基于Hydrus-1d模型的农田SPAC系统水分通量估算——以山西省运城市董村农场为例

农田SPAC系统水分通量的研究对提高农业用水效率,缓解我国的水资源短缺现状具有重要作用.本文利用HydruS-1d模型,以山西省运城市董村农场为例,估算了研究区三种主要农作物(夏玉米、棉花和冬小麦)的农田水分通量.结果表明,在模拟期内,夏玉米、棉花和冬小麦的作物蒸腾占蒸散发(T/ET)的比值分别为84.7%、71.6%...     

秸秆覆盖下的夏玉米蒸散、水分利用效率和作物系数的变化

农业用水占华北水资源的70%以上,提高农业用水的效率对华北水资源安全具有重要意义。在节水农业研究中,利用农艺节水提高农田水分利用效率是节水农业的重要组成部分,其中减少农田无效棵间蒸发耗水和优化供水制度是主要的农艺节水措施。夏玉米是华北太行山山前平原的主要作物之一,一般在冬小麦收获前的5～7天套种在其中,以延长夏玉米的生育期。随着联合收割机的广泛应用,冬小麦收获后的秸秆直接覆盖夏玉米,对夏玉米的农田蒸散特别是苗期的蒸散产生影响;夏玉米生长在6～9月的雨季,一般年份降水能够满足夏玉米的需水要求,但夏季降水的分布变异较大,再加上近6年来的夏季干旱,使灌水对夏玉米的高产至关重要。为了提高夏玉米的农田水分利用效率,本研究的目的是建立秸秆覆盖下的夏玉米优化供水制度和研究秸秆覆盖对减少棵间无效耗水的影响及秸秆覆盖下的夏玉米作物系数的变化,为制定秸秆覆盖下的夏玉米优化供水制度提供依据。2年的实验结果显示,秸秆覆盖下的夏玉米产量在8000kg/ha,总蒸散量在390mm,水分利用效率在2.2kg/m3。干旱年份,夏玉米在灌四水的条件下产量最高,再增加灌水量,产量减少。水分利用效率随着灌水量的增加有所递减。     

河北省低平原地区主要作物农田水分盈亏分析

本文计算了河北省低平原地区主要农作物的需水量,根据农田水量平衡方程估算了冬小麦、夏玉米和棉花整个生长期的水分盈亏及其在地区上的差异,分析了作物需水关键期的水分状况。     

黑龙港易旱地区不同类型农作物的水分生态适应性研究

本文通过二个不同土壤水分年型的试验,用农田水分平衡法和彭门公式分别计算了黑龙港地区作物的蒸散量和需水系数,由此计算了旱地作物的水分亏缺率;运用生长分析进行平行分析,应用多年气候资料计算年型频率,对不同类型农作物一秋粮,夏粮和棉花的水分生态适应性进行了研究。秋粮中玉米和高粱的气候生态适应性较好。干旱年份虽在干旱时期水分亏缺比谷子严重,生育状况不如谷子,但由于玉米和高粱在雨后比谷子和大豆有较高的干物质累积速度,最终也能获得与谷子相同的产量、水分利用效率和光能利用率。正常年和夏涝年份,水份亏缺率各作物差异不大,但生育状况玉米和高粱则明显地优于谷子和大豆,具有较高生产力、水分利用率和相对较强的抗涝能力,经济效益也高于谷子和大豆。春播作物生育期间旱年占37%,初夏降水正常,湿润和夏涝的年份占63%;夏播作物旱年占21%,夏常和夏涝的年份占79%。底墒足和春多雨的年份冬小麦可获得一定产量(亩产可达500-600斤)。底墒的作用可以维持到4月下旬前后。在冬小麦获得一定产量的基础上,加上夏播构成二熟,可比一熟获得较高的年产量、光能利用率和经济效益。若7月下旬(雨期)土壤水分达到田间持水量,计算得出达到底墒足指标所需的8～9月降水量为167.4毫米。     

