黄土高原农田生态系统蒸散组分区分及其环境影响

Evapotranspiration (ET) consists of two components, soil water evaporation (E) and vegetation transpiration (T). It's crucial to partition quantificationally ET into E and T for accurately predicting the climatic response of agroecosystem water cycle. Loess Plateau is an important distribution area of "dry farming" in China, and sensitive response to climatic change. In this study, ET components (E and T) of spring wheat agroecosystem in Loess Plateau were investigated. Along the averaged annual precipitation gradient, three representative agroecosystems in Loess Plateau, Qingyang of Gansu province (semi-humid regions), Pingliang (transition zone between semi-humid and semi-arid regions), and Dingxi (semi-arid regions), will be selected for experimentation and observation. Stable isotope technique will be used to determine the ratio of ET components to ET; and eddy covariance technique will be used to determine the total ET, then partitioning ET into E and T. "Shuttleworth-Wallace model (two-source model )" will be used to extend the ET partition period into the entire growing season. Through compare between three representative agroecosystems, the annual, seasonal and spatial variability characteristics of the ET components in Loess Plateau agroecosystems will be investigated. Meanwhile, the environmental factors (biological and moisture factors) in the agroecosystem will be also observed. We are attempt to explore the mechanism of environmental factors, such as dew, on the ET components in Loess Plateau agroecosystems.

蒸散包括土壤蒸发和植物蒸腾两组分；定量区分生态系统蒸散组分是准确预测气候变化对农田生态系统水循环影响的客观需要。黄土高原是我国"旱地农业"重要分布区，是响应气候变化的敏感区域。本项目以黄土高原春小麦农田生态系统蒸散组分为主要研究对象；沿着年均降水量梯度，分别在黄土高原甘肃庆阳（半湿润区）、平凉（半湿润与半干旱区过渡地带）以及定西（半干旱区）选取三个典型春小麦农田生态系统展开研究。采用稳定同位素技术测定蒸散各组分占总蒸散量的比例；采用涡度相关技术观测农田生态系统的总蒸散量，将农田生态系统蒸散定量区分为土壤蒸发与植物蒸腾。采用"Shuttleworth-Wallace双源模型"将蒸散组分区分时段外推到整个生长季。对比分析黄土高原典型农田生态系统蒸散各组分的年季和空间变化特征。同时，进行了生物因子和水分因子等环境要素观测。尝试探讨降露水等环境要素对黄土高原农田生态系统蒸散组分的影响机理。

农田蒸散是植被和地面整体向大气输送的水汽总通量，包括土壤蒸发和植物蒸腾。确定土壤蒸发和植物蒸腾对于减少作物生长过程中的无效耗水、提高水分利用效率具有重要现实意义。. 研究结果表明，Shuttleworth-Wallace双源模型在黄土高原半干旱区农田生态系统具有较强的适用性。模型对蒸散日变化和季节变化都能很好地模拟。这说明Shuttleworth-Wallace模型在不同时间尺度上均能很好地模拟蒸散组分（地表蒸发和植物蒸腾）。与此同时，模型较好的模拟蒸散效果也说明所采用的参数估计方法能够较为准确地进行参数估算。本研究还表明，黄土高原半干旱地区生态系统蒸散分配，在叶面积指数较大的情形下主要用作植物蒸腾。而在干旱条件下，蒸散用于地表散发的水分分配也相对较少。. 蒸散主要集中在生长季，且日蒸散峰值3.3~4.7 mm day-1变化。年总蒸散不仅受年降水量影响，且与降水季节分布引起的土壤湿度变化密切相关。夏季降水对全年蒸散的贡献要大于秋季。对于半干旱区农田生态系统，蒸散生物物理控制将受到土壤水分状况的影响；干旱可能改变蒸散对环境因子的响应方式。在干旱区陆面水分平衡过程中，非降水性水分来源的贡献也不可忽视，其中降露水占农田系统水分来源2%。. 在黄土高原半干旱区农田生态系统，生长季期间的风速、空气相对湿度、土壤含水量和饱和水汽压差是春小麦作物系数的主要环境控制因子。据此建立了作物系数计算模型。基于建立的作物系数模型，结合Penman-Monteith参考蒸散方程，构建了由风速、空气相对湿度、土壤含水量和饱和水汽压差共同驱动的黄土高原半干旱区农田日尺度蒸散经验估算模型，模型模拟值与观测值具有较好的一致性（一致性指数d=0.88）。同时，通过参考春小麦作物系数值为标准值范围区间，建立了基于作物系数的日尺度干旱指标体系。根据该指标体系，结合已构建的作物系数模型，能较好地实现对春小麦日尺度干旱状况的动态描述。