东北地区春玉米生长季农田蒸散量动态变化及其影响因子

利用大型称重式蒸渗仪对东北春玉米田蒸散量的观测结果,分析玉米生长季蒸散量的分布特征及其影响因子。结果表明：东北春玉米生长季（播种-成熟）农田蒸散量为362.3mm,日平均蒸散量为2.6mm·d-1。从各生育期的分布情况看,播种-七叶期蒸散量较小,日平均蒸散量为1.4mm·d-1,占全生育期的11.7%;七叶期开始,日平均蒸散量逐渐增加,在大喇叭口-抽雄期达到最大,为4.3mm·d-1;抽雄-乳熟期总蒸散量最大,为97.2mm,占生长季蒸散量的26.8%。从月蒸散量分布看,7-8月累积蒸散量达207.0mm,占5-9月蒸散量的54.5%;5、6和9月蒸散量较少,分别占5-9月总蒸散量的11.6%、19.6%和14.3%。从逐小时蒸散量变化看,蒸散量日变化表现为早晚低、中午高的“单峰型”曲线特征。蒸散量与叶面积指数、太阳辐射、5cm地温、平均气温、最高气温、最低气温存在显著的线性正相关关系,与空气相对湿度和饱和差间呈显著的二次函数关系。叶面积指数是影响春玉米农田蒸散最主要的生物因子,5cm地温和太阳辐射是最主要的环境驱动因子。     

黄土塬区农田蒸散的变化特征及主控因素

蒸散是水量平衡和能量平衡的重要组成部分,也是农田生态系统水分消耗的主要途径。为探究黄土塬区农田蒸散的日动态变化规律,运用涡度相关法、土壤水分及常规微气象观测系统等,于2013年作物生长季(4—10月)对试验区农田作物(冬小麦、春玉米)蒸散特征及影响因素进行分析。结果表明,降水对蒸散的影响较为显著,降水过后的日蒸散量较降水前会有所增加;农田0~100 cm土壤含水量变异系数较大,土壤水分变化剧烈,作物根系的集中分布范围在0~80 cm之间,因此0~100 cm土壤水分主要参与蒸散过程;晴天蒸散的累积量大于阴天,晴天和阴天的日均蒸散量分别为4.5、3.8 mm d-1,相差0.7 mm d-1。阴天蒸散开始的时间较晴天晚,阴天条件下的蒸散更易受到气象因子的扰动;不同天气条件下净辐射均为蒸散的主要影响因子,蒸散速率与净辐射变化趋势一致,但在时间上滞后于净辐射;在不同的土壤水分环境条件下,蒸散的过程和强度差异较大,水分胁迫条件下,全天蒸散量水平较低,"蒸散高地"的持续时间较长;而水分相对充足时,全天蒸散水平较高,"蒸散高地"持续时间较短,维持较高的蒸散速率的时间较长。     

不同时间尺度农田蒸散影响因子的通径分析

基于2011-2015年冬小麦农田实测大型称重式蒸渗仪数据及农业气象观测数据,分析不同时间尺度农田蒸散量的分布特征,并利用通径分析方法对各时间尺度农田蒸散的影响因子进行辨识。结果表明:(1)冬小麦开花-乳熟期典型晴天小时尺度蒸散呈单峰变化,最大值为0.9~1.1mm·h~(-1),日累计蒸散量7.0~9.1mm·d~(-1);冬小麦全生育期多年平均蒸散总量为385.4mm,日平均蒸散量为2.6mm·d~(-1),最大日蒸散量11.0mm·d~(-1),变化趋势为前期较低、后期较高;在生育期尺度,播种-返青期的蒸散速率较小,多年平均值为1.1mm·d~(-1),返青后,农田蒸散速率加快,多年平均值为4.2mm·d~(-1)。(2)不同时间尺度蒸散变化的影响因子主要包括净辐射(Rn)、饱和水汽压差(VPD)、0cm地温(T_(g0))、20cm土壤水分(SW20)。在小时尺度,VPD对典型晴天蒸散变化的直接作用最大,其次为Rn,T_(g0)通过Rn路径对EThourly变化产生间接影响,对蒸散的综合决定能力排序依次为VPDT_(g0)Rn;在日尺度,Rn作为最关键的影响因子,对蒸散的直接影响最大,VPD对蒸散的间接影响最大,VPD、T_(g0)主要通过Rn路径间接影响蒸散,SW20再通过T_(g0)路径间接影响蒸散且为负效应,各因子决策系数排序依次为RnVPDT_(g0)SW20;在生育期尺度,T_(g0)和Rn是驱动蒸散变化的最主要因子并起直接影响作用,决策系数表明T_(g0)对蒸散变化的促进作用比Rn明显。     

