CN103308665B - 一种城市绿地植物-土壤水分传输分析的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市绿地植物-土壤水分传输分析的方法及装置，该方法包括以下步骤：获取土壤参数、植物参数和驱动数据，所述土壤参数包括各土壤层厚度，所述植物参数包括冠幅与根幅之比，所述驱动数据包括降水量；运用城市绿地植物-土壤水分传输模型对所述土壤参数、植物参数和驱动数据进行运算；得到状态量和过程量，并预测城市绿地植物的耗水量以及适宜的灌溉需水量，所述状态量包括各层土壤含水量和冠层持水量，所述过程量包括各土壤层根系吸水量、土壤蒸发量、冠层蒸发量和土壤水分通量。本发明具有较高的精度，用于城市绿地植物-土壤水分传输过程的分析，为城市复合型群落系统进行需水量和灌水量的计算提供解决方案。

Description

一种城市绿地植物-土壤水分传输分析的方法及装置

技术领域

本发明涉及植物与土壤技术领域，尤其涉及一种城市绿地植物-土壤水分传输分析的方法及装置。

背景技术

基于土壤-植物-大气连续体(Soil-Plant-Atmosphere Continum，简称SPAC)原理，目前已有很多模型可以模拟水分在土壤水-植物-大气之间传输耗散，如土壤-水-大气-植物(Soil-Water-Atmosphere-Plant，简称SWAP)模型、基于物理基础的一维水热耦合(The Simultaneous Heat and Water，简称SHAW)模型等，并可用于一般植物的耗水与灌溉需水的分析，但应用在城市绿地耗水分析中仍存在许多限制。首先，城市绿地多表现为复合绿地，在水分消耗过程中关注不同植物根系的土壤水分状况，需要兼顾不同类型植物的适宜性；其次，单株植物是城市绿地的基本单位，灌溉需要以此为基础，且根幅与冠幅受人为影响大，二者并不重叠；再次，绿地植物所处气象环境周围环境影响大。因此需要借鉴已有的模型方法，构建针对城市绿地植物的耗水模型。

发明内容

本发明提供一种城市绿地植物-土壤水分传输分析的方法及装置，具有较高的精度，用于城市绿地植物-土壤水分传输过程的分析，为城市复合型群落系统进行需水量和灌水量的计算提供解决方案。

本发明提供以下技术方案：

一种城市绿地植物-土壤水分传输分析的方法，包括以下步骤：

获取土壤参数、植物参数和驱动数据，所述土壤参数包括各土壤层厚度，所述植物参数包括冠幅与根幅之比，所述驱动数据包括降水量；

运用城市绿地植物-土壤水分传输模型对所述土壤参数、植物参数和驱动数据进行运算，其中，所述城市绿地植物-土壤水分传输模型包括：

冠层持水动态： $\frac{{\mathrm{\ΔW}}_c}{\mathrm{\Δt}}=\mathrm{IP}-E_c,$

式中，W_c为冠层持水量，IP为冠层截留量，E_c为冠层蒸发量，t为时间；

各层土壤水分动态为： $Z_i\×\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_{\mathrm{si}}}{\mathrm{\Δt}}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{PI}-{\mathrm{ES}}_a-f_{\mathrm{CR}}\×{\mathrm{RW}}_i-q_{\mathrm{1,2}}& i=1\\ q_{i-1,i}-f_{\mathrm{CR}}\×{\mathrm{RW}}_i-q_{i,i+1}& i>1\end{array}\right.,$

式中，Z_i为i层土壤厚度，θ_si为i层土壤含水量，t为时间，RW_i为i层根系吸水量，PI为降水入渗，q_1,2为1层到2层土壤水分通量，q_i-1,i为i-1层到i层土壤水分通量，q_i,i+₁为i层到i+1层土壤水分通量，ES_a为土壤实际蒸发，f_CR为冠幅与根幅之比，即f_CR＝SC/SR，其中SC为冠幅，SR为根幅；

得到状态量和过程量，并预测城市绿地植物的耗水量以及适宜的灌溉需水量，所述状态量包括各层土壤含水量和冠层持水量，所述过程量包括各土壤层根系吸水量、土壤蒸发量、冠层蒸发量和土壤水分通量。

一种城市绿地植物-土壤水分传输分析的装置，包括：

获取模块，用于获取土壤参数、植物参数和驱动数据，所述土壤参数包括各土壤层厚度，所述植物参数包括冠幅与根幅之比，所述驱动数据包括降水量；

运算模块，用于运用城市绿地植物-土壤水分传输模型对所述土壤参数、植物参数和驱动数据进行运算，其中，所述城市绿地植物-土壤水分传输模型包括：

冠层持水动态： $\frac{{\mathrm{\ΔW}}_c}{\mathrm{\Δt}}=\mathrm{IP}-E_c,$

式中，W_c为冠层持水量，IP为冠层截留量，E_c为冠层蒸发量，t为时间；

各层土壤水分动态为： $Z_i\×\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_{\mathrm{si}}}{\mathrm{\Δt}}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{PI}-{\mathrm{ES}}_a-f_{\mathrm{CR}}\×{\mathrm{RW}}_i-q_{\mathrm{1,2}}& i=1\\ q_{i-1,i}-f_{\mathrm{CR}}\×{\mathrm{RW}}_i-q_{i,i+1}& i>1\end{array}\right.,$

式中，Z_i为i层土壤厚度，θ_si为i层土壤含水量，t为时间，RW_i为i层根系吸水量，PI为降水入渗，q_1,2为1层到2层土壤水分通量，q_i-1,i为i-1层到i层土壤水分通量，q_i,i+₁为i层到i+1层土壤水分通量，ES_a为土壤实际蒸发，f_CR为冠幅与根幅之比，即f_CR＝SC/SR，其中SC为冠幅，SR为根幅；

预测模块，用于得到状态量和过程量，并预测城市绿地植物的耗水量以及适宜的灌溉需水量，所述状态量包括各层土壤含水量和冠层持水量，所述过程量包括各土壤层根系吸水量、土壤蒸发量、冠层蒸发量和土壤水分通量。

