对干旱地区的灌溉农田蒸散的时间变率的多尺度光谱分析外文翻译资料

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对干旱地区的灌溉农田蒸散的时间变率的多尺度光谱分析

中国农业水资源研究中心、中国农业大学,北京100083,中国

植物和土壤科学、特拉华州环境研究所,特拉华大学,纽瓦克,19717,美国

国家重点实验室的流域水循环的模拟和调控

国家高效灌溉工程技术研究中心-北京,中国水利水电研究所,北京100048,中国

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Received 30 March 2013

Accepted 21 August 2013

Available online 13 September 2013

关键词

蒸散

光谱分析

小波变换

土壤含水量

灌溉

摘要

蒸散的时间模式(ET)及其物理和生理控制(如土壤含水量、太阳辐射和树冠电导)涵盖了一个较长的时间尺度范围从秒到几十年。对发生在不同生态系统的ET和它的影响因素之间的主要时间相关性的理解度有所提高。在这项研究中,我们在中国北部的干旱内陆地带的玉米灌溉地区,用涡流协方差对ET进行超过两年以上的测量。我们应用小波变换作为一种新的方法来检查ET的光谱特征及其控制因素。ET的功率谱在乱流惯性次区显示为aminus;1 power law,小于一个小时的时间尺度,这在在日常,季节和年度时间尺度也显示出实际的作用。在这个地区利用土壤水平衡方法对ET的计算,ET的谱峰（cospectra）以及土壤含水量表明了5天中重要的时间相关性。我们发现,ET与净辐射的变化同步,一天的时间尺度内有2个小时左右引导水气压亏值和气温。但ET和土壤含水量之间的相位关系受到灌溉模式的影响。在1天的时间尺度内,冠层导度影响ET的变化,但这种影响并不持续整个生长季。我们的结果显示了灌溉方式的重要性,及其对ET的多段时间相关的影响和控制因素。灌溉可以大幅改变从minus;10 h to 10 h内ET和土壤含水量的相位角关系等。这些结果对于理解水循环过程,改善水资源管理,以及解决在干旱地区灌溉农田的粮食安全问题,是非常重要的。

copy; 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

1.介绍

土壤水分蒸发蒸腾损失总量（ET,潜热通量)是一个重要的水循环过程,也是能源和农业生态系统水平衡的重要组成部分。植物的蒸腾作用和土壤蒸发主要是来自于农田用水。(Rana和Katerji,2000).此外,在中国西北干旱内陆地区,农作物是土壤耗水量的主力军之一,而且由于降水量较低,它高度依赖于灌溉。(Ding et al., 2010; Zhao et al., 2010).因此,ET的等级和动力测定,对于开发有效的灌溉方案和改善水资源管理是很有必要的。(Ding et al., 2010; Kang et al., 2003; Zhang et al., 1996)几项研究已经突出表明,自然植被中的ET的时间变率,出现了大范围的从几秒到数十年的时间尺度。尽管对于农作物灌溉来说,ET时间变率的重要性,在物理上和生理上的控制（如土壤水分、太阳辐射和树冠电导）还不是很清晰,以及在干旱内陆的农业系统的操控影响ET（即灌溉实践）。对于改善水资源管理的实践,和解决在干旱地区农田的粮食安全问题的理解,是很重要的。

ET动力学全面地反应出微气象和作物生理生态学之间的交互作用和反馈。(Allen et al., 1998; Kisi, 2011)例如,农作物的ET通量可以通过影响蒸汽压,来改变地方的和地区的天气和气候(Brutsaert,1982)。气候的变化(如空气温度和湿度的变化)可能会影响大气蒸发能力,这也可能会影响作物ET的时间变化。(Baldocchi et al., 2001). 先前的研究已经表明,ET改变的时间变化的控制因素,随着时间尺度变化。(Kang et al.2003; Lei and Yang,2010; Suyker and Verma, 2008)在以秒为单位的尺度中,ET的可变性主要是受复杂的湍流涡旋运动所影响。在以日到月位单位的时间尺度中,更多的ET可变性主要是受天气模式、作物的生理生态特征和土壤水分状态所影响。每月季节性时间尺度,ET是由太阳辐射的季节模式和作物物候学所决定的, (即,调速叶子的扩张和增长,以及叶落),因此,为了理解ET的时间变化,以及在不同的时间尺度,为更好的ET模型的参数化提供信息,重要的是要确定影响ET的主要因素。

