宏观根系吸水补偿模型研究进展

根系吸水模型是研究植被耗水规律的关键要素,尤其在干旱-半干旱地区,土壤经常出现水分胁迫状态,使得根系吸水过程更为复杂。为准确描述根系的吸水过程,吸水补偿模型在1989年被概念化并成为一个重要的研究方向,国外进行了大量的研究探索,而国内在该领域鲜有研究。虽然根系吸水补偿模型已取得一定的进展,但其模型本身仍然存在一定的物理缺陷,因此,总结并综合分析根系吸水补偿模型发展历程,指出补偿吸水模型忽视了水分胁迫抑制根系吸水的物理机制,以及植物胁迫指数判定是否进行吸水补偿有一定局限性。在此基础上,提出根系吸水补偿模型应考虑潜在蒸腾量和土壤可利用水量供需关系、植物根系生长环境,补偿模型应耦合植物胁迫函数、土壤水分分布及地下水动态特征。     

由土壤水势估算二维根系吸水的研究

本文运用土壤水势能理论研究果树根系吸水,提出了计算二维根系吸水速率的数学模型,着重分析了土壤水势,根系密度和大气蒸发力等因素对根系吸水的影响。     

葡萄根系分区交替滴灌的土壤水分动态模拟

在根系分区交替滴灌土壤水分动态和根系分布试验观测的基础上,提出了葡萄二维根系吸水模型,并确定了与土壤表层含水率有关的棵间土壤蒸发方程,然后在土壤水分运动基本方程的基础上结合交替滴灌的入渗特性,建立了根系分区交替滴灌的土壤水分动态模型(APRI-Model),模型考虑了该种灌水方式下棵间土壤蒸发和根系吸水的变化特征。通过与田间实测值进行比较,结果表明,模型的均方差在0.01~0.022cm3/cm3范围内,模拟值与实测值的平均相对误差在10%左右,因此,认为模型能很好的模拟干旱区蒸发力较大和作物根系分布不均匀条件下的土壤水分动态。     

冬小麦土壤棵间蒸发和植物蒸腾求解方法

土壤棵间蒸发和植物蒸腾量是农田土壤中水流运动和溶质运移与转化模拟计算的两个非常重要的变量,由于条件所限,其值在有作物覆盖的地表很难测得,通常只能用蒸发器量测当地的水面蒸发.本文根据青浦农田试验站1997～1998年度小麦生长期间的日降雨量、排水出流量、水面蒸发量和土壤含水率等资料,在土壤水分平衡基础上利用经验公式对土壤棵间蒸发量和小麦蒸腾量进行计算,最后用土壤水流运动SWMS-2D模型[1]进行验证.     

SPAC系统中的水热CO2通量与光合作用的综合模型(Ⅰ)模型建立

本文建立了模拟农田SPAC(Soil-Plant-Atmosphere Continuum)系统中土壤水分动态，蒸发蒸腾、CO2通量和光合作用的模型。模型包括土壤水流子模型，根系吸水子模型，蒸发蒸腾子模型，冠层阻力-光合作用-CO2通量子模型几个组成部分。土壤水流子模型采用土壤水流的连续方程来描述；根系吸水子模型采用了根据Feddes模型改进得到的模型；蒸发蒸腾子模型采用Shuttleworth-Wallace公式；采用叶片水平的气孔阻力-光合作用模型，并将其扩展到冠层尺度来确定冠层阻力、光合作用速度以及叶片气孔下腔的CO2浓度，并进而确定冠层的CO2通量。本模型的特点是尽可能采用简便的处理方法来描述SPAC系统中的水、热、CO2传输过程与光合作用过程，同时各个子模型又具有较强的机理性。     

利用精确的田间实验资料对几个常用根系吸水模型的评价与改进

本文利用大型蒸渗仪测得的作物腾发量、中子水分仪观测的土壤水分和准确测定的根系密度分布资料，对常用的几个宏观的权重因子类的根系吸水模型-Molz-Remson(1970)模型，Feddes(1978)模型，Selim-Iskan-dar(1978)模型以及作者对上述模型进行修正所得的几个根系吸水模型进行了验证和评价；利用修正的Feddes模型的计算结果对根系从不同土层吸水的分布进行了分析。结果表明，Molz-Remson(1970)模型、Feddes模型以及Selim-Iskandar模型模拟根系吸水所得的土壤水分剖面与实测值之间存在比较严重的偏差；利用Feddes模型中的土壤水势影响函数(Feddes reduction function)对Molz-Remson模型和Selim-Iskandar模型进行修正后结果没有得到改善；利用根系密度函数对Feddes模型进行修正后，计算结果与实测值吻合很好，总体偏差由修正前的24.7%降低为5.7%.     

