【摘要】：人類活動(dòng)引起的土地利用與土地覆蓋變化對(duì)環(huán)境氣候的影響是全球氣候變化研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題之一。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的背景下,塑料薄膜覆蓋技術(shù)被廣泛采用。塑料薄膜不僅顯著改變了地表反照率等下墊面物理特征,而且人為抑制了地氣間的能量和物質(zhì)交換,這些改變必將通過改變陸氣相互作用而給氣候環(huán)境帶來明顯影響。為了準(zhǔn)確地模擬研究塑料薄膜覆蓋農(nóng)田下墊面與大氣間的能量和物質(zhì)交換特征,本文首先利用中國(guó)西北“干旱區(qū)地膜覆蓋農(nóng)田地氣相互作用觀測(cè)實(shí)驗(yàn)”在2015年6月1日-7月24日的數(shù)據(jù),分析了干旱區(qū)地膜覆蓋農(nóng)田下墊面的陸面過程特征;隨后,在陸面過程模式CoLM中引入了一個(gè)地膜層子模型,建立了地表層、地膜層和土壤層的能量平衡方程,提出了地膜層的輻射傳輸和感熱輸送參數(shù)化方案,接著以觀測(cè)資料為基礎(chǔ)發(fā)展了一個(gè)地表反照率動(dòng)態(tài)參數(shù)化方案,從而形成了一個(gè)新的陸面過程模式CoLM-mulch;最后,利用CoLM-mulch模擬研究了干旱區(qū)地膜覆蓋條件下農(nóng)田下墊面的陸氣相互作用特征。同時(shí),利用相同的大氣強(qiáng)迫場(chǎng),以及土壤和植被參數(shù)運(yùn)行CoLM模式作為對(duì)比模擬試驗(yàn),考察了塑料薄膜覆蓋對(duì)農(nóng)田下墊面陸面過程的影響。主要研究結(jié)論如下:(1)地膜覆蓋農(nóng)田淺層20cm以上深度處的土壤溫度受灌溉影響較大,灌溉后,5cm處土壤溫度的日平均值從24℃下降至19℃,而較深層40cm和80cm處土壤溫度受灌溉的影響較小,其日均值變化較小。當(dāng)對(duì)農(nóng)田進(jìn)行灌溉后,各層的土壤濕度劇增,產(chǎn)生明顯的突變,但深層土壤濕度的變化顯著落后于淺層,隨著灌溉效應(yīng)的消失,觀測(cè)峰值后土壤濕度有明顯的回落,尤其淺層5cm的土壤濕度迅速下降,而10cm、20cm、40cm和80cm處的土壤濕度緩慢減小。通過對(duì)比地膜玉米、地膜無(wú)玉米和裸土這三種下墊面的特征,發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋下墊面的各層土壤溫度、濕度基本上都大于裸土下墊面,尤其是淺層土壤,說明地膜覆蓋對(duì)土壤有一定的保溫和保墑作用;同時(shí)發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋下墊面的向上長(zhǎng)波、短波輻射也均大于裸土下墊面,而且地膜覆蓋農(nóng)田下墊面地表反照率的變化與太陽(yáng)高度角和植被覆蓋度有關(guān)。(2)假設(shè)地膜覆蓋完全切斷了土壤與大氣間的水汽輸送,阻斷了大氣與土壤呼吸產(chǎn)生CO_2的交換,據(jù)此建立了地表層、地膜層和土壤層的能量平衡方程,提出了地膜層輻射傳輸和感熱輸送參數(shù)化方案,便得到一個(gè)描述地膜層物理過程的子模型。同時(shí),發(fā)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上地膜覆蓋農(nóng)田下墊面地表反照率不受土壤濕度影響,而與植被覆蓋度和太陽(yáng)高度角有關(guān),從而發(fā)展了一個(gè)地表反照率動(dòng)態(tài)參數(shù)化方案。進(jìn)一步,將地膜層子模型耦合到CoLM模式中,并利用建立的地表反照率動(dòng)態(tài)參數(shù)化方案改進(jìn)CoLM模式,形成了一個(gè)可模擬大氣-植被-塑料薄膜-土壤相互作用的陸面過程模式CoLM-mulch。(3)CoLM-mulch模式能夠合理地模擬塑料薄膜覆蓋農(nóng)田下墊面土壤溫度,土壤濕度,以及輻射、水熱、CO_2通量的日變化特征,模式效率較高,模擬偏差較小,模式中的地表反照率動(dòng)態(tài)參數(shù)化方案較為合理。對(duì)比模擬試驗(yàn)顯示:CoLM-mulch模式模擬的各個(gè)特征量與觀測(cè)值間的各個(gè)統(tǒng)計(jì)評(píng)估量較CoLM合理,尤其在植被覆蓋度較低的時(shí)期。但同時(shí)從平均偏差值來看,CoLM-mulch模式模擬的土壤溫度和土壤濕度,向上長(zhǎng)波輻射,感熱通量,以及CO_2通量均稍高于觀測(cè)值,CoLM-mulch模式模擬的向上短波輻射和潛熱通量較觀測(cè)值偏低,而CoLM模式則相反。結(jié)果表明,塑料薄膜覆蓋可以顯著提高土壤溫度與濕度,影響地表反照率和近地層輻射平衡,阻礙土壤水分蒸發(fā),并抑制土壤呼吸產(chǎn)生的CO_2,改變地氣間水熱傳輸和CO_2收支平衡過程。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：S316
【圖文】：

