六种冠层阻力模型在冬小麦蒸散估算中的应用

蒸散量是农田水循环中水分损失的主要途径,其准确估算对节水灌溉具有重要意义。单源的Penman-Monteith （P-M）模型是最常用的蒸散量估算方法,但模型中冠层阻力的合理参数化一直是研究中的难点。该研究选取常用6种冠层阻力模型,使用北京顺义2 a（2020年和2021年）的波文比实测结果,分析不同模型进行冬小麦冠层阻力及蒸散估算的可行性。结果表明：1）无参数校正条件下,6种模型均低估了冬小麦冠层阻力,同时高估了蒸散量。其中,Todorovic模型（TD）的普适性最好,其模拟的冠层阻力、蒸散量与实测值的R2都在0.605及以上;耦合的冠层阻力模型（CO模型）普适性最差,冠层阻力、蒸散量与实测值的R2分别为0.113、0.046;2）进一步使用2021年的试验数据进行模型参数校正、2020年的数据进行验证,发现校正后的JA、CO、GA、KP及FAO56-PM模型计算的冠层阻力和蒸散量与实测值的一致性大幅提高。除JA模型低估冠层阻力外,其余均高估冠层阻力、低估蒸散量。其中KP模型模拟的冠层阻力和蒸散量效果最好,R2均在0.907及以上,而其余5种模型估算精度也较好。6种模型的估算精度排序为KP、GA、TD、FAO56-PM、CO、JA。综上,所评价的模型校正后均可作为P-M模型的冠层阻力输入来估算冬小麦蒸散量,但TD 模型不需要参数校正,在数据不足时可作为首选;而KP模型参数较少,校正后拟合精度最高,在数据充足时可作为首选。研究结果对华北地区使用P-M一步法计算冬小麦蒸散量具有重要价值。     

Penman Monteith模型中水稻冠层阻力的模拟

针对Penman Monteith模型冠层阻力的参数化问题,以南京地区2012-2013年水稻为研究对象,参照Jarvis的气孔阻力模型,建立了水稻的冠层阻力rc与气象、环境因子（太阳净辐射、饱和水汽压差、气温和土壤水分）的关系模型,并以蒸渗仪实测蒸散量资料为对照,对模型的精度进行检验。结果表明,所建水稻冠层阻力模型的拟合度2012年为0.911,2013年为0.810,将模型应用于Penman Monteith公式计算稻田蒸散量,两年的拟合精度分别为0.967和0.953,能较精确地估算稻田耗水量。对模型的敏感性分析表明,饱和水汽压差的拟合参数a2对模型的影响最显著。模型在一定程度上解决了冠层阻力计算复杂,观测量大且易产生观测误差的问题,可作为稻田蒸散的计算方法之一。     

轮作稻麦田水热通量及影响因素分析

轮作稻麦田水热通量及影响因素研究可为田间灌水管理和作物高效用水提供依据。该文利用波文比能量平衡监测系统测定的轮作稻麦田的水热通量数据及通径分析方法,分析了2种不同农田的水热通量变化规律及影响因素。结果表明轮作稻麦田的水热通量呈单峰曲线日变化。能量主要被潜热通量所消耗,全生育期小麦田潜热通量占可供能量的比例为71%,而2016和2017年水稻全生育期潜热通量占可供能量的比例分别为106%和122%,表明水稻冠层吸收了感热通量以进行水分消耗。净辐射对轮作稻麦田潜热通量的影响主要为直接作用,而1.5 m高气温、饱和水汽压差和风速主要通过净辐射路径对潜热通量产生间接影响。水稻田潜热通量受净辐射的直接作用小于小麦田,而受饱和水汽压差的直接作用大于小麦田。水稻田各影响因子对潜热通量影响的间接作用比小麦田更大。     

基于夏玉米叶片气孔导度提升的冠层导度估算模型

叶片气孔导度模拟及其向冠层导度的尺度提升是实现蒸散发尺度转换的基础,对农业水资源高效利用与评价意义重大。本文依据夏玉米叶片气孔导度和冠层导度实测值,在建立叶片气孔导度估算模型基础上,构建冠层导度估算模型。结果表明,夏玉米叶片气孔导度每日在10:00－14:00之间达到峰值,其日变化趋势与光合有效辐射的一致性较好,较大的饱和水汽压差对夏玉米叶片气孔导度具有一定的限制作用。根据光合有效辐射和饱和水汽压差建立的叶片气孔导度估算模型能较好反映当地夏玉米叶片气孔导度对主要环境因子的响应过程,以光合有效辐射作为尺度转换因子构建的冠层导度估算模型可较好实现从叶片气孔导度向冠层导度的尺度转换提升。     

