华北平原极端天气气候下作物生长对蒸散发的调节机理研究

Climate extreme events are increasing and are considered to be the most important factors affecting the earth system. Climate extremes have great impacts on both hydrological processes and terrestrial vegetation ecosystems. The tight coupling of hydrological processes and vegetation growth suggests that the impacts of climate variability on hydrological processes are more complex. In the North China Plain, water resources are mainly consumed by evapotranspiration. Owing to that the regulation of crop growth on evapotranspiration is insufficiently considered under climate extremes in the past studies, this study explores the instantaneous and delayed responses of crop growth to climate extremes, and further analyzes the resulting variability of evapotranspiration and its parameterization method at different temporal scales through reconciling ecohydrological models and the long-term ecohydrological observations and control experiments. Finally, based on the observation network and regional ecohydrological model considering the explored mechanisms, the impacts of climate extremes on crop growth and crop yield are analyzed first, and then the spatio-temporal variability of evapotranspiration is analyzed under this effect in the North China Plain. The results from this project may provide the scientific basis for agricultural water-saving management in the North China Plain.

极端天气气候事件频率增加，且越来越被认为是影响地球系统的主要因素。极端事件给水文过程和陆地植被生态系统都造成了巨大影响。水文过程与植被生长间密切的耦合关系决定了气候变化对水文影响的复杂性。蒸散发是华北平原水资源消耗的主要途径，针对蒸散发变化机理研究中对极端事件下作物生长调节机理考虑的不足，本项目通过协调典型长系列生态水文观测、控制试验以及农田生态水文模型，研究作物生长对极端事件的瞬时和延迟响应机理；进而研究作物生长影响下不同时间尺度上蒸散发的变化机理及其参数化方法。在此机理分析的基础上，基于观测网络和区域模拟，分析极端事件对华北平原作物生长过程及产量的影响特征，以及在此影响下蒸散发的时空变化特征。本项目的研究成果可为华北平原农田节水管理提供科学依据。

随着气候变暖，极端气候事件发生频率显著增多。极端事件对作物生长、耗水及水文循环可能存在重大影响，研究其变化规律对作物估产及农业水资源管理有重要意义。本项目在华北平原典型农田新建生态水文观测站一个，新建控制灌溉实验站一个；获取了长达15年的通量数据集以及1年的灌溉试验数据，完善了华北地区的生态水文观测。基于典型农田长系列观测数据，并结合采用农田水文模型，分析了华北典型农田蒸散发年际变化在不同时间尺度上的主控因子；揭示了水分利用效率的年际变化特征及控制因子。基于机器学习算法和华北平原通量观测网，生产了高质量的蒸散发数据集，并揭示了华北平原农田蒸散发的时空变化特征，识别了气候变化和人类活动对蒸散发变化的贡献程度。基于卫星遥感数据、常规气象数据，采用监督分类方法提取了华北平原冬小麦-夏玉米种植面积的动态变化；采用因果分析方法揭示了华北平原农田过去30年气候变化（包括极端气候事件）的长期变化特征及其对冬小麦-夏玉米生长的影响机理。本项目生产了华北平原1982-2015年（8km）和2001-2015（1km）两套蒸散发数据产品；发表了学术论文8篇，其中SCI论文7篇；培养了（含联合培养）博士和硕士生共4名。