作物生长田间水分平衡的系统模拟

1、    作物生长田间水分平衡的系统模拟            作者：吕 军时间：2007-11-25 12:15:00                     摘要：本文以作物生长模型MACROS(L1D)为基础，建立了土壤水分运动和作物生

2、长耦合关系综合模拟系统. 着重介绍了SPAC体系水分运动子模型，并对土壤水分运动模拟的结果和各类参数的灵敏度等进行了分析.最后，应用该模拟系统对南方多雨地区冬小麦田土壤水分平衡和土壤渍害的发生过程进行了模拟分析. 关键词 关键词：SPAC水分运动 水分与作物生长耦合模型 水分平衡 渍害 地表排水   近年来数值模拟方法在农田土壤水分运动研究中被广泛采用1,4，并逐步从实验室引向田间5,6，也考虑了农田作物状况对土壤水分运动的影响2,3,7,9.但是，国内大多数水分运动模型没有涉及土壤水分条件对作物生长过程的动态影响，因而不能很好地反映土壤水分运动与作物生长动态之间所具有的强烈的反馈和

3、耦合作用，实际上，不良水分条件限制作物生长，而作物生长状况的改变又对农田水分平衡过程产生重要影响.同时，作物的不同种植方式也将影响农田水分平衡状况.在作物生长动态模型MACROS(L1D)8和田间水分平衡模型的基础上，建立并引进了农田水分平衡与作物生长动态耦合子模型，本文着重讨论水分运动子模型的模拟方法，分析模型模拟结果的可靠性及其对主要参数的敏感性，并应用该模型研究了多雨地区冬小麦生长田间土壤水分动态，讨论多雨地区土壤渍、涝的发生和消退过程.1土壤水分运动数学模型以近作物冠层的大气为上边界，土体一米深处为下边界，构成作物生长田间农田水分平衡系统.作物生长模型MACROS(L1D)以1d(24

4、h)为时间步长，在作物出苗后开始模拟，并向土壤水分平衡模型提供所需作物参数.而土壤水分运动模型则以可变时间步长(0.1-0.001d)进行模拟.因此，土壤水分状态经24h循环计算后才取值与作物发生相互作用.当不良土壤水分条件发生时，作物生长受到限制，从而也改变了向土壤水分平衡模型提供的有关作物参数，这样就构成了土壤水分平衡与作物生长动耦合关系.模型中，仅考虑作物特性、土壤水分特性和气象要素，并认为其它条件均满足作物生长要求.1.1水分液态流   土壤水分液态流为有根系吸水条件下的垂直一维流，即/t=-q/Z-Sr,其中q为水流通量，q=-K(h)h/Z+K(h),因此有：C(h)(h

5、)/(t)=()/(Z)K(h)(h)/(Z)-K(h)-Sw,       (1)式中 h(cmH2O)为压力水头，K(h)为导水率(cm d-1-1), C=d/dh为比水容量，Z为深度座标(cm)，t为时间(d)，Sw为根系吸水函数.田间条件下，土壤水分运动有多种边界条件，而它们又反复交替变化.本模型有：初始条件：  h=hi, Z0, t=0.上边界条件：(1)表层土壤接近饱和或有极薄积水时，h=0, Z=0, t0. (2)土表向土壤供水，供水强底低于入渗率，K(h)(h)/(Z)-K(h)=-i, Z=0, t0. (3)

6、土表蒸发而土壤供水充足，K(h)(h)/(Z)-K(h)=E, Z=0, t0. (4)土壤蒸发而土体向土表供水速率低于蒸发速率，土表趋于风干状态，h=had, Z=0, t0; 其中脚标ad表示风干土.下边界条件：下边界条件主要考虑地下水位埋深ZW(m)的影响(1) ZW3.0; h=hi, Z=Zmax, t0. (2)3.0ZW1.0; h=ZW-Zmax, Z=Zmax, t0. (3)ZW1.0; h=0, Z=ZW, t0. 其中，当ZW1.0m时，地下水位埋深即为模拟系统下边界，流入地下水位中的水亦即为土壤水渗漏损失.土壤中发生饱和流时， /t=0, 有：q=-Ki(hi+1-h

7、i)/(Zi+1-Zi)i,(h2-h1)+(h3-h2)+(hn+1-hn)=hn+1-h1,  (2)i=n, 为土壤层次数，得到n+1个线性方程求解.对土壤中的非饱和流，考虑到土壤水分运动模型与作物生长动态模型的综合模拟计算量较大，故采用基质流势(Matric flow potential)8,9的概念求解水流方程.定义U为基质流势U-hK(h)dh,则水流通量方程可改写为：q=-(dU)/(dZ)+K(h) ,(3)假设两相邻土层中心的流量随深度的分布不变，微薄土层中心之间的水势变化为线性的，则式(3)可以导出水流通量方程的积分形式为：(4)当水流发生在非均质土层之间时，式(

8、4)中的积分项由下式修正.(5)作物根系吸水函数Sw, 先由作物冠层蒸腾量E确定其总量，当土壤供水充足时，各土层中根系吸水量Swi，根据已确定的根系总量和由实验测定的根系在土壤剖面上的分布比例i计算，即Swi=iE .(6)不良土壤水分条件发生时，根据旱害、渍害程度对式(6)进行修正，修正参数由实验确定9.1.2水分汽态流Ep=ESR+E (7)其中(8)式(8)中，SR为辐射吸收量，为水的汽化潜热，S为饱和水汽压随温度变化曲线的斜率，P和*分别为空气干燥力和表观温度计常数项，它们又分别为：(9)式中es和ea分别为饱和水汽压和水汽压实测值，Cp为空气的体积热容量，为湿度计常数，而h、b和s分

