作物根区水力传输的模拟方法

摘要

本发明提供一种作物根区水力传输的模拟方法，包括：获取作物生长环境信息和作物全生育期内生理指标动态变化；将根系吸水宏观水动力模型与气孔导度模型耦合，并引入根系导水率变异分段线性函数，得到根区水力传输模型；针对作物气孔导度和土壤水分状态，确定根区水分传输模型的关键敏感参数；再根据土壤水盐和气孔导度观测数据，对关键敏感参数进行率定和验证；基于率定后的模型参数，通过设置不同的气孔导度敏感性和根区导水率变异情景，并对两者之间的交互作用进行分析，确定胁迫状态影响作物耗水的关键水力过程。本发明解决了当前作物耗水估计经验性强、模拟精度低的问题，为后续深入挖掘作物节水潜力、优化水分管理提供良好的方法基础。

说明书

技术领域

本发明属于变化环境下作物耗水模拟与水分管理的技术领域，具体涉及一种作物根区水力传输的模拟方法。

背景技术

农业用水是全国总用水的第一大户，占我国总用水量62.1％，达3609.8亿m

根区作为作物从土壤汲取水分的关键环节，根区水分传输模型是作物耗水估计的重要工具。根据是否基于水动力学原理，可将其分为经验模型和水动力学模型两类。其中经验模型，多数源于或类似于Feddes模型，该类模型通常先将潜在蒸腾根据植物根长密度进行分配，然后根据各根区节点的土壤水分状态对相应节点的潜在吸水能力进行折减，并通过设定临界补偿因子对根系吸水补偿效应进行表征。该类模型结构简单，驱动参数少，但物理意义相对薄弱，根系吸水折减函数和补偿函数的定义较为矛盾，在土壤异质胁迫条件下依然很难精确模拟的根区水分传输过程。水动力模型根据是否考虑根土接触方式和根系水力特性结构分布等详细信息，可以分为宏观模型和微观模型两类。其中，微观水动力模型计算需要大量而详细的根系水力结构数据以及巨大的计算成本，很难在实际生产中应用。宏观水动力模型在兼顾根区水分传输物理过程的基础上，实现了利用有限参数对根区复杂非均匀土壤-根系水力交互作用的量化。以de Jong van Lier等人提出的宏观水动力模型为代表，仅需简单的根系形态学指标、根长密度分布、土壤-植物系统导水率和临界叶水势阈值等参数，便可较为系统地对土壤-根系-木质部-叶片的整个水分传输进行模拟。

然而，现有宏观水动力模型仍存在一定不足，为方便作物耗水和根系吸水求解，该类模型没有考虑作物气孔的调节作用，假定胁迫状态作物根区水分传输模拟的上边界叶水势和根系导水率保持恒定。但上述假定与作物根区实际水分传输情况并不相符，如水分胁迫下，对于气孔对水力信号并不敏感的非等水作物(如向日葵)，叶水势往往表现为大幅降低而不是保持一个恒定的阈值。并且，受水通道蛋白和脱落酸响应、根土接触松散和根系萎缩等因素影响，作物根区导水率往往会出现很大程度的变异。因此，当前的宏观根区水分传输模型，恒定上边界叶水势和根系导水率的假定给胁迫状态作物耗水模拟带来一定不确定性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种作物根区水力传输的模拟方法，该方法解决了当前作物耗水估计经验性强、模拟精度低的问题，为后续深入挖掘作物节水潜力、优化水分管理提供良好的方法基础。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种作物根区水力传输的模拟方法，包括如下步骤：

S1：获取作物生长环境信息和作物全生育期内生理指标动态变化；

S2：对气孔开度调节和根系导水率变异进行考虑，将根系吸水宏观水动力模型与气孔导度模型耦合，并引入根系导水率变异分段线性函数，从而得到根区水力传输模型；

S3：针对作物气孔导度和土壤水分状态，对根区水分传输模型参数进行敏感性测试，确定关键敏感参数；再根据土壤水盐和气孔导度观测数据，对关键敏感参数进行率定和验证；

S4：基于率定后的模型参数，通过设置不同的气孔导度敏感性和根区导水率变异情景，对气孔导度敏感性和根系水力变异之间的交互作用进行分析，确定胁迫状态影响作物耗水的关键水力过程。

