苏南地区典型作物蒸腾和土面蒸发模型及参数的研究

来源 :江苏大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:lutiaotiao
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在农业生产中,准确确定作物蒸腾蒸发量(ETc)对于制定科学合理的灌溉制度和提高农田水分利用效率具有重要意义。ETc主要包括植株蒸腾(Tr)和土面蒸发(Eg)。Tr与作物的干物质积累相关,直接关系到作物的生产力,而Eg是无效的水分消耗,在作物稀疏种植环境下或作物生长初期,Eg在ETc中的比例不可忽略。因此,分别估算Tr和Eg是进一步提高农田水分利用效率,合理分配灌溉用水的关键。本研究分别选取温室黄瓜、大田茶树和冬小麦作为研究对象,通过观测不同作物生长期内耗水规律、微气象数据、土壤含水量和植株生长状况等数据,系统分析了作物耗水量对环境因子变化的响应机制,构建了能够分别估算Eg和Tr的Shuttleworth-Wallace(SW)双层模型和修正的双作物系数(RDCC)模型,评价了模型在大田茶园中的准确性;基于温室环境下黄瓜和大田环境下冬小麦实测数据对模型及参数的适用性进行了验证,并对模型误差及成因进行分析;根据构建的模型模拟了不同作物ETc的动态变化;在不同种植环境下,确定了各生育期Eg占ETc的比例,评价了苏南地区典型作物农田水资源的供需特征。主要研究内容及结论如下:(1)不同农田日平均水热通量变化显示:农田净辐射通量(Rn)主要通过潜热通量(LET)消耗。但大田与温室环境下作物能量分配具有不同的变化特征,在大田环境下,能量分配顺序为Rn>LET>H(显热通量)>G(土壤热通量),而温室环境中,下午三点后出现了LET>Rn和H为负值的现象,即发生了感热平流。影响农田LET的环境因子的通径分析结果显示:对LET影响最大的因子Rn主要体现在直接作用上,其余因子均主要体现为通过Rn路径对LET产生间接影响。对LET影响其次的因子饱和水汽压差VPD与Rn的相关系数值最高。以上结果表明,Rn是驱动农田生态系统运转的源动力。(2)基于茶园和冬小麦LET实测值,确定SW双层模型中冠层阻力参数,通过气象因子和空气动力学阻力参数构建冠层阻力参数的非线性模型。温室黄瓜叶片气孔阻力实测值与主要气象因子的相关性分析结果显示,太阳辐射是影响黄瓜叶片气孔阻力的主要气象因子,与黄瓜冠层阻力呈指数函数关系(R2>0.74)。土壤表面阻力与土壤饱和含水量和实际含水率的比值(θsats)存在指数函数关系(R2=0.62)。采用冠层覆盖度系数计算不同种植环境下RDCC模型中的基础作物系数,茶树的基础作物系数在生长初期(2015年)和中期(2016-2018年)分别为0.85和0.92;冬小麦的基础作物系数在生长初期为0.25,生长中期为0.93,生长后期为0.78;温室黄瓜的基础作物系数在生长初期为0.32,生长中期在0.95左右,后期降至0.80左右。(3)RDCC模型严重高估了茶园ETc,均方根误差(RMSE)和Bias分别为1.16 mm d-1和0.41;而SW双层模型估算大田茶园ETc的精度较高,RMSE和Bias分别为0.47 mm d-1和0.09。为了验证模型的适用性,分别应用RDCC模型和SW双层模型估算了温室黄瓜和大田冬小麦的ETc,结果显示,SW双层模型和RDCC模型都可以准确地估算温室黄瓜和大田冬小麦ETc,但是SW双层模型估算的精度更高。SW双层模型和RDCC模型估算温室黄瓜的ETc值时,RMSE分别为0.45和0.57 mm d-1,Bias分别为-0.12和-0.15;而SW双层模型和RDCC模型估算大田冬小麦ETc的RMSE分别为0.19和0.27 mm d-1,Bias分别为-0.01和0.04。(4)基于参数化的SW双层模型,估算出Eg/ETc在温室黄瓜两个种植季节生育期内的平均值为17.35%;在茶树生育期内平均值为16.69%;在冬小麦生育期内平均值为10.42%。温室黄瓜ETc和灌溉总量在春夏季分别为196.48和242mm;在秋冬季分别为99.50和130 mm。茶树生长初期降雨量和ETc分别为1012和731.60 mm,生长中期分别为2040.13和2092.16 mm;冬小麦生育期内降雨量和ETc分别为392.50和294.72 mm。以上研究结果表明,苏南地区温室环境下黄瓜作物的灌溉水量最主要是用于黄瓜的蒸腾蒸发作用,两个种植季节里ETc占灌溉总量的比例为81.19%和76.54%;茶树和冬小麦全生育期内来水量可满足作物的蒸腾蒸发耗水。
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