蒸渗仪法和涡度相关法测定蒸散的比较

为准确揭示三江源区退化高寒草甸生态系统的水分收支状况,本文利用涡度相关系统(EC)和蒸渗仪对退化高寒草甸的蒸散进行了连续观测,结果表明:两种方法测定的蒸散量年变化趋势一致,涡度相关法测定的年蒸散量为481 mm(约占降水量的86%),低于蒸渗仪法的558 mm。涡度相关法的湍流能量与有效能的闭合度(EBR)年均值约为0.78,生长季的EBR要高于非生长季;当摩擦风速(u*)0.25 m·s~(-1)时,EBR随u*的增大而增加,当u*0.25 m·s~(-1)时,EBR随u*的增大无明显变化。此外,土壤热通量相对于太阳净辐射的滞后可能也是导致能量不闭合的原因之一。随着净辐射、温度和风速的升高,涡度相关法测定的蒸散逐渐接近于蒸渗仪法的测定值,而土壤含水量对两种方法观测蒸散的影响不明显。本研究结果说明,涡度相关和蒸渗仪法测定的蒸散具有较好的相关性,但涡度相关法可能会低估该生态系统的蒸散量。     

三种方法测定高寒草甸生态系统蒸散比较

利用涡度相关技术(Eddy covariance technique)、小型蒸渗仪(Mini-lysimeter)和波文比-能量平衡法(BREB)对2005年和2006年夏季(7～8月份)青藏高原海北高寒草甸生态系统的昼间蒸散(E)变化进行了对比观测研究.在观测期间,存在能量不闭合现象,涡度相关系统测定的湍流通量相当于有效能量的73%.3种不同方法测定的蒸散量之间具有较好的相关性,涡度相关系统与小型蒸渗仪测定的蒸散量相关系数达0.96,与波文比法的结果相关系数为0.95.然而,波文比法计算的蒸散量最大,比涡度相关系统的观测值高43%;小型蒸渗仪法的测定值次之,比涡度相关法的观测值高19%;涡度相关法测算的蒸散值最小.研究结果表明,利用涡度相关技术测定该高寒草甸生态系统的潜热通量,可能会过小评价该生态系统的蒸散量.     

长白山阔叶红松林能量平衡和蒸散

利用开路涡动相关系统的连续观测结果,分析了长白山阔叶红松林2008年能量平衡各分量和蒸散量的特征,并对生长季和非生长季能量各分量和蒸散量的差异进行了比较.结果表明:该观测系统能量闭合度为72%,处于国际同类观测的中等水平;能量各分量日、季差异显著,生长季森林生态系统最主要的能量支出项为潜热通量,约占可用能量的66%,非生长季最主要的能量支出项为感热通量,约占可用能量的63%.长白山阔叶红松林2008年蒸散量为484.7 mm,占同期降水量(558.9 mm)的87%,证实森林蒸散耗水是我国北方温带森林最主要的水分支出项.     

黄土高原春小麦农田蒸散及其影响因素

蒸散与水循环、能量平衡密切相关,是黄土高原雨养农田生态系统最重要的水通量之一。准确测定半干旱区农田生态系统蒸散,对增强陆气相互作用的理解以及科学应对气候变化有重要意义。采用涡度相关技术对黄土高原春小麦农田生态系统蒸散进行了观测,利用气象梯度系统进行环境因子观测;分析了春小麦农田生态系统蒸散日、季动态及其环境影响因子。结果表明,黄土高原半干旱区春小麦农田生态系统蒸散呈早晚低、中午高的"单峰型"日变化特征;最大日峰值出现在8月(0.22mm/h)。生长季蒸散日峰值高于非生长季。春小麦农田最大日蒸散率值相对较低,这可能与该地区干旱少雨的气候特征有关。农田蒸散且具有明显的季节动态,与降水季节分布密切相关。7、8月份降水较多,月蒸散量较高。全年蒸散量(318.0 mm)略低于年降水量(332.3 mm);蒸散量与降水量比值为95.7%。非生长季蒸散量显著低于生长季(4—9月);二者之比为0.26。农田蒸散随土壤含水量和空气温度(低于26℃)增大呈指数增长趋势;随空气相对湿度、太阳辐射、风速增大呈先增大后降低的二次曲线变化趋势。净辐射是黄土高原半干旱区农田生态系统蒸散主要环境控制因子,土壤含水量次之。     

