華北平原是我國水資源供需矛盾極其突出的地區(qū)之一。
農業(yè)是本地區(qū)用水大戶,目前存在水資源利用效率不高的問題。潮土是本地區(qū)主要土壤類型,研究冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)的農田蒸散(ET)對于揭示本地區(qū)作物耗水規(guī)律,提高作物產量和農業(yè)水資源利用效率具有重要意義。
本研究通過建立在典型潮土區(qū)的封丘農業(yè)生態(tài)試驗站的多種農田蒸散監(jiān)測儀器和試驗設施,包括大型稱重式蒸滲儀、渦度相關系統(tǒng)(EC)、包裹式莖流計和盆栽試驗等,獲得了多年ET監(jiān)測數據;評估了不同尺度ET監(jiān)測方法的可靠性,存在問題,及改進途徑;系統(tǒng)分析了不同時間尺度上冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)農田耗水規(guī)律及其影響因素;研究了農田ET監(jiān)測結果的空間尺度提升方法;開展了通過試驗和模型方法進行農田蒸散分割的研究。
主要研究結果如下:
(1)利用大型蒸滲儀實測數據評估了渦度相關(EC)系統(tǒng)在本地區(qū)的適用性。
封丘站EC實測數據表明,半小時潛熱感熱通量之和(λET+H)與有效能量(Rn-G)的斜率為0.78(樣本數n=17520),能量不閉合為22%,這與大多數農田生態(tài)系統(tǒng)觀測站點EC觀測數據70%-90%的能量閉合度一致。
本文采用波文比能量閉合(BRFC)法對渦流通量白天測量值進行能量閉合校正。
經過能量閉合校正之后,渦度相關ET整體上約為蒸滲儀ET的75%(n=1169)。
校正前后的玉米季累積ET變化很小,與蒸滲儀累積ET的差值僅分別降低了1.0%、1.6%和0.4%,而小麥季累積ET在校正后與蒸滲儀差值分別降低了10.0%、9.7%和-5.4%,玉米季較為穩(wěn)定,而小麥季兩者差距較大,可能與長勢和種植密度有關。
整體而言校正后的EC數據與蒸滲儀的差異有所降低。由于EC系統(tǒng)和蒸滲儀測量值所代表的有效區(qū)域不同,且蒸滲儀基本屬于人工控制下的充分供水條件下,所以EC系統(tǒng)的測量值基本能夠反映本地區(qū)田間尺度的農田蒸散狀況。
(2)EC系統(tǒng)監(jiān)測結果能夠代表田間尺度農田蒸散水平,本文根據EC系統(tǒng)測定的半小時ET數據,分析了小麥和玉米季農田蒸散的日、季節(jié)、年際變化規(guī)律及其影響因素。
結果表明,在日尺度,小麥和玉米季農田蒸散都呈現出明顯的晝夜變化規(guī)律,每日峰值通常出現在12:30到13:30之間。
在季節(jié)尺度,小麥和玉米季農田蒸散具有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律,ET隨著生長旺盛而上升,隨著成熟而有所降低。
小麥季的ET高峰期通常在5月的開花期和乳熟期,2014年日均最大值為6.90 mm·d-1,最小值出現在一月份,為0.21 mm·d-1,全生育期平均值為1.87 mm·d-1。
玉米季的ET峰值通常在7月下旬至8月下旬的抽雄期和開花期,2014年日均最大值為6.10 mm·d-1,最小值為0.68 mm·d-1,全生育期平均值為2.57 mm·d-1。
在年際尺度,小麥季的年際變異很小,而玉米季的年際變異極大,主要與日照和降雨狀況有關。
小麥季2011-2014年年均耗水量為435.62mm,標準差為1.78mm,玉米季2012-2014年年均耗水量為320.36 mm,標準差為83.08 mm。
小麥ET的影響因素中有效能量(Rn-G)氣溫(Ta)土壤表面溫度(Ts)葉面積指數(LAI)飽和水汽壓差(VPD)摩擦風速(u*),與濕度(RH)幾乎沒有相關性。