鲁北地区主要作物不同生育期需水量和作物系数的试验研究

依据2006-2007年田间试验资料,利用Penman-Monteith公式计算鲁北地区主要作物(冬小麦、夏玉米、棉花、苹果和韭菜)各生育期的参考作物蒸散量,利用农田水量平衡方程及土壤水分胁迫系数计算作物不同生育期实际蒸散量,计算得到相应的作物系数.结果表明,鲁北地区目前产量状况下冬小麦、夏玉米、棉花、苹果和韭菜全生育期的需水量分别为491.2、371.0、425.8、666.8和891.8mm,作物系数分别为1.32、1.34、0.85、0.99和1.33.     

秸秆覆盖下超高产夏玉米农田产量和土壤水分的动态变化

试验于2010年在山东农业大学农学实验站完成,设3种覆盖处理,分别为0（D0）,0.6（D0.6）,1.2kg/m2（D1.2）,研究了超高产条件下秸秆覆盖对夏玉米农田产量和土壤水分动态变化的影响。结果表明,秸秆覆盖条件下,D0.6和D1.2处理的籽粒产量分别为1 328.8,1 204.9g/m2,均达超高产水平,且分别比D0处理提高了12.1%和1.8%。播种到灌浆期间,秸秆覆盖可显著增加超高产夏玉米农田0-90cm范围内的土壤水分含量;灌浆期以后,各覆盖处理对土壤水分含量的影响逐渐减小。D1.2和D0.6处理分别比D0处理的蒸散量增加了7.1%和9.2%,从而使水分利用效率（WUE）降低。实验表明,在黄淮海夏玉米主产区,秸秆覆盖显著增加籽粒产量,是实现夏玉米超高产的有效手段之一,但并没有显著提高WUE。     

梯田玉米土壤水分动态研究

依据田间试验资料，对梯田玉米土壤水分动态特征进行了研究。并以谷子和休闲地作为对比，对不同植被覆盖条件下的梯田土壤水分差异进行了探讨。结果表明：（1）雨季降水对玉米地土壤水分的补给起着重要的作用，其土壤贮水量动态与年内的降雨周期相吻合；（2）不同植被覆盖条件对梯田土壤水分状况影响较大，玉米、谷子全生育期的农田蒸散量分别为502．9mm和473．9mm，同期对照休闲地的蒸散量仅为414．1mm；（3）玉米全生育期ET／E0（农田蒸散量／同期水面蒸发量）的比值为0．77，并且在拔节期和抽雄期都大于1，而谷子全生育期该值为0．69。     

由瞬时遥感蒸散量估算农田蒸散日总量的模式

在农田蒸散量日变化规律的基础上，导出了一个由瞬时遥感蒸散量估算农田蒸散日总量的计算模式。并用吴忠春小麦和民勤棉花的田间试验资料对导出的公式进行了验证。结果表明，利用真太阳时９：００～１５：００之间一日一次的瞬时遥感蒸散量由该模式可以较地的估算农田蒸散日总 量。     

华北平原典型井灌区农田水循环过程研究回顾

本文回顾了中国科学院栾城农业生态系统试验站在农田水分循环和水量转化方面的研究工作和进展。目前, 对于冬小麦-夏玉米农田的蒸散耗水量及其结构(植物蒸腾和土壤蒸发)有较详细的研究结果。全年总蒸散量多年平均870 mm, 每年亏缺的350 mm 左右需要靠提取地下水保证; 同位素分析结果显示土壤蒸发的深度在地表下20 cm 处, 而植物蒸腾耗水也主要是利用0~40 cm 土层的土壤水分。对于土壤深层渗漏量和地下水接受垂直补给的问题, 不同研究结果间仍然存在较大差异, 尚需更精细的试验来确定。对于区域水量平衡和地下水资源可持续性的评价和管理, 目前急需重点开展区域蒸散量的精确估算和模拟研究, 以及不同土地利用和不同农业种植方式的水量平衡与水分转化过程研究。     

