CN101413935A - 一种原位确定作物蒸散量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位确定作物蒸散量的方法，属于农业科技领域。本发明方法包括下列步骤：原位实时测量5层以上不同深度土层的土壤水势和土壤体积含水量数据，其中至少一层在作物根层以下；在作物根层以下存在零通量面的情况下获得根层以下零通量面以上各个土层的多个非饱和导水率－体积含水量数据对；进而获得各个土层的非饱和导水率－体积含水量数学关系；在此基础上获得根层以下各土层的水分通量，进而根据水量平衡法确定蒸散量。本发明方法可用于原位确定作物的蒸散量，不破坏土壤，方便精确，对于那些没有观测零通量的时段，也能够求算出其作物蒸散量。

Description

一种原位确定作物蒸散量的方法

技术领域

本发明涉及一种确定作物蒸散量的方法，尤其涉及一种使用原位测量技术确定田间作物实际蒸散量的方法，属于农业科技领域。

背景技术

在土壤-植物-大气系统(SPAC)循环中，由降雨、水面蒸发、土壤蒸发、植物蒸腾等过程构成的陆地水分循环是维持陆地生态系统的基本要素，其中土壤蒸发和植物蒸腾被合称为蒸散量(ET)，是区域水量平衡、农田灌溉、水资源管理等众多领域需要必须考虑的。

目前，直接测定蒸散耗水量方法主要包括水量平衡法、蒸渗仪法、零通量面法等。

水量平衡法应用最为普遍，简便，不受气象条件的限制；但是取样频繁，每次取样点均不相同，取样带来的误差不能忽略；其次，在水量平衡法中水分运动下边界难以确定，导致由于取样深度不确定从而带来很大误差；其三，水量平衡法中的各个分量，如有效降水量、地下水补给量、腾发量难以准确分开，其误差会集中到蒸发量的估算；其四，水量平衡法的测定时间相对较长，难以观测蒸散的日动态变化规律。

蒸渗仪法是经典的标准方法，可用于1h以内蒸散量的测定，但存在以下不足：第一，设计复杂，破坏了土壤原来的结构，隔断了作物生长土壤与深层土壤之间的水分联系；第二，器内植株的代表性对蒸发测定有影响，器内水分调节有困难；第三，需要大型设备，属于固定式设备，机动性很差，而且成本昂贵。前边两项不足，使得试验条件与真实情况有差异；第三项不足使得该方法不能广泛使用。

对于传统的零通量面法，大部分还只是停留在理论方面的探讨，而实际运用的还不是很广泛，这主要是由于传统零通量法的应用是有比较苛刻条件的，只有当零通量面存在时才能应用这一原理，而零通量面并非时刻都存在，且当地下水位很高时，一般不能使用，降水频繁，零通量面不稳定的情况下，也难以使用；同时，零通量面的确定需要多次测量确定，在实际操作中，测定周期长，导致并非所有零通量面都能观测到，从而限制传统零通量面法的应用。

发明内容

本发明旨在提供一种在不破坏土壤的情况下原位精确确定田间作物实际蒸散量的方法，从而获得蒸散量的实时动态变化。本方法主要利用精密仪器监测出实时土壤水分、水势数据，根据改进的零通量面法的原理，通过数学手段计算获得所述蒸散量，完成本发明。

