基于叶面积指数耦合STEMMUS模型的果园土壤水热特征

摘要

[目的]叶面积指数（leaf area index, LAI）作为生态系统水循环过程模拟研究的关键参数，其快速动态模拟可解决土壤水-汽-热-气耦合模型STEMMUS（simultaneous transfer of energy, mass and momentum in unsaturated soil）只能使用固定或实测LAI作为输入参数的局限性。[方法]将EPIC模型中的“植物叶面积发育子模块”与STEMMUS模型耦合，采用2019年和2020年子洲县山地苹果试验示范基地苹果生长条件下实测的果树蒸腾、土壤水分和土壤温度数据对模型进行率定与验证，以评估耦合模型在黄土高原的适用性。[结果]通过优化植物生长参数，耦合叶面积发育子模块后的STEMMUS模型对苹果树蒸腾耗水过程的模拟精度显著提高，率定年和验证年的归一化均方根误差（NRMSE）和平均绝对误差（MAE）分别从原模型的40.2%、61.9%和0.52、0.64 mm/d降低到耦合模型的30.0%、33.2%和0.42、0.38 mm/d。同时，耦合模型可较好地模拟苹果园的土壤水热动态过程，在率定期和验证期模拟土壤水分体积分数和土壤温度的NRMSE分别为1.4%～32.9%和2.9%～9.5%,MAE分别为0.13～4.26 cm³/cm³、0.34～1.49℃。[结论]模拟值与实测值吻合度较高，表明耦合模型可准确描述黄土高原苹果园果树叶面积动态生长和生态水文过程，研究结果可为黄土区果园生态水文过程的研究提供技术支撑。

关键词

叶面积指数 / STEMMUS / 果树蒸腾 / 土壤水热 / 黄土高原