长期定位施肥条件下作物光谱特征及养分吸收量预测

为了明确不同施肥条件下典型生育期冬小麦和夏玉米冠层光谱特征差异,该研究以长期定位施肥试验为研究对象,在确定典型生育期作物冠层光谱反射率与收获期作物地上部分主要养分吸收量相关性的基础上,建立收获期作物主要养分吸收量预测模型。结果表明,可见光波段相似生育期夏玉米冠层光谱反射率与冬小麦相近,但在近红外区域平均高于冬小麦8.42%。生育中期2种作物秸秆、籽粒及地上部分氮(N)、磷(P)、钾(K)吸收量与冠层光谱反射率在可见光波段普遍呈极显著负相关关系,在近红外波段呈极显著正相关关系。全生育期夏玉米冠层光谱反射率与作物吸氮量的相关系数在可见光波段基本持平,但在近红外波段平均高于冬小麦0.4152。全生育期夏玉米冠层反射率与地上部分吸磷量的相关系数在可见光波段和近红外区域较冬小麦平均分别低0.3621和0.2072。全生育期夏玉米冠层光谱反射率与地上部分吸钾量相关系数在可见光波段平均低于冬小麦0.1270,在近红外波段高于冬小麦0.0341。除夏玉米吸磷量外,基于冬小麦和夏玉米典型生育期冠层光谱反射率建立的模型均可准确预测收获期作物主要养分吸收量,且对冬小麦养分吸收量的预测精度略高于夏玉米,该结论可以为黄淮海地区冬小麦和夏玉米的长势监测和肥料管理提供科学依据。     

分时段修正双源模型在西北干旱区玉米蒸散量模拟中的应用

蒸散发(ET)是陆地水循环过程的重要组成部分,同时也是区域能量平衡以及水量平衡的关键环节,精确估算ET,对于提高水分利用效率以及优化区域用水结构具有重要意义。本文利用黑河重大计划观测数据,对比了考虑CO_2浓度和不考虑CO_2浓度对玉米冠层影响的冠层阻力模型,分别将其耦合到双源的Shuttleworth-Wallace(S-W)模型中,并利用这两种模型分时段对玉米整个生育期内半小时尺度上的ET进行模拟,利用涡度相关实测数据对模型进行验证,最后分别对影响玉米冠层阻力的气象要素和影响ET的阻力参数进行敏感性分析,探寻大气CO_2浓度改变条件下黑河中游绿洲区玉米不同生长阶段的农田耗水规律。结果表明:本文所修正的考虑CO_2浓度对玉米冠层影响的冠层阻力模型耦合到S-W模型后,能够较精准地模拟玉米整个生育期不同生长阶段半小时尺度上农田耗水过程。敏感性分析表明:各生长阶段冠层阻力(r_s~c)和冠层面高度到参考面高度间的空气动力阻力(r_a~a)对ET的影响最为强烈,其他阻力参数对ET的影响不明显,ET的变化程度随着r_s~c和r_a~a的增大而减小。本文所修正的考虑CO_2浓度影响的分时段双源模型能够精准地模拟玉米整个生育期各生长阶段的ET,可为种植结构调整和土地利用方式改变以及CO_2浓度变化环境下的农田蒸散研究提供参考。     

密度修正对冬小麦/夏玉米轮作田潜热、CO2通量及其能量闭合度的影响

本文利用涡度相关技术对青岛农业大学现代农业科技示范园试验站2013—2014年冬小麦/夏玉米轮作田与大气之间CO_2、水汽和能量交换进行测量,分别对潜热和CO_2通量进行两种密度修正(WPL修正和Liu修正)并进行对比,计算了两种密度修正前后冬小麦/夏玉米轮作田的能量闭合度。结果表明:WPL修正与Liu修正可以提高潜热通量,WPL修正后夏玉米田潜热通量约提高6%,冬小麦田约提高2%;Liu修正后夏玉米田提高不足1%,冬小麦田提高约2%。因此WPL修正对于夏玉米田潜热的修正效果明显优于Liu修正,而对冬小麦田潜热修正两种方法效果相同。两种修正方法对于CO_2通量具有降低的修正效果,WPL修正后夏玉米田和冬小麦田CO_2通量分别降低3%和4%;Liu修正后夏玉米田和冬小麦田CO_2分别降低2%和3%。可以看出,WPL修正和Liu修正对CO_2通量修正前后差别非常小(差距均为1%)。通过对青岛地区冬小麦/夏玉米轮作田能量闭合度的分析,发现密度修正可以提高能量闭合度,但不同下垫面有不同的修正效果。裸地情况下,WPL修正可以提高能量闭合度约2.53%~9.76%,夏玉米田为4.05%,冬小麦田为1.35%;而Liu修正对裸地能量闭合度的提高小于2.53%,对夏玉米田和冬小麦田提高约为1.35%。显然WPL修正对于能量闭合度的修正幅度大于Liu修正。能量闭合度大小关系为裸地Ⅰ(夏玉米出苗前)裸地Ⅱ(冬小麦出苗前)夏玉米田冬小麦田。     

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。     

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。     

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...     

