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《河南大学》 2016年
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黄淮海平原典型冬小麦农田生态系统水热通量及能量平衡研究

史桂芬  
【摘要】:黄淮海平原是我国主要的冬小麦种植区和重要的商品粮基地,农田生态系统水热通量和能量平衡的研究是当前陆地生态系统和全球变化研究的热点之一。本研究以位于黄淮海平原上的中国科学院封丘农业生态试验站冬小麦农田生态系统为研究对象,利用涡度相关系统、波文比能量平衡系统和全要素自动气象站开展连续观测试验、并分析了该区域近50年常规气象要素观测资料和农业气象资料。将冬小麦的生长发育期划分为播种期、出苗期、分蘖期、越冬期、返青期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期9个生育阶段;综合运用涡度相关法、波文比能量平衡法、相关分析法、Morlet小波分析法等研究方法,分析冬小麦农田微气象环境要素的变化特征、冬小麦各生育期水热通量和能量平衡特征及不同尺度的环境气象要素对冬小麦生育期和能量平衡的影响。揭示了冬小麦农田生态系统各生育期水热通量特征和能量平衡特征,为了解黄淮海平原农田人工植被系统生态—水文过程和互馈机理,得到优化的水热结构模式,及科学合理的评价黄淮海平原粮食主产区的生产力和水分利用效率提供科学依据。主要结论如下:(1)各生育期太阳总辐射的变化趋势与净辐射相似,抽穗期气温日较差大,夜间气温相对较低,在9℃左右,温度条件适宜大穗形成;抽穗、灌浆期的气温显著高于其他时期,平均高出4℃左右;成熟期气温日较差最大,日平均气温达26.1℃,高温利于冬小麦的成熟和收获。研究时段内降水量为174.4mm,与黄淮海平原冬小麦最佳需水量357.8mm相比严重不足;出苗期的降水能满足出苗的底墒要求;分蘖期降水量22mm,水分不足;越冬前期几乎无降水,2月之后降水较多,能满足小麦生长需求;返青前期降水充沛,后期降水不足;拔节期、抽穗期、灌浆期降水量分别为35.9mm、13.0mm、48.5mm,远不能满足冬小麦的抽穗需求,应适时进行灌溉。各生育期每日最大相对湿度值变化不大,在85—95%之间,分蘖期、越冬期稍低,为84%,其余生育期均为94%左右;分蘖期的相对湿度日较差最大,抽穗期最小。各生育期的10cm±壤温度抽穗期最高,越冬期最低日较差最小,日变化与气温的一致,峰值滞后于气温。各生育期土壤含水量的日变化都很微小,日变率都在1%以内。(2)研究区近50年年平均气温线性上升幅度为0.10℃/10a,年平均气温主要存在三种不同尺度的震荡周期:3—5年、16—17年和30年左右。降水年际差异较大,多雨期和少雨期大致交替出现,总体呈波动下降趋势。年降水量主要存在2个震荡周期:4—6年、15—20年。年平均相对湿度年际变幅很小,存在3个震荡周期:5—8年,12—14年和30年左右。各生育期内气温变幅约在7℃以内。近50年各生育期日照时数均呈明显下降趋势,越冬期下降最严重,速率为-11.41 d/10a。近50年封丘地区播种—分蘖期、越冬期、返青—拔节期气温均呈上升趋势,上升速度分别为0.13℃/10a、0.24℃/10a、0.44℃/10a。封丘地区1989—2009年返青—拔节期缩短趋势明显,与此时段气温升高有关。各生育期的降水变幅都很大。播种—分蘖期、灌浆—成熟期降水量呈波动上升趋势。返青—拔节期降水量下降最明显,此时段冬小麦需水量较大且春旱严重。(3)冬小麦农田生态系统所获得的净辐射主要用于潜热、显热和土壤热通量,净辐射、显热、潜热的日变化均基本呈倒“U”型曲线,受环境因素和作物生长状况共同影响,越冬期之前净辐射较小,返青、拔节、灌浆期,净辐射逐渐增大并维持在较高水平,至灌浆—成熟期,净辐射达到最大值。净辐射日平均最大值出现在灌浆期(142W.m~(-2)),其次是成熟期(132 W.m~(-2)),最小值出现在越冬期(15 W.m~(-2))。各生育期间的能量分配特征不同,出苗期潜热仅占40%,拔节、抽穗期潜热所占比重高达80%以上,成熟期潜热所占比例虽有下降但仍占主导地位,其他生育期所占比重均在55%以上。越冬期以前显热通量与净辐射的日变化趋势基本一致;播种期、出苗期显热通量所占比重最高,达50%以上;分蘖期及以后所占比重均在35%及以下,拔节、抽穗期比重最小只占10%左右;随着冬小麦的生长发育显热通量占净辐射比重基本呈下降趋势,到灌浆、成熟期略有上升。