交替隔沟灌溉条件下SPAC系统水热传输机制与模拟

交替隔沟灌溉改变了农田区域气候特征，使地-气界面及土壤水、热分布存在时空变异，与其相关的作物根系生长也随之变化，从而影响地上作物的成长发育。数值摸拟水分和热量在SPAC中的传输与运移，对深入阐明交替隔沟灌溉的节水机理及能量分配具有重要意义。本研究拟在前期对玉米交替隔沟灌溉研究的基础上，通过对玉米田光温分布、土壤水热参数、根系分布、地上生理指标等试验测定，分析光温在冠层内的分布规律以及土壤表面蒸发阻力、冠层阻力、空气动力学阻力与环境因素之间的关系，建立土壤蒸发和作物蒸腾的二维模型，揭示受地-气界面环境影响的土壤蒸发机制和作物根区交替供水引起的叶片气孔反馈机制；采用动态模拟的方法估算玉米根系的吸水速率，建立根系吸水二维模型；最后从整体上与相互反馈关系上建立二维SPAC水热传输动态模型，实现系统水、热变化规律的动态预测，进一步揭示交替隔沟灌溉的节水机理，为农田灌溉预报提供科学依据。

在前期研究的基础上，根据地表结构与太阳入射光线的物理几何关系，建立了地面光温传输模型，模拟地面不同点位处的太阳辐射和温度变化，结果表明，交替隔沟灌溉在非湿润点的地面太阳辐射量和地表温度高于湿润点，这种差异随玉米不同生长阶段而改变。不同沟灌方式下地面不同点位处的太阳辐射模拟结果与实测值间绝对偏差为0.23~24.89 W/m2，模拟偏差(MAE)为3.36~13.79，标准差(RMSE)为4.90~13.51,拟合度di为0.89~0.99；地表温度模拟结果与实测值间绝对偏差为0.07~1.11℃，MAE为0.17~1.61、RMSE为0.42~0.78、拟合度di在0.62以上。.基于Jarvis（1976）多因子冠层阻力模型，引入冠层上、下部温差变量（ΔTc），提出了基于ΔTc的冠层阻力法，通过对比研究表明，Ortega-Farias（2004）法和Javias（1976）法模拟结果分别偏高9.70%和22.50%；Brisson(1998)法模拟结果偏低12.78%；基于ΔTc的冠层阻力法计算结果比实测值偏高3.46%，基于ΔTc的冠层阻力法计算结果与实测值间相关性最好，其计算结果与实测值间的MAE、RMSE和d1值分别为2.42、6.77和0.89，R2为0.86，计算精度优于Jarvis（1976）、Ortega-Farias（2004）和Brisson et al（1998）模型。.单独计算交替隔沟灌溉方式下湿润和非湿润区域的土壤表面阻力，引入土壤湿润比例系数，提出了修正的Shuttleworth-Wallace（S-W）模型，模拟结果表明，土壤蒸发模拟值与实测值之间的相对误差低于11%，作物蒸腾模拟值与实测值之间的相对误差约7%左右，模型拟合度都在0.65以上。.根区土壤水分的干湿交替引起玉米根系在垄位两侧不对称分布，根长密度存在层间差异；在同一土层，根系吸水贡献率以垄位最大，沟位最低；玉米营养生长阶段，在10~30 cm土层的根系吸水最大；玉米生殖生长阶段，20~70 cm为根系吸水最大的土层，为43.21%~55.48%。.有限元数值解法对SPAC系统水热传输动态进行模拟，土壤水分模拟结果与实测值间相对误差为1.55%~7.92%，不同点位处土温模拟结果与实测值间相对误差为0.10~5.94%，揭示了交替隔沟灌溉方式下SPAC系统水热变化规律