为了达到上述技术目的，本发明采用如下技术手段：

一种原位确定作物蒸散量的方法，包括下列步骤：

a)原位实时测量5层或5层以上不同深度土层的土壤水势和土壤体积含水量数据，其中至少一层在作物根层以下；

所述数据优选通过土壤水分水势探测仪进行实时测量，比如，在各个土层均埋置探测仪的探头，在实际操作时，可按照一定的时间间隔实时测量上述数据；

b)根据测得的土壤水势数据，确定土壤剖面上作物根层以下是否存在零通量面，若是，则进而获得根层以下零通量面以上各个土层的非饱和导水率-体积含水量数据对；

其中，零通量面可通过下述方法确定：基于测得的土壤水势数据制作土壤剖面上的土壤水势分布曲线，并根据该曲线的一阶导数曲线确定是否存在零通量面；

其中，各个土层的非饱和导水率-体积含水量数据对可通过下述方法获得：

i.根据测得的土壤水势数据获得土壤剖面上的土壤水势分布曲线及其一阶导数曲线；

ii.根据测得的土壤体积含水量数据获得土壤剖面上的土壤体积含水量分布曲线，并由此获得作物根层以下零通量面以上各土层的水分通量曲线；

iii.根据所述水分通量曲线和所述土壤水势一阶导数曲线获得土壤剖面上作物根层以下零通量面以上各个土层的非饱和导水率-体积含水量数据对；

在上述步骤中，水分通量按照式II计算：

$q_i={\∫}_{Z_0\left(t1\right)}^{Z_i\left(t1\right)}\mathrm{\θ}(Z,t_1)\mathrm{dZ}-{\∫}_{Z_0\left(t2\right)}^{Z_i\left(t2\right)}\mathrm{\θ}(Z,t_2)\mathrm{dZ}+{\∫}_{Z_0\left(t2\right)}^{Z_0\left(t1\right)}\mathrm{\θ}(Z,t\left(z_0\right))\mathrm{dZ}$

式II

其中：q_i表示第i层土层的土壤水分通量；Zi(t1)和Zi(t2)表示t1和t2时刻第i层的土层深度；Z₀(t1)和Z₀(t2)分别表示t1和t2时刻零通量面对应的土层深度；θ表示土壤体积含水量；

非饱和导水率按照式III计算：

式III

其中：K(θ)表示非饱和导水率；

表示土体内水势分布梯度曲线，

表示土水势变化量，Δz表示土层深度变化量。

关于本步骤有两点值得说明：一，并非所有时刻测得的数据均可以获得满足要求的零通量面，比如，不存在零通量面或零通量面位于根层以上时，若不能获得这样的零通量面，则根据下一时刻测得的数据继续计算，直至最终获得所述数据对；二，当获得满足要求的零通量面时，最终获得的数据对并非所有土层的数据对，而是位于根层以下零通量面以上的土层的数据对；

c)在多个时刻重复上述步骤直至根层以下每个土层均获得多个所述数据对，并根据所述数据对获得各个土层的非饱和导水率-体积含水量数学关系；

该数学关系可通过三次样条函数拟合非饱和导水率和体积含水量而获得；

d)获得所述数学关系后，在其基础上根据测得的土壤水势和土壤体积含水量数据获得根层以下各土层的水分通量，进而根据水量平衡法确定蒸散量；

其中，蒸散量可按照式IV计算：

ET＝P+I+U-D-R±(-ΔW)

式IV

其中：P表示t1至t2时段内的降雨量；I表示t1至t2时段内的灌溉量；U表示上行水量， $U={\∫}_{t2}^{t3}\mathrm{qdt},$ 其中k(θ)表示非饱和导水率，

表示土体内水势分布梯度曲线，

表示土水势变化量，Δz表示土层深度变化量；D表示下渗水量， $D={\∫}_{t1}^{t2}-\mathrm{qdt};$ R表示径流量；ΔW表示土体含水量变化， $\mathrm{\ΔW}={\∫}_0^Z{\∫}_{t1}^{t2}\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}\mathrm{dzdt},$ 其中θ表示土壤体积含水量。

在上述方法步骤中，作为一个特例，当步骤b)中连续两次测量均获得根层以下的零通量面时，则可以根据这两个零通量面，结合土壤体积含水量的变化量及径流量、降雨量、灌溉量按照式I直接确定蒸散量：

$\mathrm{ET}=P+I-\mathrm{Rs}+{\∫}_{Z_0\left(t1\right)}^0\mathrm{\θ}(Z,t_1)\mathrm{dZ}-{\∫}_{Z_0\left(t2\right)}^0\mathrm{\θ}(Z,t_2)\mathrm{dZ}+{\∫}_{Z_0\left(t2\right)}^{Z_0\left(t1\right)}\mathrm{\θ}(Z,t\left(z_0\right))\mathrm{dZ}$