本发明的有益效果为：本发明借鉴已有的模型方法，构建了城市绿地植物-土壤水分传输模型，考虑到城市绿地植物根幅与冠幅受人为影响大，而特别在模型中设置冠幅与根幅之比参数。利用试验观测数据对模型拟合结果进行了校验，表明本模型具有较高的精度，可用于城市绿地植物-土壤水分传输过程的分析，为城市复合型群落系统进行需水量和灌水量的计算提供解决方案。

附图说明

图1是绿地植物-土壤水分过程示意图；

图2是本发明城市绿地植物-土壤水分传输分析的方法的实现流程图；

图3是本发明城市绿地植物-土壤水分传输分析的装置的结构示意图；

图4是实验小区布置示意图；

图5是生长季模拟与实测土壤水量曲线示意图；

图6是图5拟合系数曲线示意图；

图7是生长季模拟与实测冠层蒸腾曲线示意图；

图8是图7拟合系数曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

参考图1，模型针对城市绿地植物水分过程建立，假定潜水位很深，具体分为植物、土壤两个实体，形成植物冠层、非饱和土壤层两层。水分分别在这两个地方存储，即两个状态量，植物冠层持水存储量、非饱和层土壤持水存储量。

参考图2，本发明城市绿地植物-土壤水分传输分析的方法的实现流程200包括：

步骤201：获取土壤参数、植物参数和驱动数据，所述土壤参数包括各土壤层厚度，所述植物参数包括冠幅与根幅之比，所述驱动数据包括降水量。

步骤202：运用城市绿地植物-土壤水分传输模型对所述土壤参数、植物参数和驱动数据进行运算。

步骤203：得到状态量和过程量，并预测城市绿地植物的耗水量以及适宜的灌溉需水量，所述状态量包括各层土壤含水量和冠层持水量，所述过程量包括各土壤层根系吸水量、土壤蒸发量、冠层蒸发量和土壤水分通量。

其中，所述城市绿地植物-土壤水分传输模型，即G-SW模型，具体包括：

(1)植物与土壤结构表达：

冠层持水动态：

$\frac{{\mathrm{\ΔW}}_c}{\mathrm{\Δt}}=\mathrm{IP}-E_c$      (公式1)

式中，W_c为冠层持水量(cm)，IP为冠层截留量(mm﹒d^-1)，E_c为冠层蒸发量(mm﹒d^-1)，t为时间(d)。

各层土壤水分动态为：

$Z_i\×\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_{\mathrm{si}}}{\mathrm{\Δt}}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{PI}-{\mathrm{ES}}_a-f_{\mathrm{CR}}\×{\mathrm{RW}}_i-q_{\mathrm{1,2}}& i=1\\ q_{i-1,i}-f_{\mathrm{CR}}\×{\mathrm{RW}}_i-q_{i,i+1}& i>1\end{array}\right.$      (公式2)

式中，Z_i为i层土壤厚度(cm)，θ_si为i层土壤含水量(cm³﹒cm^-3)，t为时间(d)，RW_i为i层根系吸水量(cm²﹒d^-1)，PI为降水入渗(mm﹒d^-1)，q_1,2为1层到2层土壤水分通量(cm﹒d^-1)，q_i-1,i为i-1层到i层土壤水分通量(cm﹒d^-1)，q_i,i+1为i层到i+1层土壤水分通量(cm﹒d^-1)，ES_a为土壤实际蒸发(mm﹒d^-1)，f_CR为冠幅与根幅之比，即：

f_CR＝SC/SR     (公式3)

式中，SC为冠幅，SR为根幅，可反映城市绿地植物根系范围受人为影响较大，根幅与冠幅并不重合特征，不重合还导致降水入渗的不均匀，本模型假定入渗后土壤水分在水平方向上自动平均，冠层辐射遮蔽区为根幅区。

(2)关键水文过程:

水分运移基本过程为，降水经冠层截留后穿透到达地面，并通过土壤表层入渗，超出入渗能力部分形成产流流出，入渗部分继续向下分配，直至潜水层，土壤水分的消耗为植物蒸腾产生的各层根系吸水、土壤蒸发。

(2.1)土壤水分运移过程:

在不考虑地下水位作用时，土壤水分运移采用较简单的田间持水量模型，它是基于土壤的持水能力建立起来的，认为土壤水分流动是自上而下单向进行的，土壤水分只有达到田间持水量后，才能产生向下的土壤水流。土壤水分通量计算公式为：

$q_{i,i+1}=\left\{\begin{array}{cc}{K}_s\&CenterDot;\frac{\exp \left(\mathrm{\&beta;}({\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{si}}-{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{fc}})\right)-1}{\exp \left(\mathrm{\&beta;}(1-{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{fc}})\right)-1}& {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{si}}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{fc}}\\ 0& {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{si}}<{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{fc}}\end{array}\right.$      (公式4)

式中，K_s为饱和导水率(cm﹒d^-1)，β为一个取值范围12～26导水系数，θ_si为i层土壤含水量(cm³﹒cm^-3)，θ_fc为田间体积持水量(cm³﹒cm^-3)。

(2.2)降水入渗：

降水入渗(PI，mm·d^-1)是指降水经冠层截留后进入土壤部分，等于单位时间内降水量P(mm·d^-1)减去冠层截留量IP(mm·d^-1)与地表产流量Q(mm·d^-1)：

PI＝P-IP-Q     (公式5)

式中，P为降水量(mm·d^-1)，IP为冠层截留量(mm·d^-1)，Q为地表产流量(mm·d-1)。

IP计算公式为(Running and Coughlan，1988)：

$\begin{array}{c}\mathrm{IP}=\left\{\begin{array}{cc}P-(W_{c\max }-W_c)& P\&GreaterEqual;W_{c\max }-W_c\\ 0& P<W_{c\max }-W_c\end{array}\right.\\ W_c=\min (W_{c\max },W_c+P)\end{array},$      (公式6)

式中，W_c为冠层持水量(cm)，P为降水量(cm)，W_cmax为冠层最大持水量(cm)，与植被的叶面积指数密切相关，通常认为存在线性关系(Running andCoughlan，1988)：

W_cmax＝K_c×LAI     (公式7)

式中，K_c为截留系数(cm)，一般作物取值为0.025(Running and Coughlan，1988)，LAI为叶面积指数(m²﹒m^-2)。

地表产流量采用蓄满产流方式计算，即当上层5cm土壤达到饱和时才出现地表产流Q(cm﹒d^-1)：

Q＝max(0,IP-(θ_ssat1-θ_s1)*5)     (公式8)

