农业小流域灌溉对稻田水热交换的影响及其调温驱动机理

The study of water of heat flux of land surface in an agricultural watershed will have important significance for better understanding of process of agricultural ecology and regional sustainable development. Due to temporal changes in topography, hydrological factors, irrigation, scale, it shows complex. The land surface heterogeneity, irrigation time lag effect, influence scope and the degree of impact on process of paddy is worth discussing in a small watershed. The typical paddy field of small agriculture watershed will be selected as the research object. The large aperture scintillometer, eddy correlation system and automatic weather station are incorporated into the flux observing system. There are irrigation tests for water and heat exchange during the key period of rice paddy. The characteristics analysis of water and heat exchange, microclimate, regional climate effect will be conducted in a paddy field. Multilayer model of water and heat transfer in paddy field will be optimized. The influence reason for air temperature, water temperature and temperature change of water and heat fluxes will be given. Based on the water and heat characteristics of small watershed scale, the simulation system of paddy rice evapotranspiration in small watershed scale will be established by SEBAL-METRIC model. The effects of irrigation on water and heat fluxes, temporal and spatial scale effect, quantitative temperature regulating mechanism in paddy field of small watershed will be revealed from a data assimilation perspective. The project can provide some basis for the fine estimation, and the reference irrigation control of small watershed.

农业小流域尺度地表水热通量研究对加深理解农业生态过程及实现区域可持续发展具有重要意义，但由于地形、水文、灌溉、尺度等因素的时空变化呈现复杂化。小流域地表异质性和灌溉时滞性对稻田影响范围、影响过程、影响程度方面值得深入探讨。拟选择典型农业小流域稻田为研究对象，建立由大孔径闪烁仪、涡度相关系统和自动气象站等组成的农业小流域通量观测系统；进行稻田水热交换监测与水稻关键期灌溉试验，分析稻田水热交换特征及小气候、区域气候效应；优化稻田水热传输的多层模型, 阐明水热通量影响过程与气温、水温及土温变化原因。在对比田块尺度、小流域尺度水热特征基础上，构建基于SEBAL-METRIC模型的小流域尺度稻田蒸散估算模拟系统，从数据同化角度揭示灌溉对小流域稻田水热通量的影响、时空尺度效应及其定量调温机理。项目能为小流域区域水热通量精细化估算提供依据，对农业小流域生态系统灌溉调控也有借鉴意义。

研究稻田中的小气候与水热动态变化、耗水规律，降低水资源消耗，能为当地农业水资源管理和生态调控提供科学依据。以水稻作物生态系统为研究对象，通过波文比系统、地表闪烁仪、自动气象站等监测手段，结合气象要素观测数据、主要作物物候期数据、遥感数据等，对相关地表参数与能量平衡分量进行反演。使用两种时间尺度扩展方法，将蒸散量扩展至不同尺度。项目通过四年研究，较好地完成了预期目标，取得了一些原创性的成果，共发表期刊论文23篇，教材1本，其中SCI收录8篇，参加国际国内会议报告4次，培养博士2名（1人在读）、硕士9名（2人在读）。主要创新成果总结如下：.（1） 灌溉对近地层温、湿的调节作用主要表现为，降低日最高温度，增加日最低温度而且调温效果正午高于凌晨。与此同时显著改变稻田群体内部的水分状况，提高整体相对湿度，显著降低湿度日变幅。集水区和田块尺度农田净辐射通量差异不大，感热通量表现为集水区尺度农田大于田块尺度农田，潜热通量则正好相反。（2）灌溉后浅层土壤温度变化最为明显，表现为白天降低，夜间升高。稻田气温、相对湿度和土壤温度的日较差都随着灌溉深度的增加而逐渐减小。白天气温的铅直分布上层呈日射型，下层辐射型，夜间则相反。（3）SiB2和SHAW模型整体上都低估了显热通量，但较好地模拟了显热通量的变化趋势。两种模型对土壤热通量的模拟效果较差，SiB2白天高估土壤热通量，夜间低估，SHAW高估白天和夜间的土壤热通量。模型METRIC较好地估算低丘红壤区的日蒸散量。（4）能量平衡分量、蒸散反演结果与地面大孔径闪烁仪数据进行了精度验证分析。应用气候学足迹模型，进行了面上对比验证。同时结合波文比能量平衡数据，进行了两种尺度的验证。（5）研究提出使用两种扩展方法对蒸散量进行时间尺度的扩展，对比了估算结果。择优进行更长时间尺度的蒸散量估算，提高了模型在该区域的应用效果。