退耕还林背景下黄土高原蒸散量时空演变特征及归因

受气候变化和人类活动影响,近几十年黄土高原地表环境和水碳通量发生显著变化,对区域水资源和生态系统格局产生深刻影响。基于植被界面过程(VIP)遥感蒸散发模型,对退耕还林(草)工程实施以来黄土高原蒸散量(ET)时空变化格局进行模拟研究,揭示了近20年黄土高原水碳通量时空演变特征及其原因。结果表明:(1)2000—2019年黄土高原ET总体呈显著上升趋势(P<0.05),倾向率为3.77 mm/a,其中黄河中游黄土丘陵沟壑区ET增长最为显著,而陕西关中平原东部、宁夏银川平原南部等农业区则呈显著下降趋势,倾向率为-5.68 mm/a;(2)气候变量和归一化植被指数(NDVI)对ET显著上升区的区域平均贡献分别为14.7%和78.6%(其中人类活动贡献为70.5%),而对ET显著下降区的区域平均贡献分别为-58.4%和-31.5%(其中人类活动贡献为-31.6%),表明人类活动和气候变化分别主导了ET显著上升区和ET显著下降区的蒸散变化;(3)在气候变化主导区域,气温和降水量分别为能量受限区和水分受限区ET增加的主导气象因子,而气溶胶浓度升高导致的日照时数和地表风速下降对作物碳同化和蒸腾具有显著的抑制作用,成为农业区ET下降的主导气象因子。

无定河流域水量平衡变化的模拟

利用黄土高原无定河流域1982～1991年的水文气象、土地利用、土壤质地、数字高程和NOAA-AVHRR遥感信息,建立基于土壤-植被-大气传输机理的分布式生态水文模型,模拟流域水量平衡的时空分布.研究结果发现,该流域的年平均植被指数(NDVI)的年际变化不明显,但NDVI最大值的年际变化显著.该流域年累计NDVI与降水年总量关系不明显,说明该流域植被的生长并不完全受控于降水总量.模拟的实际蒸散量用无定河及其岔巴沟子流域实测降水与实测径流的差值进行验证,误差小于5%.整个流域模拟时段的平均降水量为372±53 mm yr-1,实际蒸散量为334±33 mm yr-1,其中蒸腾为130±21 mm yr-1,有明显的年际波动.地表径流的年际变化相对较小.蒸散发的季节变化特征与降雨基本一致,即7、8、9月雨季高,其他月份低.降水量和实际蒸散量呈现显著的空间分异性,表现出由东南(高NDVI)向西北(低NDVI)递减的梯度差异.地表径流的空间分异亦沿东南-西北梯度变化,但高值分散在中部.以岔巴沟子流域1991年的地表覆被度为基准,发现在全流域都覆盖上某一种植被的情况下,蒸腾和土壤蒸发的变化非常明显,地表径流和实际总蒸散的变化并不显著.只有在全流域都变成荒漠情景下,实际总蒸散才显示出较明显变化(17%),表明在西北干旱半干旱区,土地利用/覆被变化对水量平衡的影响非常复杂.

冬小麦能量平衡及蒸散分配的季节变化分析

本文分析了华北平原冬小麦生态系统辐射收支、热量平衡以及蒸散在冠层蒸腾和土壤蒸发之间的分配特征。结果发现，在冬小麦生长过程中，系统截获的太阳短波辐射随小麦的生长而变，它占太阳总辐射的比例，初期为０．８左右，尔后随叶面积的增加而逐渐下降，在孕穗期最小，约为０．７５，之后，随叶片枯黄、麦穗的成长又上升，最后可达０．８６。净辐射占太阳总辐射的比例，可分成如下３个阶段：拔节期比值较低，约为０．４５；孕穗抽穗期约为０．５；灌浆期比值最大，约０．５７。随着叶面积指数（ＬＡＩ）的增加，土壤热通量与净辐射之比，由返青初期的０．１３迅速下降，直至较为稳定的０．０６。潜热通量消耗净辐射的大部分，且随ＬＡＩ的增加而增大。从返青到乳熟的５８天内（４月１日～５月２８日），麦田总蒸散量约为２５０ｍｍ，其中土壤蒸发量约为５０ｍｍ，冠层蒸腾约为２００ｍｍ，分别占总蒸散量的２０％和８０％。

