土壤－植被－大气连续体中蒸散过程的数值模拟

本文利用一维土壤－植被－大气耦合数值模式，研究了我国西北（３７．５°Ｎ，１０５°Ｅ）干旱半干旱地区夏季不同植被覆盖度近地面层的水分蒸散过程。模式较好地再现了蒸散过程三阶段的变化趋势特征。模式还揭示了蒸散过程中，下垫面热量平衡分量间的相互转换过程。并由实测资料对模拟结果进行了检验。

土壤-植物-大气连续体(SPAC)系统中植物根系吸水模型研究进展

土壤植物系统是土壤-植物-大气连续体(SPAC)中的一个重要子系统。植物根系吸水过程是SPAC系统中水分运移规律研究的重要内容。从影响根系吸收土壤水分的影响因素入手,现有根系吸水模型可分为经验模型、半经验半理论模型和理论模型3类。文章综述了自20世纪60年代初第一个单根吸水模型以来的植物根系吸水模型及其最新研究进展,指出未来研究的重点是注重根系吸水机理同时,修改和完善已有根系吸水模型,简化模型参数,使之更易应用于实际。

绿洲-荒漠交错带潜水-土壤-植被-大气连续体水热传输模型研究

该文以干旱区绿洲-荒漠交错带为研究对象,以质量守恒原理与能量平衡原理为基础,建立了潜水-土壤-植被-大气系统中水分与热量传输模式,并提出了求解潜水-土壤-植被-大气系统的数值模拟分解-协调新方法,用天山北麓三工河流域绿洲-荒漠交错带的实测资料验证了水热传输模型的可靠性.结果表明,植被冠层蒸腾量模拟值与实测值比较接近,其最大误差为11.3%,土壤含水率的模拟值与实测值的最大误差仅为5.9%,土壤温度模拟值与实测值的最大误差为8.3%,用该模型模拟绿洲-荒漠交错带潜水-土壤-植被-大气连续体水热动态传输过程、植被蒸腾量、地表蒸发量和植被的根系吸水率具有较高的精度.

土壤-植被-大气连续体中的尺度转换问题

土壤-植被-大气间的相互作用强度高度地依赖于时空尺度。其中,反馈机制贯穿于土壤-植被-大气相互作用的始终。在各个时空尺度中,多因子交互作用,尺度不同起主导作用的过程和控制因子可能有所不同,从而增加了土壤-植被-大气连续体尺度转换研究的难度。从空间和时间尺度上总结了近年来有关学者对尺度转换及反馈机制在模拟中如何应用的研究结果,并在该基础上指出了当前合理描述土壤-植被-大气连续体区域尺度系统行为需要关注的问题和挑战。

冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体水热运移的耦合研究Ⅰ:模型

本文开展了冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体(简称SPAC)水热运移的耦合研究,建立了可以同时动态模拟冬小麦生长过程与SPAC水热运移过程的动力学模型WheatSPAC模型。模型中,采用有限元差分格式进行土壤水热运移的数值模拟;采用双层模型进行冠层水热运移的模拟;采用改进的Feddes根系吸水模型及负指数分布形式的根系密度模型,实现土壤与冠层的耦合;通过生育阶段、干物质生产、干物质分配等过程的模拟,建立了冬小麦生长的机理性模型;通过对冬小麦叶面积指数、株高、根系分布的模拟,实现冬小麦生长与SPAC水热运移的耦合。

热带次生林林窗区域土壤-植物-大气连续体热力效应初步分析

利用西双版纳雾凉季和干热季热带次生林林窗的小气候观测资料,探讨了昼间林窗地表温、气温及下层植物叶温的时空分布和变化规律,分析了叶温与气温和地表温的相互关系。指出在林窗区域,由于受雾、太阳高度及林窗边缘树木的影响,各小气候要素最大值随时间、季节的不同,出现在林窗不同的方位,并且存在叶温高值区时空动态位移现象;另外,林窗区域土壤-植物-大气连续体界面间热量传递方向随时间、季节的不同而发生着改变,甚至在同一时段内,林窗不同区域会存在热量传递方向截然相反的现象,显示出林窗内可能存在热量循环的小环流。其结果对深入探讨林窗区域的热量传输、小气候的形成机制、生物多样性和更新等问题均具有重要意义。

