节水灌溉稻田多尺度水碳通量变化机理与耦合模拟

With the widely development of water-saving irrigation technology, variations and simulation of multi-scale water and carbon fluxes of farmlands with different irrigation managements are awaiting indepth research. So water and carbon fluxes on leaf, canopy and field scales of paddy fields under water-saving irrigation will be observed by portable photosynthesis system, soil automated soil CO2 flux system and eddy covariance system and so on in this study. Then variation laws of water and carbon fluxes on different scales of paddy fields under water-saving irrigation will be analyzed based on field experiment. In addition, relative soil, crop and meteorological factors of paddy fields under water-saving irrigation will be monitored. The effect of relative soil, crop and meteorological factors on multi-scale water and carbon fluxes of paddy fields under water-saving irrigation will be quantitative analyzed. Based on the quantitative analysis above, the main influence factors of water and carbon fluxes on different scales will be determined and discussed, and the influence mechanisms of main impact factors on different scales will be compared. Processes and mechanisms of water and carbon movement on different scales of paddy fields under water-saving irrigation will be revealed according to the results obtained. Moreover, the scaling up method of water and carbon fluxes coupling simulation model from leaf scale to canopy scale for paddy fields under water-saving irrigation will be put forward. And water and carbon fluxes coupling silulation models on different scales for paddy fields under water-saving irrigation will be established. The research results will have important theoretical meaningful and application value. As it will be helpful for accurate understanding of the water and carbon movement process between atmosphere and paddy fields under water-saving irrigation and high efficient utilization and management of water and carbon resources in paddy fields.

针对变化灌溉条件下农田多尺度水碳通量变化规律及模拟研究不足的问题，本项目以节水灌溉稻田为研究对象，运用光合仪、土壤通量测量系统及涡度相关系统等连续监测叶片、冠层和农田尺度水碳通量，阐明节水灌溉稻田多尺度水碳通量变化规律；结合土壤水分调控条件下稻田土壤、作物生理生长及气象等参数的同步监测，量化土壤、作物及气象等参数对不同尺度水碳通量的影响，确定不同尺度水碳通量的主要影响因子，并探讨尺度间影响机理的差异，揭示节水灌溉稻田多尺度水碳通量运动过程及机理；实现节水灌溉稻田水碳通量耦合模拟模型从叶片到冠层尺度的提升，构建适用于节水灌溉稻田的多尺度水碳通量耦合模拟模型。预期在考虑土壤水分调控影响的节水灌溉稻田多尺度水碳通量变化规律、机理及耦合模拟模型方面取得新成果。成果对于准确认识变化灌溉条件下稻田与大气间的水碳交互过程，实现稻田水碳资源的高效利用和管理，具有重要的理论意义和应用价值。

按照计划任务书认真开展了各项内容的研究工作，全面完成了各项任务。. 针对变化灌溉条件下农田多尺度水碳通量变化规律及模拟研究不足的问题，围绕项目研究内容在江苏昆山开展了叶片、冠层和农田尺度水碳通量及其影响因素的连续监测。基于试验观测与模型模拟，揭示了节水灌溉稻田不同尺度水碳通量变化规律及其影响机理。在叶片尺度上，控制灌溉条件下水稻蒸腾速率、净光合速率均出现下降，但净光合速率与蒸腾速率下降存在不同步性和不同幅性，且净光合速率以及蒸腾速率与影响因素之间的关系在不同时刻有所差异。在冠层尺度上，不同灌溉模式单穴水稻CO2通量日变化规律明显，主要受太阳辐射影响；控制灌溉水稻全生育期的蒸发蒸腾量较淹水灌溉减小，变化趋势基本一致；气象因素对控制灌溉水稻蒸发蒸腾量的影响较淹水灌溉小。在田间尺度上，节水灌溉稻田典型日水汽通量呈先升高后降低变化，水分补充、辐射增加以及水稻生理生长旺盛会造成稻田水汽通量的增大；节水灌溉稻田典型日CO2通量呈现先降低后升高变化，复水后、辐射增加以及水稻生理生长旺盛会造成稻田CO2通量的增大。节水灌溉稻田全生育期、各旬、各生育期腾发量与CO2固定量均呈现先升高后降低的变化，且其变化幅度随时间步长的缩短而增大; 气象因子中净辐射、空气相对湿度、气温以及风速对节水灌溉稻田水汽通量均有较大影响，光量子通量密度、气温、土温、水稻叶面积指数显著影响稻田CO2通量的变化。. 分析了不同尺度节水灌溉稻田水碳通量差异，构建了不同尺度节水灌溉稻田水碳通量模拟模型。不同时间步长节水灌溉稻田水碳汽通量尺度间均存在差异，两者变化趋势较一致，但田间尺度水碳通量较小，水汽通量差异受空气相对湿度、气温影响较大，CO2通量差异与净辐射、气温关系密切。引入叶气温差项建立了改进Leuning-Ball气孔导度模型，实现了气孔导度-光合速率-蒸腾速率的耦合模拟。大叶模型能够较好的模拟冠层尺度和田间尺度CO2通量，得出了适宜于控制灌溉水稻不同尺度CO2通量模拟所需模型参数的修正方法和结果。构建了田间尺度水汽通量冠层阻力经验模型，基于冠层和田间尺度水汽通量与气象因素之间的关系，构建了节水灌溉稻田水汽通量从冠层尺度到田间尺度的转换模型，模拟效果较好。. 成果对于准确认识变化灌溉条件下稻田与大气间的水碳交互过程，实现稻田水碳资源的高效利用和管理，具有十分重要的意义。