变化环境下基于作物生长与水循环耦合的农田水生产力模型与模拟

Crop model and field water cycle cmodel is the important method to quantify the processes of water productivity. Currently, most crop models have not include the coupling process of photosynthesis and transpiration by leaf stomatal and impact of soil moisture on leaf stomatal. So, these crop models can’t be used to understand impact of climate change and agricultural water saving on field water productivity. The objectives of this research is to understand the driven mechanism of water cycle to water productivity and to quantify the process of water productivity. With some controlled environment chamber experiments and crop growth/water exchange observation experiments, two key scientific problem including quantifying response of leaf stomatal to soil moisture and the coupling method of crop growth and water cycle processes will be solved. Furthermore, the coupling mechanism among crop evapotranspiration, soil water and groundwater will be investigated, and field water productivity model will be developed, and response of water productivity to climate change and agricultural water saving will be simulated. This research will answer scientific problems including how to quantify the forming process of water productivity, and what is the reponse of climate change and agricultural water saving? Research results will supply some theoretical principle for promoting agricultural water productivity.

作物生长模型及农田水循环模型是水生产力形成过程量化的主要方法。目前多数作物生长模型缺乏考虑基于叶片气孔的光合-蒸腾耦合过程以及叶片气孔及受土壤水分的影响，难以用于识别气候变化和农业节水对农田水分生产力的影响。基于此，本项目将以认识变化环境下地下水浅埋区农田水转化对水生产力驱动机制为主线，以量化表征农田水生产力形成过程为目标，通过自然补光人工气候室控制实验和田间作物生长及水循环定位试验，重点突破作物叶片气孔对土壤水分响应的定量表征和作物生长与农田水循环的时空尺度耦合等关键科学问题的基础上，研究作物蒸腾－土壤水－地下水耦合机制，发展基于作物生长与水循环耦合过程的农田水生产力模型，揭示农田水生产力对气候变化及农业节水的响应。本研究旨回答“干旱地下水浅埋区农田水分生产力形成过程如何量化表征？农田水生产力对气候变化及农业节水如何响应？”等科学问题，为变化环境下农业水生产力提升提供理论基础。

农业水生产力量化表征是农业用水效率评估及灌区水管理的基础，传统农业水生产力确定方法缺乏考虑农田水循环与作物生长的耦合过程。本项目以内蒙古河套灌区典型农田（玉米田）为研究对象，建立了农田水热通量及水循环定位监测站（2处），研究了作物蒸腾-土壤水-地下水耦合机制、建立了基于作物生长与水循环耦合的农田水生产力模型，并对不同农业节水情景下农田水循环及水生产力过程进行了模拟。取得的成果包括：（1）揭示了研究区典型作物气孔-光合-蒸腾耦合变化规律及水分利用规律。发现玉米小时尺度的蒸腾速率主要由光合有效辐射（PAR）和饱和水汽压差（VPD）决定；明确了农田水汽通量和能量分配特征以及受叶面积指数、地下水的影响规律及作物“奢侈蒸腾”的发生的气象及水分条件，发现地下水对农田的贡献率分别为26 -36%。（2）建立了基于土壤剖面土水势动态平衡的地下水浅埋区作物生长与土壤水耦合过程模拟模型。模型针对干旱地下水区浅埋区土壤剖面水盐动态特点，采用地下水位变化条件下土水势动态平衡理论，克服了传统农田水盐物理模型所需的土壤导水率不确定性所带来的误差。（3）阐明了农业节水等变化环境下农田水盐、作物生长及作物水分利用变化规律。发现研究区地下水对耗水贡献的临界埋深是2.5米，灌溉定额减少60%以上时，土壤水与地下水转化量明显减少。当地下水矿化度小于2 g/L时，随着地下水埋深的增大，灌溉水生产力均逐渐减小。研究成果为评价干旱灌区用水效率及灌溉水科学管理提供了理论基础和先进方法。项目成果发表SCI论文17篇（影响因子大于4的13篇）；登记软件著作2件；完成了学术专著初稿。以本项目为主体的成果“旱区灌溉水转化过程定量表征与优化调配”获教育部自然科学二等奖。项目培养毕业博士研究生4名，在读博士1名、硕士生1名，项目负责人入选教育部长江学者特聘教授。