几种蒸散模型在玉米农田蒸散量计算中的应用比较

模拟蒸散的物理过程,计算农田蒸散量是进行生态系统水资源评价和管理的重要手段,同时也是气象部门进行土壤湿度预报的首要条件.本研究以玉米农田为研究对象,基于涡度相关法观测的蒸散实测资料,比较分析了基于常规气象数据的蒸散模型(Hargreaves法、Priestlev-Taylor法、FAO-Penman-Monteith法)和基于气象梯度数据的蒸散模型(波文比法、梯度法、生态系统过程模型模拟)的模拟精度.结果表明:①Hargreaves法、Priestley-Taylor法和FAO-Penman-Monteith法日蒸散的模拟结果较为一致,总体上高估20%～26%,其中Priestley-Taylor法模拟结果最优;②生态系统过程模型模拟的农田日蒸散精度较高,但模型中涉及的物理过程和参数较多,在实际应用中难于获取;③波文比法在波文比小于0.4且仪器精度较高时可以得到较准确的估算值.研究同时还指出,仪器的安装高度及高差设计对梯度法估算蒸散十分重要.     

土壤-植被-大气系统水和热传输机理及区域蒸散模型

在不同空间和时间尺度上建立了估算土壤 植被 大气系统水、热传输的模型 ,并且在华北平原中国科学院两个农业生态试验站设计了 3个试验 ,验证模型的精度和有效性 .第一个模型是基于瞬时通量观测基础上建立的植被冠层光合 导度 蒸散耦合模型 ,它模拟的结果与涡度相关系统测定结果比较一致 ;第二个模型为一维 3层的土壤水量平衡模型 ,此模型成功用于模拟 1 998— 2 0 0 3年度太行山山前平原不同灌溉条件下的土壤水分深层入渗和蒸散过程 ;第三个模型为区域能量通量和日蒸散模型 ,它基于卫星遥感数据和地面同步观测而建立 ,本模型可以监测区域地表的干旱状况 ,用于估算区域能量通量和日蒸散 .     

基于不同时间尺度玉米蒸散蒸腾量及其影响因素

运用涡度相关仪、包裹式茎流计对半干旱区玉米蒸散和蒸腾进行连续观测,并对田间土壤水势及其周围气象因子进行同步监测,分析了玉米蒸散和蒸腾在不同时间尺度上的变化过程及其影响因素,结果表明:①涡度相关仪测定的日蒸散量和茎流计测定的日腾量变化规律一致,相关性较好,但日内蒸散速率和蒸腾速率的变化受环境因子的影响而呈现不同的变化特征;②不同深度土壤水分状况对玉米蒸散和蒸腾存在不同影响。对玉米蒸散起较大作用的是地表以下10~15cm深处的土壤水势,而对玉米蒸腾起较大作用的是15~20cm深处的土壤水势;③在不同时间尺度上,太阳辐射始终是影响玉米蒸散和蒸腾的最主要气象因子;但在日内变化上,玉米蒸散速率和蒸腾速率与太阳辐射和饱和水汽压差均存在较好的相关关系。     

FAO-56土壤水分胁迫指数计算方法试验研究

本文以中国科学院禹城综合试验站的观测数据为基础,对FAO-56建议的土壤水分胁迫指数(KS)计算方法进行了验证和改进,修正了水分胁迫发生前根区消耗土壤水分占总有效土壤水比例(p值)的计算参数,利用实测土壤水分数据来计算Ks的改进的FAO-56公式;根据禹城综合试验站新水分池2006-2007季和2007-2008季不同水平胁迫条件下冬小麦的实测土壤水分(0~60cm)对修正前后的Ks计算公式进行了验证;并利用2006-2007冬小麦季lysimeter实测数据与改进的FAO-56计算方法的计算结果进行对比,以检验改进后方法的模拟效果;最后,根据改进的方法进行了不同处理下土壤水分的动态模拟,分析了冬小麦生育期内Ks的变化。结果表明:改进后的土壤水分胁迫模型可以较好的模拟土壤水分变化动态,计算得到的日蒸散在冬小麦生育中后期(4.7~6.6)更接近实测值,误差减小:RMSE为0.72mm,MBE为0.06mm;模型效率系数提高:ME为0.77,模拟的精度均高于修正前计算得到的结果(RMSE为0.95mm,MBE为0.43mm;ME为0.60);Ks的模拟变化规律与控制的灌水下限一致,说明改进的FAO-56土壤水份胁迫指数计算模型具有较好的模拟效果。     