华北平原冬小麦—夏玉米轮作区DLM与CLM5模型模拟对比研究

作物生长与气候的互馈是当前气候变化研究的热点之一。陆面模型作为一项重要的研究工具,其模型框架、算法设计及参数化方案的不同会直接导致模拟结果的不确定性。为探究陆面模型DLM(dynamic land model)和CLM5(community land model)在作物生长及农田热通量模拟方面的差异及原因,评估2个模型在华北平原作物研究中的适用程度,论文开展了冬小麦—夏玉米轮作站点的模拟对比研究。结果显示,DLM的夏玉米叶面积指数和生态系统总初级生产力的模拟值更高,与观测值更为接近;CLM5模型则在冬小麦模拟中略优。DLM的潜热模拟值与观测值的相关性普遍更高,可能反映了DLM采用的彭曼公式、双叶策略比CLM5采用基于水势梯度质量守恒、大叶策略的潜热计算方法更具优势。对于产量,模型当前的估测能力并不理想。总的来说,在默认设定下,2个模型的模拟结果能基本反映研究区农田站点内夏玉米和冬小麦的生长规律,但与实测值存在一定偏差。模型在该区域的适用性可能需要通过添加农田管理措施、算法优化和参数本地化等方式进一步提高。     

华北平原典型农田水、热与CO2通量的测定

在中国科学院栾城农业生态试验站用波文比-能量平衡法与涡度相关技术对净辐射通量（Rn)，潜热通量（λE），感热通量（H），土壤热通量（G）与冠层CO2通量（Fco2)进行了长期定位研究，结果显示Rn大部分用于作物潜热的消耗，连续2年4个生长季λE/Rn都在70%以上，在作物生育盛期，夏玉米λE/Rn略高于冬小麦，H/Rn都在15%左右，G/Rn在5%-13%之间，且冬小麦G/Rn明显高于夏玉米。蒸发比值（EF）在不同的理想环境条件下，随着可供能量（Rn-G)的增加表现出先迅速下降，后缓慢下降，最后趋于稳定的趋势，并在冬小麦环境条件下得到了验证，直角双曲线模型可以模拟Fco2随光通量密度（PPFD）的响应过程。晴天冠层水分利用效率（WUE）不是在正午出现最高值，当PPFD达到1500μmolm^-2s^-1左右时，WUE却略有下降。     

耕作模式对河西绿洲灌区夏玉米农田土壤呼吸的影响北大核心CSCD

以河西绿洲灌区夏玉米农田土壤为研究对象,设置免耕(NT)和传统耕作(CT)两种耕作方式,玉米间作小麦(W/M)、玉米小麦轮作(W→M)和麦后插播冬油菜还田玉米轮作(W-G→M)3种种植模式,探讨河西绿洲灌区不同耕作模式对夏玉米农田土壤呼吸变化特征的影响。测定夏玉米不同生育时期土壤呼吸速率、土壤温度和土壤含水量。结果表明:河西绿洲灌区不同耕作模式下夏玉米农田土壤呼吸有着明显的单峰型日变化,且峰值出现在15:00左右,玉米生育期峰值出现在拔节期(6月上旬)。土壤呼吸速率与土壤温度、土壤含水量均显著正相关,且土壤呼吸速率日变化主要受5 cm土壤温度影响。6种耕作模式的土壤呼吸的温度敏感性Q10值为1.60~2.70,免耕均高于传统耕作,且依次为NT W→M>NT W/M>NT W-G→M>CT W-G→M>CT W→M>CT W/M。河西绿洲灌区不同耕作模式下夏玉米农田土壤呼吸不仅受土壤温度影响,还受土壤含水量的影响。     

淮河流域蚌埠闸以上地区夏玉米生育阶段水分供需时空变化特征研究

作物水分供需量是进行科学合理灌溉的重要参考依据,水分供需不平衡也是引起农业旱涝的根本原因。基于淮河流域蚌埠闸以上地区及周边1961—2015年共91个气象站点的日尺度气象数据,借助有效利用系数法计算夏玉米有效降水量,采用联合国粮食及农业组织（FAO）建议的Penman-Monteith（P-M）公式和作物系数法计算需水量,分析夏玉米水分供需时空变化特征,并探讨典型站点夏玉米生育期内水分盈亏状况。结果表明：① 近55a来,研究区夏玉米全生育期和各生育阶段有效降水量呈南高北低的分布特征,各站点趋势变化不明显;② 夏玉米全生育期和各生育阶段需水量大致呈南低北高的纬向分布,全生育期和各生育阶段呈显著减少趋势,只少数站点未通过显著性检验;③ 夏玉米全生育期和各生育阶段缺水量大致呈纬向分布特征,全生育期和播种-出苗期呈显著减少趋势,其余生育阶段趋势变化不明显。     

