黄土丘陵沟壑区植物蒸腾和植被蒸散估算尺度转换模型研究

对蒸散估算的尺度放大是研究的热点问题.选择有大量数据积累的鄂尔多斯高原皇甫川流域为研究区,利用点面结合的方式对数据进行补测,以生物学为基础,建立了植物蒸腾和植被蒸散模型,经验证,模拟效果较好.从而在植物叶片-个体-群落-景观尺度上实现了转换,为实现好的蒸散模拟提供了方法.     

基于液流计估测蒸腾分析覆膜滴灌玉米节水增产机理

深入了解覆膜滴灌下冠层辐射传输和能量分配情况,确定土壤蒸发和作物蒸腾之间的定量区分关系是合理灌溉和提高水分利用效率的重要研究内容。该研究在东北膜下滴灌地区开展连续2 a田间试验,测定了覆膜（M）和不覆膜（NM）玉米田的冠层辐射、田间土壤蒸发和作物蒸腾、作物生长和产量。结果表明：覆膜使冠层上方净辐射降低7.7%,从而减少了蒸发蒸腾可供能量,冠层下方净辐射降低34.0%,减少了土壤蒸发可供能量,冠层净辐射吸收量增加14.0% 用于作物蒸腾;覆膜能小幅度降低蒸发蒸腾总量3.9%～5.2%,而对其在土壤蒸发和作物蒸腾之间的分配影响显著,覆膜处理土壤蒸发占蒸发蒸腾总量的比例为12.5%～14.5%,而不覆膜处理该比例高达21.7%～25.0%;覆膜处理提高了成熟期玉米株高、地表20 cm高度处茎粗、生物量和最大叶面积,最终使产量提高5.9%～8.8%,水分利用效率提高12.0%～13.1%。综上所述,覆膜通过改变冠层辐射能量分配降低了玉米田蒸发蒸腾总量,提高了玉米产量和水分利用效率。     

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。     

作物棵间蒸发及叶面蒸腾量的研究

在农田生态环境中分别测量了作物的棵间蒸发量和叶面蒸腾量，为提高水分利用率，减少非生产性水分消耗提供了依据。     

作物棵间蒸发及叶面蒸腾量的研究

在农田生态环境中分别测量了作物的棵间蒸发量和叶面蒸腾量，为提高水分利用率，减少非生产性水分消耗提供了依据。     

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。     

北京山区侧柏林蒸散拆分研究

以北京山区广泛分布的侧柏林为研究对象,分别采用水文学实测法(树干液流计结合大型蒸渗仪)和稳定同位素法对林分蒸散量进行定量拆分研究。结果表明:(1)在日尺度上,该林分的蒸散量和蒸腾量均显现为单峰型的变化曲线。林分总的蒸散量和蒸腾量均在正午前后达到最大值,分别为1.27,1.13 mm/h;(2)实测法和稳定同位素法对侧柏林蒸腾量占总蒸散量的计算结果分别为80.21%～89.63%和79.10%～98.71%。相比水文学实测法,稳定同位素法在小时尺度上误差为(3.97±3.53)%,而在日尺度上误差为(1.89±0.67)%。该林分蒸散主要来自于植被蒸腾,林木蒸腾耗水远大于土壤蒸发耗水。     

覆膜滴灌棉田蒸散量的模拟研究

通过综合考虑影响作物蒸散量的土壤、作物、大气3方面因子,结合新疆滴灌棉田覆膜栽培的生产实际,设计了不同覆盖度和品种试验,以Penman－Montieth方程估算参考作物蒸散量,确定了不同覆盖度及品种条件下的作物系数,并在此基础上实现了覆膜滴灌棉田蒸散量较为准确地估计。试验结果认为覆膜滴灌棉田全生育期蒸散量在540～620 mm之间,全生育期蒸散量和作物系数都随着覆盖度的增加而减小,叶面积指数与日蒸散量及作物系数关系密切,品种间由于品种特性的差异而引起的叶面积指数变化,最终导致了品种间作物系数K_c的不同。     

作物蒸发蒸腾量的计算方法研究

本文用山西、陕西、内蒙、甘肃四省、区辐射台的资料对目前普遍采用的彭曼(Penman)公式中的某些系数进行上修正;分析了作物系数的变化规律:提出了土壤水分修正系数的表达式;以水量平衡方程为基础建立了非充分灌溉条件下作物蒸发蒸腾量的计算模型.     

垄上线源滴灌湿润体特性研究

在米脂县盂岔试验基地进行大田试验,研究了同一灌水量、不同流量条件下,垄上线源滴灌湿润体特征值的变化规律及滴灌结束后的水分再分布规律.试验结果表明:在线源交汇人渗情况下,滴头处和交汇面处垂直入渗距离与入渗时间均满足良好的幂函数关系.在灌水量为9L的情况下.湿润体沿滴灌管布置方向剖面上的土壤含水率等值线大致以15cm深度为分界线,上层呈现以滴头为中心的椭圆状,而下层则相对平缓.滴灌停止后24h时的湿润体较为稳定,其特征值可以作为线源滴灌灌水量设计的依据,同一灌水量条件下,滴头流量对滴灌停止后24h的湿润体特征值影响并不大.     