在这项研究中,我们使用光谱分析技术(即,小波变换),去更好地理解ET的时间模式及其时间相关性在多个时间尺度的控制因素。(Kaimal ET al .,1972; Vargas ET al .,2010)光谱分析是一种通过识别主要的周期成分,来评估频域的复杂时序模式的选择性技术。(Kaimal et al., 1972). 此外,两个时间序列之间的时间相关性分析,可以得出,在多个时间尺度下控制因素的关系,可以提供关于本质与起源的联结之间的过程,以及在符合规律的猜想下的因果关系的信息。(Baldocchi et al., 2001; Torrence and Compo, 1998; Vargas et al., 2010).

在之前的研究中使用了傅里叶变换,来研究大气湍流的周期性特征 (Kaimal et al., 1972)以及自然地表通量(Baldocchi et al., 2001)。然而,这种方法因为非平稳和非连续时间序列的存在而失败 (Katul et al., 2001; Vargas et al., 2010)。 由于灌溉脉冲和作物物候学,玉米的ET通量是典型的非平稳的时间序列,生长季节之间的数据差距很大。小波变换可以定位这些差异并根据它们的光谱值将其消除,并在时间和比例(频率的)域解决不平稳的时间序列。我们参考了先前关于小波变换的运用的研究, (Grinsted et al., 2004; Kumar and Foutoula-Georgiou, 1997; Li et al., 2012; Partal, 2009; Sen, 2009; Torrence and Compo, 1998; Yoshida et al., 2010). 以下是本研究需要处理的科学问题：（1）对于中国西北干旱内陆地区,哪种时间尺度对玉米种植的ET时间变率最有优势。（2）在生物物理和生理因素(即太阳辐射、土壤水分含量,树冠电导)之间,哪种时间相关控制在干旱地区的玉米ET? 我们假设:（a）ET将展示强大的日期性和季节性的波动,这反映了太阳辐射模式对生物物理控制过程 (即。、昼夜、植物物候学);以及（b）灌溉方式可能在ET的时间变率和在ET和它的生物物理控制之间的时间相关性上有实质性的影响控制。本研究填补了一个缺陷,即用理解ET的时间变率,去更好地理解在农田干旱的内陆地区底层水流程和改善水资源管理。(Steduto and Hsiao, 1998; Suyker and Verma, 2008).最后,这对于中国北方干旱地区的玉米种植是一个先驱性的工作

2.实验材料和实验方法

2.1.研究设置及测量

该实验在位于中国西北部甘肃省（北纬37中国西,东经105国西北,海拔1581米）的中国农业大学的农业与生态节水试验站进行, 从2008年到2009年,历经两个完整的生长季。日照时间年平均大于3000小时,年均温度在8℃,平均每年有150天温度在零下。该地区的水资源有限,年平均降雨量为164毫米,年平均蒸发量为2000毫米。平均地下水位深度低于30米。

2008年5月3日和2009年4月21日,春季在南北长700米,东西宽300米的试验田进行玉米播种。在2008年9月25日和2009年9月28日收获。土壤表面部分覆盖塑料薄膜,这是一个在该地区广泛使用行之有效的管理策略。(Hou et al., 2010; Zhou et al., 2009).塑料薄膜的宽度是100厘米,两个塑料薄膜之间的有65厘米的裸地。玉米播种在塑料薄膜下直径5.0厘米的孔内,行距和株距分别是50厘米和23.8厘米。因此,该种植模式的实际密度为每公顷76300株,0-0.5的实际覆盖部分,它被定义为裸土表面和种植洞口地区土壤单位面积。对于0 - 1.0的土壤深度、土壤类型是体积密度为1.45 g cm^minus;3 的粉砂壤土,田间持水量为0.32 m³m^minus;3 ,0.10 m³m^minus;3 的凋萎点。这种灌溉制度和作物管理在表1中列出。

