华北平原是我国水资源供需矛盾极其突出的地区之一。

  农业是本地区用水大户,目前存在水资源利用效率不高的问题。潮土是本地区主要土壤类型,研究冬小麦-夏玉米轮作系统的农田蒸散(ET)对于揭示本地区作物耗水规律,提高作物产量和农业水资源利用效率具有重要意义。

  本研究通过建立在典型潮土区的封丘农业生态试验站的多种农田蒸散监测仪器和试验设施,包括大型称重式蒸渗仪、涡度相关系统(EC)、包裹式茎流计和盆栽试验等,获得了多年ET监测数据;评估了不同尺度ET监测方法的可靠性,存在问题,及改进途径;系统分析了不同时间尺度上冬小麦-夏玉米轮作系统农田耗水规律及其影响因素;研究了农田ET监测结果的空间尺度提升方法;开展了通过试验和模型方法进行农田蒸散分割的研究。

  主要研究结果如下:

  (1)利用大型蒸渗仪实测数据评估了涡度相关(EC)系统在本地区的适用性。

  封丘站EC实测数据表明,半小时潜热感热通量之和(λET+H)与有效能量(Rn-G)的斜率为0.78(样本数n=17520),能量不闭合为22%,这与大多数农田生态系统观测站点EC观测数据70%-90%的能量闭合度一致。

  本文采用波文比能量闭合(BRFC)法对涡流通量白天测量值进行能量闭合校正。

  经过能量闭合校正之后,涡度相关ET整体上约为蒸渗仪ET的75%(n=1169)。

  校正前后的玉米季累积ET变化很小,与蒸渗仪累积ET的差值仅分别降低了1.0%、1.6%和0.4%,而小麦季累积ET在校正后与蒸渗仪差值分别降低了10.0%、9.7%和-5.4%,玉米季较为稳定,而小麦季两者差距较大,可能与长势和种植密度有关。

  整体而言校正后的EC数据与蒸渗仪的差异有所降低。由于EC系统和蒸渗仪测量值所代表的有效区域不同,且蒸渗仪基本属于人工控制下的充分供水条件下,所以EC系统的测量值基本能够反映本地区田间尺度的农田蒸散状况。

  (2)EC系统监测结果能够代表田间尺度农田蒸散水平,本文根据EC系统测定的半小时ET数据,分析了小麦和玉米季农田蒸散的日、季节、年际变化规律及其影响因素。

  结果表明,在日尺度,小麦和玉米季农田蒸散都呈现出明显的昼夜变化规律,每日峰值通常出现在12:30到13:30之间。

  在季节尺度,小麦和玉米季农田蒸散具有明显的季节性变化规律,ET随着生长旺盛而上升,随着成熟而有所降低。

  小麦季的ET高峰期通常在5月的开花期和乳熟期,2014年日均最大值为6.90 mm·d-1,最小值出现在一月份,为0.21 mm·d-1,全生育期平均值为1.87 mm·d-1。

  玉米季的ET峰值通常在7月下旬至8月下旬的抽雄期和开花期,2014年日均最大值为6.10 mm·d-1,最小值为0.68 mm·d-1,全生育期平均值为2.57 mm·d-1。

  在年际尺度,小麦季的年际变异很小,而玉米季的年际变异极大,主要与日照和降雨状况有关。

  小麦季2011-2014年年均耗水量为435.62mm,标准差为1.78mm,玉米季2012-2014年年均耗水量为320.36 mm,标准差为83.08 mm。

  小麦ET的影响因素中有效能量(Rn-G)气温(Ta)土壤表面温度(Ts)叶面积指数(LAI)饱和水汽压差(VPD)摩擦风速(u*),与湿度(RH)几乎没有相关性。

  玉米ET的影响因素中有效能量(Rn-G)叶面积指数(LAI)土壤表面温度(Ts)饱和水汽压差(VPD),与摩擦风速(u*)、气温(Ta)和湿度(RH)相关性很弱(n=234)。

