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华北平原光、热及土壤资源优越,农业管理水平较高,是我国重要的粮食生产基地,灌溉是该区农业获得稳产高产的重要保障,持续的抽取地下水和无节制的利用地表水已经引起了严重的水资源危机,合理高效的利用有限的水资源进行农业生产势在必行。本文围绕农业水资源可持续利用这个中心点,通过在华北平原典型灌溉农田和果园开展水热碳通量和陆面水文过程同位素试验研究,明确SPAC系统水分循环与利用的规律和机理,并讨论了提高水分产量效率的途径,为实现资源高效型农业提供理论依据。
本文在华北平原选取分别代表地下水灌区的中科院栾城站和黄灌区的清华大学位山试验点进行农田生态系统的水分消耗特征研究,选取位于河北赵县的梨园试验点进行果林生态系统的研究。通过将两种灌溉水来源农田生态系统以及梨园生态系统的水热碳通量特征进行对比分析,发现南部黄灌区的蒸散量为656mm·yr-1,年平均水分亏缺是121mm·yr-1,而北部井灌区对应值为693mm·yr-1和230mm·yr-1,梨园为759mm·yr-1和252mm·yr-1。实际蒸散的变化也变为主要由平衡蒸发而不是降雨量控制。在精细的农作管理之下,生态系统的水热平衡主要受种植制度和灌溉的影响,而与地下水位的埋深和灌溉水源类型无关;及时充足的人为灌溉保证高产不再受降雨年、季间的差异影响,农田生态系统正在由水分限制型向能量限制型转变。
本文还借助栾城不同来源水样氢氧稳定同位素组成特征分析以及赵县茎流计蒸腾量的测定结果,对华北平原灌溉农业生态系统耗水结构进行研究,发现梨园5月～9月的蒸腾量占蒸散量的比例在0.6～0.9区间内变化,农田生态系统蒸腾耗水所占比例最大值出现在小麦和玉米的灌浆期(≥0.80);作物生育期典型日T/ET的变化区间为0.30～0.87。利用直接对比法和基于同位素质量守恒的Iso-source模型法得到冬小麦关键生育期内主要吸收利用的土壤水层次为0-40cm,与根系在土壤中分布的密度一致,不同于传统的100cm湿润层。通过对比雨养和充分灌水处理的土壤水的同位素组成得到土壤的蒸发深度在20cm左右。
对不同类型农业生态系统类型二氧化碳净交换量(NEE)对水热通量的响应及水分利用效率的研究表明,小麦和玉米的蒸散量达到4mm·day-1时,NEE达最高值;而对于梨树来说,入射短波辐射Rs达到20MJ·m-2·day-1,蒸散量达到4.8mm时,梨园的碳净交换量最大。水分利用效率高低依次为:玉米＞小麦;黄灌区农田＞井灌区农田＞梨园。