式中，IP为冠层截留量(mm﹒d^-1)，θ_ssat1为表层5cm土壤饱和含水量(cm³﹒cm^-3)，θ_s1表层5cm土壤含水量(cm³﹒cm^-3)。

(2.3)根系吸水：

根系吸水是由植物蒸腾需水、根区土体可用水分、根系水分获取能力共同决定的，第i层土壤根系吸水量RW_i为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{RW}}_i={\mathrm{TR}}_p\&CenterDot;\frac{f_{\mathrm{ri}}\&CenterDot;{\mathrm{REW}}_i}{\mathrm{REW}}\\ \mathrm{REW}=\mathrm{\&Sigma;}{f}_{\mathrm{ri}}\&CenterDot;{\mathrm{REW}}_i\end{array}$      (公式9)

式中，TR_p为植物的蒸腾需水量，f_ri为i层土壤根系分布比例，REW_i为i层可利用土壤水分相对有效含水量，REW为根区总可利用土壤水分相对有效含水量，由土壤田间持水量与萎蔫含水量决定：

${\mathrm{REW}}_i=\left\{\begin{array}{cc}1& {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{si}}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{fc}}\\ \frac{{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{si}}-{\mathrm{\&theta;}}_w}{{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{fc}}-{\mathrm{\&theta;}}_w}& {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{fc}}>{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{si}}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&theta;}}_w\\ 0& {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{si}}<{\mathrm{\&theta;}}_w\end{array}\right.$      (公式10)

式中，θ_si为i层土壤含水量(cm³﹒cm^-3)，θ_fc为田间体积持水量(cm³﹒cm^-3)，θ_w为土壤萎蔫含水量(cm³﹒cm^-3)。

(2.4)蒸散过程：

蒸散分为冠层蒸散、冠下土壤蒸发两个部分。首先，采用Beer-Lambert方程计算太阳辐射在冠上层、冠下土壤表层之间分配(Chen et al.，2005a)：

R_{os_ns}＝R_ns·exp(-K·LAI_os)

            (公式11)

R_{ss_ns}＝R_ns-R_{os_ns}

式中，R_ns为冠上层和土壤表层接收的总净辐射量(KJ﹒m^-2)，K为常数，LAI_os为冠上层的叶面积指数(m²﹒m^-2)。

采用Penman-Monteith公式计算各分项蒸散量(于贵瑞，2001)：

$\mathrm{ET}=\frac{1}{\mathrm{\&lambda;}}\frac{{\mathrm{\&Delta;R}}_{x\_\mathrm{ns}}+\mathrm{\&rho;}{C}_p(e_s-e)/r_{x\_a}\&CenterDot;3600}{\mathrm{\&Delta;}+\mathrm{\&gamma;}(1+r_{x\_s}/r_{x\_a})}$      (公式12)

式中，ET为蒸发散量(mm·h^-1)，具体为冠层潜在蒸发(mm·h^-1)、冠层潜在蒸腾(mm·h^-1)或土壤潜在蒸发(mm·h^-1)，R_{x_ns}为x层接收的净辐射量(KJ﹒m^-2)，λ为水的汽化潜热(KJ﹒kg^-1)，Δ为饱和水汽压斜率(kPa·℃^-1)，C_p为空气比热(KJ·kg^-1℃^-1)，ρ为空气密度(kg·m^-3)，e_s为饱和水汽压(kPa)，e为水汽压(kPa)，γ为干湿球常数(kPa·℃^-1)，r_{x_s}为x层表面阻力(s·m^-1)，r_{x_a}为x层边界层阻力(s·m^-1)，与风速和冠层高度有关，采用下式计算(于贵瑞，2001)：

$r_{x\_a}=\frac{{\ln }^2((Z_u-d)/z_0)}{k^{2}U}$      (公式13)

式中，k为卡曼(von Karman)常数，Z_u为风速测定位置高度(m)，U为在高度Z_u处测定的风速(m·s^-1)，d为零平面位移高度(m)，z₀为蒸散面粗糙长度(m)，对于冠层高度h(m)有d＝0.63h，z₀＝0.13h。

当x层为冠层时，R_{x_ns}具体为冠上层接收的净辐射量R_{os_ns}，其中，计算冠层潜在蒸发时，r_{x_s}＝0；计算冠层潜在蒸腾时，r_{x_s}为冠层气孔阻力r_sc。

当x层为土壤层时，R_{x_ns}具体为土壤表层接收的净辐射量R_{ss_ns}，计算土壤潜在蒸发时，r_{x_s}为土壤蒸发阻力r_ss。

(2.4.1)冠层蒸散

假定当冠层持水水分蒸发完毕后冠层蒸腾才会发生，持水蒸发后剩下的辐射能量才用于蒸腾，其中冠层持水蒸发(E_c)的可近似认为是水面蒸发，计算采用Penman-Monteith公式计算时，r_{x_s}＝0。

冠层蒸腾需水计算时的冠层气孔阻力通过叶片气孔导度与叶面积指数作尺度转换获得(Running & Coughlan,1988；于强et al.，1999)：

$r_{\mathrm{sc}}=\frac{1000}{g_s}\&CenterDot;\frac{1+0.5\mathrm{LAI}}{\mathrm{LAI}}$      (公式14)

式中，LAI为叶面积指数(m²﹒m^-2)，g_s为叶片气孔导度(mm·s^-1)，采用Jarvis形式气孔导度模型计算：

$g_s=g_{s\max }\&CenterDot;\frac{k_{\mathrm{par}}\&CenterDot;\mathrm{PAR}}{1+k_{\mathrm{par}}\&CenterDot;\mathrm{PAR}}\&CenterDot;\frac{1}{1+k_{\mathrm{Dvp}}\&CenterDot;\mathrm{DVP}}\&CenterDot;\frac{1}{1+{(\mathrm{REW}/h_{\mathrm{Rew}})}^{k_{\mathrm{Rew}}}}$      (公式15)

式中，g_smax为叶片最大气孔导度(mm·s^-1)，PAR为光合有效辐射(mmol·m^-2·s^-1)，DVP为水汽压亏缺(kPa)，REW为根区土壤相对有效含水(％)，k_par气孔导度的光合辐射作用系数，k_Dvp气孔导度的水汽压亏缺作用系数，k_Rew气孔导度的土壤水分作用系数，h_Rew为1/2叶片最大气孔导度时的土壤有效含水率。