各生育期间土壤热通量的区别不明显,越冬期土壤热通量均为负值,比重占15%。其余各时期基本都在0值附近,白天为正值夜晚为负值,均在10%以下。(4)各生育期的能量闭和度较高,出苗期为83%,分蘖期为90%,返青以后均在90%及以上,表明在本研究中,涡度相关系统观测的数据精确、可靠,不同生育期、一天不同时段,能量闭合程度不同,主要是由于忽略冠层储热、水平湍流通量、异常天气条件等原因造成的。冬小麦农田微气象环境要素与各生育期各通量之间的相关关系显著。气温与各通量之间为正相关,且相关性高;相对湿度与各通量之间为负相关;土壤温度与土壤热通量之间呈正相关,与净辐射、潜热通量、显热通量之间无显著相关性;土壤含水量在播种期、返青期与各通量之间呈负相关,其它生育期无明显相关性。
【关键词】:水热通量 能量平衡 冬小麦农田生态系统 黄淮海平原
【学位授予单位】:河南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:S512.11
【目录】:
  • 摘要4-6
  • ABSTRACT6-12
  • 1 绪论12-20
  • 1.1 研究背景与意义12-14
  • 1.2 国内外研究进展14-20
  • 2 研究区概况20-22
  • 3 观测试验与研究方法22-33
  • 3.1 观测试验22-24
  • 3.1.1 冬小麦生育期涡度相关系统观测试验22
  • 3.1.2 冬小麦生育期波文比能量平衡系统观测试验22
  • 3.1.3 冬小麦生育期气象要素观测试验22-23
  • 3.1.4 数据资料23-24
  • 3.2 研究方法与技术路线24-33
  • 4 冬小麦农田生态系统环境气象要素特征33-57
  • 4.1 研究区冬小麦生育期划分33-35
  • 4.2 冬小麦各生育期环境气象要素特征35-43
  • 4.2.1 冬小麦各生长发育期太阳辐射特征35-36
  • 4.2.2 冬小麦各生长发育期气温特征36-37
  • 4.2.3 冬小麦各生长发育期相对湿度特征37-38
  • 4.2.4 冬小麦各生长发育期土壤温度特征38-40
  • 4.2.5 冬小麦各生长发育期土壤含水量特征40-41
  • 4.2.6 冬小麦各生长发育期降水特征41-43
  • 4.3 近50年气象要素变化特征分析43-57
  • 4.3.1 近50年气象要素变化趋势分析43-45
  • 4.3.2 近50年气象要素变化周期分析及突变分析45-49
  • 4.3.3 近50年各生育期气象要素变化特征49-55
  • 4.3.4 近50年气象要素变化对各生育期的影响55-57
  • 5 冬小麦农田生态系统各生育期水热通量特征及能量平衡分析57-85
  • 5.1 播种期的水热通量特征及能量平衡分析57-59
  • 5.2 出苗期的水热通量特征及能量平衡分析59-61
  • 5.3 分蘖期水热通量特征及能量平衡分析61-63
  • 5.4 越冬期水热通量特征及能量平衡分析63-66
  • 5.5 返青期水热通量特征及能量平衡分析66-67
  • 5.6 拔节期水热通量特征及能量平衡分析67-70
  • 5.7 抽穗期水热通量特征及能量平衡分析70-72
  • 5.8 灌浆期水热通量特征及能量平衡分析72-74
  • 5.9 成熟期水热通量特征及能量平衡分析74-76
  • 5.10各生育期的能量平衡变化对比分析76-80
  • 5.10.1 各生育期净辐射特征对比分析76-77
  • 5.10.2 各生育潜热通量期特征对比分析77-78
  • 5.10.3 各生育显热通量期特征对比分析78-79
  • 5.10.4 各生育期土壤热通量特征对比分析79-80
  • 5.11各生育期能量闭合度对比分析80-82
  • 5.12各生育期气象要素与各通量之间关系分析82-85
  • 6 结论与展望85-91
  • 6.1 主要结论85-88
  • 6.2 本研究的特色与创新88
  • 6.3 研究展望88-91
  • 6.3.1 研究存在的问题88-89
  • 6.3.2 下一步的研究89-91
  • 参考文献91-99
  • 致谢99-100

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