作物生产系统中水分传输阻力的实验解析与水分利用效率的模拟研究

Shortage of quantitative description in three interface resistances (root-soil, soil-atmosphere, leaf-atmosphere), plant hydraulic architecture and their response to meteorological factors are key factors resulting the uncertainty in predicting regional water resource, and also limit factor for making agricultural water resource optimization policy. In this study, the incubation and field experiment will be conducted to explore the impacts of radiation, temperature and CO2 concentration on three interface resistances (root-soil, soil-atmosphere, leaf-atmosphere), plant hydraulic architecture, and qualify the impacts. The water transfer model will be modified based on the experiments and then incorporated into process-based crop model, aiming to reduce the uncertainty in the simulation of water transfer process and improve the ability of model that reflects the influence of climate change upon water use in cropping systems. Three research issues would be included in this project. 1) The advanced artificial simulation SPAC experimental apparatus (ASSEA), which combined climate-control room and lysimeter, will be used to monitor the radiation, temperature, rainfall, humid and soil moisture, and so on, and measure the dynamics of soil moisture, evaporation, and stemflow, etc. 2）Field experiment also will be conducted to observe the dynamics of stemflow, evaporation, and soil moisture, etc. 3) Qualifying the impacts of climate factors on water transfer processes and water use in SPAC.

根-土、土-气、叶-气等三个界面的界面阻力和植物水力结构及其对气候因子的响应定量化不足是造成区域水资源估算不确定性的关键因素，也限制了农业水资源优化策略的制定。本研究拟应用室内控制实验和田间实验对比研究，探讨辐射、温度和CO2浓度等单一和多个气候因子对根-土、土-气、叶-气三个界面的界面阻力和植物水力结构的影响机制，进一步刻画SPAC内水分传输过程，完善水分传输模型，并将其耦合到作物模型中，以提高模型模拟作物系统对气候变化响应的能力，降低模型模拟水分过程和区域水资源利用的不确定性。研究内容主要包括以下三个方面：1）应用SPAC系统水分循环大型实验模拟装置在控制条件下观测辐射、温度和CO2浓度三个气候因子单一因子变化对SPAC内包括土壤水分、系统蒸散、植物茎流等水分传输过程的影响；2）田间条件下，气候因子的综合变化对SPAC内水分传输过程的影响；3）定量化表达气候因子对水分传输过程和作物水分利的影响。

作物生长发育主要受光照、温度和CO2影响，而且它们之间又存在相互影响，这些相互影响又同时作用于作物生长和水分利用，这就使得光照、温度和CO2等气候因子对作物产量的形成和水分利用的影响变得非常复杂。因此，分别阐明单因子对作物生长和水分传输的影响机理，进一步完善SPAC的水分传输模型，并应用试验数据对其进行检验，降低模型在水分传输和利用上模拟上的不确定性，是分析与预测作物生产和水分利用对气候变化的响应以及优化农业水资源管理的重要手段。本项目在华北平原禹城和栾城试验站采取控制实验和大田试验相结合，获取得了一套完整的作物生长发育及农田水热传输和CO2通量数据，在此基础上，（1）以ChinaAgrosys模型为基础，通过对模型中的各个物理及生理过程的影响难易程度、主导因素，采用模块化结构，构建了新的简化的作物模型。（2）改进了蒸散模型中冠层阻力的计算方法，降低了模型模拟作物耗水中的不确定性，能更好的模拟蒸散对气候变化的响应，并分析了影响冠层阻力的敏感性参数，并对模型中的光合参数进行了估计和优化；（3）系统分析了华北平原气候波动背景下作物产量对不同灌溉量的响应，在无灌溉条件下，模拟的轮作系统中小麦与玉米总产量受年际气候波动的影响，波动较大；灌溉能缩小由于降水波动造成的作物产量年际波动幅度，并提高了年平均产量，特别是提高干旱年份的作物产量，发现540 mm 的灌溉可以在多数年份中满足作物生长发育需水要求；（4）通过野外调查和作物模型结合的方法，分析了气候变化对作物生育期进程、各生育期内需水、降水特性的影响，结合未来气候变化，揭示了气候变化对灌溉需水的影响；（5）对比分析了气候变化对华北平原和黄土高原冬小麦产量及水分利用效率的影响差异，大气CO2浓度增加对小麦WUE的影响在不同的区域有明显差异，WUE增加的幅度随土壤可利用水量增加而减小，呈现非线性负相关，在生育期内降水量较低的禹城站增加的比例大于降水量较高的长武站。WUE增加的作用随着CO2浓度增加而下降，CO2的作用逐渐降低。