基于SHAW模型对拉萨河谷冬小麦农田生态系统水分传输特征的模拟研究

以青藏高原的拉萨河谷下游的农田为研究对象,利用中国科学院拉萨高原生态试验站的观测数据,通过模型模拟的方法分析了高原冬小麦农田生态系统水分传输的主要特征并结合当地的气象条件和灌溉情况对当地制定适宜的冬小麦农田灌溉制度进行了初步探讨.采用2004年5～10月的土壤水分观测数据对SHAW模型进行参数率定,然后,利用2004年10月～2005年10月的土壤水分观测数据对率定的参数进行验证并评价SHAW模型的在该地区的模拟性能.通过分析2004～2005年冬小麦农田水分传输过程的模拟结果,得出该地区农田生态系统水分传输的主要特征:①拔节-灌浆期是冬小麦耗水旺期,水分主要在土壤-植物间传输.②冬小麦生长期间耗水量为826mm,是华北平原的1.7～1.9倍,其中土壤蒸发占了37.5%.③冬小麦根系吸水主要集中于10～40cm土层,在浅层土壤水分供应不足时,冬小麦才倾向于利用深层土壤水分(40cm以下).④整个冬小麦生长期间农田的总深层渗漏量达到约占总灌溉量的50%.其中,播种-返青期间灌溉量的72%渗漏到70cm土层以下.最后,基于研究得出的冬小麦农田生态系统水分传输特征,对该地区适宜的灌溉制度进行了分析探讨.     

密度对玉米群体冠层内小气候的影响

 系统研究了两个玉米(Zea mays L.)品种不同密度群体冠层内光合有效辐射、CO2浓度、温度、风速、相对湿度等小气候因子垂直分布及其变化。指出,密度能显著影响小气候因子在群体中的分布,并最终反映在群体的有效贮积能量上。通过合理密植能调节群体结构、充分利用小气候资源,获得较高有效贮积能量。     

灌溉对孕穗期冬小麦农田温度的影响

灌溉是抵御和减轻冬小麦晚霜冻危害的有效措施之一。针对黄淮地区2010年4月的一次强降温过程,通过郑州农业气象观测站的灌溉防霜试验,对比分析了冬小麦孕穗期田间空气温度和土壤温度特征。结果表明:在外界环境温度下降时,灌溉可以提高田间最低气温0.1～0.6℃,增温效应主要集中在地上5cm处,灌溉可减少气温≤0℃的持续时间1～2h;对土壤温度的影响随着深度而存在差异,0cm土壤温度以增加为主,5～20cm土壤以降温效应为主;灌溉减小了气温和0～5cm土壤温度的变异系数和平均相对变率,而增大了10～20cm土壤温度的变异系数和相对变率;灌溉引起的温度差异只在15和20cm土壤处比较显著,其余各层温度差异并不明显。     

太阳辐射对玉米农田土壤呼吸作用的影响

水热因子通常被认为是影响土壤呼吸作用的主导因子。对2004-2005年东北地区玉米农田土壤呼吸作用的观测资料分析表明:太阳辐射对土壤呼吸作用有促进作用,使得白天的土壤呼吸速率高于夜间,并导致土壤呼吸作用与土壤温度的关系发生变化。太阳总辐射对玉米(Zea mays L.)生长后期的土壤呼吸作用具有显著影响(9月7日:R2=0.80,P0.0001;9月29日:R2=0.82,P0.0001)。地上生物量和叶面积指数制约着太阳总辐射对土壤呼吸作用的贡献,可解释太阳总辐射与土壤呼吸作用关系变异的83.5%。在玉米生长初期,散射辐射间接地促进了土壤呼吸作用,但随着叶面积指数的增加,散射辐射的透射作用减弱,使得直射辐射对土壤呼吸作用的影响超过散射辐射;进入玉米生长后期,由于叶子枯黄,叶面积指数减小,散射辐射又对土壤呼吸起到促进作用。     

张掖灌区玉米农田生态系统CO_2通量的变化规律和环境响应

采用涡动相关法对张掖灌区玉米农田生态系统生长季(6—9月)CO2通量进行了连续观测,分析了玉米农田生态系统CO2通量变化特征及其对环境的响应。结果表明:CO2通量具有明显的日变化特征,白天以碳吸收为主,夜间以碳排放为主,CO2吸收的最大值出现在灌浆期,峰值为-1.426 mg·m-2·s-1;农田生态系统在4个生育期均表现为碳吸收,但吸收CO2能力存在显著差异,日吸收总量灌浆期拔节期成熟期苗期。利用Michaelis-Menten方程和指数曲线拟合方法,分别分析了光合有效辐射对白天CO2通量的影响,及温度对夜间生态系统呼吸的影响。结果表明:白天CO2吸收强度随着光合有效辐射的增大而增大,在低光阶段,光照是控制光合作用的主导因子,之后随着光合有效辐射的增大,净吸收量增加减缓;玉米的光量子利用效率变化范围为0.00098～0.0022 mg·μmol-1。夜间生态系统呼吸与温度呈显著的指数关系,不同生育期的主导因子不同,苗期土壤温度是主导因子,其余生育期气温是主导因子。     

