作物生長(zhǎng)田間水分平衡的系統(tǒng)模擬

1、作物生長(zhǎng)田間水分平衡的系統(tǒng)模擬 06-02-21 10:33:00 作者：呂 軍編輯：studa9ngns摘要：本文以作物生長(zhǎng)模型MACROS(L1D)為基礎(chǔ)，建立了土壤水分運(yùn)動(dòng)和作物生長(zhǎng)耦合關(guān)系綜合模擬系統(tǒng). 著重介紹了SPAC體系水分運(yùn)動(dòng)子模型，并對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)模擬的結(jié)果和各類參數(shù)的靈敏度等進(jìn)行了分析.最后，應(yīng)用該模擬系統(tǒng)對(duì)南方多雨地區(qū)冬小麥田土壤水分平衡和土壤漬害的發(fā)生過(guò)程進(jìn)行了模擬分析. 關(guān)鍵詞 關(guān)鍵詞：SPAC水分運(yùn)動(dòng) 水分與作物生長(zhǎng)耦合模型 水分平衡 漬害 地表排水 近年來(lái)數(shù)值模擬方法在農(nóng)田土壤水分運(yùn)動(dòng)研究中被廣泛采用1,4，并逐步從實(shí)驗(yàn)室引向田間5,6，也考慮了農(nóng)田作物狀況對(duì)土壤

2、水分運(yùn)動(dòng)的影響2,3,7,9.但是，國(guó)內(nèi)大多數(shù)水分運(yùn)動(dòng)模型沒有涉及土壤水分條件對(duì)作物生長(zhǎng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)影響，因而不能很好地反映土壤水分運(yùn)動(dòng)與作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)之間所具有的強(qiáng)烈的反饋和耦合作用，實(shí)際上，不良水分條件限制作物生長(zhǎng)，而作物生長(zhǎng)狀況的改變又對(duì)農(nóng)田水分平衡過(guò)程產(chǎn)生重要影響.同時(shí)，作物的不同種植方式也將影響農(nóng)田水分平衡狀況.在作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)模型MACROS(L1D)8和田間水分平衡模型的基礎(chǔ)上，建立并引進(jìn)了農(nóng)田水分平衡與作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)耦合子模型，本文著重討論水分運(yùn)動(dòng)子模型的模擬方法，分析模型模擬結(jié)果的可靠性及其對(duì)主要參數(shù)的敏感性，并應(yīng)用該模型研究了多雨地區(qū)冬小麥生長(zhǎng)田間土壤水分動(dòng)態(tài)，討論多雨地區(qū)土壤漬、

3、澇的發(fā)生和消退過(guò)程.1土壤水分運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型以近作物冠層的大氣為上邊界，土體一米深處為下邊界，構(gòu)成作物生長(zhǎng)田間農(nóng)田水分平衡系統(tǒng).作物生長(zhǎng)模型MACROS(L1D)以1d(24h)為時(shí)間步長(zhǎng)，在作物出苗后開始模擬，并向土壤水分平衡模型提供所需作物參數(shù).而土壤水分運(yùn)動(dòng)模型則以可變時(shí)間步長(zhǎng)(0.1-0.001d)進(jìn)行模擬.因此，土壤水分狀態(tài)經(jīng)24h循環(huán)計(jì)算后才取值與作物發(fā)生相互作用.當(dāng)不良土壤水分條件發(fā)生時(shí)，作物生長(zhǎng)受到限制，從而也改變了向土壤水分平衡模型提供的有關(guān)作物參數(shù)，這樣就構(gòu)成了土壤水分平衡與作物生長(zhǎng)動(dòng)耦合關(guān)系.模型中，僅考慮作物特性、土壤水分特性和氣象要素，并認(rèn)為其它條件均滿足作物生長(zhǎng)要求.

4、1.1水分液態(tài)流 土壤水分液態(tài)流為有根系吸水條件下的垂直一維流，即/t=-q/Z-Sr,其中q為水流通量，q=-K(h)h/Z+K(h),因此有：C(h)(h)/(t)=()/(Z)K(h)(h)/(Z)-K(h)-Sw, (1)式中 h(cmH2O)為壓力水頭，K(h)為導(dǎo)水率(cm d-1-1), C=d/dh為比水容量，Z為深度座標(biāo)(cm)，t為時(shí)間(d)，Sw為根系吸水函數(shù).田間條件下，土壤水分運(yùn)動(dòng)有多種邊界條件，而它們又反復(fù)交替變化.本模型有：初始條件： h=hi, Z0, t=0.上邊界條件：(1)表層土壤接近飽和或有極薄積水時(shí)，h=0, Z=0, t0. (2)土表向土壤供水，供