式I

其中，ET表示作物蒸散量；P表示t1至t2时段内的降雨量；I表示t1至t2时段内灌溉量；Rs表示t1至t2时段内降雨期间产生的地表径流量；Z表示土层深度；θ表示土壤剖面上的土壤体积含水量；Zo(t1)和Zo(t2)分别表示t1和t2时刻零通量面对应的土层深度。有关上述式I的更多细节可参考：胡安焱等.零通量面法计算土壤水分腾发量研究.干旱地区农业研究，2006，24(2)：119～121。

运用以上方法可以求算出蒸散量的最小时段为水分传感器、水势传感器的最快响应时间，在实际操作过程中，数据取样周期(即用传感器测定土壤水分含量、水势值的周期)一般要大于这个时间。但是，为了便于所确定的蒸散量数据运用起来方便，往往将水分含量、水势值汇总成1天(或更长时间)的数据，然后求算出1天(或更长时间)的蒸散量。即根据1天内各个时刻所采集到的所有水分含量、水势值数据得到1天的平均水分含量、水势值，然后根据上述步骤b)到d)的方法求算各天的蒸散量。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.基本没有破坏土壤原来的结构，属于原位测量技术。

2.通过实时监测，可获得精确的土壤水分、水势数据，蒸散量计算结果精确度较高，可获得很小时间段的蒸散量数据。

3.所用仪器安装方便，可便携；监测地点可以很方便地改变。

特别地，本发明和传统的零通量面法相比，具有以下优势：

1.传统的零通量面法没有系统的规定土壤水分、水势的测定层次，本发明明确规定为5层或者5层以上，而且至少有一个层次的深度大于作物根层。

2.传统零通量面法需要多次测量确定零通量面位置，且测定周期长，期间零通量面极有可能发生多次反复变化，致使测定结果与实际情况不符合。本发明根据实时监测的土水势数据，通过数学手段能较精确的确定零通量面位置，且能获得实时零通量面位置，漏测零通量面的概率几乎为零。

3.传统零通量面法在无零通量面存在时无法计算，本发明对于那些没有观测零通量的时段，也能够求算出其作物蒸散量。利用存在零通量的数据，演算出了不同土层深度土壤体积含水量～土壤非饱和导水率的关系，对数据进行了多次使用。即本发明具有自我校正功能，随着监测时间的延长，精度将越来越高，并且可以对已经获得蒸散量数据进行检验与校正。

4.本发明较为明确的规定了测定计算步骤，方法清晰且精确度较高。

具体实施方式

下面通过优选实施例对本发明作进一步描述。

本实施例通过下述方法确定作物蒸散量：

1.将土壤水分水势探测仪的探头分别埋植在5层不同深度的土层中，这5层土层的深度均大于作物根层，并持续不断地获得不同土壤层次的土壤体积含水量和土壤水势。

2.根据不同土壤层次的土壤水势，获得土壤水势在土壤剖面上的分布曲线及其一阶导数曲线，其一阶导数为零的点即

的点即为零通量点，从而确定可能存在的零通量面的位置。

3.根据不同土壤层次的土壤体积含水量，获得土壤体积含水量在土壤剖面上的分布曲线，如果有零通量面存在(根据步骤2计算的结果)，则可以求算出零通量面以上相邻两个监测时刻的土壤体积含水量的变化量，同时如果零通量面在根层以下，那么这个土壤体积含水量的变化量再结合该时间段内降雨、灌溉、径流数据进行计算即可求算出该时段内的蒸散量，可通过下式I计算：

$\mathrm{ET}=P+I-R+{\∫}_{Z_0\left(t1\right)}^0\mathrm{\θ}(Z,t_1)\mathrm{dZ}-{\∫}_{Z_0\left(t2\right)}^0\mathrm{\θ}(Z,t_2)\mathrm{dZ}+{\∫}_{Z_0\left(t2\right)}^{Z_0\left(t1\right)}\mathrm{\θ}(Z,t\left(z_0\right))\mathrm{dZ}$