蒸散是是在2008年和2009年之间的两个完整的生长季节,用一个安装在玉米田地中心的涡流协方差系统来测量。涡流协方差(EC)系统由一个快速响应的三维声波风速计(CSAT3,坎贝尔科学Inc .,洛根,UT,美国),一个氪湿度计(KH20,坎贝尔科学Inc .,洛根,UT,美国),温度和湿度传感器(HMP45C Vaisala公司,芬兰赫尔辛基),所有设备需要连接的数据记录器(CR5000,坎贝尔科学,Inc .,洛根,UT,美国)而组成。声波式风速计和氪湿度计安装在离地面3.5米处。净辐射(Rn)用来衡量净辐射仪(Kipp amp; Zonen NR-LITE,代尔夫特,荷兰),也被安装在离地面3.5米处。两个土壤热通量板块(HFP01,Hukseflux,代尔夫特,荷兰) 被分别安装在塑料薄膜和裸土8.0厘米以下。土壤热通量板上的土壤温度是用处在土壤热通量板深处2.0厘米和6.0厘米呈直线的热电偶来测量,,土壤水分在0 - 10.0厘米使用EnviroSMART土壤水分反射计(Sentek传感器技术、SA、澳大利亚)来测量,用烘干来校准。地面热通量(G)用传感器上8.0厘米时的热通量和土壤蓄热来估算。8.0厘米土壤蓄热取决于传感器上方的土壤温度和水分。仪表和通量校正详细描述见Ding et al. (2010).

测定体积的根茎区(0 - 1.0)的土壤含水量(SWC),安装8根PVC通道管测量,利用便携式设备Diviner2000(Sentek传感器技术、SA、澳大利亚)测量,每隔3 - 5天测定一次,测量值在于最高土壤深度为1米,每隔0.1米的区间产生。额外的取样样本在灌溉以及降雨前后被分析。土壤含水量的测量值利用原地烘干的土壤样本校准 (重量法)。直线插补被应用在测量日间,以确定土壤含水量的增长季节。

10株玉米植株被随机选中,在生长季节,每隔10天用以测量叶片长度和宽度。叶面积通过合计矩形面积来估算 (即 叶片长度times;最大宽度)乘以0.74倍,这是通过用AM300(ADC BioScientific有限公司、英国) 测量,分析矩形区域和实际区域的比值所获。连续的叶面积指数(LAI)是在播种后的日子Days After Sowing (DAS)用单一方程式进行适宜的观测所得。

(LAI = atimes;t^b times;exp(minus;rtimes;t), t代表 DAS, r是LAI改变的比率, a, b 为常数) (Hashimoto, 1990).

2.2参数的计算

相对提取的水（REW）在作物根系层土壤被定义为：

在土壤含水量(cm³ cm^-3）是土壤水分含量,SWCF(cm³ cm^-3）是饱和含水量场容量,和SWCw是萎蔫点,土壤有效水（法）在根区的定义是,为SWCF和SWCw之间。TAW 50%称为玉米水分胁迫阈值（Suyker and Verma, 2008）。冠层电导（Gc）是反映环境的改变作物的生理反应（Jarvis and McNaughton, 1986）。Gc是净辐射（Rn）的强烈反应、蒸汽压亏缺（VPD）,空气温度（Ta）,LAI,和SWC,并由Penman–Monteith公式计算方程（Allen et al., 1998）：

其中一个（(kg m^-3）空气密度、CP（J kg^-1 K^-1）是恒定压力下干燥空气的比热,（J kg^-1）是水的汽化热,

（kPa ◦C^-1）是饱和蒸汽压力曲线的斜率,upsih;（(kPa ◦C^-1）是湿度恒定,Rn - G是可用的能量（W m^-2）。GA（mm s-1）是气动导度估计如下（Monteith and Unsworth, 2008）

其中u (m s^-1)的平均风速和u* (m s^-1)是电子系统测量摩擦速度。

2.3 小波频谱分析

我们开始描述常用的时间序列分析,这是我们研究相关的术语。功率谱提供了多少方差信息与特定的相关的频率（Kaimal et al., 1972）。此外,特征量化时两个时间序列之间的协方差的量,x和y,在整个频谱的频率（baldocchi et al.,2001）。相干光谱对当地相关信息时间序列间（Torrence and Compo, 1998）。最后,相位谱反映了两个时间序列之间的振荡同步（grinsted et al.,2004）。重要的是,相位超前或滞后的两个时间序列之间可以提供进程间的性质和来源的信息耦合,或因果关系假设的效果必须遵循的原因（grinsted et al.,2004）。

我们使用正交小波变换（OWT）来计算功率谱和谱间ET及其控制因素（Yoshida et al., 2010）。我们使用这种技术由于处理速度快,计算成本低,而且去除了数据

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