进一步地，作物生长环境信息包括但不限于气象数据、地下水位动态和不同深度土壤水分情况。

进一步地，生长生理指标包括但不限于叶面积指数、株高、气孔导度以及不同深度根长密度。

进一步地，步骤S2中，构建的根区水力传输模型考虑的根系导水率变异情形包括水通道蛋白响应、根系解剖结构调整以及根土接触松散。

进一步地，根区水力传输模型中的根系径向导水率K

式中，K

式中，h

根围导水率K

式中，h

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明将气孔导度模型与宏观水动力模型耦合，利用分段线性函数组合对水通道蛋白响应(RAAR)、根系解剖结构调整(RASD)、根土接触松散(RSCL)可能引发的根区导水率变异进行了量化，提出了一个新的根区水分传输模型，新模型实现了在根区水分传输模拟过程中考虑气孔开度的调节作用，可更为准确地描述干旱胁迫下作物水力特性响应以及耗水过程；其与现有根区水分传输模型相比，SR-HRV根区水力模型克服了宏观物理模型求解叶水势边界和根区导水率恒定的不足，可更为准确地表征胁迫状态作物根区的水力传输过程，减小了作物耗水估计的不确定性；本发明有助于从数值模拟角度解释环境-根系-气孔之间的水力交互作用，也可为农业水分精准管理提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明实施例的作物根区水力传输模型模拟框架图；

图2为本发明实施例中作物气孔导度(g

图3为本发明实施例中作物气孔导度(g

图4为本发明实施例中土壤不同深度土壤含水率(SWC)动态变化的率定和验证结果；其中，(a)为土壤不同深度土壤含水率(SWC)在Y-1田块动态变化的率定结果，(b)为土壤不同深度土壤含水率(SWC)在Y-2田块动态变化的率定结果，(c)为土壤不同深度土壤含水率(SWC)在Y-3田块动态变化的验证结果；

图5为本发明实施例中根区水力传输模型的模拟结果图；其中，(a)不同气孔敏感性情形作物逐日耗水量(不考虑根区导水率变异)，深灰色表示SEN_10情形作物逐日耗水量的0.7-1.3倍，浅灰色区域表示SEN_10情形作物逐日耗水量的0.5-1.5倍；(b)标准气孔敏感性情形(SEN_10)不同根区导水率变异效应下作物相对逐日耗水量变化；(c)不同气孔敏感性情形各根区导水率变异效应下作物相对逐日耗水量变化。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本发明提供一种作物根区水力传输模拟方法，包括以下步骤：

S1：通过田间实验获取作物生长环境信息，定期观测作物全生育期内生理指标动态变化；其中，作物生长环境信息包括但不限于气象数据、地下水位动态和不同深度土壤水分；生长生理指标包括但不限于叶面积指数、株高、气孔导度以及不同深度根长密度。

在本实施例中，选择气孔对水力信号并不敏感的向日葵为大田试验的指示植物，开展两年的田间试验。试验在3块面积为30m

利用L16400(Li-Cor,Lincoln，USA)对作物的第一片完全展开叶的气孔导度进行测定，第一年的测定时间分别为DAS＝42、53、65、72和107天，第二年的测定时间分别为DAS＝38、43和69天。选取代表整个田块作物平均长势的植株3株，每隔7-10天对作物叶面积和株高进行测定。作物的动态根系分布由微根管与ROOT700(Ecomatik，Munich，Germany)根系观测系统进行观测。第一年的观测时间为DAS＝29、36、43、50、57、64和105天，第二年的观测时间DAS＝28、38、48、58、68、78和110天。在向日葵播种前，预先在各实验小区第二条地膜中轴位置平行安装4根间距为100cm，长度为200cm，内径为7.1cm透明微根管，微根管埋入地下约为1.5m，露出地面0.5m，露出部分用黑色胶带和棉布包裹，避免透光。微根管埋设角度为与地面呈45°夹角，垂直埋深约为100cm。微根管测定时，将长约35cm的扫描探头，以20cm为一个控制深度逐层伸入微根管内，进行分层扫描，扫描后将微根管密封，防止水汽进入。然后将扫描得到的图像利用WinRHIZO和WinRHIZOTron根系分析软件对向日葵根系进行辨识，对根长密度等根系指标进行提取。

S2：对气孔开度调节和根系导水率变异进行考虑，将宏观水动力模型与气孔导度模型耦合，并引入根系导水率变异分段线性函数，从而得到根区水力传输模型；

本实施例中建立的SR-HRV根区水力传输模型框架如图1所示，涉及土壤水分运移模块、根区水分传输模块(基于de Jong van Lier等人提出的宏观水动力模型)、气孔导度和叶片蒸腾模块。土壤水分传输模块主要基于Richards方程和van Genuchten模型(1980)模型。