  (3)本文提出了提升盆栽试验的ET监测结果到田间尺度的校正方法,并且与蒸渗仪监测结果进行了比较,证实了盆栽法监测农田尺度蒸散的可行性。

  通常情况下,盆栽试验测定的ET远高于农田,其原因主要是盆栽和农田内的作物种植密度不同,单株作物代表的土表面积不同,植株生物量不同。

  在此基础之上,本文提出对盆栽法测定的ET进行三步校正:植株密度校正、单株作物代表性面积校正和生物量校正。

  本文分别对三个水分处理(分别为11%,18%和25%的体积含水量)的盆栽试验ET监测结果进行了三步校正,并与充分供水条件下的蒸渗仪监测结果进行了比较。

  结果表明,校正前盆栽正常组11%水分处理(N11),18%水分处理(N18)和25%水分处理(N25)处理两季的总ET分别超出蒸渗仪14%,68%和117%,经过植株密度校正后,N25和N18处理和蒸渗仪之间69%和92%的差异可被消除;

  经过前两步校正后,盆栽和蒸渗仪之间总ET差异的78%(N18)和96%(N25)可以得到解释;

  经过三步校正后,蒸渗仪与N18和N25处理之间的总ET差异分别降低了83%和90%,每日ET的均方根误差(RMSE)在小麦季仅有1.34 mm,而在玉米季则是1.98 mm。

  由此可见,通过本文提出的校正方法,盆栽试验能够较好的替代蒸渗仪进行农田ET的监测,并且这一结果的精度还可以随着试验系统自动化程度和管理水平的改进进一步提高。

  由于盆栽试验成本低廉、建造方便,非常适合大面积推广应用。

  (4)本文提出了盆栽试验分割ET的方法,同时也利用双作物系数法和双源Shuttleworth-Wallace模型对农田蒸散组分进行了分割,分别研究了冬小麦-夏玉米轮作系统生育期的土壤蒸发和作物蒸腾规律。

  通过盆栽覆盖组上包裹式茎流计和称重法获得的作物蒸腾量的比较,验证了盆栽法测定作物蒸腾的可靠性。

  通过盆栽法获得的各水分处理在小麦季的E/ET分别为27%(N25)、32%(N18)、52%(N11),玉米季的E/ET分别为12%(N25)、18%(N18)、41%(N11),可见水分亏缺越严重,生物量越少,土壤蒸发占总ET的比例越高。

  蒸渗仪代表充分供水情况,各水分处理在小麦季的E/ET分别为34%(蒸渗仪相较田间持水量亏缺50 mm水分处理(W50))、33%(蒸渗仪相较田间持水量亏缺100 mm水分处理(W100))、33%(蒸渗仪相较田间持水量亏缺150 mm 水分处理(W150)),玉米季的 E/ET分别为 36%(W50)、28%(W100)、29%(W150)。

  应用FAO双作物系数法分割了蒸渗仪和涡度相关系统的实测ET,各试验处理在小麦季的 E/ET 分别为 12%(W50)、26%(W100)、10%(W150)、9%(EC),玉米季的 E/ET分别为 24%(W50)、23%(W100)、21%(W150)、13%(EC)。

  运用双源Shuttleworth-Wallace模型分割了盆栽正常组、蒸渗仪以及涡度相关系统的实测ET,各试验处理在小麦季的 E/ET 分别为 21%(N25)、17%(N18)、11%(N11)、34%(W50)、39%(W100)、38%(W150)、46%(EC),玉米季的 E/ET 分别为 60%(N25)、43%(N18)、48%(N11)、51%(W50)、60%(W100)、55%(W150)、51%(EC)。

  综合以上结果并且根据可信度进行取舍,试验区土壤蒸发在农田蒸散中的比重,小麦季和玉米季都约在20-40%之间。