浅埋条件下地下水-土壤-植物-大气连续体中水分运移研究综述

地下水-土壤-植物-大气连续体系统中水分运移研究对于水资源的有效利用及生态环境问题有着重要的科学研究意义。在地下水浅埋条件下,地下水、土壤水、植物水、大气水是一个连续的水分过程。通过归纳国内外在地下水浅埋条件下土壤水分运移、土壤盐分运移、以及水盐运移对植物生长发育等生物过程作用的机理等方面的研究成果,综述了近年来国内外在地下水浅埋深条件下GSPAC系统水运移在研究方法、试验和模型方面的进展、各种研究方法的原理、优缺点和今后的研究方向,分析指出定量地研究浅埋深地下水对SPAC系统水分过程、生物过程和能量过程等的作用和影响是一个复合过程,由单个过程研究向过程的综合分析发展难度较大,目前研究相对比较薄弱,是今后需要重点发展的一个方向,在此基础上阐述了GSPAC系统水运移的研究需要深入发展的几个方面。

冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体水热运移的耦合研究II:模型验证与应用

根据北京永乐店试验站的田间试验资料,得出冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体(简称SPAC)水热运移耦合的WheatSPAC模型计算需要的土壤参数与冬小麦遗传参数。将模型的计算值与实测值进行比较,表明模型能够较好地模拟叶面积指数、干物质重、土壤水分温度等。利用WheatSPAC模型对不同灌溉条件下的田间水热状况与作物产量进行分析,得到结论:对于北京地区的气候条件,返青后作物蒸腾消耗占净辐射的5 0 %以上;如果返青后墒情较好,在拔节期进行灌溉对冬小麦的最终产量最为有利;如果在拔节之后进行一次灌溉,则灌溉进行得越早对产量越有利;三水以后,随灌溉量的增加,产量的边际效益递减;返青后,降雨与灌溉的总量约2 4

土壤-作物-大气连续体水分循环与作物生产关系的模拟模式研究

从土壤－作物－大气连续体（ＳＰＡＣ）的水分循环出发，以冬小麦为例，通过对土壤水分动态和有关作物生长过程的模拟，建立作物水分消耗与干物质积累和产量形成关系的动力－统计模式．经３年试验资料的验证，总干重、籽粒产量和根层土壤水分含量的平均模拟误差分别为６．３９％，５．６０％和５．４５％．发育期、叶面积动态和干物质积累动态的模拟与实测情况吻合得也较好．

土壤-植物-大气连续体水流阻力分布规律的研究

本文依据田间实测资料,分析了土壤-植物-大气连续体水流阻力的相对重要性,结果表明在连续体中的水流阻力主要分布于从叶气孔腔到大气的扩散过程和根系的吸水过程。叶-气之间的水流阻力比土-根之间要大50倍。最后,讨论了控制连续体水流运动的气孔阻力的变化规律及其与环境因素之间的关系。

陕西渭北旱原土壤—植物—大气连续体中水分运转规律的研究──Ⅳ．生态和生理环境对蒸腾速率的影响

在整个生长季内，研塬了陕西渭北旱塬冬小麦蒸腾速率与生态和生理环境的关系。结果表明，蒸腾速率与气温和土壤水势呈指数函数相关，与大气水势、相对湿度和叶水势在大于某一值时呈指数函数相关，小于该值时呈直线正相关，该值分别为－１６０．７０ＭＰａ，３０．６５４％和－０．９９８ＭＰａ；与光量子通量密度和叶温在大于某一值时呈直线正相关，小于该值时呈直线负相关，该值分别为９９９．７７７ｐｍｏｌ·ｍ－２·ｓ－１和２５．６７℃；与气孔阻力呈幂函数相关。并给出了蒸腾速率与各因素间的现象模型。通过主要生态因子（气温、光量子通量密度、大气水势和相对湿度）对蒸腾速率的综合分析表明，在陕西渭北旱源，诸生态因子对冬小麦蒸腾速率的重要性依次为大气水势、相对湿度、光量子通量密度和气温。

陕西渭北旱源土壤—植物—大气连续体中水分运转规律的研究──Ⅱ．生态和生理环境对植物叶水势的影响

在整个生长季内，研究了陕西渭北旱塬冬小麦叶水势与生态因子及叶温的关系。结果表明，冬小麦叶水势与气温呈直线正相关，与光量子通量密度呈二次曲线相关，与大气水势和相对湿度呈Ｓ型曲线相关，与土壤水势和叶温呈指数函数相关，并给出了冬小麦叶水势与各因素之间的现象学模型。通过主要生态因子（气温、光量子通量密度、大气水势和相对湿度）对叶水势作用的综合分析表明，在陕西渭北旱塬，诸生态因子对冬小麦叶水势的重要性依次为气温、大气水势、相对湿度和光量子通量密度。

