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华北平原大型灌区生态水文机理与模型研究

作　者: 雷慧闽
导　师: 杨大文
学　校: 清华大学
专　业: 水利工程
关键词: 涡度相关系统蒸散发碳通量陆面过程模型华北平原
分类号: P334.92
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 328次
引　用: 2次
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内容摘要

华北平原是我国重要的粮食产区，有限的水资源量和大量灌溉用水导致水资源供需矛盾突出。气候变化倍受人们关注，定量把握水分及碳循环的特点是水资源合理配置和CO₂减排的基础。陆气间的水分-能量-碳通量交换是该地区农田生态系统中生态水文的主导过程。因此，本论文从通量观测入手，分析通量交换过程的内在机理，并以此建立农田生态水文模型，用于生态水文过程的重建和预测。论文以位山引黄灌区作为典型区域，并选择典型农田开展了以“水分-能量-碳”通量为核心的农田生态水文过程观测。不同仪器测量结果的对比表明，通量观测具有较高精度。数据分析表明，蒸散发（ET）年际变异性的主导因素是平衡蒸发，而季节变化的主导因素有平衡蒸发和冠层导度。小麦和玉米生长盛期内，潜热通量占净辐射的比例分别为83%和57%，这一比例的全年平均值为59%。生态系统呼吸(R_eco)对温度的响应以及净生态系统交换量（NEE）对太阳辐射的响应均表现出与作物物候密切相关的季节变化特点。R_eco的季节变化主要与总初级生产力（GPP）及气温相关，而R_eco和GPP的年际变化主要受温度控制。全年来看，该农田为较强的碳汇；考虑作物收割所引起的CO₂释放后，可转变成弱碳源。基于陆面过程模型SiB2构建了田间尺度水文强化陆面过程模型（HELP）。将HELP与作物生长模型耦合，构建了田间尺度生态水文模型（HELP-C），实现了对作物生长过程的模拟。验证表明，HELP和HELP-C是水分、能量、碳通量模拟的有效工具。将分布式水文模型与HELP（或HELP-C）耦合，构建了灌区尺度分布式生态水文模型。基于遥感归一化植被指数，该模型可用于灌区过去水分及碳循环过程的模拟；基于未来气候情景，模型可用于预测灌区未来水分及碳循环的可能变化。针对1984²006年的模拟结果表明，尽管位山灌区降雨的年际变异性较大，但因灌溉的保障，ET的年际变异性较小，且无显著的长期变化趋势。小麦和玉米生长季内，多年平均ET分别为284和314mm，分别占降雨和灌溉总水量的99%和71%。灌区农田年净初级生产力（NPP）、土壤呼吸（Rs）及NEE均无显著的长期变化趋势，但净生物群系生产量显著升高，且小麦NPP显著增长，玉米NPP显著下降。基于未来气候情景的预测结果表明，未来50年内，在充分灌溉条件下，小麦和玉米的ET将分别下降10%和7%，但灌溉需水量变化分别是+1%和-22%；NPP分别上升11%和3%，但Rs变化较小；小麦和玉米产量变化分别为+21%和-3%。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-22
  1.1 研究背景及意义  10-11
  1.2 研究现状  11-19
    1.2.1 陆地水分-能量-碳通量观测  11-14
    1.2.2 陆气间水分-能量-碳通量传输过程机理  14-16
    1.2.3 陆地植被生态水文模型研究  16-19
  1.3 农田生态水文研究中存在的主要问题  19-20
  1.4 论文研究思路和主要内容  20-22
第2章位山灌区典型农田水分-能量-碳通量综合观测  22-50
  2.1 概述  22
  2.2 研究区域概况  22-31
    2.2.1 位山灌区基本情况  22-26
    2.2.2 位山灌区水文气象要素的长期变化特征  26-31
  2.3 观测仪器及数据采集  31-33
  2.4 观测数据的后处理  33-36
    2.4.1 数据的质量控制  33-35
    2.4.2 数据的插补  35-36
  2.5 通量计算方法  36-42
    2.5.1 涡度相关系统通量的计算及校正  36-40
    2.5.2 波文比法能量通量的计算  40-41
    2.5.3 LAS 显热通量的计算  41-42
  2.6 能量闭合度及通量印痕模型  42-43
  2.7 仪器测量精度评价结果  43-49
    2.7.1 涡度相关系统能量闭合度分析  43-44
