干旱半干旱地区土壤水分胁迫条件下的蒸散发估算研究

作     者：徐绍源 

作者单位：兰州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：贺缠生

授予年度：2022年

学科分类：09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 090301[农学-土壤学] 

主      题：蒸散发 农牧交错带 祁连山 水分胁迫阈值 FAO56Penman-Monteith Priestley-Taylor Hargreaves and Samani 土壤水分胁迫系数 

摘      要：蒸散发(Evapotranspiration,ET)是地表水文循环和能量交换过程的重要组成部分,也是联系土壤-植被-大气连续体(Soil-plant-atmosphere-continuum,SPAC)的关键纽带,影响着区域的降水再分配过程以及区域水文循环和水量平衡。在水资源短缺、观测站点稀疏的干旱半干旱地区,如何准确、便捷地估算蒸散发对于理解水文循环过程及规律、保障本地区的水资源安全、推动水资源合理规划有着重大意义。本文选择位于中国北方干旱半干旱地区的北方农牧交错带和祁连山区的典型下垫面作为研究区,分析土壤水分对实际蒸散发的影响,确定不同环境条件下的土壤水分胁迫阈值,对比评估FAO56 Penman-Monteith(FAO56)、Priestley-Taylor(P-T)、Hargreaves and Samani(Har)三种蒸散发估算模型的模拟性能,分析Campbell和Thompson两种水分胁迫系数计算方法的适用性,进而确定适于干旱半干旱地区土壤水分胁迫条件下的蒸散发估算方案。主要结论如下:(1)受植被盖度、根系影响,不同站点的土壤水分胁迫阈值不同。在农牧交错带,植被盖度低、分布稀疏,植被根系欠发达,土壤水分含量较低,土壤水分胁迫普遍存在,水分胁迫阈值为观测站点土壤对应的田间持水量和凋萎系数,分别在0.120 mm/mm～0.150 mm/mm,0.020 mm/mm～0.030 mm/mm之间。在祁连山区,植被盖度较高,根系相对发达,土壤含水量较高,土壤水分胁迫阈值为观测站点根系区土壤水分90%百分位和10%百分位对应的含水量值,分别在0.400 mm/mm～0.451 mm/mm,0.010 mm/mm～0.230 mm/mm之间。(2)在北方农牧交错带,P-T蒸散发估算性能最好,均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)为1.780 mm·d,平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)为1.208 mm·d;FAO56表现次之,RMSE和MAE分别为1.991 mm·d和1.665mm·d;Har则表现最差,RMSE和MAE分别为8.345 mm·d和7.278 mm·d。P-T排除了风速对其估算结果的影响,更适用于稀疏、复杂下垫面情况,在北方农牧交错带整体估算性能最佳。FAO56因其不合理的表面阻力值和空气动力学权重,在蒸散发估算中存在误差,性能差于P-T。Har则因其过高的温差权重和经验系数,在北方农牧交错带估算性能最差。(3)在两个典型下垫面上,受植被根系的影响,土壤水分变化范围较大,“三基点式的Thompson方法在水分含量较低时估算误差较大。Campbell方法仅考虑水分胁迫阈值上限,排除了土壤水分较低时对胁迫系数估算结果的影响,在农牧交错带和祁连山区分别比Thompson法性能高1.4%和8.3%。Campbell土壤水分胁迫系数计算方法在研究区内性能优于Thompson方法。(4)本研究基于作物系数法框架,将P-T模型计算的参考作物蒸散发ET、Campbell方法计算的土壤水分胁迫系数K以及新的土壤水分胁迫阈值方案相结合,组合成适用于干旱半干旱区土壤水分胁迫条件下的最佳蒸散发估算方案,并在祁连山区的景阳岭、垭口和大野口站点进行了估算验证。三个站点的估算值ET与实测值ET的RMSE在0.966 mm·d～1.935 mm·d之间,较原始土壤水分胁迫阈值方案,性能提升范围在6.1%～17.3%之间。上述研究结果为干旱半干旱地区土壤水分胁迫条件下的蒸散发估算研究提供了一种简捷、可靠的估算方案。