9、别为边界层热交换阻力、边界层水汽交换阻力和气孔阻力.式(8)中，ESR和E受作物冠层叶面积状况的影响，因此作物潜在蒸腾速率Ecp,应由叶面积系数ALV进行校正8，则式(8)可改写为：(10)式中ES为土壤蒸发率，bL和bS分别为作物遮阴修正系数和土壤湿度修正系数，即(12)式中m和n分别经验系数，分别与作物种类和土壤性质有关，ALV为包括死叶和活叶的总叶面积系数，a和f则分别为风干土壤湿度和田间持水量.考虑到实际土壤蒸发并不都发生在一个峰面上，则应由各土层蒸发贡献率mi将ES值分配到各土层中去：(13)式中脚标i为土壤层次，d为土层厚度，L为土层深度，K'为经验系数.此外，为避免地下侧

10、渗流的引入而造成模型过于复杂，地下水埋深按实际观测值输入.1.3模型软件及其输入和输出整个模型模拟软件用CSMP语言编制(连续系统模拟程序语言).模型所需输入资料包括作物资料(品种特性和生长特性资料)、气象资料(日最高和最低气温、日照时数、日降雨量、日均湿度、日平均风速)和土壤资料(水分特征曲线，水分常数S,F,W和a，土壤饱和导水率和非饱和导水率，土壤质地类型，土层深度和厚度，地下水位埋深等).模型输出包括每日作物生长状态变量、各土层土壤含水率剖面分布以及田间水分平衡收入和支出各项.2模型的验证和灵敏度分析2.1模型验证田间试验于1994年11月到1995年5月在浙江衢州市十里丰农场农科所冬

11、小麦田进行，面积1.5亩，小麦品种钱江2号，土壤为红壤性水稻土，土壤质地除15-30cm为重粘土外图1 土壤含水量模拟值和实测值的比较其余均为轻粘土.气象资料由麦田邻近的农科所气象观测站提供，全季总降雨量为1060mm，无地下水位影响.模拟从1994年12月27日苗期开始到1995年5月23日小麦成熟结束，模拟时间总长为148d.田间土壤水分测定采用取样烘干法，每隔10d同时测定0-5cm、5-15cm和30-35cm土层深度的土壤含水量，以多点平均值与模拟值进行比较，其中3月16日到27日隔天取样测定，测定值与模拟值的比较结果如图1.由于实测值是田间多点平均值，考虑到田间土壤水分分布的空间变

12、异性，本模拟与实测值对比的结果是相当令人满意的.2.2模型主要参数灵敏度分析图3 气象因素的变化对小麦田水分平衡影响的模拟结果 图4 作物叶面积的改变对田间水分平衡影响的模拟结果3农田水分平衡的模拟分析应用本文所提出的作物生长动态与土壤水分运动耦合模型，对南方丘陵红壤地区稻田冬季麦作的农田水分平衡和常见的土壤渍、涝问题进行模拟分析.图5 浙江衢州十里丰农场近十年冬小麦田水分平衡模拟的平均结果3.1冬小麦田间水分平衡模拟分析3.2降雨量与土壤渍害发生关系的模拟图6是较长时间干旱后，进入雨季开始连续降雨的典型条件下，不同日降雨量的连续降雨后土壤渍害发生过程的模拟结果.图6所示，曲线末端数字表示日降

13、雨量，若以田间持水量为渍害发生最小土壤含水量，当雨前土壤含水量为0.24cm/cm时，日降雨3mm和5mm连续5d和3d，土壤含水量即超过田间持水量而将产生渍害，日降雨量为7.5mm和10mm时，连续两天后产生渍害，大于10mm时，降雨当日就使土壤含水量达到渍害水平.3.3地表排水能力与渍、涝消退关系模拟图6 冬小麦田土壤渍害发生过程的模拟结果图7 冬小麦田土壤涝害和渍害的发生与消退过程的模拟结果图7表明，地表排水良好的情况下，例如当田间允许积水平均深度1cm时，100mm降雨量造成的涝害和渍害分别在2d和6d之内可以消退；而如果田间允许积水平均深度达5cm时，涝害可能持续8d，渍害和涝害完全

14、消退则需要11d.在当地条件下，4-5月份中日降雨量达100mm的情况几乎每年均有出现，而此时正是小麦籽粒灌浆时期，涝害和渍害对产量影响极大7，8.4结论(1) 本文建立了作物生长动态与土壤水分运动耦合模型.模拟验证表明，该模型较好地反映了土壤水分条件与作物生长之间的动态耦合关系，提高了土壤水分运动模拟的可靠性和适用性，增强了处理多雨地区作物生长田间土壤水分平衡问题的能力.(2) 对浙江省红壤地区近10年的农田土壤水分平衡模拟结果表明，冬小麦生产期间平均降水量为771.4mm，而农田蒸腾蒸发量仅为332.5mm，自然降水量是作物需水量的二倍以上；因此，水分过多是该地区冬小麦生产的主要障碍.(3) 对田间渍、涝发生与消退过程的模拟分析表明，浙江省红壤地区一般土壤条件下，日降雨量大于10mm时，一日降雨就可能发生土壤渍害；而良好的地面排水，是排除渍、涝灾害至关重要的一环.当田间地表允许积水平均深度1cm时，100mm的日降雨量所造成的涝害和渍害，分别可在2d和6d之后完全消退；而田间地表