CN114128608B - 一种果园灌溉管理方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种果园灌溉管理方法及系统，其中方法包括：确定世界粮食研究WOFOST模型中待校正的敏感参数；通过建立有效光合叶面积指数分段方程优化所述WOFOST模型的有效光合叶面积指数和光合作用模块；校正优化后的WOFOST模型中待校正的敏感参数以完成所述WOFOST模型的改进；将设定的土壤基本属性参数和气象信息输入所述改进后的WOFOST模型，得到水分胁迫系数；基于所述水分胁迫系数判定果树水分需求量，并根据所述果树水分需求量实现果园灌溉管理。本发明实现了果树水分需求精准定量分析以使得果树作物得到精准灌溉管理。
Description
技术领域
本发明涉及智慧农业技术领域，尤其涉及一种果园灌溉管理方法及系统。
背景技术
在干旱和半干旱地区，果树水分需求强烈依赖人工灌溉。精准定量分析枣树不同发育时期需水量，提高水分利用效率，对提高果树产量和节约水资源具有重要意义。现有关于果树灌溉的研究和方法主要通过试验确定施肥量，而在不同地区的土壤条件、年际间的气象环境存在差异性，某一地区的灌溉方案通常不适用于其他地区或其他年，也就是说，现有技术无法实现果树水分需求精准定量分析，因而不能使得果树作物得到精准灌溉管理。
发明内容
本发明实施例提供一种果园灌溉管理方法及系统，用以解决现有技术无法实现果树水分需求精准定量分析以使得果树作物得到精准灌溉管理的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种果园灌溉管理方法，包括：
确定世界粮食研究WOFOST模型中待校正的敏感参数；
通过建立有效光合叶面积指数分段方程优化所述WOFOST模型的有效光合叶面积指数和光合作用模块；
校正优化后的WOFOST模型中待校正的敏感参数以完成所述WOFOST模型的改进；
将设定的土壤基本属性参数和气象信息输入所述改进后的WOFOST模型，得到水分胁迫系数；
基于所述水分胁迫系数判定果树水分需求量，并根据所述果树水分需求量实现果园灌溉管理。
优选地，所述确定WOFOST模型中待校正的敏感参数包括：
通过对试验区观测的果树进行不同发育时间段的有效积温标定WOFOST模型中物候学发育时间参数，并获取WOFOST模型作物参数，并根据获取的作物参数得到总地上生物量、叶面积指数、果实产量和水分运移模拟结果；
分析所述WOFOST模型作物参数对总地上生物量、叶面积指数、果实产量和水分运移模拟结果的敏感性和不确定性，得到各作物参数对所述WOFOST模型输出总方差的直接贡献率，并按照贡献率由大到小排序后筛选出靠前的预定个数的作物参数作为待校正的敏感参数。
优选地，所述通过对试验区观测的生物进行不同发育时间段的有效积温标定WOFOST模型中物候学发育时间参数，包括：
获取最大阈值发育温度和最低阈值发育温度，并根据每日平均温度函数计算有效累积温度总和；其中，所述平均温度函数的公式如下：
Te＝0 T≤Tbase；
Te＝T-Tbase Tbase≤T≤Tmax，e；
Te＝Tmax，e-Tbase T≥Tmax，e；
其中，Te为每日有效温度，Tmax，e为最大阈值发育温度，若温度高于最大阈值，果树停止发育，Tbase为最低阈值发育温度，若温度低于最低阈值，果树停止发育，T为每日平均温度；
基于所述有效累积温度总和确定开始发育到萌芽、萌芽到开花、开花到成熟的物候学发育长度；