汾沁地区蒸散模拟及其时空变化特征

蒸散是水循环和能量循环的重要过程,也是连接土壤-植被-大气系统的关键纽带。气候变化背景下,蒸散的时空分布研究可为地区水资源合理配置及应对气候变化提供科学基础。本文基于结合GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）数据的水量平衡方法模拟黄土高原汾沁地区2003—2015年蒸散量,并分析其不同时间尺度的变化特征,结果表明：①结合水储量变化的水量平衡方法与忽略水储量变化的水量平衡方法模拟所得蒸散相比,前者时间序列上波动更平稳（变异系数、标准差、极端值分别减少0.12,5.50mm,3.20%）,可更精确地反映汾沁地区实际蒸散在年和季节尺度上的变化规律;②研究区2003—2015年均蒸散量为530.19mm,空间分布上由北向南大致增加,年际波动较平稳（变异系数为0.08）,其中2010年蒸散量最低（478.22mm）,2011年蒸散量最高（614.57mm）;③季节尺度上,夏季平均蒸散量最高（263.36mm）,占全年蒸散量的49.67%,波动较平稳;冬季蒸散量最低（19.50mm）,离散程度较大;④汾沁地区2003—2015年蒸散变化主要受温度、降水的影响,其年际波动主要与降水相关。     

土壤水分随机模型支持下的土壤水平衡研究进展

土壤水是联系陆地水文过程与生态过程的纽带,且土壤水分动态表现出明显的随机属性。所以土壤水分随机模拟逐渐成为当前生态水文学研究的一个热点,土壤水分随机模拟研究是土壤-植被-大气连续体（SoilPlant-Atmosphere Continuum,SPAC）水分传输机理的关键。本文系统分析了土壤水分随机模型的内涵。对当前典型的土壤水分随机动态模型进行归纳和总结,包括：Milly模型（step model）、Porporato模型（Linear Model）、Shutfleworth and Ellis模型（Ramp Model）、Rodriguez模型、Laio模型,并对这些模型在土壤水平衡分析中的应用进行了推导和分析。展望了土壤水分随机动态模拟与土壤水平衡研究未来发展方向：加强生态水文学实验研究,特别是加强高分辨率、长时间序列的土壤水分监测;加强理论模型的应用研究,广泛开展土壤水分随机模拟在我国非湿润区的应用;加强土壤水分随机模型在土壤水平衡分析及流域水平衡分析的应用,建立更加完善的基于土壤湿度概率密度函数的流域水平衡模型;加强全球变化、土地利用,土地覆被变化对土壤水分动态影响模拟研究。     

1991年至2000年中国陆地生态系统蒸散时空分布特征

生态系统蒸散（ET）的时空动态是研究气候变化和陆地生态系统碳水循环的重要因子,与生态系统的净初级生产力（NPP）密切关联。基于1991年～2000年NOAA-AVHRR遥感数据、气象数据以及土壤数据和其他辅助数据,利用改进的生态系统过程模型（Boreal Ecosystem Productivity Simulator, BEPS）,模拟了中国陆地生态系统不同时间尺度ET的空间分布格局,分析了10年来中国陆地生态系统ET的时空变化特征及其对气候变化的响应。结果表明：20世纪90年代中国陆地生态系统ET呈上升趋势,10年ET平均值为442.55mm/a;最高值为475.91mm/a,出现在温度和降水都达到峰值的1998年;最低值为425.59mm/a,出现在年降水量最少的1992年。中国陆地生态系统年ET与年均温和年总降水量显著正相关,而年ET与年总降水量的相关性（R² = 0.950, P<0.05,n= 10）优于与年均温的相关性（R2 = 0.399, P<0.05,n=10）,说明降水可能是中国陆地生态系统年ET变化的主要决定因子。中国陆地生态系统年ET表现出明显的空间分布格局：从西北地区到东南地区呈三级阶梯逐渐增加,与相应的降水分布格局类似;而基于不同植被类型和气候带的年ET表现出一定的地带性规律。从时间格局上看,ET的年内变化主要表现为单峰形式,而年际变化和相应植被类型及气候条件有关。全国年ET变化趋势在空间上有很大的异质性。     