根系吸水模型建立方法研究进展

目前根系吸水速率无法实际测定，为了获取根系吸水模型中的参数，验证分析根系吸水与各影响因子之间的关系，或探索植物利用土壤水分的一般规律，常常需要确定根系吸水速率的时空分布。主要归纳了建立根系吸水速率的不同方法，为建立根系吸水模型提供实际参考价值。     

SPAC系统中的水热CO_2通量与光合作用的综合模型(Ⅰ)模型建立

本文建立了模拟农田SPAC (Soil Plant AtmosphereContinuum)系统中土壤水分动态 ,蒸发蒸腾、CO2 通量和光合作用的模型 .模型包括土壤水流子模型 ,根系吸水子模型 ,蒸发蒸腾子模型 ,冠层阻力 -光合作用 -CO2 通量子模型几个组成部分 .土壤水流子模型采用土壤水流的连续方程来描述 ;根系吸水子模型采用了根据Feddes模型改进得到的模型 ;蒸发蒸腾子模型采用Shuttleworth Wallace公式 ;采用叶片水平的气孔阻力 光合作用模型 ,并将其扩展到冠层尺度来确定冠层阻力、光合作用速度以及叶片气孔下腔的CO2 浓度 ,并进而确定冠层的CO2 通量 .本模型的特点是尽可能采用简便的处理方法来描述SPAC系统中的水、热、CO2 传输过程与光合作用过程 ,同时各个子模型又具有较强的机理性 .     

基于作物水分关系改进土壤水分胁迫修正系数的反求方法

土壤水分胁迫修正系数是宏观根系吸水模型的重要组成部分,其所含拟合参数通常基于反求方法予以评估,但传统反求方法未考虑不同胁迫条件下作物生长差异对潜在蒸腾速率的影响,也难以顾及前期水分胁迫对根系吸水或蒸腾带来的滞后影响(常导致复水后作物蒸腾与根区土壤水分变化趋势不同步),从而对参数评估带来较大偏差。鉴于此,本文提出两点相应的改进措施:(1)利用有效叶面积指数对遭受水分胁迫作物的潜在蒸腾速率进行校正;(2)在了解复水后蒸腾变化过程的基础上,仅利用蒸腾与根区水分变化动态基本同步阶段的相关实测数据来优化参数,以尽可能规避或减小滞后影响(即蒸腾与土壤水分变化的不同步过程)。基于不同灌溉处理冬小麦室内土柱栽培试验对改进方法的可靠性进行了评估,结果表明:与传统方法相比,基于改进方法优化参数所建立的根系吸水模型显著改善了冬小麦实际蒸腾速率和相对蒸腾速率的估算精度,使估算值与实测值间的均方根差(RMSE)分别保持在0.07 cm/d、0.04 cm/d以内,而决定系数(R~2)则均在0.96以上;模拟的土壤含水量分布也与实测值吻合良好(RMSE≤0.012 cm~3/cm~3;R~2≥0.83)。因此,所提出的改进方法可有效用于优化土壤水分胁迫修正系数中的拟合参数,为建立合理的根系吸水模型从而准确估算或模拟作物蒸腾耗水动态和土壤水分迁移过程奠定一定基础。但基于优化参数所建立的根系吸水模型仍难以准确再现根系吸水在复水后的缓慢恢复过程,有关复水后根系吸水的水分胁迫滞后效应机制及其定量表征仍需进一步深入研究。     

一年野生草本植物根系力学性能动态变化特征

土壤-根系复合体力学性能与根系力学性能密切相关。通过野外小区随机取样,测定了一年野生草本植物—狗尾巴草和稗草的根系参数和力学性能。结果显示:研究期间,狗尾巴草根系直径和根系密度参数随生长历时先增大后减小,稗草根系直径和根重密度随生长历时持续减小,而其含根量则随之先增大后减小;狗尾巴草根系直径小于稗草,但其含根量、根重密度、根长密度以及草根抗拉力和抗拉强度均大于稗草;两种植物单根抗拉力和抗拉强度分别与根系直径呈极显著幂函数正相关和对数负相关(P≤0.001),除较粗根系(0.6 mm)外,单根抗拉力和抗拉强度均随生长历时先增大后减小。试验结果有助于进一步了解土壤-根系复合体力学性能的动态变化特性征,以为固土护坡野生草本植物的选择提供一定理论依据。     

遥感Penman-Monteith模型中土壤含水量与土壤蒸发的关系

土壤含水量是影响土壤蒸发的重要因素,分析土壤含水量变化对土壤蒸发的影响,对水资源管理有积极作用。遥感Penman-Monteith(P-M)模型是利用遥感手段进行蒸散发模拟的重要方法,且能分别对土壤蒸发和植被散发进行计算。利用遥感P-M模型对望都站的蒸散发进行模拟,并结合地表土壤含水量数据分析了土壤含水量变化对模型参数及土壤蒸发的影响。结果表明:(1)遥感P-M模型对望都站蒸散发取得较好效果,纳什效率系数(NSE)为0.559;(2)土壤含水量变化与遥感P-M模型的土壤蒸发系数间具有不确定性;(3)在本研究的模拟期内,与植被散发相比,土壤含水量变化与土壤蒸发间的一致性更强。     