气候变化对无定河流域生态水文过程的影响

建立分布式生态水文过程模式,模拟分析了黄土高原无定河流域近40a来及未来气候变化情景下水循环和植被生产力的演变特征。结果显示,无定河流域近40a来温度上升,而降水量没有明显的下降趋势,但年际波动幅度变小。与之相应,地表蒸散量也没有明显的变化趋势。然而,因大气CO2浓度的上升,植被净生产力明显增加,速率约为0.6gCm-2a-1,水分利用效率随之提高。该流域生态系统对HadCM3气候变化情景的响应显著,蒸散、地表径流和植被净第一性生产力(NPP)均增加,植被水分利用效率明显提高。

用土壤温度估算表层土壤导温率与热通量的研究

对比研究了6种用土壤温度计算表层土壤导温率的方法结果表明,振幅法、相位法、反正切法、对数法虽需较少观测值,计算简单,但结果却不太稳定;谐波法计算过程虽较复杂,但导温率的估算值较稳定,是最可靠的方法之一。利用计算的土壤导温率估算近地表土壤热通量,结果与由温度积分法决定的土壤热通量值非常一致。

华北平原1981～2001年作物蒸散量的时空分异特征

利用土壤—植被—大气传输机理模型(VIP模型),以GIS背景数据库(土地利用图、土壤质地图和数字高程图)为支撑,在NOAA-AVHRRNDVI数据和气象信息的驱动下,连续模拟了1981～2001年华北平原冬小麦和夏玉米生育期的蒸散过程。结果表明:模拟的作物蒸散量与Lysimeter观测值和其他学者的田间试验研究结果具有较好的一致性。华北平原冬小麦多年平均蒸散量空间上呈现南高北低的趋势,其中黄河以北地区和山东半岛的蒸散量在200～400mm之间,南部地区在400～466mm之间。对玉米而言,北部的海河低地平原以及津、冀、鲁的沿海地区多年平均蒸散量变化在230～380mm,其余大部分地区蒸散量在380～470mm。除本区最南端的极少部分地区外,华北平原大部分地区冬小麦生育期内的自然降水都小于蒸散量,水分亏缺量大于200mm,而夏玉米生育期内大部分地区的降水大于蒸散量。

基于过程模型的河北平原冬小麦产量和蒸散量模拟

本文结合作物参数的遥感信息反演和气象要素的空间尺度扩展方法 ,建立以GIS背景数据库为支撑的冬小麦生长模型 ,研究河北平原农田生态系统生物量和蒸散量的区域分布特征。结果显示 ,河北平原 1990年高产区主要集中在保定中南部、石家庄中部、邢台中部和邯郸东部的南北条带上 ,单产在 6 0 0 0～ 84 0 0kghm- 2 之间 ,廊坊东部、沧州大部分、衡水中部、邢台东部和西部太行山区等是低产区 ,单产低于 30 0 0kghm- 2 。总体而言 ,该地区实际产量与光温生产潜力对比仍有较大差距。在冬小麦生长期 ,蒸散量主要在 30 0～ 5 0 0mm之间 ,水分利用效率低于2 0kghm- 2 mm- 1,其中小于 8kghm- 2 mm- 1的概率分布占 4 2 %左右。农业水资源不足 ,水分利用效率低 ,是该地区冬小麦生产面临的严重问题。

基于Penman-Monteith公式的双源模型的改进

本文在Penman Monteith公式的基础上 ,推导出能解析计算冠层蒸腾和土壤蒸发的双源模型 ,使之能广泛用于农田蒸腾和蒸发的计算 .采用玉米田波文比—能量平衡 (BREB)观测资料对模型进行检验 ,模拟的蒸散量与BREB的结果相当一致 .模型主要参数对蒸散的敏感性分析表明 ,这些参数变化± 2 0 %时 ,蒸散的响应小于± 7% .