玉米ET的影響因素中有效能量(Rn-G)葉面積指數(LAI)土壤表面溫度(Ts)飽和水汽壓差(VPD),與摩擦風速(u*)、氣溫(Ta)和濕度(RH)相關性很弱(n=234)。
(3)本文提出了提升盆栽試驗的ET監(jiān)測結果到田間尺度的校正方法,并且與蒸滲儀監(jiān)測結果進行了比較,證實了盆栽法監(jiān)測農田尺度蒸散的可行性。
通常情況下,盆栽試驗測定的ET遠高于農田,其原因主要是盆栽和農田內的作物種植密度不同,單株作物代表的土表面積不同,植株生物量不同。
在此基礎之上,本文提出對盆栽法測定的ET進行三步校正:植株密度校正、單株作物代表性面積校正和生物量校正。
本文分別對三個水分處理(分別為11%,18%和25%的體積含水量)的盆栽試驗ET監(jiān)測結果進行了三步校正,并與充分供水條件下的蒸滲儀監(jiān)測結果進行了比較。
結果表明,校正前盆栽正常組11%水分處理(N11),18%水分處理(N18)和25%水分處理(N25)處理兩季的總ET分別超出蒸滲儀14%,68%和117%,經過植株密度校正后,N25和N18處理和蒸滲儀之間69%和92%的差異可被消除;
經過前兩步校正后,盆栽和蒸滲儀之間總ET差異的78%(N18)和96%(N25)可以得到解釋;
經過三步校正后,蒸滲儀與N18和N25處理之間的總ET差異分別降低了83%和90%,每日ET的均方根誤差(RMSE)在小麥季僅有1.34 mm,而在玉米季則是1.98 mm。
由此可見,通過本文提出的校正方法,盆栽試驗能夠較好的替代蒸滲儀進行農田ET的監(jiān)測,并且這一結果的精度還可以隨著試驗系統(tǒng)自動化程度和管理水平的改進進一步提高。
由于盆栽試驗成本低廉、建造方便,非常適合大面積推廣應用。
(4)本文提出了盆栽試驗分割ET的方法,同時也利用雙作物系數法和雙源Shuttleworth-Wallace模型對農田蒸散組分進行了分割,分別研究了冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)生育期的土壤蒸發(fā)和作物蒸騰規(guī)律。
通過盆栽覆蓋組上包裹式莖流計和稱重法獲得的作物蒸騰量的比較,驗證了盆栽法測定作物蒸騰的可靠性。
通過盆栽法獲得的各水分處理在小麥季的E/ET分別為27%(N25)、32%(N18)、52%(N11),玉米季的E/ET分別為12%(N25)、18%(N18)、41%(N11),可見水分虧缺越嚴重,生物量越少,土壤蒸發(fā)占總ET的比例越高。
蒸滲儀代表充分供水情況,各水分處理在小麥季的E/ET分別為34%(蒸滲儀相較田間持水量虧缺50 mm水分處理(W50))、33%(蒸滲儀相較田間持水量虧缺100 mm水分處理(W100))、33%(蒸滲儀相較田間持水量虧缺150 mm 水分處理(W150)),玉米季的 E/ET分別為 36%(W50)、28%(W100)、29%(W150)。
應用FAO雙作物系數法分割了蒸滲儀和渦度相關系統(tǒng)的實測ET,各試驗處理在小麥季的 E/ET 分別為 12%(W50)、26%(W100)、10%(W150)、9%(EC),玉米季的 E/ET分別為 24%(W50)、23%(W100)、21%(W150)、13%(EC)。
運用雙源Shuttleworth-Wallace模型分割了盆栽正常組、蒸滲儀以及渦度相關系統(tǒng)的實測ET,各試驗處理在小麥季的 E/ET 分別為 21%(N25)、17%(N18)、11%(N11)、34%(W50)、39%(W100)、38%(W150)、46%(EC),玉米季的 E/ET 分別為 60%(N25)、43%(N18)、48%(N11)、51%(W50)、60%(W100)、55%(W150)、51%(EC)。
綜合以上結果并且根據可信度進行取舍,試驗區(qū)土壤蒸發(fā)在農田蒸散中的比重,小麥季和玉米季都約在20-40%之間。
