土壤—植被—大气系统水、热传输机理及区域蒸散模型
文献类型：学位论文
| 作者 | 张永强 |
| 答辩日期 | 2004-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 刘昌明 ; 于强 |
| 关键词 | 土壤—植被—大气连续体(SPAC) 水、热与C02通量 蒸散(ET) 光合作用 冠层导度 土壤水量平衡(SWB) 地表温度—植被覆盖度系数(TCVI) “现状”三角法 华北平原（NCP) |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 土壤—植被—大气连续体（SPAC)水、热传输是陆面过程与水分循环的关键环节之一，对于解析土壤水分运动、植物水分传递、植被与大气相互作用、农田边界层水、热交换以及大气边界层内不同下垫面的湍流输送规律都有重要意义。 本文立足于站点精细的原创性试验，在华北平原农田SPAC进行了连续5年 的试验观测，在此基础上在三个不同时、空尺度上建立了SPAC水、热传输的机理模型，包括植被光合—冠层导度—蒸散的耦合模型（CPCEM)、一维三层的土壤水量平衡(SWB)模型和区域水、热通量和日蒸散模型。野外试验在中科学院栾城农业生态试验站和禹城综合试验站进行，与建立的模型对应设计了三个不同时、空尺度的地表试验，即SPAC水、热与CO2通量试验、不同灌溉条件下的SWB试验和区域蒸散遥感地表试验。釆用波文比能量平衡系统与涡度相关系统在1999-2003分别测定了SPAC水、热与CO2通量及其环境因子的长期动态变化；采用中子仪在1998-2003测定了不同的灌溉条件下SWB水分试验池土壤水分的长期动态变化过程；在2001年度LANDSAT-TM/ETM+过境时同步测定了地表温度、地表反照率以及植被指数等。 本文建立三个模型的子模块具有一定的特点和创新点。CPCEM是瞬时的 SPAC模型，其特点和创新点表现为：（1)采用一个双层蒸散子模型将植被蒸腾和土壤蒸发分离计算；（2)通过叶片氮含量确定冠层顶部的叶片最大光合速率；(3)采用多层辐射传输子模型确定植被遮光叶和受光叶的辐射传输；(4)釆用冠层积分法对叶片光合速率进行尺度扩展，确定冠层光合速率；(5)通过冠层光合—冠层导度的耦合模式确定冠层导度。SWB模型是步长为日的长期动态模型，本模型的特点和创性点表现为：(1)将土壤层分为3层，从表层向下依次为表层的土壤蒸发控制层，中层的作物根系生长控制层和下层的土壤水分入渗控制层，中、下层随植被根系生长动态变化；（2)采用双作物系数法将植被蒸散过程分解 为土壤蒸发和植被蒸腾两部分；（3)采用“翻斗”计算模式确定水分在土壤中的运行；（4)在严重水分亏缺条件水量平衡中考虑了毛管上升水的作用；(5)改进了 FAO计算地表太阳辐射公式中的参数。区域水、热通量和日蒸散模型具有以下特点和创新点：（1)采用改进的“现状”三角法和“通用”三角法分别计算地表温度—植被覆盖度系数（TVCI); (2),地表的潜热通量(λE)通过潜在潜热通量(λEP)和TVCI估算；（3)提出了推求地表日蒸散量的改进型正弦曲线计算方法。 本文对SPAC水、热与C02通量的动态变化和环境因子的联系进行了较深入 的分析，采用建立的三个模型在不同时空尺度揭示了SPAC水、热传输机理，模拟了水、热传输的动态变化和区域分异等。取得的主要进展和创新性成果概述如下。 1.对不同方法同步测定植被冠层水、热通量的比较显示，涡度相关技术测 定冠层水、热通量比较稳定,但测量结果存在明显的能量不闭合，即潜热通(λE) 测定结果偏低；波文比能量平衡法虽然易受平流的影响，但在有足够来流路径条件下测量的精度比较高，与大型蒸渗仪实测结果比有较高的一致性。 2.通过对华北平原典型农田SPAC水、热与C02通量的长期观测，确定了辐射平衡和热量平衡各分量比例，发现农田SPAC潜热传输是能量平衡的主要分量，也是该区水分散失的主要途径，1999-2000连续四个作物生育期λE与可供能量比值（EF)都超过了83%。植被层附近C02浓度呈正弦曲线波动韵律，浓度差梯度昼夜逆转，是导致瞬时水分利用率变化的主要因素。 3.蒸发比值（EF)季节变化与植被叶面积指数（LAI)变化比较一致，表明LAI是影响SPAC界面水、热和C02通量季节变化的重要因素。土壤水分通过气孔开闭调节水分散失和潜热传输，影响地表可供能量在λE和感热通量（H) 中的分配，进而影响EF值。通过土壤含水量对气孔导度影响的理论分析和实验验证表明，在土壤水分胁迫阈值以下随土壤含水量减小气孔导度逐渐减小，直至关闭；通过EF随可供能量（Rn-G)变化的理论分析可见，处于土壤水分胁迫条件下EF值明显降低，并在大田灌溉条件下得到了验证。表明如果灌溉用水没有定额，大水漫灌，会造成很高的EF值；在一定程度上减少灌水量，使作物接受一定程度的水分胁迫势必降低EF；实践证实适当的水分胁迫对作物的生长是有利的。 4.