关关系均较差,晴天的饱和水汽压差和液流速率与WUE的相关关系较阴天好,而IWUE的拟合效果好。【结论】与WUE相比,IWUE能更好地评价该地区碳水耦合情况。     

覆膜和灌水量对农田水热动态和制种玉米生长的影响

覆膜和节水灌溉是我国西北旱区应对水资源短缺、提高作物水分生产率的主要措施。为了探索覆膜与灌溉制度对农田水热和制种玉米生长的综合影响,揭示农田耗水及水分利用效率的变化规律,于2017年在中国农业大学石羊河流域农业与生态节水试验站进行了制种玉米田间试验,设置覆膜与水分2个控制因素,覆膜分别为完全覆膜(M1)与不覆膜(M0)2个水平,水分设置W1、W2、W3、W4和W5 5个水平,分别为当地传统灌溉定额的100%、85%、70%、55%和40%,灌水方式为滴灌,共10个处理。结果表明:相同灌水条件下覆膜相对于不覆膜处理,可减少棵间蒸发,增高生育前期土壤温度,使株高和叶面积指数的增长速率高于不覆膜,提前7~10 d达峰值,增产达6.5%~44.6%,水分利用效率提高16.9%~50.4%。但覆膜可阻滞降雨入渗,以单次典型降雨32.4 mm为例,覆膜较不覆膜降雨入渗百分比降低22.4%。相同覆膜条件下,土壤贮水消耗量随着灌水量的减少而增多,因此土壤贮水量随着灌水量的增加而增加。灌水量越多,制种玉米株高、叶面积指数和最终干物质累积量越高,而水分利用效率则越低。覆膜条件下,W1处理产量最高,W3次之,且两者之间无显著性差异,水分利用效率则为W5处理最高,W3次之。M1W3处理可以在保证较高产量的同时,水分利用效率较MIW1提高17.6%。综上,在当地制种玉米生产中,虽然覆膜可能减少地表降水入渗,但可以使生育期提前、减少棵间蒸发,对于节水增产有一定的促进作用。     

覆膜滴灌盐碱土改良效果研究

【目的】研究不同改良剂对覆膜滴灌盐碱土的改良效果。【方法】采用有机肥料、微生物菌剂、无机肥作为盐碱土壤改良剂,分析了不同改良剂对土壤pH值变化率、脱盐率、养分和玉米产量的影响。【结果】①不同改良剂均能降低盐碱土壤pH值和盐分,增加玉米产量,其中施用有机肥料300 kg/hm~2+微生物菌剂250 kg/hm~2的处理效果显著,在拔节期和成熟期,该处理的pH值变化率相比CK增加4.58%和2.65%,生育期内土壤脱盐率接近60%,玉米产量较CK增加39.04%;②施用不同改良剂后土壤有机质、速效钾在生育期内呈递增趋势,水解性氮、有效磷均呈先增加后减少趋势。【结论】在覆膜滴灌盐碱地的改良与利用中,以有机肥料和微生物菌剂为主要原料的微生物改良剂可作为优先选择。     

风沙土玉米地下滴灌技术田间应用试验研究

【目的】探索地下滴灌技术在风沙土地区应用的适宜性。【方法】将地下滴灌与膜下滴灌、雨养无灌溉进行田间对比试验研究,分析了不同灌溉方式对玉米生长和产量的影响。【结果】采用地下滴灌,灌溉水主要分布在20 cm以下土层,土壤含水率长期保持在6%以上;玉米生长前期株高、茎粗和LAI等长势慢于膜下滴灌,但随着玉米生长,株高和LAI最终与膜下滴灌处理持平,且玉米生长后期,地下滴灌有利于延缓叶片衰老;地下滴灌玉米产量为7.5 t/hm2,WUE为1.9 kg/m3,与膜下滴灌相比,产量和WUE分别减少了0.8 t/hm2和0.3 kg/m3,但差异不显著,与雨养种植相比,地下滴灌显著提高了产量和WUE,分别提高了126.4%和73.6%。【结论】从长久的生态效益和经济效益来看,地下滴灌技术可作为风沙土地区农业灌溉的选择。     

覆膜浅埋滴灌技术模式田间应用试验研究

基于田间试验,设置地表滴灌、膜下滴灌、浅埋滴灌3种滴灌处理,定量分析了不同滴灌模式下田间水热环境、作物耗水量及产量差异。结果表明,在常规地表滴灌基础上,结合覆膜和浅埋措施,能有效降低作物垄间棵间蒸发量,相比其他2种滴灌模式,浅埋滴灌在节水方面仍有一定的提升空间。覆膜和浅埋滴灌带明显延迟气温对地温的影响作用,提高了土壤积温;相比膜下滴灌,浅埋滴灌有效降低了滴灌带附近温度,同比平均降低了0.89℃。浅埋滴灌下玉米产量和水分利用效率显著高于地表滴灌,比地表滴灌分别提高了11.75%和16%。     