夏季黑河中游绿洲样带蒸散量遥感估算

黑河中游绿洲集中了全流域95%的耕地,利用了全流域68%的水资源,绿洲农田蒸散是水资源的主要支出项。为了解绿洲生态系统不同景观单元的耗水规律,高效管理区域水资源,该文利用2011年6-8月的7期Landsat TM影像,结合地面气象、物候数据和土地覆盖类型,基于SEBAL-METRIC模型估算了夏季黑河中游样带尺度不同土地覆盖类型蒸散量,并利用涡度观测数据对卫星过境日模型估算的蒸散量进行验证,发现遥感估算值与实测值具有较好的一致性。结果表明:由于土地覆盖类型和灌溉的差异,黑河中游样带尺度内蒸散量空间变化较大,6-8月农田平均总蒸散量是340 mm,林地是328 mm,草地的平均值是214 mm,荒漠区只有97 mm;夏季不同土地覆盖类型蒸散量均保持在较高水平,农田日蒸散量在6月底达到最大值,荒漠日蒸散量于7月中旬达到最大值,草地6月和7月平均日蒸散值较8月大,林地蒸散量月际变化较小。另外,荒漠与绿洲土壤类型差异较大,在荒漠区与绿洲区分别选取"热点"可有效提高模型估算精度。研究对于干旱半干旱区域水资源利用与管理有参考价值。     

干旱区人工绿洲间作农田蒸散研究

在黑河流域中游的张掖绿洲区建立了大田环境下的春小麦和夏玉米间作农田能水平衡研究观测点，以气象观测资料为基础，采用波文比能量平衡法(BREB)和参考作物蒸散量—作物系数法(ET₀-K_c)对作物的蒸散进行了计算。结果表明：在一个完整的生长期内，利用波文比能量平衡法得到的间作作物蒸散量为688 mm，日均3.4 mm/d，用参考作物蒸散量—作物系数法得到的作物蒸散量为666 mm，日均3.3 mm/d，两种计算方法得到的蒸散量总值差别小。同期，水文平衡法计算结果为733 mm。利用波文比能量平衡法所得结果的分析表明，试验地在不同生长阶段，ET变化剧烈，生长初期、中期、末期分别为1.19、4.41和2.58 mm/d，其蒸散量分别占全年蒸散总量的7.79%、78.73%和13.48%。ET月变化显示，3月维持在一个较低水平；4月和5月剧烈增加；6月达到最大；此后的7月和8月降低，但仍维持在一个高水平；9月，随着作物进入生长末期，蒸散急剧减小。对ET日内变化分析可知，作物蒸散开始于早晨7∶00～8∶00，在14∶00左右达到最大，19∶00～20∶00趋于0 mm/d。不同生长阶段蒸散强度差异明显。     

夏玉米棵间土面蒸发与蒸发蒸腾比例研究

利用连续4年的大型称重式蒸渗仪和小型棵间蒸发器的测定资料，研究了不同灌溉定额条件下夏玉米生长期间的逐日蒸发蒸腾和棵间蒸发过程。结果表明，夏玉米总的蒸发蒸腾量在年际间变化较大，其中叶面蒸腾总量变化较大，在158.44～233.99 mm；棵间蒸发总量变化较小，在171.43～181.52 mm，棵间蒸发量占蒸发蒸腾量的比例(E/ET)在43.57%～52.52%之间。降水和灌溉以及气象因素对夏玉米生育期棵间蒸发的影响较小，而对叶面蒸腾的影响较大。得出充分灌溉和非充分灌溉条件下，棵间蒸发占蒸发蒸腾的比例与叶面积指数的相关系数分别达到0.85和0.77以上。     