5、水強(qiáng)底低于入滲率，K(h)(h)/(Z)-K(h)=-i, Z=0, t0. (3)土表蒸發(fā)而土壤供水充足，K(h)(h)/(Z)-K(h)=E, Z=0, t0. (4)土壤蒸發(fā)而土體向土表供水速率低于蒸發(fā)速率，土表趨于風(fēng)干狀態(tài)，h=had, Z=0, t0; 其中腳標(biāo)ad表示風(fēng)干土.下邊界條件：下邊界條件主要考慮地下水位埋深ZW(m)的影響(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，當(dāng)ZW1.0m時(shí)，地下水位埋深即為模擬系統(tǒng)下邊界，流入地下水位中的水

6、亦即為土壤水滲漏損失.土壤中發(fā)生飽和流時(shí)， /t=0, 有：q=-Ki(hi+1-hi)/(Zi+1-Zi)i,(h2-h1)+(h3-h2)+(hn+1-hn)=hn+1-h1, (2)i=n, 為土壤層次數(shù)，得到n+1個(gè)線性方程求解.對(duì)土壤中的非飽和流，考慮到土壤水分運(yùn)動(dòng)模型與作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)模型的綜合模擬計(jì)算量較大，故采用基質(zhì)流勢(shì)(Matric flow potential)8,9的概念求解水流方程.定義U為基質(zhì)流勢(shì)U-hK(h)dh,則水流通量方程可改寫為：q=-(dU)/(dZ)+K(h) ,(3)假設(shè)兩相鄰?fù)翆又行牡牧髁侩S深度的分布不變，微薄土層中心之間的水勢(shì)變化為線性的，則式(3)可

7、以導(dǎo)出水流通量方程的積分形式為：(4)當(dāng)水流發(fā)生在非均質(zhì)土層之間時(shí)，式(4)中的積分項(xiàng)由下式修正.(5)作物根系吸水函數(shù)Sw, 先由作物冠層蒸騰量E確定其總量，當(dāng)土壤供水充足時(shí)，各土層中根系吸水量Swi，根據(jù)已確定的根系總量和由實(shí)驗(yàn)測(cè)定的根系在土壤剖面上的分布比例i計(jì)算，即Swi=iE .(6)不良土壤水分條件發(fā)生時(shí)，根據(jù)旱害、漬害程度對(duì)式(6)進(jìn)行修正，修正參數(shù)由實(shí)驗(yàn)確定9.1.2水分汽態(tài)流Ep=ESR+E (7)其中(8)式(8)中，SR為輻射吸收量，為水的汽化潛熱，S為飽和水汽壓隨溫度變化曲線的斜率，P和*分別為空氣干燥力和表觀溫度計(jì)常數(shù)項(xiàng)，它們又分別為：(9)式中es和ea分別為飽和水

8、汽壓和水汽壓實(shí)測(cè)值，Cp為空氣的體積熱容量，為濕度計(jì)常數(shù)，而h、b和s分別為邊界層熱交換阻力、邊界層水汽交換阻力和氣孔阻力.式(8)中，ESR和E受作物冠層葉面積狀況的影響，因此作物潛在蒸騰速率Ecp,應(yīng)由葉面積系數(shù)ALV進(jìn)行校正8，則式(8)可改寫為：(10)式中ES為土壤蒸發(fā)率，bL和bS分別為作物遮陰修正系數(shù)和土壤濕度修正系數(shù)，即(12)式中m和n分別經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，分別與作物種類和土壤性質(zhì)有關(guān)，ALV為包括死葉和活葉的總?cè)~面積系數(shù)，a和f則分別為風(fēng)干土壤濕度和田間持水量.考慮到實(shí)際土壤蒸發(fā)并不都發(fā)生在一個(gè)峰面上，則應(yīng)由各土層蒸發(fā)貢獻(xiàn)率mi將ES值分配到各土層中去：(13)式中腳標(biāo)i為土壤層次，d為土層厚度，L為土層深度，K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù).此外，為避免地下側(cè)滲流的引入而造成模型過(guò)于復(fù)雜，地下水埋深按實(shí)際觀測(cè)值輸入.1.3模型軟件及其輸入和輸出整個(gè)模型模擬軟件用CSMP語(yǔ)言編制(連續(xù)系統(tǒng)模擬程序語(yǔ)言).模型所需輸入資料包括作物資料(品種特性和生長(zhǎng)特性資料)、氣象資料(日最高和最低