黑河中游人工綠洲灌溉農(nóng)田SVAT系統(tǒng)水熱傳輸過程研究.pdf

1、論文以黑河中游人工綠洲灌溉農(nóng)田春小麥試驗(yàn)田為研究對(duì)象，依托國(guó)家生態(tài)網(wǎng)絡(luò)臨澤內(nèi)陸河流域綜合研究站，基于2003～2005年野外自動(dòng)環(huán)境觀測(cè)系統(tǒng)和大量的田間實(shí)驗(yàn)，開展黑河中游人工綠洲灌溉農(nóng)田SVAT系統(tǒng)水熱傳輸過程研究，包括灌溉農(nóng)田作物蒸騰與土壤蒸發(fā)過程、作物種植條件下土壤水分運(yùn)移動(dòng)態(tài)過程、土壤—植被—大氣系統(tǒng)水熱傳輸過程耦合等研究，試圖為黑河中游人工綠洲灌溉農(nóng)田水循環(huán)與農(nóng)業(yè)節(jié)水實(shí)踐等重要科學(xué)與關(guān)鍵問題提供基礎(chǔ)性依據(jù)，初步結(jié)論如下：

2、　　 1.基于Penman-Monteith方程，對(duì)稀疏植被條件下Shuttleworth-Wallace雙源蒸散模型進(jìn)行合理參數(shù)化，并將該模型用于區(qū)分2003年黑河中游人工綠洲春小麥農(nóng)田作物蒸騰與土壤蒸發(fā)通量對(duì)田間蒸散通量貢獻(xiàn)率研究，結(jié)果表明：
　　 ①春小麥生長(zhǎng)季，土—植系統(tǒng)熱量平衡主要由凈輻射、潛熱、感熱和地?zé)嵬康确至繕?gòu)成，其中潛熱通量占72.8％、感熱通量占23.3％，土壤熱通量占3.9％，說明人工綠洲灌溉春小麥農(nóng)田

3、的地表熱量平衡中，主要以蒸散耗熱為主；
　　 ②春小麥生長(zhǎng)季，作物蒸騰與土壤蒸發(fā)分別為240.9mm和120.5mm；作物生長(zhǎng)季不同時(shí)期作物蒸騰與土壤蒸發(fā)對(duì)田間蒸散通量的貢獻(xiàn)率取決于凈輻射、葉面積指數(shù)、土壤含水量的變化；
　　 ③凈輻射、葉面積指數(shù)、土壤含水量控制了農(nóng)田水汽通量和能量傳輸在土壤和作物冠層之間的分配比例；冠層-大氣與土壤—大氣兩個(gè)界面的能量和水汽傳輸過程存在顯著的交互影響。
　　 2.基于土壤水動(dòng)力

4、學(xué)原理的Richards方程，根據(jù)灌溉農(nóng)田土壤水分運(yùn)移存在的多種邊界條件，構(gòu)建作物種植條件下的土壤水分運(yùn)移模型，并應(yīng)用該模型對(duì)2004年黑河中游人工綠洲灌溉農(nóng)田的土壤水分運(yùn)移規(guī)律、作物根系吸水規(guī)律、田間水量平衡、優(yōu)化灌溉模式等進(jìn)行了計(jì)算，得出：
　　 ①作物種植條件下的土壤水分變化過程主要受農(nóng)田灌水的影響，其次是降雨量，每次灌水都能引起土壤水分觀測(cè)剖面的劇烈變化，且各層反映相當(dāng)靈敏；土壤水分動(dòng)態(tài)變化過程對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率、土表排水

5、系數(shù)、凈輻射、風(fēng)速、水汽壓、作物葉面指數(shù)等變化極為敏感；
　　 ②一次灌水后，在高導(dǎo)水率和高蒸發(fā)力條件下，土壤水分迅速向下和向上運(yùn)移，底層滲漏通量增加，隨著土表水分迅速變干，土壤蒸發(fā)阻力增大，灌水后很長(zhǎng)一段時(shí)間土壤蒸發(fā)通量始終保持一低水平；作物生長(zhǎng)發(fā)育過程、大氣狀況、土壤水分儲(chǔ)存量等對(duì)土壤水分向下向上運(yùn)移速率產(chǎn)生中還要影響；
　　 ③作物根系吸水速率剖面分布受控于作物的生長(zhǎng)發(fā)育、根系層土壤含水量剖面分布變化、大氣條件等，