微喷灌对夏玉米产量和水分利用效率的影响

为研究微喷灌对夏玉米产量和水分利用效率(WUE)的影响,本试验在旱棚条件下以郑单958为试验材料,设置2种灌水方式:微喷灌P(灌水定额:38 mm/次)和畦灌Q(灌水定额:75 mm/次),3种灌水次数:1次(W1)、2次(W2)和3次(W3),采用土壤水分测定仪实时监测整个夏玉米生长季多土层(0~200 cm)土壤体积含水量的动态变化。结果表明,在2种灌水模式下,随着灌水次数的增加(总灌水量增加),夏玉米产量呈增加趋势;相同灌水次数下,微喷灌处理的产量均低于畦灌。与QW1相比,PW2灌水量相同、灌水次数较多,产量提高5.0%;与QW2相比,PW3灌水量减少24%、灌水次数增加,产量提高14.3%。与QW1和QW2相比,PW3植株具有较高的穗位叶光合速率和干物质积累量,且增加了粒重和产量。进一步分析微喷灌(PW2)和畦灌(QW2)的耗水特性发现,与QW2相比,PW2叶面积指数、穗位叶蒸腾速率、阶段耗水量、耗水强度、灌水后日蒸散量及对0~100 cm土层水分的消耗均降低,而深层尤其是100 cm以下土壤水分的利用比例增加,进而PW2全生育期总蒸散量降低10.8%,WUE提高10.3%。综上所述,在华北地区夏玉米足墒播种前提下,采用微喷灌控水方式,灌水定额38 mm、灌水2~3次,可在保障产量的前提下,提高WUE。本研究对华北缺水地区压采地下水,实现节本增效具有重要的理论指导意义。     

夏玉米棵间蒸发的田间试验与模拟

棵间蒸发是农田作物蒸散的主要组成部分,且属于无效耗水,减少棵间蒸发量对提高农田水分利用率和节约用水具有重要意义。该文利用微型蒸发器测定夏玉米的棵间蒸发量,并根据2a的田间实测数据对双作物系数模型SIMDual_Kc进行参数率定和模型验证,将模型计算的棵间蒸发量与实测数据进行对比,计算各生育期棵间蒸发量占作物蒸散发的比例。结果表明,模型可以应用于该地区夏玉米生育期内土壤含水率和作物耗水量的模拟计算,其模拟的棵间蒸发量与实测值之间相关性较高,误差较小,可用于实测数据缺失时数据的插补。降雨对夏玉米生育初期棵间蒸发量影响较大,整个生育期内夏玉米棵间蒸发占总腾发量的比例在37%～45%左右。     

滴灌夏玉米土壤水分与蒸散量SIMDualKc模型估算

为研究西北半干旱地区作物蒸腾和土壤蒸发规律,以及土壤蒸发量占蒸散量的比例(简称蒸发占比),开展2 a夏玉米滴灌控水试验,设置正常灌水(W1)、适度水分亏缺(W2)和中度水分亏缺(W3)3个灌水水平.采用W2实测土壤水分数据对SIMDualKc模型进行参数率定,并采用W1和W3实测土壤水分数据对模型进行验证;进一步基于SIMDualKc模型对不同水分供应的土壤水分胁迫系数、土壤蒸发量、植株蒸腾和蒸散量进行定量模拟分析.结果表明,SIMDualKc模型可以较好地模拟西北半干旱区滴灌夏玉米不同水分供应条件下的土壤水分动态变化过程,实测值与模型预测值有较好的一致性(R2＞0.88,RMSE＜5％);夏玉米生长期,模型能较好地估算不同水分供应的土壤水分胁迫系数、土壤蒸发量和植株蒸腾.土壤蒸发主要集中在生育前期,而生育中期较低,后期略微升高.植物蒸腾主要集中在快速生长期和生长中期,整个生育期呈先增大后减小的趋势.蒸散量随着土壤蒸发和植物蒸腾的变化而变化,前期主要受土壤蒸发的影响,快速生长期、生长中期和后期主要受植物蒸腾的影响.Wl～W3处理土壤蒸发量为78.1～100.2 mm,植株蒸腾为221.8～293.3 mm,蒸散量为299.3～383.0 mm,蒸发占比为24.1％～28.7％.研究可为西北半干旱地区制定合理的夏玉米滴灌制度和灌溉决策提供理论依据.     