对于大多数城市绿地植物，其枝叶受虽修剪影响，当定型后存在相对稳定最大叶面积，叶面积变化主要表现年内随季节变化，采用经验公式：

LAI＝LAI_max·f(t)     (公式16)

式中，LAI_max为叶盛时的最大叶面积指数(m²﹒m^-2)，f(t)为叶面积随时间变化的经验函数：

$f\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& t<t_1\\ \frac{t-t_1}{t_2-t_1}& t_2>t\&GreaterEqual;t_1\\ 1& t_3>{t\&GreaterEqual;t}_2\\ \frac{t_4-t}{t_4-t_3}& t_4>t\&GreaterEqual;t_3\\ 0& t>t_4\end{array}\right.$      (公式17)

式中，t₁、t₂、t₃、t₄分别为展叶初始日、叶盛初始日、叶衰初始日、叶落日。

由于土壤水分含量可能低于蒸腾需水量，实际蒸腾量为根系的实际吸水量：

TR_a＝∑RWi     (公式18)

式中，RW_i为i层根系吸水量。

(2.4.2)冠下土壤蒸发

土壤蒸发计算公式为：

ES_a＝min(E_sp,E_max)     (公式19)

式中，E_max是表层5cm土壤水分的最大传输量，由Darcy公式计算；E_sp是土壤潜在辐射蒸发，主要由透过冠层叶面到达地面净辐射决定，土壤蒸发阻力r_ss与表层土壤含水量与枯枝落叶层厚度有关，仿照Shuttleworth(1990)的方法建立经验公式(Shuttleworth & Gurney，1990；于贵瑞，2001)：

r_ss＝r_s max(θ_ssat1-θ_s1)/(θ_ssat1-θ_h1)     (公式20)

式中，r_smax为表层土壤最大表面阻力(s·m^-1)，θ_ssat1为表层5cm土壤饱和含水量(cm³﹒cm^-3)，θ_s1表层5cm土壤含水量(cm³﹒cm^-3)，θ_h1为表层土壤吸湿含水量(cm³﹒cm^-3)。

上述方案中，模型运行所需土壤参数包括各土壤层厚度、饱和含水量、田间体积持水量、萎蔫含水量、饱和导水率和导水系数；植物参数包括冠幅与根幅之比、根系分布比例、最大叶面积指数、叶面积变化时间节点和冠层气孔参数；模型模拟土壤水分运行步长为日，蒸散模拟步长为小时，驱动数据包括气温、降水量、湿度、风速、太阳辐射；输出结果中的状态量包括各层土壤水分、冠层持水；过程量包括蒸腾量、各土壤层根系吸水量、土壤蒸发量、土壤底层渗漏量。

本发明借鉴已有的模型方法，构建了城市绿地植物-土壤水分传输模型，考虑到城市绿地植物根幅与冠幅受人为影响大，而特别在模型中设置冠幅与根幅之比参数。利用试验观测数据对模型拟合结果进行了校验，表明本模型具有较高的精度，可用于城市绿地植物-土壤水分传输过程的分析，为城市复合型群落系统进行需水量和灌水量的计算提供解决方案。

参考图3，本发明城市绿地植物-土壤水分传输分析的装置300包括：

获取模块310，用于获取土壤参数、植物参数和驱动数据，所述土壤参数包括各土壤层厚度，所述植物参数包括冠幅与根幅之比，所述驱动数据包括降水量；运算模块320，用于运用城市绿地植物-土壤水分传输模型对所述土壤参数、植物参数和驱动数据进行运算；预测模块330，用于得到状态量和过程量，并预测城市绿地植物的耗水量以及适宜的灌溉需水量，所述状态量包括各层土壤含水量和冠层持水量，所述过程量包括各土壤层根系吸水量、土壤蒸发量、冠层蒸发量和土壤水分通量。

其中，所述城市绿地植物-土壤水分传输模型，即G-SW模型，具体包括：上述方法中的公式1～20，其中参数及其说明的含义与上述方法完全相同，在此不再赘述。

本发明借鉴已有的模型方法，构建了城市绿地植物-土壤水分传输模型，考虑到城市绿地植物根幅与冠幅受人为影响大，而特别在模型中设置冠幅与根幅之比参数。利用试验观测数据对模型拟合结果进行了校验，表明本模型具有较高的精度，可用于城市绿地植物-土壤水分传输过程的分析，为城市复合型群落系统进行需水量和灌水量的计算提供解决方案。

为验证本发明上述方法及装置中G-SW模型的精确度及可用性，采用下述实验方案。

1模型检验材料与方法

1.1试验观测与数据处理

1.1.1研究区概况

自2009年以来，在北京市园林科学研究所的试验站内开展实验，研究区地处北京市东四环外，北纬39.97°，东经116.46°。北京的气候为典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。年均温8.5-9.5℃，夏季各月平均温都在24℃以上，年降水量540mm，年平均蒸发量约为730mm。全年降水量的80％主要集中在5月下旬至8月上旬，春秋两季干旱少雨水。

1.1.2实验设置与长期观测

在研究区内选择Ginkgo biloba+Euonymus japonicas+Poa pretensis乔-灌-草配置型绿地作为长期实验区，进行液流、土壤水分、环境因子、土壤理化性质、植物外形、植物光合-蒸腾速率等特征的长期观测实验。试验小区布置如图4。

(1)液流观测：选择外形特征基本一致种植约13年的银杏两棵，建立TDP树干液流测定系统(Dynamax.Inc)。将两对长3cm的TDP热消散探针分别插于树干50cm处与紧挨树冠下方，每对探针上下垂直相隔5cm，平行地插入树木的边材，探针通过屏蔽信号线连接Probe12-DL型数据采集仪，设定60min进行平均并自动储存。

(2)土壤水分观测：分别在实验地乔木、灌木与草地的0-100cm深的土壤剖面上，每隔10公分放置一个ECH₂O土壤水分传感器(Decagon)，利用Em50/R数据采集器每隔12小时进行土壤水分数据采集并自动储存。

