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黄淮海农田防护林体系水分利用同步测算模型与应用研究

作　者: 尹昌君
导　师: 孟平
学　校: 中国林业科学研究院
专　业: 生态学
关键词: 农田防护林体系水分利用种间关系多尺度模型
分类号: S727.24
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

黄淮海平原是我国重要粮食产区，农田防护林一直是该区农业综合治理与开发、平原绿化工程的重要内容，为农业生产提供了重要的生态保障。水资源紧缺是制约该地区农业及林业可持续发展的最主要生态要素。为应对水资源日益紧缺、气候变化等诸多因素对粮食安全和林业生态建设的影响，黄淮海农田防护林体系建设与发展应以科学协调农林用水关系为前提。深入研究该地区农田防护林体系多尺度种间水分利用关系，对防护林系统模式优化、种间调控管理、林木水分承载力及区域发展规模的确定等具有重要的科学指导意义。以蒸散及水分利用效率为主要指标的种间水分利用关系虽一直是农林复合系统的重要研究内容，但因复合系统结构的复杂性及模式的多样性以及现有实测技术与模拟模型的局限性，制约研究成果的应用价值，亟待开展多尺度种间水分利用同步测算研究。鉴于地面观测与遥感观测在时空尺度及分辨率各具优势，如能将地面与遥感观测在机理上进行融合，构建一套能够兼顾精度与尺度的星地集成综合模型，利用精确的地面观测数据驱动遥感模型，获取多尺度不同组分蒸散及水分利用效率等数据，则具有很好科学价值及应用前景。目前，在农田防护林系统下垫面条件下，有关此方面的综合模型未见公开报道。本研究以地处黄淮海平原黑龙港流域的河北省饶阳县官厅农田防护林试验示范区为基地，研究建立农田防护林体系多尺度种间水分利用同步测算的模型，并利用验证后的模型，分析2007年及2008年4－6月10个杨树林网系统杨树与小麦尺度种间水分利用关系，再结合1995年实测数据，分析两个不同林龄阶段防护林网的水分效应。主要结果如下：（1）基于光能利用效率和Priestley-Taylor的基本原理，研究构建了以遥感观测为主、常规地面观测为辅的各组分植被生产力（GPP）及蒸散耗水（ET）的同步测算模型（简称“星地集成水分利用模拟模型”），将GPP除以ET，可得到WUE模型。模型的空间分辨率为30m、时间分辨率为8d。（2）将波段光谱性质相近、同一时间段的中等分辨率成像光谱影像数据（MODIS）和陆地卫星（LANDSAT）遥感影像数据，进行动态融合，建立了高时空分辨率的遥感数据库，为模型运行提供数据支撑；（3）利用小麦及杨树ET及小麦GPP地面测算数据（实测值），对模型进行验证精度进行验证，结果表明：模拟值与实测值存在显著的线性相关关系，其中，小麦ET实测值与模拟值相关系数为0.82，相对误差平均值为14.9％；杨树ET实测值与模拟值相关系数为0.833，相对误差平均值为15.5％，小麦GPP实测值与模拟值相关系数达0.927，相对误差平均值15.62％，所构建的模型具有较高的测算精度，可满足农田防护林体系多尺度种间水分关系及水分效应的同步测算等相关研究工作的要求。（4）利用星地集成水分利用模拟模型的测算数据，分析表明：冬小麦拔节－乳熟期间，单位面积上，各杨树林网蒸散耗水量略高于冬小麦耗水量。但实际面积上，各林网系统内冬小麦耗水量均高于林带，二者比值（RET）在2007年及2008年分别为3.37－8.18、3.66－7.20。各网格RET值有较大的差异，在10个供试网格系统间的变异率（CV）在2007年、2008年分别达0.14、0.07。该2年10个网格RET平均值分别为5.14、5.06，即在实际面积上作物蒸散耗水远高于林带。说明总体而言，作物耗水仍是农田防护林体系耗水的主要方式，杨树不会与冬小麦发生激烈争水的矛盾。在黄淮海平原农区，适度发展杨树防护林具有可行性。（6）多数网格内作物和林带的ET和GPP均存在显著的对数或线性函数关系（P<0.05），表明用水量是植物生产力的决定因子之一。冬小麦与林带水分利用效率（WUE）的比值在网格间存在一定的差异，但多数网格作物高于林带。（7）就以500m×250m，主防护林方向为东-西走向，一路两行（4×8m）的杨树林网－小麦复合系统而言，12a林龄时，在距离林带10m范围内的土壤水分低于CK（简称负效应区）、该范围外的土壤水分则高于CK（简称正效应区）；24a林龄时在距离林带15m范围内为负效应区、此范围外为正效应区。网格尺度而言，杨树防护林具有提高土壤贮水量的作用，但这种提高效应会随着树龄的增长而有所降低。在小麦拔节-乳熟期间，对比CK，12a和24a林龄防护林可使0－200cm土层土壤贮水量分别提高7.8%，1.9%；对比CK，上述2个林龄阶段，杨树防护林网均具有降低小麦蒸散量的作用，降低值分别可达19.1%，25.0%，说明随着树龄的增长，防护林对农田蒸散的降低效应并未显著下降，故对因树木根系吸水所导致的林带附近农田土壤水分下降的状况，具有重要的缓解作用。（8）利用星地集成水分利用模拟模型的测算数据，分析表明：同一林龄时期不同网格防护林对冬小麦蒸散量均具有一定的降低效应，冬小麦拔节－乳熟期间，10个供试网格系统降低效应的平均值在2007年、2008年分别为15.89％、16.73％，但网格间差异比较大，变幅分别为1.29%-36.08%、9.94％-23.58%，变异率分别可达0.56、0.13。