沙地玉米水分利用效率日变化特征

以科尔沁沙地玉米农田生态系统为研究对象,利用涡度相关技术和便携式光合作用测定系统（LI-COR6400）同步观测玉米（郑单958）主要生育期（苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期）群体和叶片尺度瞬时CO₂交换及水汽交换速率,并分析其水分利用效率的日变化特征。结果表明：各生育期玉米群体尺度瞬时CO₂交换速率分别为-2.205、-26.113、-26.118、-8.201、-3.672 μmolCO₂·m^-2·s^-1,叶片尺度光合速率分别为27.57、59.55、24.38、22.03、20.09 μmolCO₂·m^-2·s^-1。各生育期群体水分利用效率（WUE_C）的日动态呈现“L”型,峰值出现在日出后（约06：00）,分别为0.025、0.039、0.088、0.058、0.191 gCO₂·g^-1H₂O,叶片尺度瞬时水分利用效率（WUE_L）的日动态呈“~”型,峰值出现在06：00—10：00,分别为0.029、0.041、0.017、0.019、0.024 gCO₂·g^-1H₂O。玉米各生育期群体及叶片尺度瞬时CO₂交换速率和水分利用效率均存在明显差异。     

论山西褐土区农田土壤干燥化问题

以山西褐土区离石、忻州、太原、寿阳、临猗等地玉米、小麦农田为主要研究对象,选取5个代表性样点12个剖面采集0~600cm深度土壤样品,研究分析不同季节土壤垂直剖面水分状况。结果表明,该区玉米、小麦等农田中普遍存在土壤干层,轻度和中度干层都有显现;季节性干层的存在是该地区农作物易于发生干旱灾害的主要原因;晋中玉米地轻度干层发育到了600cm以下;晋南由于长期气候干旱,导致干燥化程度加重,轻度土壤干燥化也已发育到了600cm;晋西玉米地400cm接近轻度干化,晋北玉米地轻度干层也已达到600cm深度。农田季节性干层、深层土壤干层的出现严重影响了农田土壤的水循环;降水量少是本区农田干层产生的主要原因,但农田生产力提高、植被密度和蒸发对临时性干层形成的影响也不可忽视;选择低耗水、深根系的旱地作物,同时合理密植、有条件的地方实施灌溉等都是减缓农田干层的有效途径。     

沙土地夏玉米灌溉方式的试验研究

在豫北耕作层保水能力较差的砂壤土地带,围绕节水和增收,开展了夏玉米沟灌、常规畦灌及减少生育期内灌水次数的试验研究,每次畦灌定额控制在630~682.5m³·hm^-2,而沟灌条件下平均灌水量仅为442.5m³·hm^-2。研究结果表明,反映夏玉米生长速率的株高、叶面积指数等性状均是以抽雄期为界,之前增长迅速;抽雄时植株高度达2.50m左右,之后增长速率明显减慢;而抽雄至灌浆初期,叶面积指数保持在5.40~5.92的最高值,往后急剧地下降。不同灌水处理下生长速率的变化则是随着供水总量的增加呈同步增长趋势。在干旱年份,畦灌夏玉米全生长期耗水4278m³·hm^-2,沟灌及减少灌水次数的处理,耗水量分别为3762m³·hm^-2和3348m³·hm^-2。按生长阶段比较,抽雄~开花期日耗水强度最大,为66.75~76.50m³·hm^-2;其次是拔节~抽雄期,平均为65.50m³·hm^-2;播种~出苗期间日耗水强度仅为13.35m³·hm^-2。不同的灌溉方式与灌水量对夏玉米的穗粒重、千粒重及粒占穗重的百分比都有影响。对于宽行稀植作物采用沟灌方式,灌溉用水量小(平均为442.5m³·hm^-2),所供的水能集中于植株的根际附近,棵间蒸发的无效损耗少,穗粒重和千粒重都较高,产量达9616.5 kg·hm^-2,比畦灌条件下节省22.8%的灌溉用水,水分生产率提高16.9%。减少夏玉米生长期内的灌水次数,在降低水量消耗的同时,易造成较大幅度的减产(13.7%),因此,在夏玉米生长过程中,遇到偏旱年份,要特别注意防止缺水而引起的水分胁迫。     

鄂陵湖湖滨地区夏季近地层微气象特征与碳通量变化分析

利用2010年夏季鄂陵湖湖滨地区试验观测资料,从中选取资料较好的5个连续晴天,分析了该地区高寒草甸夏季局地气候、辐射与能量平衡特征以及碳通量的日变化。结果表明：①夏季晴天湖滨地区近地层气象要素受到湖陆风的较大影响,风向昼夜交替变化,垂直风速和摩擦速度明显大于玛曲草原,全天盛行上升气流,昼夜温差较小;②湖滨地区日均太阳总辐射与净辐射高于玛曲草原和金塔绿洲,地表能量不平衡现象较显著,湍流输送以潜热为主,夜间近地层存在明显的逆温和逆湿现象;③夏季湖滨草甸碳吸收的日最大值出现在上午11时前后,碳吸收显著大于碳排放,其水分利用效率与海北草甸生态系统接近,总体偏低。     

