基于东北区吉林省监测数据的土壤墒情综合诊断模型验证

综合诊断模型是土壤墒情监测、诊断与预报的新方法,它包括6个独立模型和基于水分来源数量对土壤含水量判断的一些逻辑关系,6个独立模型分别基于墒情监测数据与邻近气象站降水量之间的定量关系诊断或预报土壤含水量。本文应用吉林省4个县/市的6个墒情监测点的数据验证综合诊断模型在东北半干旱和半湿润地区的应用精度和适应性,建模使用2013—2014年的数据,模型验证使用2015年的数据。为了模型更好地应用于实际,本文对每个监测点的模型参数均进行了校正。结果表明:按监测点建模情况下,不同气候和下垫面条件下的模型和参数不同;模型在东北区吉林省半干旱和半湿润地区具有较好的适应性,验证合格率为88%以上;降水量少的监测点的模型预测合格率高。墒情综合诊断模型在吉林省半干旱和半湿润地区应用精度较高,为模型在该地区应用提供了研究案例。     

移动统计法土壤墒情诊断模型

本文介绍了基于土壤初始含水量和时段每日平均降水量所建立的移动统计法土壤墒情诊断模型的原理和建模方法,并应用7个省23个县87个监测点2012—2014年的数据建模,应用2015年的数据进行了验证。移动统计法墒情诊断模型分为时段模型和逐日模型。结果表明:时段模型预测的合格率为90%左右,逐日模型预测的合格率为70%左右;时段模型优于逐日模型。移动统计法模型单独作为墒情诊断模型,使用时需要进一步完善,可以在土壤初始含水量分段的基础上应用其他5个独立模型进行尝试。     

平衡法土壤墒情诊断模型

本文首先介绍传统水量平衡法利弊,重点介绍了所建立的基于土壤初始含水量、时段降水量和时段"蒸渗流项"的平衡法土壤墒情诊断模型的原理和建模方法,并应用7个省23个县87个监测点2012—2014年的数据建模,应用2015年的数据进行了验证。结果表明:平衡法模型诊断和预测合格率只有50%左右;模型合格率不高的主要原因是基于降水量和土壤含水量之和的分段预测时数据量少,导致参数确定依据不足。所建立的平衡法模型作为墒情诊断模型使用还需进一步研究。     

土壤墒情诊断理论和方法

本文对土壤墒情诊断理论和方法进行了简述,并介绍了国内墒情监测、诊断和预报现状。重点介绍了所建立的平衡法、统计法、差减统计法、比值统计法、间隔天数统计法、移动统计法6个独立的墒情诊断模型及其联合应用的综合诊断模型。应用2012—2014年7省23个县87个监测点的数据建模,并应用2015年的数据进行了验证。结果表明:所有模型构建简单,参数获得容易;综合模型优于6个独立模型。所建立的6个独立模型和综合模型适用于基于降水量的土壤墒情诊断和预测。     

墒情诊断模型的应用条件

对墒情诊断模型应用的下垫面条件进行了综合分析,这些条件包括气候区、监测点距气象站距离、土壤质地、监测时间、熟制、作物种类和模型参数。结果表明:平衡法、统计法、差减统计法、比值统计法、间隔天数统计法、移动统计法6个独立诊断模型和综合模型具有普遍适应性;模型普遍适应性的外在原因是建模时只考虑3个独立的具有普遍性的变量(土壤含水量、时段降水量、2次土壤含水量测定的间隔天数),模型普遍适应性的内在原因是按监测点建模和确定参数;多年平均降水量是影响模型预测合格率的主要因素之一,其值越小模型预测合格率越高。6个独立诊断模型和综合模型的应用不受下垫面因素影响,模型通用变量为3个独立变量。     

比值统计法土壤墒情诊断模型

本文介绍了研发的基于时段降水量和土壤初始含水量的比值统计法土壤墒情诊断模型的原理和建模方法,并应用7个省23个县87个监测点2012—2014年的数据建模,应用2015年的数据进行了验证。结果表明:比值统计法诊断模型的预测精度较高,达到80%以上;比值统计法诊断和预测合格率较高的主要原因是模型参数都是数据挖掘的结果而非人为确定;逐日模型法可以实现逐日土壤墒情的预测。研究表明,比值统计法模型可以单独作为墒情诊断模型使用。     