根区水分传输模块根据传输介质的不同，分两个过程进行表征：一个是从根围土壤向根系表面的运动过程，另一个是从根系表面到根系木质部的过程。对于前者而言，根深为z处根区的径向水分运动方程可表达为单位土层厚度的根系吸水量S(z)[L

S(z)＝ρ(z)[M

此处，M

其中，r

RLD[L L

假定作物根系韧皮部含水率恒定，水分由根系表面到根系木质部的控制方程可表示为：

M

与原始de Jong van Lier的根区水分传输不同，本发明考虑了根系木质部导水率，根系木质部水分传输以轴向水流运动为主，由不同根区深度的木质部水势梯度驱动，可由Darcy公式进行表示：

式中，F

将式(5)和式(1)带入式(6)，结合式(4)中的h

为建立根区水分传输与作物叶片气孔之间的联系，本发明利用了根领处的木质部水势h

考虑到作物气孔开度对叶水势的敏感程度差异，以及对化学信号(如ABA)的响应，本发明根据Tardieu提出的植物气孔导度模型，认为作物气孔导度g

g

g

c

式中，h

在模型构建的基础上，SR-HRV根区水分传输模型对水通道蛋白和ABA响应(RAAR)、根系解剖结构调整(RASD)、根土接触松散(RSCL)可能引发的根区导水率变异进行了表征。其中，根系径向导水率K

K

式中，h

根围导水率(K

式中，h

SR-HRV根区水分传输模型涉及土壤水分运动、根系径向水分吸收、木质部水分传输和叶片气孔导度调节多个模块耦合(图1)。系统水势和水分通量间存在隐式关系，本研究利用数值方法进行求解，作物耗水量(T

(1)假定h

1)T

2)T

(2)比较T

(3)如果T

S3：针对作物气孔导度和土壤水分状态，对模型参数进行敏感性测试，确定关键敏感参数；基于大田实验土壤水盐和气孔导度观测数据，对关键敏感参数进行率定和验证；

在本实施例中，以大田试验为背景，本发明以作物气孔导度(g

其中，μ

为考虑参数敏感性随时间变化，本发明计算得到了各参数μ和σ随时间累积的敏感指标C-μ和C-σ，如图2所示。可以看到，关于g

在确定敏感性参数的基础上，利用PSET程序对作物导水率、敏感的气孔参数和根区导水率变异阈值进行率定。PEST程序以模型模拟值和实测值的平均加权平方F

式中，m为观测值的样本数量，γ

表1.SR-HRV模型敏感参数率定结果

可以看到，Y-1田块作物g

S4：基于率定后的模型参数，通过设置不同的气孔导度敏感性和根区导水率变异情景，对气孔导度敏感性和根系水力变异之间的交互作用进行分析，确定胁迫状态影响作物耗水的关键水力过程。

为探究作物气孔敏感性对根区导水率变异的影响，本发明以率定得到气孔参数为标准(SEN_10)，通过设置β为表1标准状态的0.5和3倍，假设作物气孔对化学胁迫信号更为敏感(SEN_CABA-SEN_30)和更为不敏感(SEN_CABA-SEN_05)，通过设置δ为表1标准状态的0.5和3倍，假设作物气孔对水力胁迫信号更为敏感(SEN_LEPO-SEN_30)和更为不敏感(SEN_LEPO-SEN_05)。在各气孔敏感性情形下，设置5种导水率变异情形，包括根区导水率恒定(Constant)、水通道蛋白和ABA响应(RAAR)、根系解剖结构调整(RASD)、根土接触松散(RSCL)以及多种导水率耦合变异情形(R+R+R)。本发明对不同情形下的作物耗水进行了比较。本情景分析选取0-100cm土壤剖面为根区模拟对象，上边界为大气边界，下边界为自由排水边界，无降雨、灌溉和土壤蒸发等外界因素干扰，土壤水分的消耗和储存均由根系吸水和下边界的自由排水决定。土壤剖面以1cm为一个计算单元，土壤初始含水率为地下水位为5m的静态水平衡状态。土壤剖面质地分布与大田试验一致，气象条件、作物长势(LAI、株高和根长密度分布)假定不变，为作物营养生长与生殖生长的临界点时刻的状态。

模拟结果如图5所示，在不考虑根系导水率变异条件下(图5a)，SEN_30情形作物气孔对胁迫信号的敏感程度高于SEN_10情形，作物维持0.60-0.65cmd

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。