田间尺度高时间分辨率根区土壤水分渗漏过程研究

The present methods to estimate soil water percolation in root zone lack enough representative scale and high time resolution, which seriously restricts our accurate simulations of and evaluation on water and nitrogen cycle processes in root zone. In recent years, the advances in techniques monitoring soil hydrological processes with high accuracy on multi-scales, and theories related to field evapotranspiration (ET) provide new approaches for the resolve of the problem. In this project, we plan to employ spatial TDR to improve the time and space resolution of the monitored soil moisture contents in root zone, use Electrical Resistivity Tomography (ERT) to increase the scale representative of the monitored root zone soil water contents, combine Eddy Correlation technology (EC) and ET models based on two-source assumption to monitor or simulate and partition ET to improve the estimation accuracy of crop transpiration and soil evaporation, develop a new method to estimate equivalent soil hydraulic properties at field scale with the improved technique monitoring root zone soil moisture at high accuracy and the approximate solution to infiltration problems, and then improve the scale representative and time resolution of the estimated soil water percolation in root zone by water balance approach or soil water movement model. Based on the researches above, the influences of water and nitrogen management measures on soil water percolation in root zone can be evaluate for a winter wheat and summer maize rotation system at field scale. This research is valuable for enhancing the accuracy of the estimated water and nitrogen leaching processes in field, improving the water and nitrogen management measures, and finally promoting the field water and nitrogen use efficiency.

目前的根区土壤水渗漏预测方法缺乏足够的尺度代表性或时间分辨率，制约了我们对根区土壤水氮循环过程的准确模拟和评估。近年来，土壤水文过程多尺度高精度观测技术，以及农田蒸散发理论的发展为这一问题的解决提供了新的途径。本项目拟利用Spatial TDR技术提高根区土壤水分监测的时空分辨率；利用电阻率成像技术(ERT)提高根区土壤水分监测的尺度代表性；利用涡动相关技术和双源蒸散模型分割蒸散，提高田间尺度作物蒸腾和土壤蒸发的预测精度；利用改进的根区土壤水分精准监测技术和入渗问题近似解发展田间尺度等效土壤水力特性参数的测定方法，从而改善水量平衡法和土壤水分运动模型预测和模拟根区土壤水渗漏过程的尺度代表性和时间分辨率。在此基础上，评估不同水氮管理模式对田间尺度上冬小麦-夏玉米轮作系统农田根区土壤水渗漏过程的影响。此项研究有助于改善农田水氮淋失过程的预测精度，优化农田水氮管理，提高农田水氮利用效率。

农业水循环过程及机制对于认识农田水分运动规律，提高水资源利用效率，可持续利用农业水资源，保持粮食安全和生态环境安全都具有重要意义。土壤水深层渗漏是农田水分和氮素损失的主要途径之一，但目前的根区土壤水渗漏预测方法缺乏足够的准确性、尺度代表性和时间分辨率，制约了我们对根区土壤水氮循环过程的准确模拟和评估。基于以上认识，本项目在前期研究的基础之上，依托封丘农田生态国家实验站水分试验平台，开展了相关的理论和试验工作，获得了以下几个方面的进展：（1）提出了利用ERT技术解析根区土壤水分时间稳定性空间分布结构，结合点尺度的连续TDR监测获取田间尺度代表性的高时间分辨率根区土壤水分信息的方法；（2）提出了利用Spatial-TDR连续高频自动连续观测田间土壤蒸发的方法，克服了传统人工微型蒸渗仪方法的缺点；（3）改进和完善了利用EC数据直接进行农田蒸散分割的方法，为田间尺度农田蒸散、作物蒸腾和土壤蒸发的高频连续观测提供了可能；（4）提出了利用作物水分的保守性关系实现农田蒸散由小尺度测量结果提升到任意空间尺度和田块的方法；（5）提出了利用Spatial-TDR实现田间原位入渗过程中累积入渗量和湿润锋推进过程的观测方法，解决了由田间入渗试验预测土壤水力特性参数方法田间应用的观测难题，为田间尺度水文过程模拟提供了新的参数获取的途径；（6）融合上述结果和方法，改进并构建了农田水循环过程模型，实现了具有田间尺度代表性的深层渗漏过程的高分辨率准确预测。通过以上问题的解决和新方法的提出，使土壤水文过程的监测自动化程度更高，极大地提升了深层渗漏测量的精度、代表性和时间分辨率，为根区土壤水氮循环过程的模拟和评估提供了有效的支撑。