太湖生态系统能量闭合特征及其影响因素

地表能量不闭合不仅限制了涡度相关观测数据在陆面模型发展和验证等应用性研究中的价值,还给生态系统CO2源汇特征辨析带来不确定性。基于太湖避风港站2012年涡度相关通量、辐射、气象和水温梯度观测数据,分析了太湖能量闭合的多尺度(小时、日和月)时间变化特征,阐述了大气稳定度、摩擦风速和湖风对太湖能量闭合状况的影响。结果表明:太湖小时尺度的能量闭合度为0.59,且昼夜差异较小;日尺度的能量闭合度为0.73,在内陆水体观测结果中处于中等水平;月平均能量闭合度呈现冬季高、夏季低的季节变化特征;年平均时太湖仍有27%的能量不闭合。因摩擦风速减小,太湖能量闭合度在大气极不稳定条件下要比弱不稳定条件下结果低0.3;对于太湖这类大型浅水湖泊,其能量闭合度全天都受动力湍流交换强度制约,能量闭合度随摩擦风速增大而显著提高;虽然湖风发生使太湖小时尺度的能量闭合度降低了0.1,但其影响在日尺度上并不明显。     

涡度相关法和静态箱/气相色谱法在生态系统呼吸观测中的比较

基于涡度相关法和静态箱/气相色谱法(箱式法)的碳通量观测数据,对比分析了两种方法在评价禹城冬小麦 夏玉米复种农田生态系统和海北高寒矮嵩草草甸生态系统呼吸中的差异.结果表明：在保证涡度相关法和箱式法观测数据质量的条件下,两种方法实时观测的夜间通量结果具有较好的一致性,相关系数达0.95～0.98;箱式法白天的观测结果与涡度相关法估算的白天生态系统呼吸值有较好的一致性,但前者普遍大于后者;两种方法测定生态系统呼吸日平均值的差异达极显著水平（P<0.01）,但二者的季节变化趋势较一致.在整个观测期内, 冬小麦-夏玉米复种农田观测箱内外平均温差为1.8 ℃,涡度相关法较箱式法测定的生态系统呼吸日平均值偏低30.3%;高寒矮嵩草草甸观测箱内外平均温差为1.9 ℃,涡度相关法较箱式法测定的生态系统呼吸日平均值偏低31.4%.两种方法对生态系统生长季呼吸日平均值测定结果的偏差高于非生长季.     

黄土高原半干旱区农田生态系统蒸散与作物系数特征

蒸散是地表能量平衡和水分平衡的重要组分,与水循环过程密切相关.采用涡度相关技术,对黄土高原半干旱区农田生态系统2010年生长季(4-9月)蒸散特征进行观测,分析了农田作物系数与环境因子的关系.结果表明： 在观测期间,研究区各月潜热通量(LE)日变化呈近似“单峰型”曲线特征,最大峰值出现在8月(151.4 W·m^-2);日间能量分配方式存在明显季节差异,4-6月的日间能量分配表现为LE/R_n＜H/R_n(R_n为净辐射,H为感热通量),7-9月的日间能量分配方式(LE/R_n＞H/R_n)与4-6月相反.黄土高原半干旱区农田日蒸散率存在显著季节变化特征,最大日蒸散率为4.69 mm·d^-1.风速(W_s)、空气相对湿度(RH)、土壤含水量(θ)和饱和水汽压差(D)是作物系数(K_c)的主要影响因子.K_c随W_s增加呈指数降低趋势,随RH、θ增加呈指数增长趋势,随D增加呈线性降低趋势.     