Variation of fluxes of water vapor, sensible heat and carbon dioxide above winter wheat and maize canopies

Surface energy fluxes were measured using Bowen-Ratio Energy Balance technique (BREB) and eddy correlation system at Luancheng of Hebei Province, on the North China Plain from 1999 to 2001. Average diurnal variation of surface energy fluxes and CO2 flux for maize showed the inverse "U" type. The average peak fluxes did not appear at noon, but after noon. The average peak CO2 flux was about 1.65 mg m-2 s-1. Crop water use efficiency (WUE) increased quickly in the morning, stabilized after 10:00 and decreased quickly after 15:00 with no evident peak value. The ratio of latent heat flux (λE) to net solar radiation (Rn) was always higher than 70% during winter wheat and maize seasons. The seasonal average ratio of sensible heat flux (H) divided by Rn stayed at about 15% above the field surface; the seasonal average ratio of conductive heat flux (G) divided by Rn varied between 5% and 13%, and the average G/Rn from the wheat canopy was evidently higher than that from the maize canopy. The evaporative fraction (EF) is correlated to the Bowen ratio in a reverse function. EF for winter wheat increased quickly during that revival stage, after the stage, it gradually stabilized to 1.0, and fluctuated around 1.0. EF for maize also fluctuated around 1.0 before the later grain filling stage, and decreased after that stage.     

土壤CO2、土壤水的动态特征及其 对岩溶作用的驱动

为了研究不同土壤CO2浓度和不同土壤水化学条件下的岩溶作用发生程度,文章对广西桂林地区的土壤CO2浓度、土壤水和石灰岩试片溶蚀速率进行了监测,结果表明：1）该地区土壤CO2浓度具有明显的季节性变化特征,总体上夏季是其他季节的3~5倍,最大值时达到60 899.64 mg/m2,而最小值时仅为5 587.21 mg/m2;2）就相同深度的土壤CO2浓度来说,洼地大于坡地,夏季时洼地比坡地高近20 000 mg/m2,且深层土CO2浓度大于表层土,其平均值比表层土高4 353.54 mg/m2;3）坡地和洼地土壤水水化学指标平均值分别是：pH为7.49和6.41、电导率为300和78 μS/cm、Ca2+为60和15.43 mg/L、 为2.78和0.44 mg/L,坡地处的pH、电导率、Ca2+和 均高于洼地;4）从溶蚀试验说明该地区的岩溶作用发生程度非常明显,说明土壤CO2和土壤水能驱动岩溶作用的发生。     

不同水分条件下梭梭和多花柽柳苗期光合特性及抗旱性比较

在新疆墨玉县对不同水分条件下大田栽植的梭梭和多花柽柳苗期的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、水分利用效率(WUE)、气孔导度（Gs）和胞间CO2浓度（Ci）等光合生理指标进行了测定,同时测定了不同灌水量下梭梭和多花柽柳在不同时刻的叶片水势,以及两树种叶片的稳定碳同位素比率。结果表明:①梭梭和多花柽柳的水势在一天中的变化趋势呈“V”字型,不同处理下多花柽柳的水势日平均值略大于梭梭。②不同灌水量对梭梭和多花柽柳的水分利用效率影响不显著,在相同处理下,梭梭的水分利用效率总是大于多花柽柳。③梭梭的δ13C值为-12.65‰～-13.39‰,多花柽柳的δ13C值为-26.85‰～-27.70‰。梭梭的δ13C值显著大于多花柽柳（P<0.05）,表明梭梭的长期水分利用效率较高。④运用隶属函数综合各个指标的比较结果来看,梭梭的抗旱性强于多花柽柳。     