全文目录

摘要  5-8
Abstract  8-15
第一章绪论  15-37
  1.1 研究的目的与意义  15-18
  1.2 研究进展  18-34
    1.2.1 农田防护林系统种间水分利用关系研究评述  18-21
    1.2.2 蒸散测算技术概况  21-32
    1.2.3 生产力测算方法概述  32-34
  1.3 研究目标及主要研究内容  34-35
    1.3.1 主要目标  34
    1.3.2 主要研究内容  34-35
  1.4 总体技术方案及路线  35-37
第二章试验设计  37-43
  2.1. 试验区概况及试验材料  37-38
  2.2 观测内容及方法  38-40
    2.2.1 农田土壤水分及小气候观测  38-39
    2.2.2 杨树防护林带液流及蒸腾观测  39-40
    2.2.3. 叶面积指数及生物干重观测  40
  2.3 计算方法  40-43
    2.3.1 小麦蒸散量计算  40-42
    2.3.2 林带蒸散量计算  42
    2.3.3 植物水分利用效率（WUE）  42-43
第三章水分利用同步测算模型建立与验证  43-61
  3.1 概念模型  43-51
    3.1.1 植被生产力模型  43-46
    3.1.2 植被蒸散模型  46-51
  3.2 多源遥感数据库的构建融合  51-56
  3.3 模型验证  56-60
    3.3.1 星地集成蒸散子模型的验证  56-58
    3.3.2 星地集成作物 GPP 子模型的验证  58-60
  3.4 小结  60-61
第四章多网格尺度种间水分利用关系  61-77
  4.1 杨树农田防护林系统种间耗水比例  61-66
    4.1.1 单位面积作物和林带的日蒸散量的比值关系  61-64
    4.1.2 实际面积作物和林带的蒸散总量的比值关系  64-66
  4.2 系统各组分蒸散量和总生产力的关系特征  66-73
    4.2.1 作物蒸散（ET）和总生产力（GPP）关系  66-69
    4.2.2 林带蒸散（ET）和总生产力（GPP）的关系  69-73
  4.3 系统种间水分利用效率的比例关系  73-76
  4.4 小结  76-77
第五章两种不同林龄时期防护林的水分效应  77-89
  5.1 不同林龄防护林对冬小麦农田土壤水分的影响  77-79
  5.2 不同林龄防护林对冬小麦蒸散量的影响  79-87
    5.2.1 不同林龄时期冬小麦蒸散量的变化规律  79-85
    5.2.2 不同林龄时期防护林对农田蒸散的降低效应  85-86
    5.2.3 同一林龄时期不同网格内冬小麦蒸散量的特征  86-87
  5.3 小结  87-89
第六章结论与讨论  89-92
  6.1 主要结论  89-90
  6.2 特色与创新  90-91
  6.3 研究展望  91-92
参考文献  92-104
在读期间的学术研究  104-105
致谢  105

黄淮海农田防护林体系水分利用同步测算模型与应用研究

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