通量梯度法在温室气体及同位素通量观测研究中的应用与展望

通量梯度法与涡度相关法均是微气象学的物质和能量通量观测方法, 在没有高频气体分析仪或下垫面风浪区较小的情况下, 通量梯度法可以有效观测生态系统(或土壤)与大气之间的温室气体及其同位素通量, 同时也可以作为涡度相关法的配套观测和有益补充。该文回顾了通量梯度法的基本原理、概念和假设, 重点综述了温室气体浓度梯度以及相关湍流扩散系数的观测与计算的方法和理论, 概述了通量梯度法在森林、农田、草地、湿地和水体等生态系统观测温室气体通量的应用进展, 特别是在稳定同位素通量观测中的应用, 最后从影响温室气体和同位素的浓度梯度以及湍流扩散系数测定与计算等方面概述了应用注意事项及建议。     

涡度相关法和静态箱/气相色谱法在生态系统呼吸观测中的比较

基于涡度相关法和静态箱/气相色谱法(箱式法)的碳通量观测数据,对比分析了两种方法在评价禹城冬小麦 夏玉米复种农田生态系统和海北高寒矮嵩草草甸生态系统呼吸中的差异.结果表明：在保证涡度相关法和箱式法观测数据质量的条件下,两种方法实时观测的夜间通量结果具有较好的一致性,相关系数达0.95～0.98;箱式法白天的观测结果与涡度相关法估算的白天生态系统呼吸值有较好的一致性,但前者普遍大于后者;两种方法测定生态系统呼吸日平均值的差异达极显著水平（P<0.01）,但二者的季节变化趋势较一致.在整个观测期内, 冬小麦-夏玉米复种农田观测箱内外平均温差为1.8 ℃,涡度相关法较箱式法测定的生态系统呼吸日平均值偏低30.3%;高寒矮嵩草草甸观测箱内外平均温差为1.9 ℃,涡度相关法较箱式法测定的生态系统呼吸日平均值偏低31.4%.两种方法对生态系统生长季呼吸日平均值测定结果的偏差高于非生长季.     

玉米农田蒸散过程及其对气候变化的响应模拟

应用基于生理生态学过程的EALCO模型,对玉米农田生态系统的蒸散(ET)过程进行了模拟,在模型检验基础上,使用该模型模拟了玉米农田生态系统ET过程对未来气候变化的响应。结果表明,EALCO模型中能量与水过程的动态耦合机制使模型能够较好地模拟农田蒸散过程,基于涡度相关法的观测值与模型模拟值在小时、日尺度上均吻合较好,模型可以解释67%的日蒸散的变化特征。对土壤蒸发与冠层蒸腾的分别模拟显示,生长季土壤蒸发约占ET的36%。温度的升高会引起ET与冠层蒸腾的增加,同时土壤蒸发减少;ET对降水减少的响应较为敏感,主要表现在土壤蒸发的下降。大气CO2浓度升高对冠层蒸腾影响显著,该情景下冠层蒸腾下降幅度最大。研究所假设的2100年气候情景下,该农田生态系统生长季蒸散将减少,然而相对于降水的减少而言,蒸散的减少量较小,即水分支出项相对增加,因此,发生土壤水分匮乏的可能性加大,这可能会加剧该地区的暖干化趋势,给作物产量及生态环境带来威胁。     