式I

其中，

ET表示作物实际蒸散量；

P表示t1至t2时段内的降雨量；

I表示t1至t2时段内灌溉量；

R表示t1至t2时段内，降雨期间产生的地表径流量；

θ(Z，t1)和θ(Z，t2)分别表示t1和t2时刻土壤剖面上的土壤含水量分布；

Zo(t1)和Zo(t2)分别表示t1和t2时刻零通量面对应的土层深度；

Z表示土层深度。

4.如果根层以下零通量面存在(根据步骤2计算的结果)，根据土壤体积含水量在土壤剖面上的分布曲线，获得根层以下土壤剖面水分通量曲线(式II)，进一步结合土壤水势的一阶导数曲线，获得土壤剖面上根层一下零通量面以上的各个土层的非饱和导水率(K(θ))(式III)-体积含水量(θ)的数据对。

$q_i={\∫}_{Z_0\left(t1\right)}^{Z_i\left(t1\right)}\mathrm{\θ}(Z,t_1)\mathrm{dZ}-{\∫}_{Z_0\left(t2\right)}^{Z_i\left(t2\right)}\mathrm{\θ}(Z,t_2)\mathrm{dZ}+{\∫}_{Z_0\left(t2\right)}^{Z_0\left(t1\right)}\mathrm{\θ}(Z,t\left(z_0\right))\mathrm{dZ}$

式II

式中：

q_i表示第i层土层的土壤水分通量；

Zi表示第i层土层；

θ表示土壤体积含水量；

式III

式中：K(θ)表示非饱和导水率；

表示土体累水势分布梯度曲线；

5.对于所有存在根层以下零通量面的情况，重复4，便可以针对各个土层获得多组非饱和导水率-体积含水量的数据对，进一步可以用三次样条函数拟合出两者之间的数学关系。

6.在上述数学关系的基础上，对于根层以下不存在零通量面的情况，也可以通过如下方法确定蒸散量：首先根据其θ及已经拟合出的K(θ)与θ之间的数学关系通过插值求算出K(θ)，进而根据达西定律即可求算出此情况下的根层下界水分通量q，然后根据下式IV即可求算出不存在零通量面情况下的ET：

ET＝P+I+U-D-R±(-ΔW)

式IV；

式中，

ET：作物实际蒸散量；

P：t1至t2时段内降雨量；

I：t1至t2时段内灌溉量；

U：上行水量， $U={\∫}_{t2}^{t3}\mathrm{qdt};$

D：下渗水量， $D={\∫}_{t1}^{t2}-\mathrm{qdt};$

R：t1至t2时段内，降雨期间产生的地表径流量；

ΔW：土体含水量变化， $\mathrm{\ΔW}={\∫}_0^Z{\∫}_{t1}^{t2}\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}\mathrm{dzdt},$

：土体内含水量分布梯度曲线。

Claims (8)

1.一种原位确定作物蒸散量的方法，包括下列步骤：

a)原位实时测量5层或5层以上不同深度土层的土壤水势和土壤体积含水量数据，其中至少一层在作物根层以下；

b)根据测得的土壤水势数据，确定土壤剖面上作物根层以下是否存在零通量面，若是，则进而获得根层以下零通量面以上各个土层的非饱和导水率-体积含水量数据对；

c)在多个时刻重复上述步骤直至根层以下每个土层均获得多个所述数据对，并根据所述数据对获得各个土层的非饱和导水率-体积含水量数学关系；

d)获得所述数学关系后，在其基础上根据测得的土壤水势和土壤体积含水量数据获得根层以下各土层的水分通量，进而根据水量平衡法确定蒸散量。

2.如权利要求1所述的原位确定作物蒸散量的方法，其特征在于，步骤a)通过土壤水分水势探测仪实时测量5层或5层以上不同深度土层的土壤水势和土壤体积含水量数据。

3.如权利要求1所述的原位确定作物蒸散量的方法，其特征在于，步骤b)通过基于测得的土壤水势数据制作土壤剖面上的土壤水势分布曲线及其一阶导数曲线确定是否存在零通量面，并进一步确定零通量面是否位于作物根层以下。