(3)环境因子监测：将所内小型HOBO气象站(Onset.Inc)测定太阳总辐射(Qs，kJ·m^-2·s^-1)、光合有效辐射(PAR，umolm^-2s^-1)、气温(Ta，℃)、降水量(Rainfall，mm)、风速(Wind，m/s)和相对湿度(RH，％)的传感器与数据采集仪相连，设定10min进行平均并自动储存。

(4)树形特征与叶面积指数(LAI)动态观测：采用Impulse200型测高测距仪(Laser.Inc)测定树木高度；用皮尺测量胸径；用CID-110数字植物冠层图像分析仪(CID.Inc)测定林分的叶面积指数(LAI)。采用生长锥打孔器钻取木栓的方法确定边材面积。在2012年4-11月生长季内，每个月中旬测定一次树高、冠幅、叶面积指数。

(5)土壤物理性状测定：测定表征土壤水分特征的一些物理性状，包括容重、饱和含水量、田间持水量、总孔隙度。具体测定方法包括：利用环刀法测定土壤容重与田间持水量；利用侵水饱和法测定土壤饱和含水量；利用比重瓶法测定总孔隙度。

(6)北京市长系列气象观测数据：从国家气象局数据网站下载，时间分辨率为日气象数据，指标有最高温、日最低温、日均温温、降水、湿度、风速、25cm蒸发皿观测蒸发(mm)。

1.2模型设置与参数获取

模拟的土层深度为250cm，根据将土层分为四大层，表土层、主根系活动层、底土层、基础层，各层土壤参数中饱和含水量、田间持水量为实际测定值，萎蔫含水量、饱和导水率、导水吸水为待率定值，根据土壤质地与容重计算了初始值。模型将以上四层，细化为10层，初始土壤水分为观测值。植株高度、冠幅、根幅、根系分布、最大叶面积指数、叶面积变化节点为实际观测值，冠层气孔参数来源于前期工作中拟合参数。模型输入驱动数据为气象数据包括气温、降水、湿度、风速、太阳辐射，以及灌溉量。

1.3模型参数率定与检验

模型参数率定主要为土壤水分特征参数和冠层气孔参数。首先利用2011年试验地秋末纯草地覆膜灌溉后10天内土壤剖面水分动态值率定，然后再根据2010年土壤含水率的模拟值和观测值的对比进行相应的调整。尽管气孔导度参数是根据液流拟合出最优值，但将其应用在植物-土壤系统中模拟计算蒸腾耗水仍存在一定差值，这里通过调整叶片最大气孔导度消除。

1.4模型评估方法

模型评估分土壤水分与植物日蒸腾两部分，指标定量选取相对误差(RE)和决定系数(R²)。

2结果与分析

2.1模型率定与参数化结果(表1)

表1模型率定后土壤水分特征参数

图5、图6是模拟的根区土壤水分与观测比较，结果表明拟合与观测根区土壤贮水量的消涨基本一致(图5)，拟合系数为R²＝0.66(n＝179)(图6)。图7、图8是模拟与观测的银杏蒸腾量对比，其中7、8、9三月拟合系数为R²＝0.70(n＝93)(图8)，从直观比较看，变化趋势基本吻合(图7)，仅9月下旬模拟蒸腾量整体略高于观测值，其原因在于此时叶面积虽未变化，但叶片活力下降，模型未考虑这一影响，致使蒸腾模拟偏高。

2.2样地水量平衡

表2是根据模拟结果计算的样地水量平衡，结果表明该样地输入水量为878mm，蒸散耗水量为584mm，其中植物蒸腾量为357mm，占总输入水量的40％，深层下渗量为294mm，占总输入水量的31％，与灌溉量基本相当。

表2试验样地0-90cm土体水量平衡

3结论

本研究基于SPAC原理，构建了适用于模拟城市绿地系统耗水的G-SW模型，并利用试验观测数据对模型拟合结果进行了校验，研究表明G-SW模型具有较高的精度，可以被应用于城市复合型群落系统进行需水量和灌水量的计算。研究中以北京市1961－2010年50年气象数据为背景，模拟计算样地水量平衡过程，结果显示，该样地总输入水量为878mm，蒸散耗水量为584mm，其中植物蒸腾量为357mm，占总输入水量的40％，深层下渗量为294mm，占总输入水量的31％，与灌溉量基本相当。

本发明借鉴已有的模型方法，构建了城市绿地植物-土壤水分传输模型，考虑到城市绿地植物根幅与冠幅受人为影响大，而特别在模型中设置冠幅与根幅之比参数。利用试验观测数据对模型拟合结果进行了校验，表明本模型具有较高的精度，可用于城市绿地植物-土壤水分传输过程的分析，为城市复合型群落系统进行需水量和灌水量的计算提供解决方案。

本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施方式中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，这里所称得的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种城市绿地植物-土壤水分传输分析的方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取土壤参数、植物参数和驱动数据，所述土壤参数包括各土壤层厚度，所述植物参数包括冠幅与根幅之比，所述驱动数据包括降水量；

运用城市绿地植物-土壤水分传输模型对所述土壤参数、植物参数和驱动数据进行运算，其中，所述城市绿地植物-土壤水分传输模型包括：

冠层持水动态： $\frac{{\mathrm{\&Delta;W}}_c}{\mathrm{\&Delta;t}}=\mathrm{IP}-E_c,$

式中，W_c为冠层持水量，IP为冠层截留量，E_c为冠层蒸发量，t为时间；

各层土壤水分动态为： $Z_i\&times;\frac{{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\mathrm{si}}}{\mathrm{\&Delta;t}}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{PI}-{\mathrm{ES}}_a-f_{\mathrm{CR}}\&times;{\mathrm{RW}}_i-q_{\mathrm{1,2}}& i=1\\ q_{i-1,i}-f_{\mathrm{CR}}\&times;{\mathrm{RW}}_i-q_{i,i+1}& i>1\end{array}\right.,$

式中，Z_i为i层土壤厚度，θ_si为i层土壤含水量，t为时间，RW_i为i层根系吸水量，PI为降水入渗，q_1,2为1层到2层土壤水分通量，q_i-1,i为i-1层到i层土壤水分通量，q_i,i+1为i层到i+1层土壤水分通量，ES_a为土壤实际蒸发，f_CR为冠幅与根幅之比，即f_CR＝SC/SR，其中SC为冠幅，SR为根幅；