内蒙古通辽膜下滴灌玉米棵间蒸发量SIMDual_Kc模型模拟

为明确内蒙古东北部地区玉米膜下滴灌棵间蒸发的变化规律,探索玉米膜下滴灌节水增产机制,在田间试验的基础上,采用经过参数率定与验证的双作物系数SIMDual_Kc模型,模拟分析了土壤含水率、土壤棵间蒸发及作物系数的变化规律,结果表明:1)双作物系数SIMDual_Kc模型模拟内蒙古东北部地区滴灌玉米土壤含水率与实测值具有很好的一致性;2)利用双作物系数SIMDual_Kc模型估算出该地区覆膜玉米生育初期、中期和后期作物系数分别为0.15、1.05、0.4,无膜滴灌玉米初期、中期和后期作物系数分别为0.15、1与0.4;3)根据双作物系数模型SIMDual_Kc模拟了2014和2015年滴灌玉米棵间蒸发量占作物蒸散发的比例,覆膜滴灌较无膜滴灌少,说明覆膜能有效降低作物棵间蒸发量,具有降低作物耗水量的潜在优势。研究结果可以为内蒙古东北部地区玉米滴灌生产实践提供科学依据。     

根区局部灌溉和有机无机氮比例对玉米水分利用和土壤氮磷含量的影响

根区局部灌溉(PRI)是新的高效节水技术,由于创造了一个土壤水分分布不均匀的环境,从而影响土壤水分养分利用。通过盆栽试验,研究了PRI和有机无机氮(N)比例对玉米干物质积累和水分利用以及拔节期、大喇叭口期和灌浆期土壤N、磷(P)含量的影响。试验设3种灌溉方式,即常规灌溉(CI),分根区交替灌溉(APRI),固定部分根区灌溉(FPRI)和3种有机无机N比例,即100%无机N(F1),70%无机N+30%有机N(F2),40%无机N+60%有机N(F3)。与CI相比,PRI玉米耗水量减少7.7%～17.1%,水分利用效率(WUE)提高2.4%～14.1%;玉米生长后期PRI湿润区土壤速效N和P含量较低,而PRI干燥区则较高。3种灌溉处理时,与F1相比,F2和F3时玉米总干物质质量和耗水量有所增加,从而玉米WUE分别提高5.5%～10.8%和0.5%～7.9%。这表明PRI和适当有机N比例可以有效提高玉米水分利用效率,且FPRI较APRI易造成干湿区域土壤速效N和P含量的差异明显。     

Measured deuterium in water vapour concentration does not improve the constraint on the partitioning of evapotranspiration in a tall forest canopy, as estimated using a soil vegetation atmosphere transfer model

Partitioning the evapotanspiration (ET) flux in a forest into its component fluxes is important for understanding the water and carbon budgets of the ecosystem. We use non-linear parameter estimation to determine the vertical profile of the Lagrangian timescale (T_L) and partitioning of ET that simultaneously optimise agreement between modelled and measured vertical profiles of temperature, water vapour, carbon dioxide concentrations, and deuterated water vapour for a two-week period in November 2006. High precision real-time trace gas measurements were obtained by FTIR spectroscopy. Modelled temperature and concentration profiles are generated using a Lagrangian dispersion theory combined with source/sink distributions of HDO, H₂O, sensible heat, and CO₂. These distributions are derived from an isotopically enabled multilayer Soil Vegetation Atmospheric Transfer (SVAT) model subject to multiple constraints. The soil component of the model was tested in isolation using measured deuterium content of soil chamber evaporate, while the leaf component was tested using isotopic analyses of leaf and xylem water, combined with leaf-level gas exchange measurements. Optimisation of T_L and the partition of ET was performed twice: once using only temperature, H₂O and CO₂ profiles and a second time including HDO as well. The modelled vertical concentration profiles resulting from inclusion of HDO in the cost function demonstrate our ability to make consistent estimates of both the scalar source distributions and the deuterium content of the water vapour sources. However, introducing measurements of deuterium in water vapour does not significantly alter resulting estimates of normalised T_L (0.4 ± 0.1 at canopy top) and the partition of ET (85 ± 2% transpiration), suggesting that the additional data and modelling required to use deuterium are not warranted for the purpose of partitioning ET using the framework presented here.     