黄河故道区夏玉米农田水热传输特征及对环境因子的响应

精确评估地-气之间物质和能量交换对于有效管理水资源和促进农业可持续发展至关重要。为揭示黄河故道区玉米农田生态系统的能量分配特征和水热分量动态变化过程及其对气象因子的变化响应,本研究基于涡度相关系统和全要素自动气象站,对2019—2020年黄河故道区典型夏玉米农田生态系统的能量通量以及常规气象要素进行不间断观测,分析夏玉米农田各能量通量的变化特征以及与气温、降水、风速等环境因子的相关关系,并计算夏玉米生育时期的能量闭合率和能量分配比率。结果表明：研究区夏玉米净辐射、显热通量和潜热通量的峰值出现在11:00—14:00,土壤热通量的峰值发生在14:00—15:00。在能量分配上,夏玉米农田全生育期的能量分配以潜热通量和显热通量为主,播种-出苗期能量主要被显热通量消耗,占净辐射的37.1%,其余生育周期的能量均以潜热通量消耗为主。全生育期能量闭合率较好,决定系数为0.83,其中,白天闭合率较高,晚上较低。降水对潜热通量和显热通量都有明显影响,潜热通量对降水的反应更敏感,生育后期潜热通量在降雨后与降雨前的增幅比生育前期低。在夏玉米全生育期内,太阳辐射是水热通量最主要的气象因子,其次为饱和水汽压差。温度和饱和水汽压差对潜热通量的贡献度明显高于显热通量,风速、相对湿度和太阳辐射对潜热通量的解释率低于显热通量,叶面积指数和植被覆盖度与潜热通量呈显著正相关、与显热通量呈显著负相关。本研究的定量化结果可以深化对黄河故道区夏玉米农田水热传输规律的认识,为作物高效用水提供理论依据。     

温带混交林碳水通量模拟及其对冠层分层方式的响应——耦合的气孔导度-光合作用-能量平衡模型

利用Leuning建立的耦合的光合作用、气孔导度和能量平衡方程,以将冠层分成多层的方式,包括Gaussian五点积分法、将冠层平均分为多层的方法,逐层计算温带混交林的碳水通量,最后累加至冠层尺度,以模拟CO2和H2O通量。该模型以常规气象观测数据作为驱动变量,计算出冠层与大气之间的碳水交换,与涡动相关系统的通量观测数据进行比较,分析了不同的冠层分层方式对多层模型模拟结果的影响。从3个温带混交林通量站涡动相关系统的能量平衡闭合度来看,中国长白山站CBS、韩国GDK和日本MMF站点的能量平衡比率(EBR)分别为0.76、0.66和1.07,居于国际同类观测范围(0.34—1.2)的中上水平,因此,涡动相关系统的观测数据较为可靠。从碳水通量的日变化来看,用Gaussian五点积分法将冠层分为五层的模型能较好的模拟碳水通量的\"单峰形\"日变化趋势。夜间Fc为负值且变化趋势较为平缓,表明生态系统进行呼吸作用释放CO2,从日出开始Fc逐渐变为正值,表明生态系统进行光合作用吸收CO2,Fc在中午时分达到最大值,下午Fc逐渐减小,日落之后又回复到夜间的负值。H2O通量的日变化曲线与CO2通量相似,且模拟值与涡动相关实测值具有较好的一致性。在多层模型中,对冠层采用不同的分层方法,对碳水通量模拟结果有一定的影响。以Gaussian五点积分法将冠层分为五层的方法作为对照,分别将冠层平均分为2、5、10、20层的方法得到的碳水通量与其进行比较。从平均值来看,分层越多,H2O通量模拟值越低,而CO2通量模拟值越高。不同的分层方法产生的差异,主要来自于不同层的辐射吸收、温湿度、风速等环境要素的垂直廓线差异,且叶片光合作用对光的响应是非线性的。     