土壤─植物─大气连续体中能量变化和分布规律

该文用田间遮雨棚下模拟土柱的试验方法，研究了不同水分水平处理下土壤－植物－大气连续体中能量变化和分布规律。结果表明，植物叶片水势既随土壤水势的下降而按直线变化规律递减，也随大气水势而变化，但土壤水势对植物叶片水势的影响要比大气水势的影响大些；在玉米的整个生长过程中，植物叶片水势还表现出先下降阶段后上升阶段的动态变化特性。植物根木质部水势动态变化规律与叶水势的动态变化规律非常相同，植物根木质部水势均大于相对应的叶片水势，两者相差０．２５～０．６０ＭＰ＿ａ。在５个不同水分水平处理中，水分从土壤输送到植物根木质部，其能量降低分别为０．８１～１．４１ＭＰ＿ａ，０．９１～１．５６ＭＰ＿ａ，０．９４～１．６７ＭＰ＿ａ，０．９２～１．６８ＭＰ＿ａ，０．７７～１．８２ＭＰ＿ａ；从植物根木质部到叶部能量损失分别为０．２５～０．５０ＭＰ＿ａ，０．２８～０．５３Ｐ＿ａ，０．３０～０．５７ＭＰ＿ａ，０．３０～０．６０ＭＰ＿ａ，０．３３～０．６７ＭＰ＿ａ；水分从叶部汽化扩散到大气中其能量降低分别为５５．３６～１１１．３０ＭＰ＿ａ，５５．１４～１１１．１４ＭＰ＿ａ，５４．６１～１１１．０４ＭＰ＿ａ，５４．４６～１１０．９７ＭＰ＿ａ。则?

土壤——植物——大气连续体水分热力学函数及植物不同部位水势特征的研究

土壤—植物—大气连续体是水分循环的通道。从能量角度将这一开放系统作为一个物理的统一的动态连续系统进行研究,揭示水分运动和作物需水的本质,并有助于水资源的正确评价与合理利用以及探讨生态平衡中的水分运动有着重要意义。

黄金梨土壤-植物-大气连续体界面水分特征

开展土壤-植物-大气连续体(SPAC)中水分及水势特征分析,对于揭示植物水分状况对环境变化的响应机制具有重要意义。在喀斯特区黄金梨果实膨大期间对大气、植物、土壤进行水分和水势的连续定点监测与分析。结果表明:光合有效辐射、饱和水汽压差、空气温度与植物茎流、土壤水势表现出明显的一致性。0~15 cm土层的土壤水势对SPAC界面的响应更明显,植物茎流昼夜差异显著,植物水势表现早晚高中午低的“单峰型”变化,表现为明显的“午休”和“夜间补偿流”现象。植物水势与大气水势的关系无明确边界,但存在缓冲区,大气水势对植物水势的驱动存在阈值效应,阈值点为大气水势=-62 MPa;植物茎流与土壤水势呈分段线性关系。植物-土壤界面水势梯度和植物-大气界面水势梯度对土壤体积含水量的响应一致,植物-土壤界面水势梯度对土壤水势的响应较植物-大气界面水势梯度明确。研究发现,黄金梨植物水势最低值达-2.94 MPa,具有良好的耐旱性,当土壤水势<-0.23 MPa(土壤体积含水量=0.26)时,植物-土壤界面水势梯度趋于平稳,呈现出阈值效应。

陕西渭北旱源土壤—植物—大气连续作中水分运转规律的研究──Ⅲ．生态和生理环境对叶片气孔阻力的影响

在整个生长季内，研究了陕西渭北旱源冬小麦叶气孔阻力与生态和生理因子的关系。结果表明，气孔阻力与大气温度、相对湿度和大气水势及叶温均呈二次曲线相关；与土壤水势呈直线正相关；与叶水势呈指数函数相关；当光量子通量密度小于１５２３μｍｏｌ·ｍ－２·ｓ－１时．气孔阻力与之呈幂函数相关，当光量子通量密度大于１５２３μｍｏｌ·ｍ－２·ｓ－１时，气孔阻力与之呈指数函数相关，此时气孔正处于“午休”期间。试验给出了冬小麦叶气孔阻力与各因素之间的现象模型。通过主要生态因子（气温、光量子通量密度、大气水势和相对湿度）对气孔阻力作用的综合分析表明，在陕西渭北旱塬，诸生态因子对冬小麦叶气孔阻力的重要性依次为大气水势、相对湿度、光量子通量密度和气温。并对其它影响气孔阻力的因素进行了讨论。

