土壤作物系统中水分及其氢氧稳定同位素的动态与农田耗水特征

发布时间：2017-09-28 15:26

  本文关键词：土壤作物系统中水分及其氢氧稳定同位素的动态与农田耗水特征

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【摘要】：水资源严重短缺对粮食安全产生了直接影响,而农田生态系统中水资源主要通过蒸散(ET)的途径来消耗。全面了解蒸散发生的规律,明确水分消耗的特征、转化过程和水分来源,定量区分ET的组分及其在生育期内的变化规律,可明确农田生态系统的水分利用、分配与传输,为实现水资源的可持续利用与保证粮食安全提供理论基础。本研究以农田SPAC(土壤-植物-大气)系统的水分运移规律为中心点,在华北平原(冬小麦-夏玉米)和东北平原(春玉米)开展农田水文过程同位素试验研究,明确了主要种植体系下氢氧稳定同位素的分布特征及SPAC系统水分动态变化以及不同处理对其影响,并分析了多年耗水结构特征,为今后发展适水种植和提高作物水分生产力提供科学依据和参考。论文主要研究结论如下： (1)系统分析了冬小麦-夏玉米及春玉米生育期内不同水源的(降水、土壤水、地下水和植株茎水)818O和8D含量组成、分布规律及其影响因素。在818O-δD分布图上,0-5cm的土壤水蒸发线斜率均低于当地大气降水线的斜率,说明表层土壤水经历了强烈的蒸发作用；土壤水的同位素值也随着深层向表层越来越富集,且不同处理的土壤剖面氢氧稳定同位素变化程度也不相同,强弱依次为裸土处理常规处理秸秆处理覆膜处理。 (2)作物根系吸水过程中没有发生氢氧稳定同位素分馏,可将作物茎水的氢氧稳定同位素值视为各土层深度水分来源的线性组成。通过利用直接对比法和基于同位素质量守恒的Iso-Source模型得出作物不同生长期的主要吸水深度,同时估算主要吸水深度的水分利用比例。冬小麦在抽穗期、开花期、灌浆期和成熟期主要是利用10-20cm、20-40cm、0-10cm和10-20cm的土壤水；夏玉米在拔节期、抽雄期、灌浆期和完熟期主要是利用0-10cm、0-20cm、10-20cm和40-100cm。 (3)以水量平衡为基础理论,定量研究了2011-2013年华北平原夏玉米蒸发蒸腾量的变化。借助同位素质量守恒(Isotope mass balance)和AquaCrop模型两种不同的方法对农田地表蒸散通量ET进行了分割及比较研究。同位素质量守恒(IMB)和AquaCrop模型在夏玉米的苗期.拔节期和灌浆期计算的蒸散通量(蒸腾量比蒸散量,即mt/mET)比例较一致,分别为40%左右、90%以上和80%左右,但在夏玉米的收获期,AquaCrop模型的mt/mET比例仍在90%左右,而IMB的mt/mET比例为85%。说明这两种方法对ET分割为E和T的结果具有可比性。 (4)综合考虑长期气候因素和不同地下水位埋深对水分生产力(WP)的影响。采用1980-2010年(30年)华北山前平原北京地区(上庄试验站)气象数据,运用AquaCrop模型对夏玉米的耗水结构进行分析,分别设置两种不同的地下水位埋深进行模拟,即有地下水补给(地下水位埋深为1-1.5m)和无地下水补给,从而确定在不同情况下WP的差异。结果显示,在该区域的干旱年份,有地下水补给的WP变化不明显,分别为2.49kg·m-3和2.24kg.m-3；而没有地下水补给的WP明显降低,分别为1.92kg.m-3和1.97kg.m-3。该区域干旱年份的降雨量将满足夏玉米的水分供给,但是如果想获得高产和高的WP,那么补充灌溉是必不可少的。
【关键词】：农田SPAC系统 氢氧稳定同位素 蒸散分割 AquaCrop模型 同位素质量守恒模型
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S154.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 图表目录10-16
• 第一章 引言16-27
• 1.1 研究背景与意义16-17
• 1.2 国内外研究进展17-24
• 1.2.1 稳定同位素的技术概况17-18
• 1.2.2 氢氧稳定同位素在SPAC系统中水循环的应用18-22
• 1.2.3 农田生态系统蒸散发分割的相关研究22-24
• 1.3 研究目标、内容与技术路线24-27
• 1.3.1 研究目标24
• 1.3.2 研究内容24-25
• 1.3.3 技术路线25-27
• 第二章 材料与方法27-38
• 2.1 研究区概况27-29
• 2.1.1 试验站简介27
• 2.1.2 气候条件27-29
• 2.2 试验设置概况29-38
• 2.2.1 试验设计和田间管理29-32
• 2.2.2 样品采集及室内实验测定32-38
• 第三章 基于AquaCrop模型与氢氧稳定同位素对蒸散(ET)分割的原理38-46
• 3.1 AquaCrop的作物水分生长模型及应用38-43
• 3.1.1 AquaCrop原理简述38-40
• 3.1.2 AquaCrop参数的计算40-43
• 3.2 氢氧稳定同位素方法确定根系吸水来源的原理43-44
• 3.3 同位素质量守恒法分割ET的原理及参数计算44-46
• 第四章 环境因子和土壤水分动态变化46-54
• 4.1 环境因子46-47
• 4.2 土壤体积含水量时空变化规律47-52
• 4.2.1 灌溉冬小麦47-50
• 4.2.2 雨养春/夏玉米50-52
• 4.3 本章小结52-54
• 第五章 农田SPAC系统氢氧稳定同位素分布特征54-78
• 5.1 降水氢氧稳定同位素分布特征56-62
• 5.1.1 大气降水量及降水中氢氧稳定同位素的组成特征56-58
• 5.1.2 大气降水线方程58-62
• 5.2 土壤水氢氧稳定同位素分布特征62-69
• 5.3 农作物茎水氢氧稳定同位素分布特征69-77
• 5.3.1 常规冬小麦/夏玉米植物根主要吸收土壤水层次的确定69-72
• 5.3.2 常规冬小麦/夏玉米根系吸水来源的混合比例72-77
• 5.4 本章小结77-78
• 第六章 雨养夏玉米农田蒸散发的分割及多年耗水特征分析78-97
• 6.1 基于AquaCrop的农田作物水分生长模型分割农田蒸散通量78-86
• 6.1.1 模型的参数化78-79
• 6.1.2 模型的校正与验证79-83
• 6.1.3 模型的应用83-86
• 6.2 基于同位素质量守恒法分割农田蒸散通量86-88
• 6.3 AquaCrop和IMB模型区分蒸发和蒸腾量的比较88-91
• 6.4 夏玉米多年耗水结构分析91-95
• 6.5 本章小结95-97
• 第七章 结论与展望97-100
• 7.1 主要结论97-98
• 7.2 主要创新点98
• 7.3 展望98-100
• 参考文献100-108
• 致谢108-110
• 作者简介110

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：936616