得到状态量和过程量，并预测城市绿地植物的耗水量以及适宜的灌溉需水量，所述状态量包括各层土壤含水量和冠层持水量，所述过程量包括各土壤层根系吸水量、土壤蒸发量、冠层蒸发量和土壤水分通量。

2.根据权利要求1所述的城市绿地植物-土壤水分传输分析的方法，其特征在于，所述q_i,i+1计算公式为：

$q_{i,i+1}=\left\{\begin{array}{cc}{K}_s\&CenterDot;\frac{\exp \left(\mathrm{\&beta;}({\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{si}}-{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{fc}})\right)-1}{\exp \left(\mathrm{\&beta;}(1-{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{fc}})\right)-1}& {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{si}}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{fc}}\\ 0& {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{si}}<{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{fc}}\end{array}\right.,$

式中，K_s为饱和导水率，β为一个取值范围12～26导水系数，θ_si为i层土壤含水量，θ_fc为田间体积持水量；

所述PI计算公式为：PI＝P-IP-Q，

式中，P为降水量，IP为冠层截留量，Q为地表产流量；

其中，所述IP计算公式为： $\begin{array}{c}\mathrm{IP}=\left\{\begin{array}{cc}P-(W_{c\max }-W_c)& P\&GreaterEqual;W_{c\max }-W_c\\ 0& P<W_{c\max }-W_c\end{array}\right.\\ W_c=(W_{c\max },W_c+P)\end{array},$

式中，W_cmax为冠层最大持水量，W_c为冠层持水量，P为降水量；

其中，所述W_cmax计算公式为：W_cmax＝K_c·LAI，

式中，K_c为截留系数，LAI为叶面积指数；

其中，所述Q计算公式为：Q＝max(0,IP-(θ_ssat1-θ_s1)*5)，

式中，IP为冠层截留量，θ_ssat1为表层5cm土壤饱和含水量，θ_s1表层5cm土壤含水量。

3.根据权利要求2所述的城市绿地植物-土壤水分传输分析的方法，其特征在于，所述RW_i计算公式为： $\begin{array}{c}{\mathrm{RW}}_i={\mathrm{TR}}_p\&CenterDot;\frac{f_{\mathrm{ri}}\&CenterDot;{\mathrm{REW}}_i}{\mathrm{REW}}\\ \mathrm{REW}=\mathrm{\&Sigma;}{f}_{\mathrm{ri}}\&CenterDot;{\mathrm{REW}}_i\end{array},$

式中，TR_p为植物的蒸腾需水量，f_ri为i层土壤根系分布比例，REW_i为i层可利用土壤水分相对有效含水量，REW为根区总可利用土壤水分相对有效含水量；

其中，REW_i计算公式为： ${\mathrm{REW}}_i=\left\{\begin{array}{cc}1& {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{si}}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{fc}}\\ \frac{{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{si}}-{\mathrm{\&theta;}}_w}{{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{fc}}-{\mathrm{\&theta;}}_w}& {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{fc}}>{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{si}}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&theta;}}_w\\ 0& {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{si}}<{\mathrm{\&theta;}}_w\end{array}\right.,$

式中，θ_si为i层土壤含水量，θ_fc为田间体积持水量，θ_w为土壤萎蔫含水量。

4.根据权利要求3所述的城市绿地植物-土壤水分传输分析的方法，其特征在于，所述城市绿地植物-土壤水分传输模型还包括计算冠层潜在蒸发、冠层潜在蒸腾和土壤潜在蒸发的公式，其通式为：

$\mathrm{ET}=\frac{1}{\mathrm{\&lambda;}}\frac{{\mathrm{\&Delta;R}}_{x\_\mathrm{ns}}+{\mathrm{\&rho;C}}_p(e_s-e)/r_{x\_a}\&CenterDot;3600}{\mathrm{\&Delta;}+\mathrm{\&gamma;}(1+r_{x\_s}/r_{x\_a})},$

式中，ET为蒸发散量，具体为冠层潜在蒸发、冠层潜在蒸腾或土壤潜在蒸发，R_{x_ns}为x层接收的净辐射量，λ为水的汽化潜热，Δ为饱和水汽压斜率，C_p为空气比热，ρ为空气密度，e_s为饱和水汽压，e为水汽压，γ为干湿球常数，r_{x_s}为x层表面阻力，r_{x_a}为x层边界层阻力；

其中， $r_{x\_a}=\frac{{\ln }^2((Z_u-d)/z_0)}{k^{2}U},$

式中，k为卡曼常数，Z_u为风速测定位置高度，U为在高度Z_u处测定的风速，d为零平面位移高度，z₀为蒸散面粗糙长度，对于冠层高度h有d＝0.63h，z₀＝0.13h；

当x层为冠层时，R_{x_ns}具体为冠上层接收的净辐射量R_{os_ns}，其中，计算冠层潜在蒸发时，r_{x_s}＝0；计算冠层潜在蒸腾时，r_{x_s}为冠层气孔阻力r_sc；

当x层为土壤层时，R_{x_ns}具体为土壤表层接收的净辐射量R_{ss_ns}，计算土壤潜在蒸发时，r_{x_s}为土壤蒸发阻力r_ss；

其中， $\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{os}\_\mathrm{ns}}=R_{\mathrm{ns}}\&CenterDot;\exp (-K\&CenterDot;{\mathrm{LAI}}_{\mathrm{os}})\\ R_{\mathrm{ss}\_\mathrm{ns}}=R_{\mathrm{ns}}-R_{\mathrm{os}\_\mathrm{ns}}\end{array},$

式中，R_ns为冠上层和土壤表层接收的总净辐射量，K为常数，LAI_os为冠上层的叶面积指数。

5.根据权利要求4所述的城市绿地植物-土壤水分传输分析的方法，其特征在于，所述冠层气孔阻力r_sc计算公式为：

式中，LAI为叶面积指数，g_s为叶片气孔导度；

其中， $g_s=g_{s\max }\&CenterDot;\frac{k_{\mathrm{par}}\&CenterDot;\mathrm{PAR}}{1+k_{\mathrm{par}}\&CenterDot;\mathrm{PAR}}\&CenterDot;\frac{1}{1+k_{\mathrm{Dvp}}\&CenterDot;\mathrm{DVP}}\&CenterDot;\frac{1}{1+{(\mathrm{REW}/h_{\mathrm{Rew}})}^{k_{\mathrm{Rew}}}},$

