前言

党的十八大和十八届三中全会均要求大力推进生态文明建设,从源头上扭转生态环境恶化趋势,为人民创造良好的生产、生活环境,为全球生态安全作出贡献。植被是生态环境系统的生产者,植被需水量是维系生态环境系统平衡最基本的要素。水分在植物生命活动中扮演着重要的角色,植物的一切正常生命活动只有在一定的水分条件下才能进行。为恢复和重建人类赖以生存的生态环境,需要从机理上了解和掌握生态系统的需水规律,从可持续发展的角度确立人与自然和谐共存的发展方针,遵循自然规律,恢复和重建退化的生态系统,在水资源可持续利用和保护生态环境的条件下,相应地合理配置水资源,合理安排生态环境建设。因此,准确地测定和估算蒸腾、蒸发量不仅对研究全球气候演变、环境问题以及水资源评价等有重要意义,而且对指导农业排水与灌溉、监测墒情及生态恢复建设等的意义也十分重大。

对于干旱区来讲,水更是制约因素,建设生态文明首先要解决植被生态需水问题,核心是科学地模拟分析植被需水机理、精确地制定植被高效灌溉制度。浑善达克沙地是我国十大沙漠沙地之一,东西长约450km,面积约5.2万km2,平均海拔1300m,位于内蒙古中部锡林郭勒草原南端,距北京直线距离180km,是离北京最近的沙源,也是京、津、冀地区生态环境的有利屏障。干旱的浑善达克沙地生态建设既要掌握人工草场牧草需水量,合理确定高效用水灌溉定额,又要了解不同水文年、同一水文年不同生长阶段天然牧草群落蒸腾量的差异,因为天然牧草生长态势间差异决定于牧草为满足蒸腾而吸收水量的差异。开展牧草需水机理研究既有利于生态安全建设,又能为合理制定畜牧业防灾减灾对策提供帮助。

本书以浑善达克沙地优势天然牧草和典型人工牧草为例,在多年试验实测数据的基础上,主要开展了如下研究:①深入分析人工牧草、天然牧草蒸散的物理机制和生理机制,模拟了叶片气孔导度与各主要环境因子间的响应关系,建立了气孔导度-光合作用-蒸腾耦合模型,测算了人工牧草冠层尺度和天然牧草群落尺度的蒸散量;在此基础上,提出应用能量平衡模型和气孔导度模型的耦合模型来估算模拟人工牧草冠层尺度、天然牧草群落尺度的蒸散量的方法。②应用联合国粮农组织推荐的二元作物系数模型模拟了人工牧草的蒸散量,比较了三种模拟模型的优劣性,讨论了各种模型的适用条件和范围,并确定了典型人工牧草基本作物系数的地区值。③应用SWAP模型模拟田间尺度的土壤水分运移规律和蒸散发规律,研究了人工牧草“三水”转化的机理。④建立了多状态随机离散动态规划模型,确定了人工牧草非充分灌溉制度;应用水量平衡模型,确定了水分利用效率和边际产量最高的多年生人工牧草不同水平年高效用水灌溉制度。

与现行的研究相比,本书重点在如下方面进行了一些探索:①充分考虑牧草的气孔导度与光合有效辐射、冠层内空气饱和水汽压差、叶片温度、大气中CO2浓度等环境因子间的相关性,建立了四组Jarvis乘合模型,利用两年期间不同时段按1h间隔观测的环境因子和气孔导度数据对30个组合按不同生育阶段进行逐步多元回归分析,得出各种组合各生育阶段的决定系数,并遴选出各生育阶段气孔导度对四个环境因子响应最灵敏的乘合模型,经验证改进后的模型对气孔导度的时间变异性研究十分有效。②确定了羊草群落叶片气孔导度转化为冠层尺度气孔导度方法,解决了无法通过先积分后求和方法确定牧草群落冠层尺度气孔导度的实际问题。③考虑了CO2从大气进入牧草体内、牧草体内水分通过蒸腾进入大气这两类传输过程的实际情况,及在传输中的阻抗系统表现出的光合-蒸腾的内在机理,建立了光合-蒸腾耦合法,模拟了人工牧草需水量,与传统的水均衡法、能量平衡法相比,该模型具有很好的普适性。④根据当地气象、水文条件通过迭代反推法,找出残差平方和最小时的牧草基本作物系数地区值,弥补了联合国粮农组织推荐的双作物系数法的空白,模拟结果更加准确。

仅以本书献给敬爱的朝伦巴根先生以及致力于草原生态保护和水资源优化管理的同行。本书的顺利完成得到了内蒙古农业大学、水利部发展研究中心领导与专家的大力支持、指导和帮助,在此表示衷心的感谢。书中难免存在诸多的疏漏,敬请各位同行专家批评指正。

作　者

2014年8月