长江流域植树造林对地表温度的生物物理反馈

植树造林通过生物物理过程影响地表能量平衡,进而使地表温度发生变化。近年来,随着长江流域防护林工程的实施,长江流域森林覆盖率不断增长,然而造林对地表温度产生的影响却并不清楚。基于此,利用多源遥感数据和气象数据,配合窗口搜寻策略和基于能量平衡方程的归因方法,探究了2003-2012年长江流域植树造林面积变化及其局地生物物理效应。结果表明:2003-2012年长江流域6.71%耕地转变为森林,1.33%草地转变为森林。相比2003年,2012年森林面积增加了0.48%。在年际时间尺度,耕地向森林转变使白天地表温度降低(0.26±0.03) ℃,夜晚地表温度降低(0.08±0.03) ℃,年均地表温度降低(0.17±0.02) ℃;而草地向森林转变使白天地表温度降低(0.77±0.13) ℃,夜晚地表温度升高(0.49±0.09) ℃,年均地表温度降低(0.15±0.1) ℃。耕地向森林转变在年内均呈现降温效应,其中6月份降温效应达到最大,11月降温效应达到最弱。草地向森林转变在年内仍以降温效应为主,其中5月份降温效应达到最大,11月份降温效应达到最弱,而在12月份引发了微弱的增温效应。两种造林方案在生长季降温效应均强于非生长季。归因分析表明:耕地转变为森林,反照率和感热通量分别主导了增温((0.119±0.004) ℃)和降温效应((-0.13±0.05) ℃)。对于草地转变为森林,入射长波辐射和感热通量分别主导了增温((0.903±0.166) ℃)和降温效应((-1.703±0.193) ℃)。入射短波辐射和发射率在两种造林方式中均分别产生微弱的降温和增温效应。本研究可为科学评估植树造林对局地气候的影响提供理论参考,对长江流域可持续性森林管理具有重要的现实意义。     

夏季绿洲生态环境对荒漠背景地表能量过程的扰动

利用观测试验资料,对比分析了夏季典型晴天敦煌绿洲与周围荒漠戈壁背景地表过程的差异,揭示了绿洲生态系统对干旱区荒漠背景地表过程的扰动特征。结果表明:绿洲地表净辐射日平均要高出周围荒漠戈壁背景60 W/m2以上,约占绿洲净辐射的1/4以上。对绿洲高出的净辐射贡献最大的是绿洲相对低的地表长波辐射,其次是较高的太阳总辐射。而绿洲相对较低的大气长波辐射对高出的净辐射有较大的负贡献,特别是地表反射辐射也有很小的负贡献。绿洲高出的地表净辐射主要贡献于加强潜热和地热流量,还有一部分被绿洲地表能量不平衡差额所占,它实际上可能由一般地表热量平衡所不考虑的垂直热量平流来输送。而绿洲明显低于荒漠背景的感热通量则节省了一部分净辐射能量。     

基于DSSAT模型对豫北地区夏玉米灌溉制度的优化模拟

合理的灌溉制度是提高农业水资源利用效率、保证夏玉米高产稳产的前提。采用农业技术转化决策系统(DSSAT,Decision Support System for Agrotechno1ogy Transfer)探究了河南省北部地区夏玉米不同降水年型下的最优灌溉制度。经过参数的校正和验证,归一化均方根误差(nRMSE)、均方根误差(RMSE)和一致性指数(d)均表现出模拟值与实测值的吻合度很好,DSSAT-maize模型可以准确模拟夏玉米物候期、地上部分生物量、产量和土壤水分状况。然后基于模型模拟了不同灌溉处理下的夏玉米生产潜力,从而评估夏玉米缺水量,并对比分析不同生育时期灌水对产量的影响确定最优灌溉时期,综合考虑产量和水分利用效率确定最优灌溉制度。结果表明:夏玉米生长季的缺水量年际间差异显著,多年平均值为38.91 mm,波动范围为0—193.03 mm。在丰水年,不需要灌溉;在平水年,开花期灌水30 mm;在枯水年,开花期和灌浆期灌水50 mm;在特别干旱年,苗期、拔节期和开花期至少灌水180 mm。优化的灌溉制度下丰水年、平水年和枯水年的WUE达到最高且产量分别占其最高产量的100%、99.72%和97.89%,实现了作物高产节水协同提高的目标。     

Use of thermography for quantitative studies of spatial and temporal variation of stomatal conductance over leaf surfaces

This paper describes a new approach to the calibration of thermal infrared measurements of leaf temperature for the estimation of stomatal conductance and illustrates its application to thermal imaging of plant leaves. The approach is based on a simple reformulation of the leaf energy balance equation that makes use of temperature measurements on reference surfaces of known conductance to water vapour. The use of reference surfaces is an alternative to the accurate measurement of all components of the leaf energy balance and is of potentially wide application in studies of stomatal behaviour. The resolution of the technique when applied to thermal images is evaluated and some results of using the approach in the laboratory for the study of stomatal behaviour in leaves of Phaseolus vulgaris L. are presented. Conductances calculated from infrared measurements were well correlated with estimates obtained using a diffusion porometer.     