    2.7.2 LAS 和 EC 测量结果对比分析  44-47
    2.7.3 波文比法和 EC 测定结果对比分析  47-49
  2.8 小结  49-50
第3章位山灌区典型农田水分-能量-碳通量特征分析  50-85
  3.1 概述  50
  3.2 分析方法  50-54
    3.2.1 冠层导度及 Priestley-Taylor 系数  50-51
    3.2.2 净生态系统交换量的分解  51-52
    3.2.3 光响应曲线模型  52-53
    3.2.4 水分利用效率的计算  53-54
  3.3 水分-能量通量的变化特征  54-64
    3.3.1 环境因子和作物生长的季节变化  54-55
    3.3.2 能量通量的日内变化特征  55-58
    3.3.3 蒸散发的季节和年际变化特征  58-62
    3.3.4 能量分配的季节变化特征  62-63
    3.3.5 灌溉对能量通量和蒸散发的可能影响  63-64
  3.4 碳通量的变化特征  64-78
    3.4.1 环境因子和作物生长的年际变化  64-65
    3.4.2 不同呼吸量获取方法的比较  65-67
    3.4.3 呼吸作用的温度响应特征  67-69
    3.4.4 光响应曲线的季节变化特征  69-70
    3.4.5 碳通量的日内变化特征  70-73
    3.4.6 碳通量的季节和年际变化特征  73-75
    3.4.7 碳通量估算的不确定性  75-76
    3.4.8 不同生态系统间年 NEE 值的比较  76-78
    3.4.9 气候变化对二氧化碳交换的可能影响  78
  3.5 水分-碳通量耦合特征  78-83
    3.5.1 水分利用效率的季节变化  78-82
    3.5.2 水分利用效率的影响因子  82-83
  3.6 小结  83-85
第4章基于水分-能量-碳循环过程的农田生态水文模型研究  85-131
  4.1 概述  85
  4.2 田间尺度水文强化陆面过程模型的建立  85-107
    4.2.1 建模思路  85-87
    4.2.2 主要生态水文过程的数学描述  87-92
    4.2.3 模型运行条件及设置  92-95
    4.2.4 结果和讨论  95-107
  4.3 田间尺度农田生态水文模型的建立  107-120
    4.3.1 模型构建  107-111
    4.3.2 模型运行条件及设置  111-112
    4.3.3 结果和讨论  112-120
  4.4 灌区尺度生态水文模型的建立  120-129
    4.4.1 模型构建  120-122
    4.4.2 数据来源及处理  122-127
    4.4.3 模型验证  127-129
  4.5 小结  129-131
第5章位山灌区蒸散发及碳通量的历史变化及未来预测  131-152
  5.1 概述  131-132
  5.2 过去 20 多年灌区蒸散发及碳通量的变化  132-142
    5.2.1 蒸散发的年际变化及其原因分析  132-134
    5.2.2 蒸散发模拟对灌溉量的敏感性分析  134-135
    5.2.3 碳通量的年际变化及其原因分析  135-139
    5.2.4 位山灌区碳平衡分析  139-140
    5.2.5 与我国不同农田碳通量估算结果的比较  140-142
  5.3 未来气候情景下农田蒸散发及碳通量的可能变化  142-151
    5.3.1 未来气候情景  142-147
    5.3.2 未来灌溉情景  147
    5.3.3 气候变化对作物耗水的影响  147-148
    5.3.4 气候变化对灌溉需水的影响  148
    5.3.5 气候变化对碳通量及产量的影响  148-151
  5.4 小结  151-152
第6章总结与展望  152-157
  6.1 主要研究成果  152-155
  6.2 主要创新点  155-156
  6.3 研究中的不足及展望  156-157
参考文献  157-176
致谢  176-178
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  178-180

华北平原大型灌区生态水文机理与模型研究

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