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山地苹果园土壤—植物—大气系统(SPAC)水循环模拟研究

杨博  
【摘要】:黄土高原是全球最大的优质苹果主产区,栽植面积和总产量均居世界首位,苹果已成为该区社会发展的支柱产业。但是由于当地降雨少且分配不均,果树蒸腾耗水强烈,导致果园水资源短缺,严重影响苹果产业发展。通过模型模拟的方法定量描述山地苹果园SPAC系统水分循环过程,探究土壤干空气对土壤水分运移的影响,以及揭示果园水分、水汽通量机理,可为优化果园水资源管理措施提供一定的理论依据与技术支撑。本研究通过果园田间试验获取数据,基于二相水热传输模型STEMMUS(Simultaneous Transfer of Energy,Mass and Momentum in Unsaturated Soil)构建了不同蒸散计算方法影响下的土壤-植物-大气系统(SPAC)模型,并基于该模型对上述问题展开了系统研究,初步取得以下进展:(1)STEMMUS模型较好模拟了山地果园土壤水热和蒸散动态过程。比较分析了基于STEMMUS模型构建的FAO56-PM(FAO56)、Penman-Monteith(PM)、Shuttleworth-Wallace(SW)三种蒸散计算方法影响下SPAC模型的输出结果。模型输出结果在率定期(2018年)与验证期(2019年)内均能满足模型可靠性标准。其中PM法的土壤水分模拟结果较FAO56法、SW法表现良好,PM法归一化均方根误差(NRMSE)介于10.4%~27.3%,一致性指数(d)介于0.26~0.87。土壤温度在率定期内模拟值均明显高估实测值,而验证期内模拟值与实测值均高度一致。三种蒸散方法的果树蒸腾量模拟值与实测值均能保持良好的一致性,其中FAO56法的模拟结果优于PM法、SW法,FAO56法NRMSE介于20.0%~21.6%,d介于0.91~0.93。受试验观测数据及模型设定影响,土壤蒸发的模拟结果整体表现较差。(2)阐明了土壤干空气对黄土降雨入渗过程的影响。单次降雨中,降雨后考虑干空气过程的耦合模型模拟的剖面土壤含水率增量小于未考虑干空气过程的单相模型,表明耦合模型入渗速率较小,土壤空气阻碍雨水入渗。在降雨当日及降雨后耦合模型评价指标NRMSE介于0.19%~0.57%,一致性指数d介于0.94~0.95,单相模型NRMSE介于0.48%~1.30%,d介于0.87~0.88,耦合模型模拟精度显著高于单相模型。在不同降雨强度条件下,模型受输入参数误差与变量测量误差的影响在不同降雨时段的模拟精度不同,但是耦合模型模拟结果均优于单相模型,误差差值介于0.4%~2.9%,表明耦合模型较单相模型模拟黄土区雨水入渗过程更为合理。(3)初步揭示了果园土壤水分通量、水汽通量时空变化机理。受基质势梯度与温度梯度的影响汽态水通量均存在日变化规律,呈现白天升高,夜晚降低的现象。在降雨前水分、水汽通量基本接近零通量,降雨导致土壤基质势产生方向向下的梯度,引起等温液态水、汽态水通量向土壤内部迅速增大,汽态水较液态水受基质势变化影响更敏感。降雨后通量随土层深度逐渐降低。受土壤基质势影响的等温液态水通量高于汽态水通量5个数量级,而受土壤温度影响的非等温汽态水通量高于液态水通量6个数量级,表明土壤液态水运移主要由基质势梯度驱动,土壤汽态水运移主要由温度梯度驱动。综上所述,本研究基于STEMMUS模型较好地描述了黄土高原山地苹果园SPAC水循环过程,阐明了土壤干空气对黄土雨水入渗过程的影响,初步揭示了果园土壤水汽通量运移机理,为黄土高原苹果园水资源管理提供理论依据。


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