间隔天数统计法土壤墒情诊断模型

本文介绍所建立的基于时段降水量、土壤初始含水量和两次监测时段天数的间隔天数统计法土壤墒情诊断模型的原理和建模方法,并应用7个省23个县87个监测点2012—2014年的数据建模,应用2015年的数据进行了验证。结果表明:间隔天数统计法模型诊断和预测精度高达到90%以上;间隔天数统计法模型诊断和预测合格率高,其原因是增加了间隔天数变量,有效地解决了测定间隔天数不固定的问题;逐日模型法可以实现逐日土壤墒情的预测。初步结论是:间隔天数统计法模型可以单独作为墒情诊断模型使用。     

统计法土壤墒情诊断模型

本文介绍了统计法土壤墒情诊断模型的原理和建模方法,该模型是基于时段降水量和土壤初始含水量以及二者的交互作用项建立的,并应用7个省23个县87个监测点2012—2014年的数据建模,以及2015年的数据进行验证。结果表明:统计法模型诊断和预测合格率较高,合格率达到85%以上;相邻墒情监测日的时间间隔有时不固定将导致异常值的出现,这是影响模型预测合格率的主要原因;逐日模型法可以实现逐日土壤墒情的预测。本研究表明,统计法模型可以单独作为墒情诊断模型使用。     

差减统计法土壤墒情诊断模型

迄今为止,墒情诊断与预测模型由于缺乏通用性难以应用。本文介绍专栏6个独立模型中的差减统计法模型。差减统计法模型中2次监测的土壤含水量变化量为因变量,土壤初始含水量和时段降水量(含灌溉量)为自变量。应用7个省23个县87个监测点2012—2014年的数据建模,应用2015年的数据进行验证。结果表明:差减统计法模型诊断和预测合格率达90%左右,表明该模型适用性好;合格率高的主要原因是该模型遵循质量守恒定律和统计学规律;差减统计法预测误差主要来源于异地降水量数据和缺少灌溉记录数据。与传统模型相比,差减统计法具有以下特点:参数少、参数容易获得,参数具有统计意义、模型覆盖全部降水量范围、模型按点建模不受下垫面因素影响等。因此,差减统计法模型作为墒情诊断和预报模型是科学和实用的,可以单独使用。     

基于内蒙古自治区监测数据的土壤墒情综合诊断模型验证

本文应用内蒙古自治区5个旗/县的19个墒情监测点的数据验证土壤墒情综合诊断模型在内蒙古区半干旱地区的适用性,建模使用2012—2014年的数据,模型验证使用2015年的数据。结果表明:模型在内蒙古自治区半干旱地区具有较好的适应性,验证合格率为94%以上;模型预测合格率与纬度、经度之间没有显著的相关关系,这是因为所有监测点都位于半干旱地区,降水量差异较小。墒情综合诊断模型可以应用于内蒙古境内半干旱地区。     

基于西北区甘肃省监测数据的土壤墒情综合诊断模型验证

本文应用甘肃省2个市区的13个墒情监测点的数据验证土壤墒情综合诊断模型在西北区半湿润和半干旱地区的适应性,建模使用2012—2014年的数据,模型验证使用2015年的数据。结果表明:模型在西北区甘肃省半湿润和半干旱地区具有较好的适应性,验证合格率分别为半湿润地区80%以上和半干旱地区90%以上;不同降水量区域模型参数不同;降水越少的地区模型预测合格率越高。本研究表明,墒情综合诊断模型可以应用于西北半湿润和半干旱地区。     

基于华北区河北省监测数据的土壤墒情综合诊断模型验证

本文应用河北省3个市县的14个墒情监测点的数据验证土壤墒情综合诊断模型在华北半湿润地区的适应性,建模使用2011—2014年的数据,模型验证使用2015年的数据。结果表明:模型在河北省半湿润地区具有较好的适应性,验证合格率为76.92%~100%;不同降水量区域模型参数不同;降水越少的地区模型预测合格率越高;唐山市滦南县和唐山市乐亭县属于沿海地区,降水分布与另外2个内陆县不同,因此合格率偏低;墒情综合诊断模型可以应用于华北半湿润地区。     

