基于植被蒸腾的根层土壤水分反演方法研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 廖前瑜 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 李召良 |
| 关键词 | 根层土壤水分 植被蒸腾 临界土壤水分 HYDRUS-1D水文模型 精度评估 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 根层土壤水分（Root-zone soil moisture，RZSM）是地球水分、能量和碳三大循环系统的关键参数。它通过控制植被发育生长的生理机制（蒸腾作用、水分吸收和气孔开闭等）而对周围环境温度与碳汇效率起到重要的调节作用。在气候变化和人类活动双核驱动的背景下，根层土壤水分的准确获取对农业、水文、生态、气候变化以及社会经济等意义重大。 依赖表层土壤水分观测信息的数据同化方法和物理方法存在诸多挑战，包括观测数据初始误差累积导致的准确性下降、误差来源复杂且难以精确量化，以及参数率定过程易受地表特性和植被覆盖等多种因素干扰。经验方法则存在普适性不足的主要问题。针对现有方法的局限，本研究提出了一种基于植被蒸腾的根层土壤水分反演新模型。该模型基于水量平衡假设植被根系吸水完全用于蒸腾，区分了表层和根层土壤水分对土壤蒸发和植被蒸腾的贡献，揭示了地表水分压力传导过程的内在机制。其次，研究充分考虑了植被对根层土壤水分的 “饱和”作用，通过引入临界土壤水分参数，有效解决了植被蒸腾和根层土壤水分复杂耦合关系难以定量的问题。最后，利用模拟和实测数据评估了新模型在广泛条件下的反演精度。本论文主要开展的工作如下： （1）提出了一种基于植被蒸腾的根层土壤水分反演模型。基于地表水分运移的主要过程，研究通过Feddes 根系吸水模型构建植被蒸腾比与根层压力水头之间的响应函数，利用van Genuchten 土壤特征曲线模型将土壤压力水头转换为体积含水量，最后通过两者模型联合推导出蒸腾比对根层体积含水量的响应函数。为了规避一些复杂且难以获取的土壤参数，研究还针对该响应函数进行了归一化和简化处理，提出了中位数误差小于2%的归一化根层土壤水分简化表达式。最后，本研究通过引入临界土壤水分参数确定植被胁迫的上限，结合凋萎系数界定植物水分胁迫的下限，建立了基于植被蒸腾的根层土壤水分反演模型。该模型的变量与参数能够根据不同土壤类型、植被覆盖情况以及气象条件进行计算或判定，从而确保模型在广泛且多变环境条件下的可靠性。本研究提出的模型为根层土壤水分反演提供了一种新的视角与方法，具有重要的理论价值与实践意义。 （2）基于HYDRUS-1D 水文模型模拟数据，在不同大气和下垫面条件下对所提出的根层土壤水分反演模型进行验证。为了确保模拟数据的可靠性，研究首先利用HYDRUS-1D 模型模拟了根层土壤水分和蒸散发的真实动态变化，并利用观测数据开展了精度评估。结果表明，校准后的HYDRUS-1D 模型能够获得高精度的根层土壤水分（平均均方根误差为0.011 m3m−3）和蒸散发（平均均方根误差为68 Wm−2）。在此基础之上，研究构建了30 种土壤类型（根据土壤质地划分）、5 种植被类型（玉米、小麦、大豆、苜蓿、草地）、20 种植被覆盖度（从0.05至1.00，间隔为0.05）以及24 种气象条件（涵盖了半湿润和半干旱区、植被生长季、及晴空和有云条件）的根层土壤水分模拟数据库。结果表明，通过本研究模型估算的根层土壤水分与模拟值具有良好的一致性，平均均方根误差为0.01m3m−3。此外，研究发现，相较于田间持水量（平均均方根误差为0.03 m3m−3），使用临界土壤水分作为植被受水分胁迫时的土壤水分上限，能够显著地提高估算精度。 （3）基于地面站点实测数据对提出的根层土壤水分反演模型进行精度评价，并开展模型的敏感性分析。将本研究模型应用于6 个不同地表覆盖类型的美国通量塔观测数据，反演获得时间跨度数年的根层土壤水分，并利用观测的根层土壤水分对反演结果进行验证。结果表明，在自然地表下，本研究模型能较好地捕捉根层土壤水分的时空变化特征，均方根误差为0.04 m3m−3。与现有的基于蒸散发的根层土壤水分模型（偏差为−0.08 m3m−3，均方根误差为0.10 m3m−3）相比，本研究模型具有更高的精度。此外，从模型的实用性角度出发，对模型关键参数—临界土壤水分的获取进行了简化，并探讨了临界土壤水分及其简化形式对根层土壤水分反演精度的影响。结果显示，相较于田间持水量，采用临界土壤水分能显著提高根层土壤水分的估算精度，无偏差均方根误差降低了约60%，而使用简化的临界土壤水分也能实现约35%的精度提升。进一步的模型敏感性分析揭示，新模型对土壤特性的敏感度最高，其次是植被参数和气象因子。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 128 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217341]  |
| 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 | 廖前瑜. 基于植被蒸腾的根层土壤水分反演方法研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。