1998-2011年海河流域植被覆盖变化及气候因子驱动分析

基于1998-2011年的SPOT/NDVI数据,结合海河流域土地覆盖数据分析了海河流域植被覆盖的时空变化特征,然后利用海河流域30个气象站的气温和降水资料对海河流域植被覆盖变化的气候驱动力进行了分析。结果表明：1998-2011年海河流域NDVI呈缓慢上升趋势,植被覆盖状况总体上在改善,但是在空间存在明显差异,其中农田、森林、湿地改善最为明显,植被明显改善区域与植被高波动区分布基本一致,植被覆盖基本不变区域与植被低波动区基本一致;海河流域植被覆盖变化受气候因子驱动的面积比例为31.7%,非气候因子驱动型分布于整个流域,占整个流域面积的68.3%,其分布地区土地覆盖类型主要是农田、建设用地,表明人类活动对植被变化的影响较大。     

气候环境

<正>极端湿润气候对森林生产力的补偿效应北京大学城市与环境学院刘鸿雁教授研究团队综合利用1929条树轮序列、全球长时间序列遥感植被绿度观测数据和6个全球气候模式模拟结果,系统地研究了森林生产力对极端湿润事件的响应。相关研究成果发表于Nature Communications。全球气候变暖导致极端气候事件频发,对森林生态系统影响巨大。森林在经历极端湿润事件后,有持续1?5年的生长加速现象,总体上补偿了极端干旱事件的影响,并且这一补偿效应在干旱半干旱区森林中尤为明显。研究揭示了干旱区森林对于极端湿润和干旱事件的对称响应规律,提升了人们对于森林响应极端气候事件的认识,为改进陆面模型提供了理论基础。     

基于APSIM模型的气候变化对西南春玉米产量影响研究

为研究西南地区春玉米生长季主要气象因子对产量的影响,本文利用农业气象试验站作物及土壤资料,评价了APSIM-Maize模型在中国西南地区的适应性,并应用其分析该地区1961-2010年春玉米雨养产量的时空变化特征,明确了春玉米雨养产量的影响因子及影响程度。研究结果表明：APSIM模型对该区6个常用玉米品种的模拟效果较好,模拟与实测生育期的均方根误差（RMSE）在8d以内;4个品种地上部分生物量以及产量的模拟值与实测值归一化均方根误差（NRMSE）均低于29%,该模型在西南地区具有较好的适应性。研究区域春玉米生长季总辐射在南部中区和北部降低最明显,≥8℃有效积温在西部升高显著,日均温度日较差在西部和东南部减小最显著,总降水在区域中部减少较显著。模拟的春玉米雨养产量在全区46%的研究站点中呈显著降低趋势（P<0.05）,尤其东部中区和南部最显著;减产显著的站点中,生长季辐射降低、温度升高、降水减少和温度日较差降低对减产的贡献率分别为32%、40%、1%和-2%。     