圖 2-1 “干旱區(qū)地膜覆蓋農(nóng)田地氣相互作用觀測(cè)實(shí)驗(yàn)”：(a)氣象觀測(cè)塔；(b)輻射裝置觀測(cè)場(chǎng)地圖 2-2 “干旱區(qū)地膜覆蓋農(nóng)田地氣相互作用觀測(cè)實(shí)驗(yàn)”玉米生態(tài)指數(shù)觀測(cè)在成功完成了中國(guó)西北“干旱區(qū)地膜覆蓋農(nóng)田地氣相互作用觀測(cè)實(shí)驗(yàn)”之后，

10區(qū)地膜覆蓋農(nóng)田地氣相互作用觀測(cè)實(shí)驗(yàn)”玉米生態(tài)中國(guó)西北“干旱區(qū)地膜覆蓋農(nóng)田地氣相互作用-11 月12日期間，在內(nèi)蒙古平坦的戈壁灘上(37農(nóng)田觀測(cè)的儀器進(jìn)行了平行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，從而保了觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，如圖 2-3 所示。這次實(shí)驗(yàn)、型號(hào)列于表 2-1 中。平行對(duì)比觀測(cè)結(jié)果顯示影響和農(nóng)田灌溉影響資料不完整外，95%以上所獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過平行比對(duì)分析后，進(jìn)行了據(jù)庫(kù)，這為后期深入的科學(xué)研究提供了可靠

圖 2-3 干旱區(qū)觀測(cè)儀器平行對(duì)比實(shí)驗(yàn)干旱區(qū)地膜覆蓋農(nóng)田地氣相互作用觀測(cè)實(shí)驗(yàn)”相關(guān)儀器的系統(tǒng) 儀器名稱 生產(chǎn)廠商 型號(hào)觀測(cè)塔 風(fēng)速傳感器 Kipp&Zonen 010C溫濕傳感器 Vaisala HMP45C溫濕傳感器 Campbell HC2S3二維超聲風(fēng)傳感器 Gill MetPak觀測(cè) 三維超聲風(fēng)速儀 Campbell CAST3開路氣體分析儀 Li-Cor Li-7500觀測(cè) 短波輻射計(jì) Kipp&Zonen CMP6/CM長(zhǎng)波輻射計(jì) Kipp&Zonen CGR4凈輻射傳感器 Kipp&Zonen NR觀測(cè) 土壤濕度傳感器 Campbell CS616-L土壤溫度傳感器 Hukseflux STP01-L5土壤熱通量板 Hukseflux HFP01SC

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2752487