论文标题：Effects of canopy resistance parameterization on evapotranspiration partitioning and soil water contents in a maize field under a semiarid climate

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Lianyu YU, Huanjie CAI, Delan ZHU, Yuhan LIU, Fubin SUN, Xiangxiang JI, Yijian ZENG, Zhongbo SU, La ZHUO

发表时间：15 Dec 2024

DOI：10.15302/J-FASE-2024581

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环境变化下的可持续农业水资源管理

Sustainable Agricultural Water Management Under Changing Environment

专 辑 文 章 介 绍

· 第三篇 ·

▎论文ID

Effects of canopy resistance parameterization on evapotranspiration partitioning and soil water contents in a maize field under a semiarid climate

不同冠层阻力方法对夏玉米田蒸散发及土壤水分影响的分析

文章类型：Research Article

发表年份：2024年

第一作者：虞连玉¹

通讯作者：卓拉²

Email: zhuola@nwafu.edu.cn

作者单位：1. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院；2. 西北农林科技大学水土保持科学与工程学院。

Cite this article :

Lianyu YU, Huanjie CAI, Delan ZHU, Yuhan LIU, Fubin SUN, Xiangxiang JI, Yijian ZENG, Zhongbo SU, La ZHUO. Effects of canopy resistance parameterization on evapotranspiration partitioning and soil water contents in a maize field under a semiarid climate. Front. Agr. Sci. Eng., 2024, 11(4): 544–560 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2024581

· 文 章 摘 要 ·

当前的陆面模型采用不同的冠层阻力方法模拟农田实际蒸散发 (ET) 与土壤水文变量。然而，在考虑耦合土壤水汽传输物理过程的情况下，不同冠层阻力方法对ET组分、土壤水分动态模拟及灌溉水资源决策的影响有待进一步研究。本研究基于土壤水汽耦合传输模型，探讨了半干旱气候条件下五种冠层阻力方法 (Jarvis、Katerji-Perrier、Massman、Kelliher-Leuning和Farias) 对模型模拟夏玉米田ET组分和土壤水分动态的影响。研究结果表明，Jarvis方法在模拟ET方面表现最佳 (R² = 0.86，RMSE = 0.71 mm·d^–1)。不同的冠层阻力方法主要影响土壤含水量的模拟量值，并未改变土壤水分对灌溉的响应规律。综合分析ET组分和根区土壤水量平衡，发现不同冠层阻力方法模拟获得的最优灌溉水利用方案不尽相同。本研究揭示了冠层阻力方法对ET组分的直接和间接影响，并强调在半干旱农田灌溉水管理决策中，需综合考虑ET组分和土壤水分供应源的影响。

· 文 章 亮 点 ·

1. 建立了土壤水汽耦合传输模型STEMMUS-ET，该模型综合考虑了五种冠层阻力方案。

2. 评价不同冠层阻力方法对模型模拟ET及其组分，以及根区土壤水分动态的影响。

3. Jarvis冠层阻力方法能较好地模拟ET组分和土壤水分动态。

4. 有效的灌溉水资源管理需同时考虑ET组分和土壤水量平衡分析。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

准确量化土壤水分动态、ET及其组分对于有效的灌溉水资源管理至关重要。近年来，越来越多的研究表明，冠层阻力是解释ET及其组分变化规律的重要生化因子。深入理解冠层阻力如何调节ET和土壤水分动态，可为半干旱地区实现合理高效的农业灌溉水管理提供依据。现有的冠层阻力估算方法包括经验模型、半经验模型、最优理论模型和机制模型。其中，经验性和半经验性模型因其结构简单而被广泛应用于陆面模型和土壤水模型中。不同冠层阻力方法的性能受时间尺度、生育期、地区和土壤湿度等因素的影响，因此需要基于站点数据进行校准和验证。然而，目前的验证工作多集中于ET的模拟效果，缺乏对ET组分和土壤含水量的综合验证工作，这限制了对冠层阻力如何影响灌溉水管理决策的准确量化。土壤含水量是水分入渗、表层土壤蒸发、根系吸水、土壤水分传输和深层渗漏等过程的综合表征。现有的模型在描述与土壤含水量相关的过程时，往往忽略了土壤水汽耦合传输过程，这影响了半干旱区土壤水分动态的准确量化。

本文建立了土壤水汽耦合传输模型STEMMUS-ET，该模型综合考虑了五种常用的冠层阻力方法，并能模拟土壤中液态水、水汽和热量的传输过程，以及根系吸水过程，从而定量模拟ET、ET组分和土壤水分动态。基于夏玉米田的实验观测数据，对STEMMUS-ET模型进行了校准和验证。本文研究目标是确定适用于半干旱区玉米田模拟ET、ET组分和土壤水分动态的冠层阻力方法，并探讨不同方法对ET组分、土壤水分动态及灌溉水管理的影响机制。本研究可为提高半干旱区夏玉米田的灌溉水利用效率提供科学依据。

