半干旱区农田多尺度土壤水热测定与随机模拟

Soil water is a key variable in crop production in the arid and semiarid areas.It interacts with soil temprature, jointly influencing crop yield. Accurate measurement of soil water content and thermal properties, understanding of soil water and soil temperature dynamic and related mechanism, and prediction of soil water content and soil temperature dynamics at different scales in farmland are crucial for soil water management in these areas. Based on lab analysis, field in situ measurement and computer modeling, the objectives and the research approach will be to (1) develop single probe heat pulse method for measuring thermal properties and soil water content; (2) measure soil water content and thermal properties over the landscape scales in farmland using the distributed temperature sensor; (3) quantify the dominant controls of soil water and soil temperature as well as their scale dependency; and (4) develop and validate stachastic models for soil water and soil temperature dynamics under different crops (winter wheat and summer corn) considering the dominant processes and other effects (i.e., root water uptake and soil layering). The proposed study will develop new method for simultaneous measurement of soil water content and thermal properties, advance understanding of soil water and thermal dynamics, and develop modeling tools for soil water and thermal regime management.Tools developed and knowledge gained through this study will provide data and guidance for improving agricultural water management in semiarid area.

土壤水分是旱区作物产量的限制因子。它与土壤温度相互作用，影响作物生长。在农田不同尺度上实现土壤水热快速测定、把握土壤水热动态机理、预测土壤水热动态变化是旱区土壤水分调控与管理的关键。本项目拟采取室内实验、野外试验和室内模拟相结合的研究手段，（1）建立土壤水热测定的单探针热脉冲新方法；（2）将该方法结合分布式光纤温度传感器，实现在半干旱区农田景观尺度上土壤水热性质的高频率测定；（3）系统研究土壤与作物过程，确定不同尺度上影响土壤水热动态的关键过程；（4）在考虑关键过程以及作物根系吸水与土壤分层特性的基础上，建立半干旱农田多尺度的土壤水热动态随机模型。通过该项目研究，形成一套半干旱区典型农作物（冬小麦和夏玉米）条件下多尺度土壤水热测定、动态、机理与模拟的综合性创新性研究成果。一方面为半干旱农田土壤水分调控措施提供科学依据和理论指导，另一方面推动农田土壤水热相关研究的发展。

土壤水分是半干旱地区作物产量的限制因子，它与土壤温度相互作用，共同影响作物生长。在农田不同尺度上实现土壤水热快速测定、把握土壤水热动态机理、预测土壤水热动态变化是旱区土壤水分调控与管理的关键。本项目通过室内外实验和模型模拟相结合，开展了以下五方面土壤水热测定与模拟研究：（1）对比了单探针热脉冲法利用六种经验关系推测土壤含水量的方法，并检验了通过测定单探针与土壤间接触热导率来推求土壤含水量的可行性；（2）利用碳纤维加热光纤-分布式温度传感器对土壤水热性质进行测定，并对采样频率和采样间距进行校正；（3）在土壤水分动态研究方面，研究了农地-林地-荒漠景观过渡带的水文过程和生态水文效应，探讨了黄土丘陵地区不同土地利用模式对深层土壤剖面水分分布和储存特征的影响及生态环境效应，研究了黄土高原深根系苹果园对地下水补给的影响；（4）在土壤水热耦合和模拟方面，模拟了黑河湿地土壤水盐动态以及对根系吸水的影响，改进或提出了三个水热耦合运动方面的模型；（5）结合时间异常模型和时间稳定性分析预测了小流域尺度下土壤含水量的空间分布特征，利用多重小波相干的方法分析了针对特定尺度和地区的多变量关系。通过该项目研究，形成一套半干旱区典型农作物条件下多尺度土壤水热测定、动态、机理与模拟的综合性创新性研究成果。一方面为半干旱区农田多尺度土壤水热测定、预测、调控和管理提供技术支撑和理论支持，另一方面推动农田土壤水热相关研究的发展。