式中，g_smax为叶片最大气孔导度，PAR为光合有效辐射，DVP为水汽压亏缺，REW为根区土壤相对有效含水，k_par气孔导度的光合辐射作用系数，k_Dvp气孔导度的水汽压亏缺作用系数，k_Rew气孔导度的土壤水分作用系数，h_Rew为1/2叶片最大气孔导度时的土壤有效含水率；

其中，LAI＝LAI_max·f(t)，

式中，LAI_max为叶盛时的最大叶面积指数，f(t)为叶面积随时间变化的经验函数，有 $f\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& t<t_1\\ \frac{t-t_1}{t_2-t_1}& t_2>t\&GreaterEqual;t_1\\ 1& t_3>t>t_2\\ \frac{t_4-t}{t_4-t_3}& t_4>t\&GreaterEqual;t_3\\ 0& t>t_4\end{array}\right.,$

式中，t₁、t₂、t₃、t₄分别为展叶初始日、叶盛初始日、叶衰初始日、叶落日；

实际蒸腾量TR_a＝ΣRWi，

式中，RW_i为i层根系吸水量；

所述土壤蒸发阻力r_ss计算公式为：r_ss＝r_smax(θ_ssat1-θ_s1)/(θ_ssat1-θ_h1)，

式中，r_smax为表层土壤最大表面阻力，θ_ssat1为表层5cm土壤饱和含水量，θ_s1表层5cm土壤含水量，θ_h1为表层土壤吸湿含水量；

土壤实际蒸发计算公式为：ES_a＝min(E_sp,E_max)，

式中，E_sp为土壤潜在蒸发，E_max为表层5cm土壤水分的最大传输量；

所述土壤参数包括各土壤层厚度、饱和含水量、田间体积持水量、萎蔫含水量、饱和导水率和导水系数；所述植物参数包括冠幅与根幅之比、根系分布比例、最大叶面积指数、叶面积变化时间节点和冠层气孔参数；所述驱动数据包括气温、降水量、湿度、风速、太阳辐射；所述状态量包括各层土壤水分、冠层持水；所述过程量包括蒸腾量、各土壤层根系吸水量、土壤蒸发量、土壤底层渗漏量。

6.一种城市绿地植物-土壤水分传输分析的装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取土壤参数、植物参数和驱动数据，所述土壤参数包括各土壤层厚度，所述植物参数包括冠幅与根幅之比，所述驱动数据包括降水量；

运算模块，用于运用城市绿地植物-土壤水分传输模型对所述土壤参数、植物参数和驱动数据进行运算，其中，所述城市绿地植物-土壤水分传输模型包括：

冠层持水动态： $\frac{{\mathrm{\&Delta;W}}_c}{\mathrm{\&Delta;t}}=\mathrm{IP}-E_c,$

式中，W_c为冠层持水量，IP为冠层截留量，E_c为冠层蒸发量，t为时间；

各层土壤水分动态为： $Z_i\&times;\frac{{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\mathrm{si}}}{\mathrm{\&Delta;t}}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{PI}-{\mathrm{ES}}_a-f_{\mathrm{CR}}\&times;{\mathrm{RW}}_i-q_{\mathrm{1,2}}& i=1\\ q_{i-1,i}-f_{\mathrm{CR}}\&times;{\mathrm{RW}}_i-q_{i,i+1}& i>1\end{array}\right.,$

式中，Z_i为i层土壤厚度，θ_si为i层土壤含水量，t为时间，RW_i为i层根系吸水量，PI为降水入渗，q_1,2为1层到2层土壤水分通量，q_i-1,i为i-1层到i层土壤水分通量，q_i,i+1为i层到i+1层土壤水分通量，ES_a为土壤实际蒸发，f_CR为冠幅与根幅之比，即f_CR＝SC/SR，其中SC为冠幅，SR为根幅；

预测模块，用于得到状态量和过程量，并预测城市绿地植物的耗水量以及适宜的灌溉需水量，所述状态量包括各层土壤含水量和冠层持水量，所述过程量包括各土壤层根系吸水量、土壤蒸发量、冠层蒸发量和土壤水分通量。

7.根据权利要求6所述的城市绿地植物-土壤水分传输分析的装置，其特征在于，所述q_i,i+1计算公式为：

$q_{i,i+1}=\left\{\begin{array}{cc}{K}_s\&CenterDot;\frac{\exp \left(\mathrm{\&beta;}({\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{si}}-{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{fc}})\right)-1}{\exp \left(\mathrm{\&beta;}(1-{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{fc}})\right)-1}& {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{si}}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{fc}}\\ 0& {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{si}}<{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{fc}}\end{array}\right.,$

式中，K_s为饱和导水率，β为一个取值范围12～26导水系数，θ_si为i层土壤含水量，θ_fc为田间体积持水量；

所述PI计算公式为：PI＝P-IP-Q，

式中，P为降水量，IP为冠层截留量，Q为地表产流量；

其中，所述IP计算公式为： $\begin{array}{c}\mathrm{IP}=\left\{\begin{array}{cc}P-(W_{c\max }-W_c)& P\&GreaterEqual;W_{c\max }-W_c\\ 0& P<W_{c\max }-W_c\end{array}\right.\\ W_c=(W_{c\max },W_c+P)\end{array},$

式中，W_cmax为冠层最大持水量，W_c为冠层持水量，P为降水量；

其中，所述W_cmax计算公式为：W_cmax＝K_c·LAI，

式中，K_c为截留系数，LAI为叶面积指数；

其中，所述Q计算公式为：Q＝max(0,IP-(θ_ssat1-θ_s1)*5)，

式中，IP为冠层截留量，θ_ssat1为表层5cm土壤饱和含水量，θ_s1表层5cm土壤含水量。

8.根据权利要求7所述的城市绿地植物-土壤水分传输分析的装置，其特征在于，所述RW_i计算公式为： $\begin{array}{c}{\mathrm{RW}}_i={\mathrm{TR}}_p\&CenterDot;\frac{f_{\mathrm{ri}}\&CenterDot;{\mathrm{REW}}_i}{\mathrm{REW}}\\ \mathrm{REW}=\mathrm{\&Sigma;}{f}_{\mathrm{ri}}\&CenterDot;{\mathrm{REW}}_i\end{array},$