6、且對(duì)土壤水分運(yùn)移過程產(chǎn)生重要影響；
　　 ④春小麥整個(gè)生育期，降水為量?jī)H為20.5mm，灌水量840mm，而農(nóng)田蒸散發(fā)量為505.2mm，通過底層下滲補(bǔ)給地下水的量為364.9mm。田間灌溉水量主要消耗于田間蒸散發(fā)和深層滲漏補(bǔ)給地下水，降水對(duì)地下水的補(bǔ)給很??；
　　 ⑤人工綠洲灌溉農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同灌溉處理?xiàng)l的田間土壤水分運(yùn)移規(guī)律的模擬結(jié)果表明，減少每次灌溉定額和增加灌溉次數(shù)能夠提高田間水分利用效率，例如，當(dāng)每次灌溉定額減

7、少40％，灌溉次數(shù)增加37.5％時(shí)，田間蒸散水分利用效率為71％，較目前的59％提高了12％左右；每次灌溉定額為63mm，春小麥生長(zhǎng)季總灌溉水量為693mm，較目前的840mm減少了13％左右；僅有25％左右被深層滲漏所消耗，較目前的43％減少了18％左右；
　　 3.基于SVAT系統(tǒng)水熱傳輸過程SiSPAT模型，利用2005年春小麥生長(zhǎng)季田間綜合環(huán)境觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)資料，對(duì)人工綠洲灌溉農(nóng)田SVAT系統(tǒng)水熱傳輸過程進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯

8、示：
　　 ①SiSPAT模型較高地捕捉到人工綠洲灌溉農(nóng)田土壤含水量和土壤溫度動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，模型模擬結(jié)果評(píng)價(jià)總體上較好，說明該模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬作物種植條件下SVAT系統(tǒng)水熱傳輸耦合過程；
　　 ②模擬期間，潛熱、感熱和地表以下傳導(dǎo)熱分別占凈輻射的62.5％、28.7％和8.8％；白天感熱通量提前于潛熱通量達(dá)到最大值，且下午感熱通量所占比例略有增加；夜間仍具有一定數(shù)量的潛熱向上輸送，尤其是一次灌溉或降雨事件后，則更為

9、明顯；
　　 ③模擬期間，降水決大部分被土壤蒸發(fā)和作物蒸騰所消耗，分別占降水量的70.7％和26.9％，其余部分被冠層蒸發(fā)和深層滲漏所消耗；灌水分別被作物蒸騰、深層滲漏和土壤蒸發(fā)所消耗，分別占灌水總量的57.4％、28.7％、13.9％；
　　 ④人工綠洲灌溉農(nóng)田SVAT系統(tǒng)不同界面以及單層水熱傳輸各分量之間存在消長(zhǎng)過程，土壤層—作物冠層—大氣層之間的相互作用及其對(duì)水熱傳輸?shù)慕换ビ绊懨黠@，且受田間灌水、降雨過程、作物生長(zhǎng)

10、發(fā)育過程、大氣狀況等要素的顯著影響；
　　 4.為使模型具有切實(shí)可行的數(shù)值求解方案，本文描述SVAT系統(tǒng)水熱傳輸物理過程的數(shù)學(xué)描述都是在一定的假設(shè)前提下或?qū)ξ锢磉^程進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理的條件下建立的，如：視植物群體為在動(dòng)量源或匯處的一張“大葉”；植物生理參數(shù)僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算；將土壤水熱等物理參數(shù)在水平方向上視為均一化；根系吸水函數(shù)中沒有考慮鹽分、鹽分對(duì)根系吸水的影響；
　　 5.充分考慮SVAT系統(tǒng)水熱傳輸過程中的生物和物理控制