农田变化环境下作物ET时空变异及尺度转换效应研究

正确估算作物水分消耗，按照水分实际消耗规律对其进行合理分配，使资源和环境能够实现可持续发展和利用，是一个具有重要意义和深远影响的研究课题。本研究从产生尺度效应的本质入手，分析农田变化环境（不同作物、不同生育阶段和不同气候条件）下，不同尺度间作物腾发量（ET）时空变异与转化的内在联系，探寻具有代表性和耦合关键作用的相关参数，从而建立具有普适性的转换模型。项目将结合不同试验观测手段，在田间试验和典型区水文气象数据搜集的基础上，对中尺度以下农田变化环境下作物耗水的时空变异性和转化规律进行研究；主要内容包括开展田间作物生育期蒸腾/蒸发组分剖析的田间试验、不同尺度下水分通量的监测、不同尺度间普适性转化与耦合参数的探索和田间验证，以及研究提出不同尺度ET之间的尺度转换经验关系等。以上研究结果将为更大尺度的水资源配置以及遥感数据反演ET提供定量参数，并为区域尺度和宏观水文水资源管理提供决策依据。

项目主要关注于中尺度以下的农田变化环境下作物耗水量的转换规律研究。经过近3年的研究，取得了以下几方面主要研究成果：.（1）作物生育期内棵间蒸发变化规律：作物棵间蒸发E的主要影响因素是土壤表层含水率和作物叶面积指数LAI；当冬小麦LAI为4.8时，E达到其最小值；夏玉米LAI达到4.0时，E降至最小值，之后又开始逐渐上升。冬小麦快速发育期、生育中期、生育后期阶段E/ETa的比例分别是37.6%、18.9%和29.5%，平均26.6%。夏玉米生育期在雨季供水充分，棵间蒸发较为强烈，整个生育期E/ETa平均为32.4%。.（2）不同供水条件下作物耗水规律及其对环境变化的响应：晴天时夏玉米茎流日变化呈单峰曲线，中午达到峰值，与太阳辐射、VPD、风速等变化趋势相似；夏玉米日茎直径微变化呈单谷曲线，与茎流日变化曲线呈反相关，植株蒸腾强烈，茎秆收缩。利用涡度相关技术观测了冬小麦抽穗期农田生态系统与大气之间的物质与能量变化过程，发现冬小麦净辐射和潜热通量与CO2通量都呈现出显著的相关关系；早上8:00到11:30时间段内的农田水分利用效率较高。对不同土壤水分条件下冬小麦旗叶光合特性和水分利用效率进行了研究，结果表明光响应曲线中，水分胁迫对光合速率的限制在高光强下才逐渐显现； CO2响应曲线中，充足供水下光合性能高，但呼吸消耗也偏大；轻度水分胁迫并未对小麦叶片水分利用机制产生太大影响。.（3）农田作物中尺度下ET时空变异与转换规律：冬小麦蒸腾蒸发的时间尺度效应表现在于以全天24h计算ETa的主要影响因子是日净辐射；而白日（7:00-18:00）影响ETa的主要因子是空气饱和水汽压差VPD。冬小麦ETa的空间尺度效应表现在于小面积的作物蒸腾发大小对作物的叶面积指数LAI变化敏感；而区域水分通量的大小，与下垫面植被高度的变化有关。充分供水条件下作物的ET尺度效应较为明显，LAI和VPD是实现ET尺度转换的关键参量。基于Tr和LAI数值可尺度上推ETa，利用ETa和VPD能尺度上推LE，回归方程和各个参量的回归系数具有很强的显著性。作物ET的时间尺度转换中，利用下午时段（14:00-15:00）ETa数据从小时到日尺度的ET时间扩展相对较为适宜，基于Kc的尺度扩展方法效果要好于基于EF和rs的效果；从典型日到生育期的ET时间尺度扩展，基于EF和rs的估算方法效果要优于基于Kc的效果。