北疆膜下滴灌棉花产量及水分生产率对灌水量响应的模拟

膜下滴灌技术是一种节水高产的灌溉技术,在新疆棉花种植中得到了广泛的应用。灌溉是影响新疆棉花产量的重要因素。为研究棉花产量和水分生产率对灌水量的响应,该文首先采用2010年和2011年新疆棉花膜下滴灌田间试验数据验证二维土壤水与作物生长耦合模型模拟棉花产量和耗水量可靠性。结果表明,二维土壤水与作物生长耦合模型能够可靠地模拟土壤含水率、叶面积指数、地上部分干物质量、籽棉产量和耗水量。土壤含水率模拟值与实测值的标准均方根误差(normalized root mean square error,n RMSE)为4.6%~23.4%,一致性指数为0.677~0.974;叶面积指数和地上部分干物质量n RMSE分别为6.3%~15.7%和7.2%~14.1%;籽棉产量和耗水量的模拟值与实测值之间相对误差分别仅为1.1%~6.7%和0.3%~9.2%。利用率定和验证后的模型参数进一步模拟10种灌水量情景下的棉花籽棉产量和水分生产率,结果表明籽棉产量随着灌水量的增加而增加,二者呈抛物线关系,而水分生产率则随着灌水量的增加而减小。综合考虑产量和水分生产率,北疆地区膜下滴灌棉花优化灌水量为280~307 mm。该研究可为北疆地区棉花灌水实践提供科学依据。     

Estimating transpiration and the sensitivity of carbon uptake to water availability in a subalpine forest using a simple ecosystem process model informed by measured net CO2 and H2O fluxes

Modeling how the role of forests in the carbon cycle will respond to predicted changes in water availability hinges on an understanding of the processes controlling water use in ecosystems. Recent studies in forest ecosystem modeling have employed data-assimilation techniques to generate parameter sets that conform to observations, and predict net ecosystem CO₂ exchange (NEE) and its component processes. Since the carbon and water cycles are linked, there should be additional process information available from ecosystem H₂O exchange. We coupled SIPNET (Simple Photosynthesis EvapoTranspiration), a simplified model of ecosystem function, with a data-assimilation system to estimate parameters leading to model predictions most closely matching the net CO₂ and H₂O fluxes measured by eddy covariance in a high-elevation, subalpine forest ecosystem. When optimized using measurements of CO₂ exchange, the model matched observed NEE (RMSE = 0.49 g C m⁻²) but underestimated transpiration calculated independently from sap flow measurements by a factor of 4. Consequently, the carbon-only optimization was insensitive to imposed changes in water availability. Including eddy flux data from both CO₂ and H₂O exchange to the optimization reduced the model fit to the observed NEE fluxes only slightly (RME = 0.53 g C m⁻²), however this parameterization also reproduced transpiration calculated from independent sap flow measurements (r² = 0.67, slope = 0.6). A significant amount of information can be extracted from simultaneous analysis of CO₂ and H₂O exchange, which improved the accuracy of transpiration estimates from measured evapotranspiration. Conversely, failure to include both CO₂ and H₂O data streams can generate results that mask the responses of ecosystem carbon cycling to variation in the precipitation. In applying the model conditioned on both CO₂ and H₂O fluxes to the subalpine forest at the Niwot Ridge AmeriFlux site, we observed that the onset of transpiration is coincident with warm soil temperatures. However, after snow has covered the ground in the fall, we observed significant inter-annual variability in the fraction of evapotranspiration composed of transpiration; evapotranspiration was dominated by transpiration in years when late fall air temperatures were high enough to maintain photosynthesis, but by sublimation from the surface of the snowpack in years when late fall air temperatures were colder and forest photosynthetic activity had ceased. Data-assimilation techniques and simultaneous measurements of carbon and water exchange can be used to quantify the response of net carbon uptake to changes in water availability by using an ecosystem model where the carbon and water cycles are linked.     

Aquacrop模型在北疆棉花生育期灌溉洗盐制度优化中的适用性

为明确Aquacrop模型在北疆棉田膜下滴灌和地下滴灌方式下生长和生产模拟的适用性,并探究棉田生育期最优灌溉洗盐制度,该研究以2020和2021年的田间试验数据对模型参数进行校正和验证,并用校正好的模型揭示3种灌溉水平（100%ETc、80%ETc、60%ETc,其中ETc为作物需水量）、3种淋洗总定额（0、120和240 mm）、3种灌水频率（5、7和10 d/次）和3种降水年型（湿润年、平水年、干旱年）对棉花产量和灌溉水生产力的影响。结果表明,2021年所有处理的冠层覆盖度、地上生物量归一化均方根误差（normalized root mean square error, NRMSE）不大于20.998%,一致性指数d≥0.967,决定系数R²≥0.914,产量均方根误差（root mean square error, RMSE）、NRMSE、d和R²分别为0.389 t/hm²、6.797%、0.836和0.754,模型整体模拟效果良好。基于58 a气象数据的模型模拟表明：灌溉水平、淋洗定额、降水年型对棉花产量和灌溉水生产力的影响显著,灌水频率的影响不显著;在平均土壤含盐量范围为12～18 g/kg的植棉区域,综合考虑产量、灌溉水生产力及实际生产情况,湿润年推荐80%ETc+120 mm的灌溉淋洗总定额,平水年和干旱年推荐100%ETc+120 mm的灌溉淋洗总定额;推荐延长灌水频率至10 d/次以减少灌水次数,节约成本。研究可以为Aquacrop模型在棉田中的应用积累经验,为农业水资源高效利用提供理论指导与技术支撑。