河北低平原区冬小麦夏玉米产量提升的理论与技术研究

作为渤海粮仓主要增粮区的河北东部低平原中低产农田,冬小麦夏玉米的产量主要受制于土壤肥力水平低、淡水资源短缺和气候异常造成产量的大幅波动。通过选择适宜的品种、播期与收获期的合理搭配、优化的种植方式和配套的耕作与田间管理技术,提高作物生育期内对地上光热资源和地下水肥资源的利用潜力和效率,平抑气候变化带来不利影响,有着巨大的增产空间。该研究通过田间小区试验,结合示范区试验示范,研究了冬小麦与夏玉米生育期的优化、夏玉米种植方式调整、夏玉米深松播种、夏玉米增施钾肥与冬小麦增施磷肥及有机肥等措施对冬小麦、夏玉米产量的影响。主要研究结果如下:冬小麦适期晚播(不迟于10月15日),同时适当增加播量,不影响生育期群体构建和产量水平。早熟品种‘小偃81’提早进入灌浆期,受后期干热风的危害小,在不降低品质的同时粒重与产量稳定。夏玉米提早播10 d(6月10日与6月20日相比)平均增产17.2%,晚收获8 d(10月2日与9月24日相比)粒重增加19.5%。根据冬小麦和夏玉米的品种特性,合理搭配生育期,在实现冬小麦稳产提质的同时,使充分发挥夏玉米的产量潜力成为可能。改变夏玉米的种植方式,适当增加种植密度,明显地改善和提高了夏玉米产量,更为适宜的种植方式是40 cm与80 cm大小行种植和38 cm等行距种植,不适宜的是20 cm与100 cm大小行种植,更为适宜的种植方式下产量提高15%以上。长期旋耕机械压实了犁底层,通过夏玉米深松播种种植,产量提高达31.3%,后茬小麦增产5.6%,但连续深松没有明显的增产效果。夏玉米播种时增施钾肥产量提高2.6%。冬小麦增施磷肥产量提高7.4%,增施有机底肥增产6.8%,增施有机底肥和施磷肥产量提高8.8%,但无明显的累加效果。因此,通过适宜的品种选择与适期的生育期搭配、种植方式调整、适时深松打破犁底层的耕作措施、速效肥与有机肥合理施用等栽培和管理技术,可实现冬小麦夏玉米产量的逐步提高和稳定,充分利用玉米生长季丰富且集中的降水与光热资源,挖掘夏玉米产量,稳夏增秋的粮食增产模式更符合该地区未来发展需求。     

基于能量平衡的华北平原农田蒸散量的估算

通过测定冬小麦主要生育期农田冠层能量平衡的各分量、少风晴天时冠层温度和气温日变化及每周叶面积指数,分析了农田冠层能量平衡日变化规律、各分量季节变化特征,并以波文比系统实测蒸散值为相对标准,基于遥感冠层表面温度和能量平衡原理,采用Brown-Rosenberg公式对农田蒸散进行了估算和验证。结果表明：考虑夜间能量平衡各分量变化时,土壤热通量只占净辐射的3%左右,且夜间潜热交换值均很小,都在零左右波动;采用Brown-Rosenberg公式引入遥感冠层温度后估算的蒸散量较波文比系统实测值稍大,但忽略土壤热通量和考虑土壤热通量相比,二者相对平均偏差分别为16%和10%左右,差别不大,说明拔节-灌浆期（LAI≥3）估算蒸散时可近似忽略土壤热通量和夜间农田蒸散量,利用Brown-Rosenberg公式估算区域蒸散可行,该方法适用于华北平原农田蒸散计算。研究结果为将Brown-Rosenberg公式引入作物模型、基于热红外遥感冠层表面温度计算区域蒸散和水分胁迫系数进行区域估产提供了地面试验依据。     