基于CERES-Maize模型的新疆滴灌玉米灌溉制度优化

【目的】研究新疆膜下滴灌玉米的灌溉制度和需水规律,为新疆玉米节水增产提供科学指导。【方法】基于2020年4个不同灌水水平下的玉米生长发育及产量数据,对DSSAT-CERES-Maize模型进行参数率定和验证,评价模型在新疆地区的适用性;利用1979―2017年气象数据,对典型年型分别设置14种灌溉方案,探究新疆膜下滴灌玉米的最优灌溉制度。【结果】利用玉米的叶面积指数、干物质量、产量的观测值对CERES-Maize模型进行参数率定和验证。叶面积指数、干物质量、产量等的模拟值和实测值都表现出了较好的一致性,模拟效果较好。通过模拟分析可得,不同年型玉米关键需水期对缺水的敏感程度大小为:抽雄期>拔节期>灌浆期。综合考虑产量和水分利用效率,枯水年、平水年、丰水年玉米抽雄期灌溉量分别为180、180、120 mm,灌浆期均灌溉120 mm,其余各生育期灌溉量都为60mm时最优。优化后灌溉制度对应的产量分别在枯水年、平水年、丰水年占对应最高产量的99.53%、97.51%、98.45%。【结论】CERES-Maize模型总体上可以应用于新疆地区滴灌玉米的研究,利用模型优化后的灌溉制度能够为新疆滴灌玉米的种植提供一定的参考依据。     

新疆绿洲覆膜滴灌棉田碳通量特征研究

基于涡度相关技术,对新疆典型绿洲棉田进行了连续4年的碳通量观测,并探讨覆膜滴灌棉田生育期内碳通量的构成和特征。结果表明:生长盛期(6—9月),棉田的总初级生产力(GPP)和净生态系统碳交换(NEE)日变化明显,峰值约出现在14:00。生态系统呼吸(Res)日变化稳定,与膜下土壤温度日变化稳定有关。日间GPP随太阳净辐射(Rnet)增加而增大,可用直角双曲线方程描述;且最大光合速率的峰值出现在7月。各碳通量的季节变化不同:GPP和NEE与LAI的季节变化一致,峰值出现在7月;而Res的峰值出现在6月。月累积GPP在6—9月间主要分配给NEE;而其余月份则分配给Res。整个生育期内(5—10月),总GPP平均为816.2 g C/m2,其中NEE占58.6%,这表明生育期内覆膜滴灌棉田表现为碳汇。     

覆膜和灌水处理下土壤水分动态与玉米生长模拟研究

采用作物模型模拟作物生长过程和产量,是应对气候变化和人类活动的影响、实现农业节水增产的重要途径。覆膜和节水灌溉技术在我国西北旱区农田应用广泛,本研究基于覆膜增温对气积温的补偿效应以及覆膜和冠层截留对降雨入渗的影响对Aqua Crop模型进行了改进,使其适用于我国西北旱区覆膜制种玉米的模拟。利用2017年石羊河流域制种玉米的实测数据对改进模型进行了率定与验证,并模拟预测了未来气温升高和覆膜比变化情景下作物产量及水分利用效率(WUE)的变化规律。结果表明:改进的Aqua Crop模型能很好地模拟制种玉米生长发育阶段和冠层覆盖率,各处理冠层覆盖率的模拟值与实测值之间的R~2均不小于0.95,RMSE为3.9%~10.1%,NRMSE为4.9%~15.3%。而在1m土层贮水量的模拟上,各处理R~2在0.60~0.92之间,RMSE在9.5~17.1 mm之间,NRMSE处于4.4%~8.9%之间。改进的Aqua Crop模型在模拟不覆膜高水M0W1和M0W3处理的制种玉米干物质累积量、产量上模拟效果较差,其他处理的干物质累积量的R~2不小于0.98,RMSE为0.64~1.66 t/hm~2,NRMSE为9.9%~16.7%,产量的相对误差(RE)为-13.3%~4.5%,WUE则表现为除M0W1处理外,其他处理模拟效果较优,RE为-23.9%~18.1%。未来气温升高对作物产量及提高水分利用效率产生不利的影响。覆膜条件下,增温1.6℃和3.3℃分别比在实际温度下减产12.8%和20.7%,WUE降低3.0%和2.1%。不覆膜条件下减产率分别为13.9%和25.1%,WUE分别降低3.8%和7.6%。覆膜比例为50%时,可在保证产量的同时,提高水分利用效率,达到增产节水的效果。     

不同滴灌灌水量对景电灌区玉米生长发育和产量的影响

【目的】制定玉米适宜的滴灌灌溉制度,为引黄灌区玉米膜下滴灌技术的推广应用提供理论依据。【方法】在大田条件下,根据冠层蒸发量(kc)、作物系数(E)设定4个灌溉水量,分别为0.6kcE、0.8kcE、1.0kcE、1.2kcE,探究不同玉米滴灌灌水量对玉米生长发育和产量的影响。【结果】灌水量的增加可以有效促进玉米的生长,灌水量低于1.0kcE时,对玉米的生长发育有一定的抑制作用;随着灌水量的增加,玉米的穗行数呈现逐渐减小的规律,穗长、穗粗、穗重、穗行粒数、百粒重呈现先增加后减少的趋势;灌水量为1.0kcE处理时玉米产量最高,为15.4 t/hm²,穗长、穗粗、穗重、穗行粒数、百粒重也均最高,分别为24.5 cm、54.5 mm、342.6 g、40.3粒、48.2 g,产量构成因素性状最好;水分利用效率方面,灌水量为1.0kcE处理时水分利用效率最高,为2.4 kg/m³。【结论】在本试验条件下,玉米膜下滴灌适宜灌水量为1.0kcE。