黃淮海農(nóng)田防護(hù)林體系水分利用同步測算模型與應(yīng)用研究.pdf

1、黃淮海平原是我國重要糧食產(chǎn)區(qū)，農(nóng)田防護(hù)林一直是該區(qū)農(nóng)業(yè)綜合治理與開發(fā)、平原綠化工程的重要內(nèi)容，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了重要的生態(tài)保障。水資源緊缺是制約該地區(qū)農(nóng)業(yè)及林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最主要生態(tài)要素。為應(yīng)對水資源日益緊缺、氣候變化等諸多因素對糧食安全和林業(yè)生態(tài)建設(shè)的影響，黃淮海農(nóng)田防護(hù)林體系建設(shè)與發(fā)展應(yīng)以科學(xué)協(xié)調(diào)農(nóng)林用水關(guān)系為前提。深入研究該地區(qū)農(nóng)田防護(hù)林體系多尺度種間水分利用關(guān)系，對防護(hù)林系統(tǒng)模式優(yōu)化、種間調(diào)控管理、林木水分承載力及區(qū)域發(fā)展規(guī)模的確

2、定等具有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義。
　　以蒸散及水分利用效率為主要指標(biāo)的種間水分利用關(guān)系雖一直是農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的重要研究內(nèi)容，但因復(fù)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及模式的多樣性以及現(xiàn)有實(shí)測技術(shù)與模擬模型的局限性，制約研究成果的應(yīng)用價(jià)值，亟待開展多尺度種間水分利用同步測算研究。鑒于地面觀測與遙感觀測在時(shí)空尺度及分辨率各具優(yōu)勢，如能將地面與遙感觀測在機(jī)理上進(jìn)行融合，構(gòu)建一套能夠兼顧精度與尺度的星地集成綜合模型，利用精確的地面觀測數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)遙感模型，獲取多尺

3、度不同組分蒸散及水分利用效率等數(shù)據(jù)，則具有很好科學(xué)價(jià)值及應(yīng)用前景。目前，在農(nóng)田防護(hù)林系統(tǒng)下墊面條件下，有關(guān)此方面的綜合模型未見公開報(bào)道。
　　本研究以地處黃淮海平原黑龍港流域的河北省饒陽縣官廳農(nóng)田防護(hù)林試驗(yàn)示范區(qū)為基地，研究建立農(nóng)田防護(hù)林體系多尺度種間水分利用同步測算的模型，并利用驗(yàn)證后的模型，分析2007年及2008年4－6月10個(gè)楊樹林網(wǎng)系統(tǒng)楊樹與小麥尺度種間水分利用關(guān)系，再結(jié)合1995年實(shí)測數(shù)據(jù)，分析兩個(gè)不同林齡階段防護(hù)林網(wǎng)

4、的水分效應(yīng)。主要結(jié)果如下：
　?。?）基于光能利用效率和Priestley-Taylor的基本原理，研究構(gòu)建了以遙感觀測為主、常規(guī)地面觀測為輔的各組分植被生產(chǎn)力（GPP）及蒸散耗水（ET）的同步測算模型（簡稱“星地集成水分利用模擬模型”），將GPP除以ET，可得到WUE模型。模型的空間分辨率為30m、時(shí)間分辨率為8d。
　?。?）將波段光譜性質(zhì)相近、同一時(shí)間段的中等分辨率成像光譜影像數(shù)據(jù)（MODIS）和陸地衛(wèi)星（LANDSA

5、T）遙感影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)融合，建立了高時(shí)空分辨率的遙感數(shù)據(jù)庫，為模型運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐；
　?。?）利用小麥及楊樹ET及小麥GPP地面測算數(shù)據(jù)（實(shí)測值），對模型進(jìn)行驗(yàn)證精度進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：模擬值與實(shí)測值存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系，其中，小麥ET實(shí)測值與模擬值相關(guān)系數(shù)為0.82，相對誤差平均值為14.9％；楊樹ET實(shí)測值與模擬值相關(guān)系數(shù)為0.833，相對誤差平均值為15.5％，小麥GPP實(shí)測值與模擬值相關(guān)系數(shù)達(dá)0.927，相對誤差平

6、均值15.62％，所構(gòu)建的模型具有較高的測算精度，可滿足農(nóng)田防護(hù)林體系多尺度種間水分關(guān)系及水分效應(yīng)的同步測算等相關(guān)研究工作的要求。
　?。?）利用星地集成水分利用模擬模型的測算數(shù)據(jù)，分析表明：冬小麥拔節(jié)－乳熟期間，單位面積上，各楊樹林網(wǎng)蒸散耗水量略高于冬小麥耗水量。但實(shí)際面積上，各林網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)冬小麥耗水量均高于林帶，二者比值（RET）在2007年及2008年分別為3.37－8.18、3.66－7.20。各網(wǎng)格RET值有較大的差異，在

7、10個(gè)供試網(wǎng)格系統(tǒng)間的變異率（CV）在2007年、2008年分別達(dá)0.14、0.07。該2年10個(gè)網(wǎng)格RET平均值分別為5.14、5.06，即在實(shí)際面積上作物蒸散耗水遠(yuǎn)高于林帶。說明總體而言，作物耗水仍是農(nóng)田防護(hù)林體系耗水的主要方式，楊樹不會(huì)與冬小麥發(fā)生激烈爭水的矛盾。在黃淮海平原農(nóng)區(qū)，適度發(fā)展楊樹防護(hù)林具有可行性。
　?。?）多數(shù)網(wǎng)格內(nèi)作物和林帶的ET和 GPP均存在顯著的對數(shù)或線性函數(shù)關(guān)系（P<0.05），表明用水量是植物生產(chǎn)

8、力的決定因子之一。冬小麥與林帶水分利用效率（WUE）的比值在網(wǎng)格間存在一定的差異，但多數(shù)網(wǎng)格作物高于林帶。
　　（7）就以500m×250m，主防護(hù)林方向?yàn)闁|-西走向，一路兩行（4×8m）的楊樹林網(wǎng)－小麥復(fù)合系統(tǒng)而言，12a林齡時(shí)，在距離林帶10m范圍內(nèi)的土壤水分低于CK（簡稱負(fù)效應(yīng)區(qū)）、該范圍外的土壤水分則高于 CK（簡稱正效應(yīng)區(qū)）；24a林齡時(shí)在距離林帶15m范圍內(nèi)為負(fù)效應(yīng)區(qū)、此范圍外為正效應(yīng)區(qū)。網(wǎng)格尺度而言，楊樹防護(hù)林具有提

9、高土壤貯水量的作用，但這種提高效應(yīng)會(huì)隨著樹齡的增長而有所降低。在小麥拔節(jié)-乳熟期間，對比CK，12 a和24 a林齡防護(hù)林可使0－200 cm土層土壤貯水量分別提高7.8%，1.9%；對比CK，上述2個(gè)林齡階段，楊樹防護(hù)林網(wǎng)均具有降低小麥蒸散量的作用，降低值分別可達(dá)19.1%，25.0%，說明隨著樹齡的增長，防護(hù)林對農(nóng)田蒸散的降低效應(yīng)并未顯著下降，故對因樹木根系吸水所導(dǎo)致的林帶附近農(nóng)田土壤水分下降的狀況，具有重要的緩解作用。