SWIM模型在东北黑土区流域的适用性评价——以乌裕尔河中上游流域为例

以典型东北黑土区乌裕尔河中上游流域为研究区,引入SWIM水文模型,利用偏相关系数评价模型参数的敏感性,基于流域出水口依安水文站1961-1997年实测日径流数据和部分气象站小型蒸发皿数据,进行了多站点、多变量的模型率定和验证,并通过模拟结果与实测资料对比,探讨了SWIM模型在东北黑土区流域的适用性、存在的误差及其原因。结果表明：① 在率定期和验证期,月径流和日径流的纳希效率系数分别大于0.71和0.55,径流相对误差在6.0%以内,月径流的模拟效果好于对日径流的模拟效果;月潜在蒸散发的纳希效率系数达0.81以上;② 在月尺度上经过校准的SWIM模型可以应用于东北黑土区与径流相关的各种模拟分析;③ 但模型在模拟融雪和冻土产流方面存在一定的限制;对同时具有春汛和夏汛的年份模拟效果也较差;对年降水量出现骤增的年份年径流量的模拟结果会几倍于实测值,但基本能够重现汛期的流量变化过程。模型不仅可以为管理者对该流域水环境综合管理提供水文基础支持,对黑土区其他流域也具有一定的推广和应用价值。     

2000-2015年三江平原主要作物需水量征及影响因素分析

全生育期内作物需水量的研究是农业水资源有效利用和进行合理灌溉的重要依据。基于三江平原22个气象站点2000—2015年逐日气象观测资料及中国区域地面气象要素数据集,利用国际粮农组织 （FAO）Penman-Monteith模型和分段单值平均作物系数法,分别对三江平原水稻、玉米和大豆的作物需水量进行计算,分析作物需水量年际变化特征,采用通径分析法研究作物需水量的变化成因。结果表明：（1）三江平原16 a来年均参考作物蒸散量为537.4 mm,日均为 3.5 mm,呈波动减少趋势。（2）生长季内,水稻在分蘖期需水量最大,为177.1 mm,玉米在七叶期需水量最大,为99.7 mm,大豆在结荚期需水量最大,为96.1 mm;水稻、玉米和大豆的净灌溉需水量分别为195.4 mm、130.8 mm和72.2 mm,对灌溉的依赖程度水稻>玉米>大豆。（3）由通径分析结果可知,三江平原作物需水量的主要影响因素为净辐射、气温和日照时数。     

中部地区粮食生产比较优势分析与基地建设

中部地区是中国重要的粮食主产基地,在分析中部地区粮食生产规模优势、效率优势、综合比较优势和集中度的基础上,进一步探讨了中部地区粮食生产基地建设对策。结论如下:① 1978 年以来,中部地区水稻和小麦具有稳定的比较优势,而玉米和大豆没有比较优势。其中水稻生产的综合优势指数均在1.10 以上;小麦综合优势表现为稳中有升,从1978 年为1.00 上升到2012 年为1.16;玉米的综合优势指数小于0.80;大豆的综合优势呈现下降趋势,从1978 年为0.90 下降到2012 年为0.80。② 整体从横向来看,水稻、小麦、玉米、大豆四大粮食作物的比较优势结构发生了变化。1978 年规模优势大小顺序为:水稻 > 大豆 > 小麦 > 玉米;效率优势为:小麦 > 水稻 > 玉米 > 大豆;综合优势为:水稻 > 小麦 > 大豆 > 玉米。2012 年规模优势为:水稻 > 小麦 > 大豆 > 玉米;效率优势为:小麦 > 水稻 > 大豆 > 玉米;综合优势为:小麦 > 水稻 > 大豆 > 玉米。③ 中国四大区域中的东部地区、西部地区和东北地区粮食生产的集中度均有波动,唯有中部地区的粮食集中度保持稳定上升,其粮食、水稻、小麦、玉米的集中度由1978 年的28.65%、38.13%、28.83%、16.16%分别上升到2012 年的30.08%、39.87%、42.40%、17.16%,2012 年中部地区粮食、水稻、小麦的集中度位于四大区域之首。④分析表明,中部地区粮食生产在全国的地位越来越重要,应采取各项措施促进中部地区粮食生产的稳定与增长。     

植物水分利用效率及其测定方法研究进展

评述了植物水分利用效率(WUE)概念的发展以及不同尺度的研究进展,分析了WUE的研究意义。从植物因子和环境因子两方面综合评述了WUE的影响因素。植物因子包括:生理因子、生育期、光合途径、生活型、植物固氮特征、入侵特性和品种特性。环境因子包括:水分、光照、CO2浓度、空气温度和叶温、植物种植方式、灌溉方式、施肥、土壤贫瘠程度和干扰强度等,但各环境因子影响程度不同。并且概括了WUE的测定方法:田间直接测定法、气体交换测定法和稳定性碳同位素技术,探讨了各自的优缺点。最后强调了目前水分利用效率研究在尺度扩展方面存在困难,在干旱区植被恢复方面的研究相对较弱,进而初步展望了WUE在干旱区植被恢复方面的研究。