基于稳定同位素的干旱半干旱区SPAC水分运移过程研究进展

土壤-植物-大气连续体(SPAC)是生态水文学的重点研究对象,其水分运移过程对于干旱半干旱区生态植被建设和水资源综合管理具有重要意义。氢氧稳定同位素较高的灵敏性和准确度有助于揭示这一过程。介绍了氢氧稳定同位素在土壤-大气界面、土壤-地下水界面、土壤-植物界面和植物-大气界面水分补给传输过程中的应用,包括土壤水分来源和蒸发;水分补给入渗机制和滞留时间;植物水分来源和水力再分配;蒸散发分割和叶片吸水的相关研究,同时明确了氢氧稳定同位素技术在应用过程中存在的一些不确定性以及未来亟需加强的方面,以期为利用稳定同位素技术对生态水文过程的研究提供参考依据。

土壤-植物-大气界面中水分迁移过程及模拟研究进展

介绍了水循环过程中界面水分迁移转化理论,及SPAC连续体的概念及其发展过程,阐明了一些国内外SPAC理论研究的主要成果;对国内外各种典型土壤-植物-大气界面模型的基本结构、适用范围、主要研究对象、优势以及局限性做了系统介绍和对比;在此基础上对土壤-植物-大气系统的相互作用过程以及系统模拟中存在的问题提出了展望。分析得出如何解决下垫面与土壤-植物-大气系统复杂的关系,以及尺度转化问题将是面临的主要挑战。认为借助于水分和能量交换过程中的模型参数优化,来实现界面中水分迁移过程的精确化和简化模拟是未来的重要研究方向。

SPAC中油松栓皮栎混交林水分特征与气体交换

20 0 1年 4— 10月 ,通过林内标准地观测的方式 ,对北京西山地区一块 3 1年生的油松栓皮栎混交林的水势 (用压力室测定 )日变化、净光合速率和蒸腾速率 (用Licor 640 0测定 )日变化过程进行测定 .结果表明 ,在土壤 植物 大气连续体 (SPAC)系统中 ,生长季内水势的波动幅度按从大到小的顺序是大气 >植物 >土壤 ,其中大气水势的绝对值要比植物和土壤水势高 1～ 3个数量级 .土壤、植物和大气水势的日变化规律类似 ,并表现出明显的季节差异 .在生长季不同标准日内 ,油松和栓皮栎的净光合速率和蒸腾变化规律差异较大 .通常 ,栓皮栎的净光合速率和蒸腾速率明显高于油松 ,但在水分胁迫时 ,二者的差异会减小 .在生长季中的绝大部分时段 。

亚热带季风区典型土壤-植物-大气连续体中水体平均滞留时间

平均滞留时间(MTT)在水循环过程中具有重要的指示意义,但目前对亚热带季风区典型土壤-植物-大气连续体(SPAC)中不同水体的MTT仍缺乏了解。本研究以长沙市郊区的樟树林为研究对象,基于稳定同位素技术并利用线性混合模型和正弦波拟合法计算2017年3月—2019年10月不同深度土壤水、枝条水和叶片水的MTT。结果表明:SPAC中不同水体稳定同位素呈现夏季贫化、冬季富集的季节变化模式;土壤水δ^(2)H随深度增加而偏负,枝条水δ^(2)H与土壤水接近,但叶片水δ^(2)H偏正且变化范围较大。线性混合模型显示,土壤水和植物水MTT的较低值出现在6—9月,较高值常出现在1月前后和4—5月;降水补给比例与MTT呈显著的负相关关系,大多数时段土壤水MTT随深度增加而增加,但优先流也可增加深层土壤水的补给比例,从而降低MTT;枝条水和叶片水的MTT平均值接近。正弦波拟合法显示,随土壤深度增加,土壤水新水比例(F_(yw))逐渐降低,而MTT逐渐增加;枝条水的F_(yw)和MTT分别低于和高于叶片水。线性混合模型与正弦波拟合法的土壤水MTT均自表层向深层增加,其中,前者的变化范围较小,后者的变化范围较大;线性混合模型中枝条水MTT比叶片水少2.4 d,而正弦波拟合法中枝条水MTT比叶片水多87.4 d。两种模型模拟结果的差异可能与“新水”的定义、结果不确定性和蒸发分馏效应等有关。本研究结果将有助于理解亚热带季风区SPAC水分运移与消耗过程,并可为农业生产和水资源管理提供理论依据。