综合模型法土壤墒情诊断模型

本文介绍了将平衡法、统计法、差减统计法、比值统计法、间隔天数统计法、移动统计法6个独立模型综合应用的墒情综合模型法的原理和方法,并应用7个省23个县87个监测点2012—2014年的数据建模,应用2015年的数据进行了验证。结果表明:综合模型诊断和预测合格率高,为97%以上。综合模型的优点:6个独立模型的参数在不同气候、下垫面和管理措施下的取值不同,因此,6个独立模型即使按点统计也不通用;而在同一次预测时,6个模型预测结果中总有一个预测精度较高的结果,这个结果与时段降水量和初始土壤含水量之和高度相关;通过对6个模型的适应性优选后,从概率上选择水分来源数量对应的预测结果。     

基于华北区山西省监测数据的土壤墒情综合诊断模型验证

本文应用山西省2个市县的16个墒情监测点的数据验证土壤墒情综合诊断模型在华北区半湿润地区的适应性,建模使用2012—2014年的数据,模型验证使用2015年的数据。结果表明:模型在山西省半湿润地区具有较好的适应性,验证合格率为90%以上;由于2个监测县降水量接近,模型预测合格率与纬度、经度之间没有明显的规律。本研究表明,墒情综合诊断模型建模数据量大,数据范围涵盖了作物整个生长季的数据,相对于其他模型有一定的优势,可以应用于华北半湿润地区。     

基于华中区河南省监测数据的土壤墒情综合诊断模型验证

本文应用河南省3个市县的7个墒情监测点的数据验证土壤墒情综合诊断模型在华中区半湿润地区的适应性,建模使用2012—2014年的数据,模型验证使用2015年的数据。结果表明:模型在华中区河南省半湿润地区具有较好的适应性,验证合格率为80%以上;同一气候区,季节降水量的不同对模型预测合格率的影响可能更大,这为今后提高模型预测合格率指明了新的研究内容;墒情综合诊断模型可以应用于华中半湿润地区。     

基于华中区湖南省监测数据的土壤墒情综合诊断模型验证

本文应用湖南省4个市县的12个墒情监测点的数据验证土壤墒情综合诊断模型在华中湿润地区的适应性,建模使用2012—2014年的数据,模型验证使用2015年的数据。结果表明:模型在湖南省湿润地区具有较好的适应性,验证合格率平均为85%以上,模型合格率呈现随多年平均降水量减少而提高的趋势。     

墒情诊断模型的评价

对6个模型进行系统评价的目的是为模型优选提供理论、方法和参数依据。采用优选模型比例、验证方法指标、验证方式指标和异常值指标4项指标对6个独立墒情诊断模型进行了综合评价。结果是:模型优先顺序为差减统计模型、间隔天数统计模型移动统计模型比值统计模型统计模型平衡模型;逐日模型好于时段模型。合格率高的模型包括4个特征,即自变量数量不超过3个、自变量相对独立、模型能处理不固定监测天数、人为不决定参数。按监测点建模的6个独立模型都可以单独使用,解决了模型不通用的问题;可以实现逐日诊断和预测,方便与遥感信息、作物长势信息等实时匹配;差减统计模型和间隔天数统计模型精度最高,前者是基于质量守恒定律的统计模型,后者有效地解决了间隔天数不固定所带来的预测误差。     