不同冠层类型的陆地植被蒸发散模型研究进展

科学的水资源管理必须准确地估算陆地生态系统的植被蒸发散量及其水分平衡。因此，植被蒸发散量的估算模型开发一直是陆地生态系统的生态学过程和水资源管理研究的重要领域。该文在依据植被冠层结构特征对自然陆地生态系统的植被类型进行分类的基础上，综合地评述了不同植被冠层类型、不同区域尺度的植被蒸发散模型的研究进展。依据自然陆地生态系统植被冠层的垂直结构和群落的覆被程度，我们将其划分为单层封闭冠层（OLCC)、单层疏松冠层（OLS/CC)、多层封闭型冠层（MLCC)及多层疏松冠层（MLS/CC)4种类型。进而，我们给出了适用于估算这4种类型植被冠层蒸发散的单涌源模型（SSMs)、双涌源模型（DSMs)和多涌源模型（MSMs),并进一步阐述了这些模型中所使用的各种表面阻力的概念及其相互关系，还详细地讨论了植被蒸发散模型中各种阻力的测量和估算方法。     

水分胁迫对黄淮海夏玉米农业气候资源利用的影响——水分胁迫对叶片生产力影响

文章对水分胁迫的夏玉米光合生产力变化进行了系统观测和实验 ,研究表明 :①可将土壤持水量的 4 0 6 89%～ 5 5 79%和 79 99%作为叶片缺水及最适的外部形态指标 ;②干旱可以使株高低 2 2 5 6 %左右 ,而短时间内水分一直维持在田间持水量水平 ,对玉米的株高影响并不大 ;③比叶重随土壤湿度增加而增大 ,到田间持水量的 79 9%时达到最大值 ,随着湿度的进一步增加 ,比叶重反而略微变小 ;④叶片含水量与土壤湿度成正相关 ,吸收辐射率则受叶片湿度与厚度的影响 ,当土壤湿度达到持水量的 79 99%时 ,叶片吸收辐射率可达到 80 %左右。在此研究基础上 ,给出了包含浓度、辐射强度、温度及土壤水分因子的夏玉米叶片生产力计算公式 ,为进一步准确推算水分胁迫对区域生产力的可能影响 ,为当地政府开发农业气候资源提供了前提条件。     

气候变化下辽西北春玉米生育期需水量研究

作物需水量是制定灌溉用水计划和水资源规划的重要依据,了解其历史变化和未来发展趋势对预测农作物用水走势并据此制定合理决策至关重要。本文基于辽西北地区9个气象站1964—2013年的气象及土壤资料,采用FAO推荐的Penman-Monteith模型与充分灌溉条件下的土壤水分密度函数法获得春玉米不同生育期需水量,并预测了未来气候变化对辽西北春玉米净灌溉需水量的影响。结果表明：1964—2013年近50年辽西北春玉米需水量基本呈现不显著下降趋势,空间分布规律为自东南向西北方向逐渐递增;净灌溉需水量多年平均值为402.44mm,灌溉需求指数多年平均值为0.67;从未来气候变化情境下的净灌溉需水量来看,国内或区域内资源（A₂）情景与区域可持续发展（B₂）情景在未来30a距平增长率依次降低。本文研究可为辽西北春玉米种植的农业用水以及合理灌溉提供依据,对缓解本地区日益突出的水资源供需矛盾具有十分重要的战略意义。     

区域蒸散的遥感研究进展

蒸散是土壤蒸发和植物蒸腾的总称。蒸散的空间差异明显,进行全球及区域地表蒸散研究的最为行之有效的方法就是综合利用遥感、水文、气象及田间试验数据来估算蒸散。蒸散的遥感估算方法大致可分为三类,即统计经验法、能量平衡余项法和数值模型法。其中,统计经验法和能量平衡余项法的应用最为广泛,而数值模型则是近年来的研究热点。这三种方法各有优缺点:统计经验法计算过程简单,所需参数少,但是具有局地性;能量平衡余项法具备一定的物理基础,计算过程也不太复杂,但只能用于估算晴天条件下的区域蒸散;数值模型可综合利用不同来源、不同时空分辨率的各类地面数据和遥感数据,模拟各种天气条件下的区域蒸散,但是它的计算过程复杂,某些参数不易获取,距离实际应用还有很长的一段距离。     