不同水分条件麦田能量与CO_2通量变化特征研究

试验观测不同水分处理冬小麦田能量平衡各分量、反射率和CO2 通量日变化及日际变化特征结果表明 ,小麦拔节期麦田地表反射率平均值约为 0 .18,不同水分处理农田潜热通量和显热通量均有明显差异 ,晴朗天气冬小麦冠层顶部CO2 通量日变化呈抛物线形 ,麦田主要表现为CO2 的汇。

黄淮海地区冬小麦生产力时空变化及其驱动机制分析

黄淮海地区是我国重要的粮食生产基地,分析该区域粮食产量的时空变化特征及其变化机制,对我国粮食安全的评估有重要的现实意义。论文以AVH RR NDVI数据和逐日气象要素驱动土壤-植被-大气系统物质传输和作物生长的耦合模型,模拟分析1981—2000年黄淮海地区冬小麦产量的时空分布及其驱动机制。分析发现,从1981—1997年生物产量基本呈增加趋势,之后有所下降。但由于作物经济系数不断增加,整个时段冬小麦经济产量增加趋势明显,单位面积产量提高了一倍。化肥施用量的增加和优良品种的推广是增产的主要原因,而气候波动导致区域年际产量变化幅度为8.5%。黄淮海地区冬小麦产量的空间分布及其演变呈现显著的地域特性,与当地灌溉条件、土壤条件密切相关。

麦田能量转化和水分传输特征

本文利用麦田微气象和土壤水分观测资料，分析了冬小麦田水分能量转化传输特征。结果表明，灌溉前比灌溉后波文比大；日际午间（１１∶００—１５∶００）波文比与空气动力学阻力相关系数达０．７２，比前者与净辐射、土壤含水量关系显著。灌溉前比灌溉后反射率大；日平均反射率在孕穗期最大，在０．２１—０．２２间，而后逐渐下降，乳熟期仅为０．１５—０．１６左右。从３月２０日—５月３０日，麦田总蒸散量为２９７ｍｍ。净辐射大部分用于蒸散潜热，日总蒸散量随季节的增加小于净辐射的增加。表面阻力呈早晚高，午间低的日变化型，灌溉前后相差２０ｓ／ｍ。

不同气候情景下华北平原蒸发与径流时空变化分析

基于中国气象局国家气候中心生成的IPCC第四次评估报告中23种气候模式的情景集成数据,采用Schreiber公式和Thornthwaite方法计算实际蒸发和径流,分析了2001—2060年SRES A1B、A2和B1这3种情景下,华北平原气温、降水、蒸发与径流的时空变化。结果表明:未来华北平原气温呈升高趋势,且冬半年升温幅度大于夏半年;降水亦呈增加趋势,而冬半年降水增加幅度小于夏半年;与此相应,华北平原蒸发和年径流呈增加趋势,增幅和空间差异随时间推移而增大,到2041—2060年蒸发将上升7.1%～9.4%,径流将增加8.7%～10.7%。

基于SVAT模型的冬小麦光合作用和蒸散过程研究

在已建立的土壤 植被 大气传输 (SVAT)模型中 ,冠层光合作用 /气孔导度耦合子模型可区分遮荫叶和受光叶光合作用强度的差异 ;作物生长子模型考虑了作物生长呼吸和维持呼吸 .模拟与实测结果对比发现 ,日总蒸散量实测和模拟的根均方差 (RMSD)为 0 .6 5mm ,平均绝对差 (MAPD)为 14 % ;对冠层上部净光合作用率日变化过程而言 ,实测和模拟结果具有较好的一致性 .利用模型模拟了冬小麦全生育期净光合作用率和蒸散的演变过程 .最后 ,分析了冬小麦蒸散和水分利用效率对不同最大叶面积指数、大气CO2浓度和叶片N含量的响应 .

华北平原玉米田能量平衡、水分利用效率和表面阻力分析

根据华北平原玉米田的观测结果 ,分析了地表 /大气能量转化传输特征 .结果表明 ,在作物生育期内 ,地表能量平衡过程受下垫面特征影响很大 .潜热通量是地表 /大气热量交换的主要分量 ;玉米生长的后期有热平流输入 ,日平均显热通量转为负值 .表面阻力在生育期早期和后期较大 ,而在中期较小 ,显示了表面阻力对地表覆盖变化和叶片衰老的响应 .