太阳辐射强度与持续时间对蒸散和光合作用的影响最为明显。在大田环 境条件下，釆用直角双曲线模型成功拟合了冠层光合速率的光响应过程，发现冠层和叶片水平的初始量子效率大小是一致的。通过太阳辐射对植被冠层瞬时水分利用效率（WUE)的影响实验发现，在强光条件下植被冠层WUE不是最高，而是略有下降；光饱和现象仍是群体光合生产力的制约因素。 5.CPCEM模拟华北平原冬小麦冠层的水、热与C02通量与涡度相关系统的实测结果进行了比较，显示模型模拟的C02通量与实测结果变化非常一致， 二者的根均方差（RMSE)仅为2.94µmol m-2 s-1 CPCEM模拟的λE与实测结果变化趋势比较一致，但模拟结果比实测结果偏高。釆用Shutteworth-Wallace双层蒸散模型计算的植被蒸腾（λEc)和土壤蒸发（λES)与实测的土壤蒸发和冠层总蒸散（λE)比较，两者变化非常一致。采用Leuning的光合—导度模型计算的冠层导度与Penman-Monteith方法计算的冠层导度比较，亦具有比较高的一致性， RMSE仅为2.66mm/s。CPCEM模拟的冠层日WUE值比实测结果偏高。敏感性分析显示，冠层光合速率对参数变化更为敏感，而λE对参数变化敏感性比较小。模型参数的敏感性分析显示，冠层光合速率对叶片氮含量系数（Knfs)最为敏感， 因为Knfs直接制约了冠层从上到下不同层位的最大光合速率（Amax)。光合曲线 的凸度系数和叶倾角的变化对冠层光合速率也有一定的影响；虽然植被蒸散对各 参数变化并不敏感，但土壤蒸发对净辐射衰减系数（EXTm)和风速衰减系数（a´) 比较敏感，EXTm影响土壤表层截获的净辐射，a´对土壤表层与冠层源汇处的空气动力学阻力影响比较明显。 6.SWB动态模型模拟土壤表层蒸发层、中层植被蒸腾控制层、下层土壤水 分渗漏层的土壤水分动态、地表的蒸散过程、土壤水分的深层渗漏和毛管水上升等。通过大型蒸渗仪实测的日蒸散与模型模拟日蒸散的结果比较，显示SWB动态模型成功地模拟了作物日蒸散的季节变化过程，本模型比较好地模拟了三层土壤含水》的长期变化过程，其中中层土壤含水量模拟最为准确，上层土壤含水量趋势模拟准确，但在越冬期模拟不太准确，下层土壤模拟趋势尚可，但数值上与实测值有一定的差别，在水分胁迫条件下差别比较明显，在正常灌溉条件下，模拟的精度最高。用三层SWB模型模拟了 1998-2003共5个冬小麦+夏玉米年度的土壤水量平衡过程，得到如下几点结论：（1)在该区灌溉农田的土壤水量平衡过程中，水分通过降水或灌溉输入土壤表层后，主要用于作物蒸散耗水；（2)在正常灌溉条件下，可产生明显的土壤水分深层入渗；（3)当存在比较明显的土壤水分胁迫时，土壤水分入渗和毛管上升水并存，土壤毛管上升水十分明显。 7.区域水、热通量和日蒸散模型在华北平原典型农区应用和验证显示，基于“现状”三角法计算的λE与地表波文比—能量平衡法测定的λE比较一致, “通用”三角法计算的λE结果偏低；基于“现状”三角法估算的地表日蒸散量 (ETd)与地表大型蒸渗仪实测的ETd比较一致，“通用”三角法估算的日蒸散结果偏低。因此认为，“通用”三角法虽然具有一定的气候适应性，但通过本研究发现该法计算的λE和ETd结果低于实测结果，不适用于本研究区域。采用本文改进的正弦曲线计算的日蒸散量与原正弦曲线计算结果比，精度明显提高。模型参数和变量的敏感性分析显示，最小气孔阻力（rsp)的变化对λE有一定的影响, 本文选择rsp为50s/m是基于试验基础给定的。植被高度、湿球温度、饱和水汽压差、太阳总辐射和风速等5个变量的变化对λE都有一定的影响。 本文建立的几个模型不仅在理论上具有一定的创新，而且在实践上具有一定的应用价值。CPCEM深化了 SPAC理论的生理过程与物理过程耦合机理的认识。SWB模型在实践上可以正确评价农田水分状况，科学地确定农田灌溉定额和植被的生态需水规律，并揭示土壤水分的深层渗漏规律。采用改进型的“现状”三角法可在区域尺度上较精确地估算地表湿度的区域分异特征，监测区域植被的干旱缺水特征，为节水农业研究提供理论依据。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2010-12-16 |
| 页码 | 179 |
| 源URL | [http://192.168.22.105/handle/311030/1028]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张永强. 土壤—植被—大气系统水、热传输机理及区域蒸散模型[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院研究生院. 2004. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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