覆土浅埋滴灌玉米田双作物系数模型参数全局敏感性分析

为深刻了解双作物系数模型参数对覆土浅埋滴灌玉米田蒸散发耗水结构及水分传输过程的影响,采用拓展傅里叶幅度敏感性检验法对模型参数进行全局敏感性分析,筛选出敏感参数,提高调参校准的效率和精准度。结果表明:参数±10%变化时,全生育期土壤蒸发量、作物蒸腾量、蒸散发耗水量最大值较最小值分别高18.72%、25.37%、19.9%。土壤蒸发是表土水分的消耗过程,总量在最大、最小值条件下1 m土层日贮水量动态接近,而作物蒸腾是消耗整个根系层内土壤水,总量变化对1 m土层水分消耗的影响较大。土壤蒸发总量的敏感参数为土壤表层可蒸发水量、生长中期基础作物系数,其全局敏感性指数为0.662、0.321,是不敏感参数均值的33.6~69.4倍。作物蒸腾总量的敏感参数为根系不受水分胁迫的临界土壤贮水量、生长中期基础作物系数、田间持水量,其敏感性指数为0.569、0.485、0.455,是不敏感参数均值的34.5~43倍。敏感参数与蒸发蒸腾的关系为:表土完全湿润后,其可蒸发水量决定干燥过程土壤蒸发量,二者正相关。中期基础作物系数影响蒸发系数,总蒸发量与其负相关。根系不受水分胁迫的临界土壤贮水量越高,玉米根区易利用的水量区间越窄,根系越早发生水分胁迫,作物蒸腾受限,总蒸腾量与其负相关。中期基础作物系数与总蒸腾量正相关,对其影响程度远高于初期、后期基础作物系数。田间持水量高的土壤能在灌溉、降雨量较大时存贮更多水分用于作物蒸腾,总蒸腾量与其正相关。     

基于水分供需关系的冬小麦夏玉米节水灌溉模式研究

节水灌溉是解决水资源短缺问题的重要途径之一。在长期田间试验的基础上, 运用Hydrus-1D模型对研究区冬小麦 夏玉米轮作条件下的田间水分运移过程进行了模拟分析, 探讨适宜的节水灌溉模式。结果表明, 表征土壤水分实测值与模拟值精度关系的Nash-Suttcliff效率系数Ens为0.652~0.903, 均大于0.5, 模型效果良好; 在灌水量为520 mm的传统灌溉模式下, 1.6 m土层深层土壤水分无效渗漏量为189 mm, 占地表总入渗补给水量的22.3%, 土壤水分无效渗漏大, 且与降雨和灌溉关系密切; 根据作物水分供需状况及土壤水分状况得出夏玉米、冬小麦季的灌溉量分别为50 mm、320 mm, 比传统灌溉模式共节水100 mm。改进后的灌溉模式对于土壤水分渗漏具有良好的控制作用, 土壤水分渗漏峰值明显降低, 根据作物供需与土壤水分状况提出的节水灌溉模式能减少土壤水分渗漏, 提高灌溉水利用效率。     

青海云杉和华北落叶松混交林林地蒸散和水量平衡研究

2004年5～10月．通过测定青海大通一块退耕地上17年生的青海云杉和华北落叶松混交林树木蒸腾速率的日变化、月变化动态规律以及树木蒸腾总面积来确定混交林的蒸腾量，根据植物的蒸腾量估算树木在生长季的耗水量，进而推算出林地蒸散和水量平衡。研究表明．青海云杉、华北落叶松混交林生长季林地总蒸散量为251.80mm，以林木的蒸发散为主，占总蒸散量的80％，占同期降雨量的58％；灌草蒸散占总蒸散的13％；而土壤蒸发仅为25．71mm，占总蒸散的7％。     