秸杆条带状覆盖条件下土壤水分运动的实验研究及数值计算

本文在开展了一系列室内外试验研究基础上，建立了有效根量密度分布函数，得到了较为切合实际的二维根系吸水率模型.同时通过田间不同条件下水面蒸发试验资料分析，得到了条带状覆盖时棵间无麦秸覆盖地和棵间麦秸覆盖地水面蒸发量(各布设20cm蒸发皿所观测的值)与大气水面蒸发量(试验场气象站位置布设的20cm蒸发皿观测值)之间的关系式.通过农田作物生理指标观测，得到了作物叶面积指数与水面蒸发量之间的关系.从而更合理地处理了条带状覆盖下上边界条件.并以此为基础，建立相应的数学模型，进行了数值模拟，实测值与计算值吻合较好，表明所建立的数学模型是可靠的，数值分析是可行的。     

半干旱半荒漠地区沙柳周边土壤水分分布规律研究

土壤与植被是土壤-植物-大气连续体(SPAC)系统中两个相互依存和影响的重要因素.土壤水分是影响沙地植被稳定性的决定因素之一.通过对半干旱半荒漠地区主要植被沙柳根系发育区域内土壤水分的测定,分析了植被周围土壤含水量在水平、垂直方向的变化规律以及土壤含水量与日照、降雨、沙坡位置等因子的关系.结果表明:降雨引起沙地表层土壤含水量增加;65 cm深度土壤含水量偏小;根系的分布使得植株下方土壤含水量减少;土壤水分和植物根系存在相互作用的关系.     

基于CLDAS数据和机器算法模型的大清河流域地表土壤湿度降尺度研究

土壤水分是"四水"转换的纽带,农业生产的基础,传统的野外定点测量土壤水分的方法难以实现空间上的展布,现代微波遥感数据可以得到大尺度的土壤水分,但分辨率低。本文利用CLDAS数据,将机器算法应用到遥感影像指数运算中,开展土壤水分的降尺度研究。论文分别采用OLS算法、Bagging算法、BRT算法和随机森林算法模型建立MODIS光学遥感数据(LST、Albedo、NDVI、ET)与土壤水分的关系模型。研究结果表明:四种算法中随机森林算法的拟合效果更优(R~2=0.961 28,RMSE=0.006 99)。利用该算法算出降尺度后的土壤体积水分,可以得到大尺度且空间分辨率更高的土壤水分数据。大清河流域西北部土壤含水量高于东南部,土壤含水量差异可达0.2 mm~3/mm~3,在流域土壤含水量空间分布的季节变化显著,3月土壤水分低至0.16 mm~3/mm~3,9月土壤水分高达0.33 mm~3/mm~3。     

土壤水分对玉米蒸腾特性的影响

针对干旱半干旱地区的农业用水短缺问题,以节水灌溉及水资源的合理利用为目标,利用包裹式茎流计对甘肃省会宁县玉米的蒸腾进行连续观测,并同步监测玉米地不同埋深下的土壤水势、土壤含水率及周围气象因子,研究土壤水分对玉米蒸腾特性的影响。结果显示:(1)在不同天气条件下,玉米蒸腾速率的日变化情况大致相同,均呈"几"字型的变化曲线。(2)不同埋深下土壤水势及含水率的日变化幅度不大,均呈缓慢下降趋势。土壤水势及含水量在晴天的变化情况比阴雨天的对称性更好;7月至8月,气温升高,玉米蒸腾耗水增加,土壤水势及含水率逐渐下降,20 cm深处的土壤水势变化幅度最大;20～30 cm深处的土壤水势与蒸腾速率的相关性稍好于10～20 cm深处的土壤水势与蒸腾速率的关系,这主要跟玉米的根系分布有关;各埋深下土壤水势与玉米蒸腾累积量的相关性都呈极显著正相关;30 cm埋深处土壤水分对蒸腾作用的影响比5 cm深处土壤水分对蒸腾作用的影响大。(3)对比发现蒸腾速率与土壤水势的相关性比与土壤含水率的好。结果表明,土壤水分是影响玉米蒸腾耗水差异的重要原因。     

农田土壤水分二区模型的研究

本文考虑作物根系吸水的特性,把农田土壤水分变化层分为包含根系的根区和无根系的储水区,以土壤-植物-大气连续体物质能量运动原理和土壤水动力学理论为依据,构建了农田土壤水分二区模型。对该模型的简化,即可得到了两个现在常用的描述土壤水分变化的概念性模型,表明本文提出的土壤水分二区模型是一通用式。对其中考虑下界面水分通量的概念性模型与二区模型进行了比较,结果表明,二区模型拟合精度较高,其复相关系数达到0.91以上,由二区模型计算的蒸发蒸腾量和根区下界面水分通量与实测值有更好的一致性。