FACE条件下小麦冠层能量平衡和水分利用率的变化

本文利用中国开放式CO2浓度增高(Free-air CO2 Enrichment,简称FACE)系统平台,于2007年3月19日至5月24日小麦拔节至成熟期进行小麦冠层微气候及相关项目的连续观测,并结合能量平衡分析,研究中国FACE系统对小麦冠层能量平衡各分量的变化特征及水分利用率的影响.能量平衡分析结果表明,小麦冠层白天总显热通量FACE均高于对照,而总潜热通量FACE均低于对照,潜热通量FACE与对照的差异日最大值变化在-12～-63 W˙m-2之间,显热通量FACE与对照的差异最大值变化在12～78 W-m-2之间.能量平衡是小气候变化的根本,利用p-M方程反演出的冠层群体气孔导度与实测的气孔导度相关关系较好,证明能量平衡的计算结果及小气候观测数据基本正确.观测期间内模拟计算结果表明,CO2浓度升高使小麦的水分利用减小约25.5 mm,结合生物量的增加,FACE条件下小麦水分利用率增加约19%.     

变量灌溉处方图设计中无人机飞行高度和起飞时间确定

无人机热成像系统快速获取农田水分亏缺信息空间分布的特点为变量灌溉动态分区管理提供了监测平台。为了提高利用无人机热成像系统生成变量灌溉处方图的精度，该研究提出热成像系统获取的红绿蓝3色值与温度间的转化方法，分析了无人机热成像系统飞行时刻和飞行高度对冠层温度空间分布和变量灌溉处方图生成的影响。试验在河北邢台大曹庄管理区水肥一体化试验基地开展，无人机热成像系统飞行高度设置为70、90和110 m，起飞时间选择在08:00、11:00、14:00和17:00，飞行区域为三跨加悬臂圆形喷灌机控制灌溉面积的1/4。结果表明，RGB颜色值与温度间存在极显著的线性关系（P<0.01）。无人机热成像系统的起飞时间对冠层温度空间分布有较大影响，在11:00和14:00飞行时冠层温度空间分布差异最大，变量灌溉处方图内总灌水量相对较小。随着无人机热成像系统飞行高度的增加，图像分辨率降低，变量灌溉处方图内总灌水量呈增大趋势，90和110m飞行高度时的总灌水量平均比70m时分别高6.1%和12.1%。在利用无人机热成像系统获取变量灌溉处方图时，推荐冬小麦生育期内飞行时间为11:00—15:00，夏玉米为11...     

基于能量平衡的喷灌作物冠层净截留损失估算

为了定量评价喷灌作物冠层截留损失,以地面灌为对照,利用热平衡茎流计对喷灌冬小麦和夏玉米冠层截留水量蒸发产生的蒸腾抑制效应进行了连续两年的田间观测,结果表明：各次灌水,喷灌冠层截留水量的蒸发明显影响田间小气候进而抑制作物蒸腾。喷灌冬小麦和夏玉米蒸腾抑制量变化范围分别为1.65～4.09 mm和0.50～2.75 mm。在此基础上,基于能量平衡原理,结合波文比能量平衡系统,计算出的冬小麦冠层净截留损失不足0.1 mm;夏玉米净截留损失变化范围在1～2 mm之间,占灌水量的4.3%～6.5%。     

华北平原典型冬小麦农田生态系统能量平衡与闭合研究

准确量化分析地气之间的物质和能量交换对于水资源管理和农业可持续发展是十分重要的。能量平衡闭合是评估观测数据准确性和分析地表能量平衡的一个重要的评价指数。本研究利用开路涡度相关系统和全要素自动气象站对华北平原典型冬小麦农田生态系统2013—2014年度的能量通量及常规气象要素进行了连续观测,分析了冬小麦农田各能量通量的日变化和年变化特征,计算冬小麦在4个生育时期(出苗期、越冬期、拔节期和灌浆期)的能量闭合和波文比。结果表明:在日尺度上,选取的4个生育时期净辐射和各能量分量的日变化趋势均为单峰二次曲线,净辐射、显热通量和潜热通量的峰值出现在12:00—13:00,土壤热通量的峰值出现在14:00—15:00。在年尺度上,净辐射和潜热通量的变化趋势较为一致,均在越冬期达到最低值114.51 W·m~(-2)和13.47 W·m~(-2),而在灌浆期达到最大值327.02 W·m~(-2)和116.56 W·m~(-2)。选取的4个生育时期的代表性观测日期能量闭合良好,能量闭合率分别为0.49、0.77、0.81和0.76。4个生育时期内波文比值日变化趋势均呈倒"U"型,出苗期波文比在14:00达到最大值2.12;越冬期、拔节期和灌浆期在10:00左右达到最大值,分别为1.48、0.31和0.58。本文的定量化结果可为华北平原农田生态系统水热通量等研究提供依据。