近50年山东省农业气候资源变化特征

利用山东省90个气象站1961-2010年逐日气象观测数据,比较分析了该区域冬小麦和夏玉米生长季光、热、水等农业气候资源的时空变化特征.结果表明: 研究期间,山东省冬小麦和夏玉米生长季各项气温指标均呈显著升高趋势,冬小麦生长季升高趋势更明显;日照时数显著减少;降水量和干燥度无显著变化;夏玉米生长季蒸散量显著减少.冬小麦和夏玉米生长季各农业气候资源呈大致的经向或纬向递增或递减的空间分布.不同区域各农业气候资源历年变化特征差异明显,鲁西地区各气温指标升高趋势较弱,鲁中和鲁西南地区日照时数减少趋势最显著,鲁西地区蒸散量和干燥度减少趋势最显著,鲁中和鲁东南地区冬小麦生长季降水量增加趋势较明显,鲁中和鲁南地区夏玉米生长季降水量增加趋势较明显.山东省热量资源的增加有利于冬小麦生长季各阶段的发育,但植物病虫害的防治难度及农作物遭受高温热害的风险加大,日照时数减少不利于农作物生长期的光合作用,蒸散量减少则有利于土壤水分的保存.
     

黄土塬区麦田蒸散特征

利用大型称重式蒸渗仪研究了黄土塬区冬小麦不同时段单元（生育期、月、日、时）的蒸散特征,并分析了叶面积指数、土壤含水量和气温、降水等因子对蒸散的影响.结果表明,在试验年份,各生育期内冬小麦的日蒸散量:孕穗 抽穗期﹥开花期﹥起身期﹥拔节期﹥灌浆期﹥返青期﹥成熟期﹥越冬期;生长前期蒸散受温度影响较大,中期受叶面积指数影响较大,后期土壤水分成为蒸散的限制因子,灌浆期内冬小麦日均蒸散量因受土壤水分亏缺影响而显著下降,日均蒸散量从孕穗 抽穗期的625 mm·d^-1 减小到灌浆期的2.66 mm·d^-1;月蒸散以4～6月最高,3个月蒸散量占试验期间总蒸散量的80％以上;麦田逐日蒸散变化曲线上的波动峰值反映了受降水作用土壤水分状况改善条件下的蒸散特征;时蒸散过程在总体遵循周期性的前提下表现出随天气而改变的现象.     

华北平原冬小麦/夏玉米轮作体系土壤硝态氮的适宜含量

采用冬小麦季不同施氮处理(夏玉米季不施氮)研究了华北平原冬小麦/夏玉米轮作体系夏玉米季土壤硝态氮的适宜含量.结果表明:在播前土壤无机氮含量较高的条件下,冬小麦季施用150kgN.hm-2即可满足冬小麦/夏玉米两季作物的氮素需求;各氮肥处理在冬小麦季的氮肥施用当季的利用率仅为11%～23%,在夏玉米季氮肥残效利用率则高达30%～52%.当夏玉米播前0～90cm土层硝态氮含量达到82kg.hm-2时,无需施氮即可保证夏玉米十叶期的生长,达到151kg.hm-2时,无需施氮即可保证整个生育期的生长.夏玉米十叶期和收获后0～90cm土层硝态氮含量低于46和65kg.hm-2时,则影响作物正常生长.综合考虑产量和环境效应,冬小麦/夏玉米轮作体系中0～90cm土层硝态氮含量应控制在65～151kg.hm-2之间.     

修枝对复合农林系统内作物光合特性及生长的影响

以论证修枝作为复合农林系统优化措施的可行性为目的,对复合农林系统内的杨树进行4种不同强度的修枝处理,分别为P1(修掉树冠高度的1/6)、P2(修掉树冠高度的2/6)、P3 (修掉树冠高度的3/6) 、P4(修掉树冠高度的4/6),以CK(不修枝)为对照,研究了修枝对复合农林系统内冬小麦、夏玉米的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、细胞间隙CO2浓度(Ci)、气孔限制值(Ls)等光合生理特性以及农艺性状、产量构成因素的影响.结果表明:(1)修枝能有效增加作物光合速率、蒸腾速率,同一时刻修枝强度越大光合速率、蒸腾速率越大,下午时这种促进作用小于上午与中午.(2)修枝能显著促进小麦、玉米增高、增粗、增重,且越到后期修枝对作物生长的促进作用越明显.另外,修枝对玉米生长的促进作用大于小麦.(3)修枝能使林下作物大幅增产;修枝后玉米主要通过增加穗数,小麦主要通过增加粒重和穗粒数增产;修枝后玉米增产幅度大于小麦,小麦产量表现优于玉米,小麦比玉米更适合复合农林系统.     