苗期玉米叶片碳氮平衡与干旱诱导的叶片衰老之关系

为了探究干旱诱导的碳氮平衡破坏与干旱诱导的叶片衰老之间的关系,该实验以8个在干旱胁迫下叶片衰老进程有明显差异的玉米品种为实验材料,采用PEG模拟干旱处理,通过测定光合速率、叶绿素含量和叶绿素荧光参数等叶片衰老指标以及非结构性碳水化合物(可溶性糖、淀粉)和全氮含量等变化,分析玉米中干旱诱导的叶片衰老与叶片中碳氮平衡(碳氮比)之间的关系。结果显示:(1)干旱胁迫下,8个玉米品种叶片净光合速率受到严重抑制,Fv/Fm大幅下降,叶绿素含量显著降低,说明干旱诱导了玉米叶片的衰老;(2)干旱诱导玉米叶片衰老的同时,8个玉米品种的叶片中可溶性糖含量显著升高,淀粉含量小幅上升,全氮含量大幅降低,碳氮比显著升高,碳氮平衡遭到了破坏;(3)8个玉米品种叶片的叶绿素含量与非结构性碳水化合物含量以及碳氮比呈极显著负相关关系,与全氮含量呈极显著正相关关系。因此,碳氮代谢与干旱诱导的叶片衰老紧密联系,碳氮平衡可能参与了干旱诱导的叶片衰老调控。     

Anti-adhesive Property of Maize Leaf Surface Related with Temperature and Humidity

The anti-adhesive surfaces have always aroused great interest of worldwide scientists and engineers.But in practical applications,it often faces the threat and impact of temperature and humidity.In this work,the excellent anti-adhesive performance of maize leaf under high temperature and humidity were investigated in detail.Firstly,the adhesion forces of the maize leaf surface under different temperature and humidity were measured by using Atomic Force Microscopy (AFM).The temperature of the substrate was varied between 23 ℃ to 100 ℃,and the ambient relative humidity is from 18％ to 100％.It was found that the adhesion force of maize leaf decreased with the increase of temperature and humidity.The mechanism of its excellent anti-adhesive performance of maize leaf under high temperature and relative humidity was revealed.The transverse and longitudinal ridges on maize leaf surface interlace with each other,forming small air pockets,which reduces the actual contact area between the object and the maize leaf.With the increase of humidity,the liquid film will be formed in the air pockets gradually and so much water vapor is produced with increase of temperature.Then the air flow rate increases though the wavy top of transverse ridges,inducing the dramatic decrease of adhesion force.Inspired by this mechanism,four samples with this bionic structure were made.This functional "biomimetic structure" would have potential value in the wide medical equipments such as high frequency electric knife with anti-adhesion surface under high temperature and high humidity.     

Influence of different soil temperatures on water use,growth and internal water status of soybean

Studies on the effect of soil temperature on internal water relations of well watered soybean (Glycine max L.) at constant air temperature under controlled conditions were carried out. A specially designed thermogradient tank was used for obtaining a range of soil temperatures. Data on shoot height, shoot weight, root length, root weight, leaf area and leaf water potential were obtained at 41 days after sowing and the highest values of these parameters were recorded at 28.6°C. The air temperature during the course of these investigations was 25±1°C and it may be concluded that slightly warmer soil temperatures than air temperatures were optimal for soybean with regard to the above measured parameters.     

Diurnal course of the temperature in a Lithops sp. (Mesembryanthemaceae Fenzl) and its surrounding soil

Abstract. The embedding of Lithops plants into the soil could be an adaptation to protect the plants from critical low or high temperatures. Thermoelectric measurements on Lithops lesliei N.E. Br and L. turbiniformis (Haw.) N.E. Br. were made to determine whether the temperatures of the plant tissues at various depths differ from those in the soil close to the plant. The environmental conditions of their habitat were simulated in a growth chamber equipped with a cold sky to simulate the net radiation loss during a cool and clear night. The effects of microclimatic conditions resulting in dew or hoar-frost formation on the plant were investigated, as well as the temperature range where freezing occurs.
The results provide no evidence that the embedding of a Lithops plant into the soil yields advantages to the plants in respect of critical low or high temperatures. Plant temperatures are always very close to the soil temperatures at the same depth, but heat fluxes from the bottom or the plant and its surrounding soil to the top of the plant can occur if the plant freezes. No positive effect on the temperature relations could be detected when dew or hoar-frost is formed on the top of the plant. Lithops is frost hard to at least –3°C.