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本试验于2013-2015年在华北平原典型农田-冬小麦/夏玉米农田进行,利用涡度相关系统对农田与大气间碳、水和热量的交换进行连续测量,同时利用微型土壤蒸发器和土壤呼吸测定仪对土壤蒸发和土壤呼吸速率进行定期测量,系统地研究了冬小麦/夏玉米农田生态系统二氧化碳、水热通量的动态变化特征及其对环境因子的响应机制。并对Penman-Monteith模型的两个延伸模型FAO-PM模型和R-K模型进行分析,利用气象数据对两种模型中的关键参数进行修正;通过模型预测值与涡度相关系统测量值的对比说明FAO-PM模型和R-K模型对冬小麦/夏玉米农田蒸散量预测的实用性及准确性,希望得到准确预测蒸散量的实用性模型,便于掌握农田不同生长时期的需水量,从而对农田水分管理起到一定的指导作用。本研究的主要结论有:1.冬小麦/夏玉米农田的能量分配特征净辐射通量、显热通量、潜热通量和土壤热通量具有明显的日变化,呈先增后减趋势。各能量分量在12:00左右达到最大值。净辐射通量在各能量分量之间的转化与下垫面特点密切相关。玉米季约有5.3%的能量储存于土壤,约57.3%的能量用于农田蒸散,平均波文比大约为0.43;小麦季大约有4.4%的能量储存于土壤,约57.5%的能量用于农田蒸散,平均波文比约为0.34。2.冬小麦/夏玉米农田CO2通量的变化特征(1)冬小麦/夏玉米农田的CO2通量有着非常明显的日变化特点,不同生长阶段CO2通量日变化规律较为一致,吸收峰值出现在13:00左右。(2)CO2通量具有明显的季节变化。冬小麦生长初期和越冬期变化幅度较小,表现为碳源;3月10日左右开始,麦田进入碳汇时期,最大吸收峰值为-0.45 mg?m-2?s-1。玉米农田于7月20日左右,进入碳汇时期,8月中下旬CO2吸收达到最大值,约为-0.3mg?m-2?s-1(2014年)和-0.6 mg?m-2?s-1(2015年)。CO2释放峰值出现在6月和10月。(3)冬小麦田CO2通量与光合有效辐射和净辐射的相关性较好,夏玉米田CO2通量主要与风速和净辐射相关;拟合结果均为多项式关系。土壤呼吸速率与10cm深度的土壤温度和5cm深度的土壤湿度与相关性最好,且双变量复合模型拟合效果最佳。3.冬小麦/夏玉米农田的蒸散特征(1)冬小麦/夏玉米农田的蒸散具有明显的日变化和季节变化特征。自18:00开始至次日06:00,蒸散基本为零;蒸散量最大值出现在12:00到13:00间,冬小麦和夏玉米的蒸散峰值分别为0.6 mm?h-1和0.7mm?h-1。夏玉米农田的日蒸散量整体呈现先增大后减小的季节变化趋势,日蒸散量的最大值出现在生长季中后期(8-9月)。冬小麦田日蒸散量呈现先减小后增大再减小的趋势,日蒸散量在整个越冬期基本保持较低水平,1月底达到最低值。在4、5月份间蒸散量达到最大值。2013、2014和2015年夏玉米生长季的蒸散总量分别为275.9,272.9和266.6mm,同期降雨量为300.7,355.8和115.8mm;两个冬小麦生长季的蒸散量分别为408.2mm和353.1mm,而相应生长季的降雨量只有281.9mm和103.5mm。夏玉米季约有38.6%的水分用于土壤蒸发;冬小麦季大约有30%的水分用于土壤蒸发。(2)相关性分析说明夏玉米农田蒸散量与叶面积指数的相关性最大,呈指数关系;其次为净辐射通量、光合有效辐射,均为二次多项式关系;冬小麦田蒸散量的主要影响因素是净辐射通量和光合有效辐射,均为二次多项式关系。玉米农田土壤蒸发的主要影响因素为光合有效辐射、5cm深度的土壤湿度和净辐射,均为二次多项式关系;冬小麦田土壤蒸发与光合有效辐射和净辐射通量,均为二次多项式关系,与空气湿度呈负线性相关。(3)作物群体水分利用效率有明显的日变化特点,不同生长阶段和不同生长季存在明显差异。作物群体水分利用效率的季节变化呈现先增大后减小的单峰性变化趋势。自发育期开始,作物群体水分利用效率逐渐升高,于4月底(小麦季)和8月底(玉米季)达到最大值,之后水分利用效率逐渐降低,于收获前10天左右降至最小值。4.冬小麦/夏玉米农田蒸散量的模拟研究(1)对Penman-Monteith模型的两个延伸模型:FAO-PM模型和R-K模型进行修正,利用修正后的模型对冬小麦和夏玉米农田的日蒸散量及作物不同生长阶段的蒸散量进行预测,并与涡度相关系统测量值进行对比,发现FAO-PM模型预测效果优于R-K模型,R-K模型对不同生长阶段蒸散量的低估现象较为突出。(2)本文提出一种新的处理方法——分阶段处理,对R-K模型进行校正,得到夏玉米和冬小麦不同生长阶段的经验系数。研究说明该方法可以大大提高模型对夏玉米蒸散量的预测准确度;而对于冬小麦田蒸散量预测效果则不如夏玉米季的理想,存在年度的差异性。