无定河区域1981-2001年植被生产力和水量平衡对气候变化的响应

基于土壤-植被-大气系统过程模型（VIP模型）和NOAA-AVHRR遥感信息，模拟了1981～2001年黄土高原无定河区域（36-40°N，108-111°E）植被总第一性生产力（GPP）和水量平衡的时空变化特征及其对气候变化的响应。结果表明：该研究区域1981-2001年间气候有明显变暖趋势，斜率为0．08℃·a^-1降水量下降，斜率为-3．2mm·a^-1. GPP年总量1998年前呈上升趋势，之后呈下降趋势，平均值为289g·m^-2·a^-1（C），最大值和最小值分别为377g·m^-2·a^-1。（C）（1994年）和143g·m^-2·a^-1。（C）（2001年）。年降水量、蒸散量和径流量随时间都呈下降趋势，且其空间分布有明显的由南向北梯度递减特征。

气候变化对华北农业水资源影响的研究进展

水资源是制约华北平原农业稳定和可持续发展的主要因素。气候变化对华北平原水资源和农业需水影响显著。1950年以来,华北平原气候总体趋向于暖干化,潜在蒸散呈下降趋势。近30年实际蒸散量呈现弱的上升趋势,与潜在蒸散有互补关系。未来气候变化情景下,区域水分盈余量下降,华北地区干旱化趋势加重。作物生育期耗水量和灌溉需水量增加,其中北部地区水量亏缺更为严重,南部地区水量盈余则减少。调整春季高耗水作物种植面积和空间布局,减少农业用水量,是适应气候变化的必要途径。

玉米群体辐射传输特征

实验观测分析了玉米群体总辐射的透过率、截获率、反射率和消光系数,结果表明玉米群体总辐射透过率、反射率和消光系数具有明显日变化特征;玉米雄穗开花前后其群体透过率和截获率有明显变化;日际反射率随玉米生育期而异,初期达0.23,之后逐渐下降至0.14左右;生育期平均反射率约为0.19;总辐射和净辐射的消光系数分别为0.51和0.41。提出了总体消光系数的概念,该系数在观测期较稳定,约为0.26,依此利用入射总辐射可算出作物群体冠层辐射截获量。

用GSVAT模型研究地表/大气界面传输

用麦田水分和能量平衡资料验证了包括地下水的土壤－植被－大气水热传输模型（ＧＳＶＡＴ），结果显示，模型能较好地模拟地表／大气水热传输特征，以及土壤水分的动态变化。通过敏感性分析，探讨叶／气界面，土壤／空气界面的节水调控效应，结果发现这两个界面对水汽传输的交互影响显著，若同时增加它们的水汽传输阻力，节水效果尤其明显。

冬小麦群体叶片气孔导度差异性分析

对冬小麦 (Triticum aestivum L.)两个品种 3个生育期测定和分析了群体叶片的气孔导度。结果表明 ,近轴面气孔导度比远轴面的大 ,二者之比呈近似正态分布 ,最大概率出现约为 1 .5,该比值在冠层垂直方向变化不显著 ,但随季节而变 ,抽穗期最大。叶片气孔导度从冠层顶部向下迅速递减 ,递减系数约为 0 .57,且各层日变化大致平行。冠层上部气孔活跃 ,导度日变化明显 ,下部日变化不大。同一叶片的气孔导度由近轴面的叶基 ,经由其叶中、叶尖 ,翻过尖点 ,再从远轴面的叶尖经叶中向叶基递减。对近轴面叶中、叶尖气孔导度与该面平均气孔导度相关系数较大 ,而对远轴面叶中、叶基气孔导度与该面气孔导度相关系数较大 ,据此建议测定近轴面气孔导度时 ,应以叶中、叶尖部位为最佳点 ,而测定远轴面气孔导度时 ,应以叶中。

区域蒸发研究综述

概述了区域蒸发近年来的研究进展,包括目前估计区域蒸发的4个方面,即①单点蒸发测定的精确化;②利用遥感信息提取参数;③CBL模型模拟地-气水汽交换通量;④植被-大气相互作用模型与区域大气模型结合,模拟区域水分和热量平衡。这些方法从影响区域蒸发的不同方面探讨估算方法,但由于区域尺度下垫面特征的空间变异性,蒸发过程的不确定性,区域蒸发过程仍有待深入认识。本文分析了这些方法的原理和优点,同时也指出了其中存在的问题和今后的研究方向。