4.如权利要求1所述的原位确定作物蒸散量的方法，其特征在于，当连续两个相邻时刻在步骤b)中确定根层以下存在零通量面时，则直接根据这两个零通量面位置，以及土壤体积含水量的变化量及径流量、降雨量、灌溉量确定蒸散量。

5.如权利要求4所述的原位确定作物蒸散量的方法，其特征在于，按照式I计算蒸散量：

$\mathrm{ET}=P+I-R+{\∫}_{Z_{0\left(t1\right)}}^0\mathrm{\θ}(Z,t_1)\mathrm{dZ}-{\∫}_{Z_{0\left(t2\right)}}^0\mathrm{\θ}(Z,t_2)\mathrm{dZ}+{\∫}_{Z_{0\left(t2\right)}}^{Z_{0\left(t1\right)}}\mathrm{\θ}(Z,t\left(z_0\right))\mathrm{dZ}$

                              式I

其中，ET表示作物实际蒸散量；P表示t1至t2时段内的降雨量；I表示t1至t2时段内灌溉量；R表示t1至t2时段内降雨期间产生的地表径流量；Z表示土层深度；θ表示土壤剖面上的土壤体积含水量；Zo(t1)和Zo(t2)分别表示t1和t2时刻零通量面对应的土层深度。

6.如权利要求1所述的原位确定作物蒸散量的方法，其特征在于，步骤b)通过下述方法获得各个土层的非饱和导水率-体积含水量数据对：

根据测得的土壤水势数据获得土壤剖面上的土壤水势分布曲线及其一阶导数曲线；

根据测得的土壤体积含水量数据获得土壤剖面上的土壤体积含水量分布曲线，并由此获得作物根层以下零通量面以上各土层的水分通量曲线；

根据所述水分通量曲线和所述土壤水势一阶导数曲线获得土壤剖面上作物根层以下零通量面以上各个土层的非饱和导水率-体积含水量数据对；

其中，水分通量按照式II计算：

$q_i={\∫}_{Z_{0\left(t1\right)}}^{Z_{i\left(\mathrm{ti}\right)}}\mathrm{\θ}(Z,t_1)\mathrm{dZ}-{\∫}_{Z_{0\left(t2\right)}}^{Z_{i\left(t2\right)}}\mathrm{\θ}(Z,t_2)\mathrm{dZ}+{\∫}_{Z_{0\left(t2\right)}}^{Z_{0\left(t1\right)}}\mathrm{\θ}(Z,t\left(z_0\right))\mathrm{dZ}$

                          式II

其中：q_i表示第i层土层的土壤水分通量；Zi(t1)和Zi(t2)表示t1和t2时刻第i层的土层深度；Z₀(t1)和Z₀(t2)分别表示t1和t2时刻零通量面对应的土层深度；θ表示土壤体积含水量；

非饱和导水率按照式III计算：

式III

其中：K(θ)表示非饱和导水率；表示土体内水势分布梯度曲线，

表示土水势变化量，Δz表示土层深度变化量。

7.如权利要求1所述的原位确定作物蒸散量的方法，其特征在于，步骤c)通过三次样条函数拟合非饱和导水率和体积含水量之间的数学关系。

8.如权利要求1所述的原位确定作物蒸散量的方法，其特征在于，步骤d)按照式IV计算蒸散量：

ET＝P+I+U-D-R±(-△W)

      式IV

其中：P表示t1至t2时段内的降雨量；I表示t1至t2时段内的灌溉量；U表示上行水量， $U={\∫}_{t2}^{t3}\mathrm{qdt},$ 其中

k(θ)表示非饱和导水率，表示土体内水势分布梯度曲线，

表示土水势变化量，Δz表示土层深度变化量；D表示下渗水量， $D={\∫}_{t1}^{t2}-\mathrm{qdt};$ R表示径流量；ΔW表示土体含水量变化， $\mathrm{\ΔW}={\∫}_0^Z{\∫}_{t1}^{t2}\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}\mathrm{dzdt},$ 其中θ表示土壤体积含水量。