基于涡度相关法和树干液流法评价杨树人工林 生态系统蒸发散及其环境响应

 运用涡度相关(Eddy covariance)开路系统、树干液流(Sap flow)、土壤水分以及微气象观测系统, 于2006年生长季(5~10月)对北京大兴区永定河沿河沙地杨树(Populus euramericana)人工林生态系统的水量和能量平衡进行了连续测定; 分析了该系统能量平衡闭合水平及其组分分配特征, 不同水分条件下蒸发散及其各组分变化过程和分配特征, 以及影响蒸发散的主要环境因子; 并对组分求和法、土壤水分平衡法与涡度相关法测得该生态系统生长季蒸发散总量的结果进行了对比。结果表明: 生长季内该生态系统的能量闭合水平较高, 能量平衡各组分在不同土壤水分环境条件下所占比例变化较大; 在水分充足的条件下, 潜热通量在可利用能量分配过程中占优势, 显热通量在水分胁迫条件下占可提供能量的比例比潜热通量大。雨季到来之前, 土壤蒸发与植被蒸腾强度相差较小; 进入雨季后, 土壤深层水分得到补偿, 植被蒸腾显著增强而土壤蒸发强度减弱。涡度相关法所得的总蒸发散量与基于树干液流法等组分求和法得到的蒸发散结果较接近, 分别为513和492 mm。土壤水分平衡法的观测结果略高于前二者的观测结果, 雨季研究界面以下的土体也有水分交换是该方法高估蒸发散的主要原因。与环境因子的响应关系表明, 蒸发散以及蒸腾的变化过程对净辐射的响应程度比对饱和水汽压差高; 水分条件较好情况下, 蒸发散以及蒸腾的变化过程与水汽压差关系不明显, 说明水分充足时, 水汽压差不是蒸散强弱的限制因子。     

Much Improved Irrigation Use Efficiency in an Intensive Wheat-Maize Double Cropping System in the North China Plain

Crop yield and water use efficiency （WUE） in a wheat-maize double cropping system are influenced by short and uneven rainfalls in the North China Plain （NCP）, A 2-year experiment was conducted to investigate the effects of irrigation on soil water balance, crop yield and WUE to improve irrigation use efficiency in the cropping system, Soil water depletion （~SWS） by crop generally decreased with the increase of irrigation and rainfall, while ASWS for the whole rotation was relatively stable among these irrigation treatments, High irrigations in wheat season increased initial soil moisture and ASWS for subsequent maize especially in the drought season, Initial soil water influenced mainly by the irrigation and rainfall in the previous crop season, is essential to high yield in such cropping systems, Grain yield decreased prior to evapotranspiraUon （ET） when ET reached about 300mm for wheat, while maize showed various WUEs with similar seasonal ET, For whole rotation, WUE declined when ET exceeded about 650 mm, These results indicate great potential for improving irrigation use efficiency in such wheat-maize cropping system in the NCP, Based on the present results, reasonable irrigation schedules according to different annual rainfall conditions are presented for such a cropping system.     

冬小麦／夏玉米轮作体系中土壤氮素矿化及预测

应用田间试验结果研究了冬小麦和夏玉米生长期的土壤氮素矿化量,并用间隙淋洗好气培养试验结合一级动力学模型对田间氮素矿化量进行了预测。结果表明,土壤氮素矿化量在年际间和作物间的变异很大,夏玉米季一般高于冬小麦季,从而导致夏玉米季施用氮肥的增产作用不明显,冬小麦季矿化量占当季作物最高吸氮量的31％～60％,夏玉米季占62％～108％,加上起始Nmin的供氮,造成了作物产量尤其是夏玉米产量对施入氮肥反应不明显,土壤氮素净矿化量均随土壤供氮量的增加而显著减少,在一般供氮量范围内(0～300kgN·hm^-2)均表现为净矿化,一级动力学模型只能预测作物整个生育期土壤氮素矿化总的趋势,并不能反映某一阶段矿化量的变化,但模型能在种植作物以前估计出土壤氮素净矿化量,从这个意义上说,模型的预测作用仍是不可低估的。     