式中，TR_p为植物的蒸腾需水量，f_ri为i层土壤根系分布比例，REW_i为i层可利用土壤水分相对有效含水量，REW为根区总可利用土壤水分相对有效含水量；

其中，REW_i计算公式为： ${\mathrm{REW}}_i=\left\{\begin{array}{cc}1& {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{si}}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{fc}}\\ \frac{{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{si}}-{\mathrm{\&theta;}}_w}{{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{fc}}-{\mathrm{\&theta;}}_w}& {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{fc}}>{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{si}}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&theta;}}_w\\ 0& {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{si}}<{\mathrm{\&theta;}}_w\end{array}\right.,$

式中，θ_si为i层土壤含水量，θ_fc为田间体积持水量，θ_w为土壤萎蔫含水量。

9.根据权利要求8所述的城市绿地植物-土壤水分传输分析的装置，其特征在于，所述城市绿地植物-土壤水分传输模型还包括计算冠层潜在蒸发、冠层潜在蒸腾和土壤潜在蒸发的公式，其通式为：

$\mathrm{ET}=\frac{1}{\mathrm{\&lambda;}}\frac{{\mathrm{\&Delta;R}}_{x\_\mathrm{ns}}+{\mathrm{\&rho;C}}_p(e_s-e)/r_{x\_a}\&CenterDot;3600}{\mathrm{\&Delta;}+\mathrm{\&gamma;}(1+r_{x\_s}/r_{x\_a})},$

式中，ET为蒸发散量，具体为冠层潜在蒸发、冠层潜在蒸腾或土壤潜在蒸发，R_{x_ns}为x层接收的净辐射量，λ为水的汽化潜热，Δ为饱和水汽压斜率，C_p为空气比热，ρ为空气密度，e_s为饱和水汽压，e为水汽压，γ为干湿球常数，r_{x_s}为x层表面阻力，r_{x_a}为x层边界层阻力；

其中， $r_{x\_a}=\frac{{\ln }^2((Z_u-d)/z_0)}{k^{2}U},$

式中，k为卡曼常数，Z_u为风速测定位置高度，U为在高度Z_u处测定的风速，d为零平面位移高度，z₀为蒸散面粗糙长度，对于冠层高度h有d＝0.63h，z₀＝0.13h；

当x层为冠层时，R_{x_ns}具体为冠上层接收的净辐射量R_{os_ns}，其中，计算冠层潜在蒸发时，r_{x_s}＝0；计算冠层潜在蒸腾时，r_{x_s}为冠层气孔阻力r_sc；

当x层为土壤层时，R_{x_ns}具体为土壤表层接收的净辐射量R_{ss_ns}，计算土壤潜在蒸发时，r_{x_s}为土壤蒸发阻力r_ss；

其中， $\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{os}\_\mathrm{ns}}=R_{\mathrm{ns}}\&CenterDot;\exp (-K\&CenterDot;{\mathrm{LAI}}_{\mathrm{os}})\\ R_{\mathrm{ss}\_\mathrm{ns}}=R_{\mathrm{ns}}-R_{\mathrm{os}\_\mathrm{ns}}\end{array},$

式中，R_ns为冠上层和土壤表层接收的总净辐射量，K为常数，LAI_os为冠上层的叶面积指数。

10.根据权利要求9所述的城市绿地植物-土壤水分传输分析的装置，其特征在于，所述冠层气孔阻力r_sc计算公式为：

式中，LAI为叶面积指数，g_s为叶片气孔导度；

其中， $g_s=g_{s\max }\&CenterDot;\frac{k_{\mathrm{par}}\&CenterDot;\mathrm{PAR}}{1+k_{\mathrm{par}}\&CenterDot;\mathrm{PAR}}\&CenterDot;\frac{1}{1+k_{\mathrm{Dvp}}\&CenterDot;\mathrm{DVP}}\&CenterDot;\frac{1}{1+{(\mathrm{REW}/h_{\mathrm{Rew}})}^{k_{\mathrm{Rew}}}},$

式中，g_smax为叶片最大气孔导度，PAR为光合有效辐射，DVP为水汽压亏缺，REW为根区土壤相对有效含水，k_par气孔导度的光合辐射作用系数，k_Dvp气孔导度的水汽压亏缺作用系数，k_Rew气孔导度的土壤水分作用系数，h_Rew为1/2叶片最大气孔导度时的土壤有效含水率；

其中，LAI＝LAI_max·f(t)，

式中，LAI_max为叶盛时的最大叶面积指数，f(t)为叶面积随时间变化的经验函数，有 $f\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& t<t_1\\ \frac{t-t_1}{t_2-t_1}& t_2>t\&GreaterEqual;t_1\\ 1& t_3>t>t_2\\ \frac{t_4-t}{t_4-t_3}& t_4>t\&GreaterEqual;t_3\\ 0& t>t_4\end{array}\right.,$

式中，t₁、t₂、t₃、t₄分别为展叶初始日、叶盛初始日、叶衰初始日、叶落日；

实际蒸腾量TR_a＝ΣRWi，

式中，RW_i为i层根系吸水量；

所述土壤蒸发阻力r_ss计算公式为：r_ss＝r_smax(θ_ssat1-θ_s1)/(θ_ssat1-θ_h1)，

式中，r_smax为表层土壤最大表面阻力，θ_ssat1为表层5cm土壤饱和含水量，θ_s1表层5cm土壤含水量，θ_h1为表层土壤吸湿含水量；

土壤实际蒸发计算公式为：ES_a＝min(E_sp,E_max)，

式中，E_sp为土壤潜在蒸发，E_max为表层5cm土壤水分的最大传输量；

所述土壤参数包括各土壤层厚度、饱和含水量、田间体积持水量、萎蔫含水量、饱和导水率和导水系数；所述植物参数包括冠幅与根幅之比、根系分布比例、最大叶面积指数、叶面积变化时间节点和冠层气孔参数；所述驱动数据包括气温、降水量、湿度、风速、太阳辐射；所述状态量包括各层土壤水分、冠层持水；所述过程量包括蒸腾量、各土壤层根系吸水量、土壤蒸发量、土壤底层渗漏量。