▎研究方法

试验在2012至2013年期间，于西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室的节水灌溉试验站内、遮雨棚下进行 (东经108°04′，北纬34°17′，海拔521 m)。使用的是大型称重式蒸渗仪，其土壤面积为6.6 m² (长3 m，宽2.2 m)，装土深度3 m。土壤含水量和土壤温度的测定采用了预先校准的土壤湿度和土壤温度传感器，这些传感器在蒸渗仪中的埋设深度分别为20、40、60、80、100、200、225和250 cm (图1)。

图1 试验站和蒸渗仪：(a) 遮雨棚下夏玉米田实验，(b) 蒸渗仪中生长的夏玉米，(c) 蒸渗仪结构。

考虑五种冠层阻力方法的土壤水汽耦合传输模型STEMMUS-ET的结构如图2所示。在本研究中，灌溉和实际土壤蒸发被设定为模型的上边界通量，而深层排水则作为下边界通量。采用双组分Penman-Monteith方法，结合冠层阻力和土壤表面阻力，来估算作物的潜在蒸腾 (T_p) 和实际土壤蒸发量 (E)。

图2 考虑五种冠层阻力方法的土壤水汽耦合传输模型STEMMUS-ET的结构。

注：JA, Jarvis；KP, Katerji-Perrier；MA, Massman；KL, Kelliher-Leuning；FA, Farias；R_ns, 太阳净辐射；LAI, 叶面积指数；G, 土壤热通量；VPD, 水汽压差；r_a, 空气动力学阻力；T_r, 实际蒸腾；T_p, 潜在蒸腾；E, 土壤蒸发；I, 灌溉。

▎研究结果

1. 土壤水分动态

不同土层深度土壤含水率的变化规律如图3所示。灌水后，20 cm土层土壤含水量迅速增加，随着土层深度增加，土壤水分对灌溉的响应逐渐下降。基于不同冠层阻力方法的模型均能较好地模拟土壤水分动态变化规律。统计结果表明，JA (Jarvis)、KP (Katerji-Perrier) 和FA (Farias) 冠层阻力方法比其它方法表现好 (一致性指数d 高于0.78，RMSE低于0.0155 m³·m^–3)。

图3 五种冠层阻力方法的土壤含水量模拟值与实测值对比结果。

2. ET和ET组分

除了在生育初期的低估，JA和FA方法能够较好的模拟日尺度ET动态变化规律 (R ²高于0.83)。KP方法低估现象出现在生育初期和作物生长发育期，MA (Massman) 和KL (Kelliher-Leuning) 方法在生育初期、作物生长发育期、生育中期和生育后期均低估了ET。

图4 五种冠层阻力方法的ET模拟值与实测值对比结果。

玉米不同生育期的土壤蒸发 (E)、蒸腾 (T_r)、蒸发蒸腾量 (ET) 和蒸发比例 (E/ET) 见表1。E/ET在生育初期最大，不同冠层阻力方法得到的E/ET范围是77.4%–92.8%。随着作物生长，E开始下降并在生育中期达到最低值，该时期E/ET范围是17.3%–34.4%，说明Tr是主要的作物耗水项。在生育后期由于玉米衰老Tr降低，E占总的ET比例出现明显的反弹。不同冠层阻力方法计算得到的E/ET差异在生育初期和后期较大，表明冠层阻力方法对E/ET的影响在这两个时期最为明显。

表1 五种冠层阻力方法下不同生长发育时期土壤蒸发 (E)，蒸腾 (T_r)，蒸发蒸腾量 (ET) 和蒸发占蒸发蒸腾量的比例 (E/ET)。

3. 根区水量平衡分析

不同冠层阻力方法模拟结果均表明Tr是作物生长期主要耗水项 (图5)。对于三种土壤水分供应源 (灌溉、深层水通量和土壤水储变化)，不同冠层阻力方法模拟的下部水通量补给贡献差异不大。土壤水储变化量和T_r变化量较为一致，说明T_r与根区水储量的关系密切。

不同冠层阻力方法对根区水量平衡组分的影响主要有两个方面：一是其影响水分是如何消耗的，即通过直接影响作T_r，改变ET组分比例。二是影响三种土壤水分供应源的相对贡献比例。T_r越大，更多的根区土壤水储被消耗，直接利用灌溉水较少。

图5 五种冠层阻力方法下水量平衡组分模拟。

注：q_bot, 深层水通量；V, 土壤水储变化。

· 结 论 ·

五种冠层阻力方法均能模拟ET、E和土壤含水量的动态变化，但在具体数值上存在差异。其中，JA方法在估算ET方面表现最佳，FA方案次之。研究揭示了冠层阻力方法对ET组分的两种可能影响机制：一是直接影响T_r的估算、根系吸水过程以及根区土壤水含量；二是间接影响土壤水分的再分布过程，进而改变表面土壤水含量和E。根区水平衡分析显示，不同冠层阻力方法在评估土壤水分供应源的相对贡献和水量消耗策略时存在差异。因此，研究建议在制定有效的农业灌溉水资源管理决策时，应综合考虑作物ET组分和土壤水平衡组分的分析。

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