基于“五水转化装置”的夏玉米耗水规律研究

农田作物耗水规律研究对提高农业用水效率、保障作物高产有重要意义。本文运用新型五水转化动力过程实验装置人工精确控制夏玉米生长环境条件,监测蒸散发实时变化,分析均质粉砂壤与层状壤质土土壤条件下夏玉米耗水规律。结果表明：均质粉砂壤与层状壤质土壤夏玉米蒸散发日变化呈单峰曲线,在14:00-14:30达到峰值;日蒸散发呈先增大后减小趋势,在12月21日达全生育期最大值,分别为3.70mm/d、3.90mm/d;5日蒸散发变化呈线性增长-小幅度降低-回升-逐渐降低趋势,最大值分别为17.00mm、18.08mm;全生育期总蒸散发分别为373.94mm、395.65mm;均质粉砂壤与层状壤质情形下夏玉米全生育期实时蒸散发与温度的相关性呈从极显著到显著水平的变化趋势,相关系数在三叶期-拔节期达最大,为0.79。层状壤质土的土壤结构和初始含水量利于玉米根系吸收深层土壤水分和养分。     

青海湖北沙柳河镇土壤水与土壤水库研究

根据土壤含水量和粒度测定,对青海湖北侧沙柳河镇附近土壤含水量与土壤水库进行了研究。结果表明：青海湖北侧土壤含水量随着深度的增加而减少,在0.6m深度以下土壤含水量严重不足;该区土壤水库蓄水性非常特殊,上部蓄水量多,下部蓄水量少。该区土壤厚度小,土壤水库容量小,蓄水能力小,干旱年易于发生草原退化。沙柳河镇土壤水集中分布在土壤的上部,初步认为这是该区土层冻结期较长和低温导致蒸发作用较弱决定的,这对该区根系较浅的草原植被的生长发育是非常有利的。在近年降水增多条件下,该区土壤水分能够满足草原植被的生长。该区不适于发展乔灌木植被,适合发展根系短、耗水较少的草原植被。     

近20年来中国内陆地表蒸散的时空变化

本研究利用NOAH陆面过程模型模拟了1986年-1996年,2000年-2008年两个时间段内的中国大陆地区地表水热过程参数的变化。按中国大陆的六大分区（东北、华北、华东、中南、西北和西南）,分析了1986年以来这六大区域的地表蒸散的时空变化特征,并利用1980年,1995年,2000年和2005年四期土地利用/覆盖变化数据、地表反照率数据、降雨数据及地表温度和土壤水分的模拟结果,分析了近20年来中国地表蒸散的时空变化特征及其原因。结果表明：华北地区年蒸散有下降趋势外,其余5个地区的年蒸散量都有所增加。增加幅度最大的地区依次为中南,西南,华东,东北和西北。地表温度与地表蒸散间有较好的响应关系,华北地区中部和山东半岛蒸散量下降趋势较明显,地表温度呈明显增加趋势;西南地区南部蒸散量增加趋势十分明显,地表温度呈现的下降趋势也十分明显。降雨的变化趋势与表层土壤水分的变化趋势有较好的一致性,说明降雨还是影响表层土壤水分的关键因子。除东北地区外,年降雨量与年蒸散的趋势也很一致,说明这些地区降雨量仍是决定蒸散的最主要因素。     

江苏淮北地区主要作物需水量的初步研究

本文结合江苏实际情况，改进了彭曼公式中的系数，加入作物需水系数和土壤供水系数，建立农田蒸散量的计算模式，计算出淮北地区主要作物全生育期需水量及时分布规律。同时，提出了20cm小型蒸发器产测蒸发量与标准蒸散量的统计模式，以此作为计算农田实际蒸散量的补充方法。     

滦平试区薄土坡耕地土壤水分特征及其评价

本文据滦平试区薄土坡耕地径流小区1993-1994年作物生长期间土壤水分的实验观测，对土壤水分的季节变化、水平变化以及不同水文年对土壤水分的影响进行了初步研究。同时，对土壤水分的有效性进行了评价，并对土壤水分的保护和利用进行了分析。