华北平原参考作物蒸散量变化特征及气候影响因素

参考作物蒸散量是估算作物需水量的关键因子,对指导农田灌溉是有十分重要的现实意义。在气候变化的背景下,利用Penman-Monteith方法,计算华北平原典型站点1961 2007年逐日参考作物蒸散量,并从能量平衡和动力学角度对其分解,分析年际变化和季节变化特征;结合数理统计方法,研究影响参考作物蒸散量及其构成项变化的主次气候因子,为该区农田水分管理提供更有效的科学指导。研究结果表明:在华北平原全区温度显著上升、日照时数,相对湿度,平均风速呈显著下降的背景下,绝大部分站点参考作物蒸散量及构成项呈显著下降趋势。夏季的参考作物蒸散量和辐射项值相对最高,冬季值最低;春季的空气动力学项值相对比例最高。辐射项与空气动力学项年际间呈负相关关系,春夏两季之间呈不显著正相关趋势,秋冬两季呈不显著负相关趋势。辐射项的变化主要受日照时数、风速及温度的影响,其中风速的贡献是负效应;空气动力学项的变化主要受风速、相对湿度及平均温度的影响,相对湿度的贡献是负效应。参考作物蒸散量的变化主要受日照时数、相对湿度、温度日较差和风速的综合影响。此外,降水与其呈显著负相关关系,下降幅度略高于参考作物蒸散量的变化幅度。     

河北省典型区主要作物有效降雨量和需水量特征

对作物全生育期内有效降雨量及需水规律的研究是进行合理灌溉及水资源优化配置的重要依据。以河北省鸡泽县为典型区域,利用FAO推荐的Penman-Monteith公式和分段单值平均作物系数法对冬小麦、夏玉米和棉花的有效降雨量及需水规律进行计算,并通过M-K检验法分析近60 a来鸡泽县有效降雨量及作物需水量序列的趋势变化及突变现象。结果表明:近60 a鸡泽县冬小麦在生育中期需水量最大,为210.2 mm,有效降雨量均集中在生育中期,缺水量以13.2 mm/10 a的速率呈显著性减少趋势;夏玉米在初始生长期需水量最大,为157.7 mm,有效降雨量集中在生育中期,缺水量以7.0 mm/10 a的速率呈不显著减少趋势;棉花在快速发育期需水量最大,为227.9 mm,有效降雨量集中在生育中期,缺水量以22.3 mm/10 a的速率呈显著性减少趋势。在一定程度上对河北省对农田灌溉用水效率和效益以及保障农作物科学高效生产具有重要的指导意义。     

基于Penman-Monteith-Leuning遥感模型的西南喀斯特区域蒸散发估算

西南喀斯特地区地形起伏大、土壤保水持水性差、生态环境脆弱.准确估算区域尺度蒸散发对研究喀斯特地区植被恢复、水资源管理等具有重要意义.本文以桂西北喀斯特植被恢复区为例,基于野外实测气象和蒸散发数据,采用最小二乘法对Penman-Monteith-Leuning(PML)模型中气孔导度土壤湿度指数进行参数优化,并结合MOD15A2叶面积指数进行空间外推,实现了区域尺度上长时序蒸散发的估算.结果表明: 研究区蒸散发模拟值与实测值有较好的一致性,模型确定系数、纳什系数和均方根误差分别为0.85、0.75和1.56 mm·d^-1.蒸散发表现出季节变化特征,并与植被生长季物候特征一致,夏季蒸散量达到峰值.研究区年蒸散量在534～1035 mm,陆面蒸散发的空间分布呈现差异性,受降水的空间分布影响较大.年蒸散发可能不仅受到降水因素的影响,还与人类活动和土地利用类型有关.