浑善达克沙地牧草需水量的模拟计算方法及人工牧草灌溉制度研究

论文摘要

干旱的浑善达克沙地生态建设既要掌握人工草场牧草需水量,合理确定高效用水灌溉定额,又要了解不同水文年、同一水文年不同生长阶段天然牧草群落的蒸腾量的差异,因为天然牧草生长态势间差异决定于牧草为满足蒸腾而吸收的水量的差异。这些基础性工作既利于生态安全建设,又能合理制定畜牧业防灾减灾对策。为此本研究依托国家自然科学基金重点项目“京蒙沙源区植被建设中水资源优化配置”（50139040）的两类牧草需水量两年试验研究,确定了人工牧草、天然牧草羊草群落需水量。在此基础上,合理制定了人工牧草的非充分灌溉制度和高效用水灌溉制度。本文完成的研究成果有:（1）建立了反映牧草生育期气孔导度变异性的气孔导度响应模型和气孔导度-光合机理模型,并通过这些模型探索了叶片气孔导度向冠层导度转化的方法。（2）用FAO-56双作物系数法、双涌源能量平衡法、光合-蒸腾耦合法和SWAP模型研究确定了人工牧草需水量,并对上述方法的使用条件进行了讨论。用气孔导度响应-能量平衡相耦合的模型确定了羊草群落需水量。（3）用多状态随机离散动态规划模型确定了人工牧草非充分灌溉制度。用水量平衡模型确定了水分利用效率和边际产量最高的多年生人工牧草不同水平年高效用水灌溉制度。本文的创新点有:（1）充分考虑牧草的气孔导度与光合有效辐射、冠层内空气饱和水汽压差、叶片温度、大气中CO2浓度等环境因子间的相关性,建立了四组Jarvis（1976）乘和模型,利用两年不同时段按1h间隔观测的环境因子和气孔导度数据对三十个组合按不同生育阶段进行逐步多元回归分析,得出各种组合各生育阶段的决定系数（即相关系数的平方）R2。根据决定系数的大小,遴选出各生育阶段气孔导度对四个环境因子响应的最灵敏的相乘模型。该模型对气孔导度的时间变异性研究十分有效。（2）确定羊草群落冠层尺度的气孔导度的野外试验设置及叶片气孔导度转化为冠层尺度的气孔导度方法解决了无法通过先积分后求和方法确定牧草群落冠层尺度的气孔导度的实际问题。（3）光合-蒸腾耦合法求人工牧草需水量的方法考虑了CO 2从大气进入牧草体内、牧草体内水分通过蒸腾进入大气这两类传输过程中的阻抗系统中表现出的光合-蒸腾的内在机理,对比传统的水均衡法、能量平衡法该方法已另辟新径。（4）应用FAO-56双作物系数法时不简单的取用FAO-56建议的基本作物系数值,而是根据当地气象、水文条件通过迭代反推法找出残差平方和最小时的牧草基本作物系数地区值计算牧草土壤蒸发和冠层蒸腾,这在应用新技术中有创意。

论文目录

• 1 引言
• 1.1 选题背景
• 1.2 研究目的与意义
• 1.3 植被（作物）蒸散量（需水量）的研究动态
• 1.3.1 气孔导度--光合作用--蒸腾耦合模型
• 1.3.2 能量平衡模型
• 1.3.3 空气动力学与能量平衡联立法
• 1.3.4 水量均衡模型
• 1.3.5 估算农田蒸散的经验方法
• 1.3.6 遥感方法
• 1.3.7 拉格朗日逆分析法
• 1.4 研究内容
• 2 研究区概述及测试项目
• 2.1 研究区概述
• 2.2 试验设计及供试品种
• 2.2.1 人工牧草试验设计及观测项目
• 2.2.2 天然牧草-羊草群落的试验设计及观测项目
• 3 气孔导度模型
• 3.1 气孔导度的环境响应模型
• 3.1.1 气孔导度对环境因子响应模型的构建
• 3.1.2 不同人工牧草气孔导度对环境因子响应模型
• 3.2 气孔导度-光合机理的生理响应模型
• 3.2.1 气孔导度-光合速率模型
• 3.2.2 气孔导度与光合响应机制的气孔导度模型模拟结果
• 3.3 小结
• 4 人工牧草蒸散发的估算
• 4.1 冠层尺度的生态系统光合-蒸腾耦合模型
• 4.1.1 叶片尺度光合作用-蒸腾机理模型
• 4.1.2 SMPT-SB模型的描述
• 4.1.3 模型参数的确定
• 4.2 利用能量平衡原理计算的蒸散发
• 4.2.1 能量平衡原理
• 4.2.2 模型参数的推求
• 4.2.3 人工牧草生长指标的模拟计算
• 4.3 计算作物需水量（蒸散量）的双作物系数法
• 4.3.1 无水分胁迫条件下蒸散量的计算
• 4.3.2 基本作物系数地区值的确定
• 4.3.3 水分胁迫条件下蒸散量的模拟计算
• 4.3.4 水分胁迫下基本作物系数地区值的验证
• 4.4 人工牧草蒸散量模型模拟结果比较与适用条件分析
• 4.4.1 人工牧草蒸散量模型模拟结果比较
• 4.4.2 人工牧草蒸散量模型适用条件分析
• 4.5 小结
• 5 基于SWAP 模型的水分运移规律及人工牧草蒸散量的推算
• 5.1 SWAP简介
• 5.1.1 SWAP原理
• 5.1.2 模型的输入输出
• 5.2 SWAP参数的率定与验证
• 5.2.1 水分运移模型参数的率定
• 5.2.2 SWAP模型参数的确定及检验
• 5.3 小结
• 6 天然牧草群落生长期冠层尺度蒸腾量模拟估算
• s^c）的确定'>6.1 牧草群落冠层阻力（r_s^c）的确定
• 6.1.1 牧草气孔导度对环境因子响应模型的构建
• c）'>6.1.2 天然牧草群落冠层导度（C_c）
• s^c）'>6.1.3 牧草群落冠层阻力（r_s^c）
• 6.2 天然牧草群落蒸散量的模拟估算
• 6.3 小结
• 7 人工牧草灌溉制度的确定
• 7.1 人工牧草灌溉试验观测资料的统计分析
• 7.2 非充分灌溉制度的水分生产函数
• 7.2.1 相对产量下降值与相对需水量亏缺值间的函数关系式
• 7.2.2 相对产量与生育期各生长阶段需水量间的函数关系
• 7.3 人工牧草非充分灌溉制度的确定
• 7.3.1 确定非充分灌溉制度的多状态离散动态规划模型
• 7.3.2 模型的基本参数
• 7.3.3 模型解
• 7.3.4 小结
• 7.4 人工牧草高效用水灌溉制度的确定
• 7.4.1 生育期需水量与干草产量、水分利用效率和边际产量的关系
• 7.4.2 人工牧草以旬为时段的高效用水灌溉制度
• 7.4.3 小结
• 8 结论与建议
• 8.1 结论
• 8.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介