水分利用效率多时空尺度效应及其耦合转换研究

Studies of the multi-spatial-temporal dynamics in water use efficiency (WUE) can help us understand global change impacts on regional agriculture and the key scientific issues of multi-scale irrigation water cycle and associated processes. With deep understanding of Spatial-temporal coupling scaling of Water use efficiency Based on the cycle of water and carbon the main line and a comprehensive understanding of stomatal control of photosynthetic-transpiration physiological and ecological processes as a starting point, we will monitor fluxes of CO2 and H2O, soil water, and crop physiological and ecological indicators at the leaf-, field-, farm-, canal-, and irrigation-scale in the North China, reveal the water and carbon coupling mechanism of the typical crop, analyze the characteristic and variability of WUE and master factor, announce the drive mechanism between multi-scale water transformation and water use efficiency, develop WUE estimation models based on the cycles of water and carbon, reveal inherent relationship between the spatial scale and temporal scale of water use efficiency, establish a spatial-temporal coupling scaling model of WUE to explicit influence mechanism of spatial heterogeneity and repetition water on WUE. The study is significant theoretically and practically for improving WUE, optimizing regional irrigation scheduling and rational deployment of agricultural water resources.

多时空尺度作物水分利用效率的尺度效应及耦合转换研究是揭示区域农田生态系统对全球变化的响应与适应的基础，更是灌区多尺度水循环及伴生过程的关键科学问题。以深刻认识基于水碳耦合的水分利用效率多时空尺度评价和转换为主线，以综合理解气孔行为控制的光合-蒸腾的生理生态过程为出发点，本研究将系统监测华北平原典型作物叶片-田间群体-农田-渠系-灌区尺度水碳通量、土壤水和作物生理生态指标，揭示典型作物的水碳耦合运动特征，阐述水分利用效率和主控因子的时空分布规律，揭示多尺度水转化对水分利用效率的驱动机制，建立以水碳耦合为基础的不同时空尺度水分利用效率估算模型，揭示水分利用效率空间尺度、时间尺度的内在联系，实现区域水分利用效率的多时空尺度耦合评价与转换，明晰空间异质性和重复可用水量对水分利用效率的影响机理。以上研究结果对作物高效用水评价和调控、节水灌溉管理和水资源合理配置等意义深远。

多时空尺度作物水分利用效率的尺度效应及耦合转换研究是揭示区域农田生态系统对全球 变化的响应与适应的基础，更是灌区多尺度水循环及伴生过程的关键科学问题。以深刻认 识基于水碳耦合的水分利用效率多时空尺度评价和转换为主线，以综合理解气孔行为控制 的光合-蒸腾的生理生态过程为出发点，获得的具体认知有：1）不同尺度水分利用效率时空变异性方面，提出了叶片—植株—群体—农田—区域的水分利用效率时空变异规律。2）在水分利用效率定量模型构建方面，建立了基于气孔行为的作物叶片水碳通量函数，可以有效模拟玉米的冠层覆盖度发展进程、土壤含水率变化、干物质量积累过程及产量，实现了叶片、作物和区域的水分利用效率定量表征。3）在水分利用效率多空间尺度评价及转换方面，在气象条件、土壤类型、种植类型分布基础上，构建了单点DNDC模型、GIS-DNDC模型和SWAT模型，表征了地表各异条件下，北京大兴区典型作物水分利用效率模型，并采用遥感技术，实现了区域作物蒸发蒸腾量的差异的表征，形成了基于遥感数据的区域水分利用效率空间分异表征方法。4）在水分利用效率多时间尺度评价及转换方面，系统评价了多种时间尺度转换方法，分析了不同时刻、不同辐射及不同叶面积指数下蒸散发尺度提升的效果。5）在水分利用效率多时空尺度耦合评价及转换方面，系统评价了区域典型作物的水肥空间状况，并以作物高效用水为基础，形成了区域水肥调控方案，提出了调控潜力，有效实现了水分利用效率多时空尺度耦合评价，并分析了GIS-DNDC模型以及SWAT模型表征区域水分利用效率的差异性。通过以上研究，最终对作物高效用水评价和调控、节水灌溉管理和水资源合理配置等意义深远。