内蒙古半干旱草原土壤水分对降水格局变化的响应

在全球气候变化背景下, 未来我国北方半干旱地区的降水格局将呈现出季节与年际间降水波动增强和极端降水事件增加的趋势。水分是半干旱草原的主要限制因子, 降水格局变化导致的土壤水分状况的改变必然对生态系统的结构和功能产生显著的影响。该研究选取内蒙古多伦和锡林浩特两个典型半干旱草原群落, 通过分析2006-2013年的降水和多层次土壤(0-10 cm, 10 cm, 20 cm, 30 cm和50 cm)含水量连续观测数据, 研究降水格局变化对土壤水分状况及其垂直分布的影响, 特别是土壤水分对降水事件的脉冲响应过程。结果表明: 两个站点的土壤含水量均呈现显著的季节及年际间波动, 其中土壤表层 0-10 cm水分波动更剧烈。锡林浩特50 cm处土壤含水量波动较大, 主要由于春季融雪的影响。年际间多伦和锡林浩特生长季土壤表层0-10 cm土壤含水量与降水量存在显著的正相关关系, 下层(10-50 cm)土壤含水量与降水量相关性不显著。研究发现小至2 mm的降水事件就能够引起两个站点表层0-10 cm土壤含水量的升高, 即该地区有效降水为日降水量> 2 mm。表层0-10 cm土壤含水量对独立降水事件的脉冲响应可通过指数方程很好地拟合。降水事件的大小决定了降水后表层0-10 cm土壤含水量的最大增量和持续时间, 同时这个脉冲响应过程还受到降水前土壤含水量的影响, 但该过程中并未发现植被因子(叶面积指数)的显著影响。降水后水分下渗深度及该深度的土壤含水量增量主要由降水事件的大小主导, 同时受到降水前土壤含水量的影响。在多伦和锡林浩特, 平均每增加1 mm降水, 下渗深度分别增加1.06和0.79 cm。由此作者认为, 在内蒙古半干旱草原, 降水事件大小和降水前土壤干湿状况是影响土壤水分对降水响应的主要因素, 而植被因子的影响较小。     

基于模型数据融合的中国温带和亚热带典型森林生态系统碳通量模拟

生态系统碳循环过程对水分响应的研究已成为全球变化关注的焦点问题之一。基于长白山温带针阔混交林与千烟洲亚热带人工针叶林观测站2003—2009年生长季的碳通量(NEE)和气象观测数据,综合考虑水分对光合、呼吸作用的影响,构建不同的NEE模型,并应用模型数据融合方法优化模型参数、遴选最适模型,系统分析了水分因子对不同森林生态系统碳循环的影响。结果表明:(1)优化后的模型参数均能被NEE实测数据较好约束。长白山生长季的光合、呼吸参数值均高于千烟洲,未考虑空气饱和水汽压差(VPD)的模型高估了千烟洲温度敏感性参数(Q10)值、低估了千烟洲基础呼吸速率参数(BR)值;(2)仅考虑VPD对光合作用影响的模型是长白山生长季碳通量模拟的最优模型,但模拟精度提高不显著。不同模型间碳通量组分模拟结果差异较小;(3)考虑VPD和土壤含水量对光合、呼吸作用共同影响的模型是千烟洲生长季碳通量模拟的最优模型,并且显著提高了模拟精度。未考虑水分的模型在生长季高估了总生态系统生产力(GEP)总量2.0%(21.85 g C/m~2),同时更大幅度地高估了生态系统呼吸(RE)总量4.4%(38.02 g C/m~2),从而导致NEE总量低估于实测值7.8%(18.55 g C/m~2)。     

蒙古栎(Quercus mongolica)光合参数对水分胁迫的响应机理

针对当前植物光合机理模型中植物光合参数没有考虑干旱胁迫影响的不足,以东北地区蒙古栎为研究对象,基于蒙古栎对不同水分响应的植物生理生态模拟试验,探讨了蒙古栎光合参数对水分胁迫的定量响应.结果表明,水分胁迫严重影响蒙古栎叶片的光合参数.其最大净光合速率(Pmax)与土壤含水量呈抛物线关系(P<0.01),且在土壤体积含水量35.45%(相当于土壤质量含水量23.63%)接近田间持水量(27.4%)时达到最大值.蒙古栎幼苗叶片的最大羧化速率(Vcmax)、最大电子传递速率(Jmax)和磷酸丙糖利用率(TPU)均与土壤水分呈抛物线关系(P<0.01),即Vcmax、Jmax 、TPU对土壤水分具有相同的响应趋势,但各光合参数达到最大时的土壤水分阈值却不相同.同时,基于蒙古栎光合作用参数对水分变化响应的定量分析,建立了水热因子协同影响的植物光合参数模型,为最终建立适用于所有植物的水热因子协同影响的光合参数模型提供了依据与技术示范.