农业技术和气候变化对农作物产量和蒸散量的影响

随着农业生产条件的改善、品种改进和有利的气象条件的变化, 世界各地的作物产量得到大幅度提高, 但作物的蒸散量却未出现大幅度提高。本文以石家庄气象站1955~2007 年的气象资料为基础, 分析了河北省冬小麦和夏玉米生长期间主要气象因素变化, 结合中国科学院栾城农业生态系统试验站长期定位灌溉试验的研究结果, 分析了农业生产条件和气象因子变化对冬小麦和夏玉米产量及耗水量的影响。结果表明,1955~2007 年冬小麦和夏玉米生长季的气象因子发生了变化, 日照时数、相对湿度、风速、气温日较差显著降低, 最低气温、平均气温和积温显著升高, 气象因子的变化对作物总蒸散量未产生明显影响, 但由于降水减少,作物生长期间的灌溉需水量呈增加趋势。长期灌溉试验结果表明, 随着农业生产条件的变化和品种的改良, 冬小麦和夏玉米的产量不断增加, 而耗水量的增加幅度小于产量增加幅度, 夏玉米的耗水量呈稳定状态。节水技术的推广和应用对维持耗水量稳定起着非常关键的作用。     

不同肥料运筹对夏玉米田间土壤氮素淋溶与挥发影响的原位研究

运用排水采集器法和通气法结合田间原位试验,研究了不同肥料运筹对夏玉米田间土壤氮素淋溶与挥发的影响。结果表明,在夏玉米生长季节,田间土壤水分淋溶体积达63.49～7.L/hm2,且表现与灌溉水量和降雨量正相关。与单施氮肥相比,有机肥配施氮肥在夏玉米生长发育前期易加剧水分的淋溶;氮素淋溶损失量明显高于氨挥发损失量,且二者均随施氮量的增加而升高;与单施氮肥相比,有机肥配施氮肥极显著地增大了氮素淋失量,减少氮素的氨挥发损失量,总体分析显示,有机肥配施氮肥极显著增大了氮素净损失量和氮素损失率;在夏玉米生长期内,施肥运筹的田间土壤淋溶水硝态氮浓度均呈现双峰趋势,以硝态氮形式淋失是田间土壤氮素淋失的主要形式,铵态氮浓度则呈现先升后降的趋势,铵态氮的累计淋失量很少。同时发现,大口期夏玉米生长旺盛,对氮素的需求强烈可以减少氮素的淋失和氨挥发损失,适量增加夏玉米大口期的追肥量,是提高氮肥利用效率的有效途径。     

豫北冬小麦、夏玉米多年需灌水次数及典型 生育期需灌水分析

研究气候变化情景下豫北地区农业需灌水次数的变化情况,可为当地灌溉以及保证农业可持续发展提供参考。本文分析处理近63 a(1951—2013年)气象数据和新乡七里营站点土壤数据,结合作物生长参数,利用降水、灌溉、作物蒸散发与土壤水分之间变化关系,建立干旱灌水指数模型。此模型中干旱灌水指数(DII)分布在[-1,1]之间,小于0时即干旱需灌水。在现有冬小麦-夏玉米种植制度下,利用干旱灌水指数模型计算多年需干旱灌水指数,并进一步得到灌水次数。选择冬小麦生长季分别为湿润(1985—1986年)、正常(2004—2005年)、干旱(1983—1984年)的3个典型实际代表年度,夏玉米生长季分别为湿润(2003年)、正常(1993年)、干旱(2009年)的3个典型实际代表年,计算了不同代表年冬小麦、夏玉米作物需水情况。进一步计算得到了冬小麦、夏玉米在典型湿润、正常、干旱3个不同代表年的干旱灌水指数,并进行了有无灌水的干旱情况分析。结果表明:近63 a冬小麦-夏玉米系统每年需灌水2~7次不等,平均需灌水5.1次。冬小麦和夏玉米湿润、正常、干旱3个代表年蒸散发量(ETC)分别为489.4 mm、551.4 mm、481.7 mm和466.1 mm、477.8 mm、529.3 mm。在无灌水条件下典型代表年内,冬小麦、夏玉米都会遭遇不同程度干旱,典型湿润、正常、干旱代表年冬小麦分别灌水2次、3次、4次,夏玉米分别需灌水1次、2次、3次后,基本可以消除干旱对其正常生长影响。综上,通过干旱灌水指数来量化需灌溉次数是可行的。气候变化情景下,近10年(2003—2013年)需灌水频次变化大,年际间干旱事件频发,更好的科学灌溉管理可减少干旱对作物的影响。