基于所述物候学发育长度并通过观测萌芽、花开和成熟时间得到并标定开始发育到萌芽时的有效积温和、萌芽到开花时的有效积温和及开花到成熟时的有效积温和。
优选地，所述获取WOFOST模型作物参数，包括：
预设所述WOFOST模型的初始输入参数，包括将芽和新生根的干重作为初始总生物量参数TDWI，测量萌芽时的初始叶面积指数LAIEM和叶面积指数的日最大增长量RGRLAI；
测量生长季内叶面积指数和叶片干重标定不同发育阶段的特定叶面积参数SLATB，并使用生长发育后期的叶面积指数校正所述WOFOST模型初始的叶片死亡率参数SPAN；
采用设备测量不同光照强度的净光合作用速率，并在最佳发育温度范围内拟合光响应曲线，计算出光能利用率和最大二氧化碳同化速率；
测量根、茎、叶和果实的维持呼吸速率和维持呼吸系数计算维持呼吸需求，并实测不同发育阶段的地上各器官生物量计算光合作用生产有机物扣除呼吸消耗后分配到茎、叶和果实的干物质分配系数。
优选地，所述芽的干重通过种植密度乘以保留在树木的芽的平均干重计算得到；
所述新生根的干重通过扫描法计算根长、直径和体积，并通过密度乘以体积计算得到；
所述萌芽时的初始叶面积指数LAIEM通过单位土地面积的所有叶片面积总和计算得到；
所述叶面积指数的日最大增长量RGRLAI为不同发育阶段测量的最大值；
所述特定叶面积参数SLATB通过不同发育阶段测量值进行初步确定后，通过测量的不同发育阶段的总地上生物量TAGP和叶面积指数LAI进行精细校正；
所述叶片死亡率参数SPAN基于生长季后期的时间序列LAI的模拟值和测量值的均方根误差RMSE最小进行校正；
所述采用设备测量不同光照强度的净光合作用速率，并在最佳发育温度范围内拟合光响应曲线，包括：
采用设备测量最低和最高温度下不同冠层梯度的净光合作用速率，并在最低和最高温度分别拟合基于Rectangular hyperbolic correction model的光响应曲线，其公式如下：
其中，Pn为净二氧化碳同化速率，α为初始最大光能使用效率，β和γ为拟合系数，PAR为光合有效辐射，Rd为暗呼吸速率，Amax为最大净二氧化碳同化速率。
优选地，所述维持呼吸需求通过根、茎、叶、果实各器官的干重计算得到，其公式如下：
其中，Rm表示在25℃时维持呼吸速率，cm，i表示根、茎、叶、果实各器官i的维持呼吸系数，Wi表示各器官的干重；
初步确定干物质分配到茎、叶和果实的分配系数后，通过模拟活茎干重WST、活叶干重WLV和果实干重WSO对分配系数进行微调，以使模拟和测量的均方根误差RMSE最小。
优选地，所述通过建立有效光合叶面积指数分段方程优化所述WOFOST模型的有效光合叶面积指数和光合作用模块，包括：
基于冠层叶面积指数、叶倾角和方位角不同发育阶段的空间变化特征及对光能截获对冠层深度进行分层；
基于冠层深度的分层得到每一层与最顶部冠层有效光合叶面积指数的比例，其计算公式如下：
PAI％，i＝1-(1-xiγ)δ；
其中，PAI％，i是第i层截获PAI与最顶部冠层PAI的比值，xi是冠层深度的百分比，γ和δ根据不同生长发育时期实际观测的每层PAI和冠层顶部的PAI确定；
通过冠层顶部的PAI和每一层的PAI％，i乘积获得冠层第i层的有效光合叶面积指数PAIi，并对所述冠层第i层的有效光合叶面积指数PAIi进行积分得到优化的有效光合叶面积指数；
基于所述冠层第i层的有效光合叶面积指数PAIi得到第i层的光能吸收量Ia，i，其计算公式如下：
其中，k表示漫反射消光系数，表示冠层反射系数，I0表示最顶部冠层的光合有效辐射通量，PAIi表示冠层第i层的有效光合叶面积指数；
对所述第i层的光能吸收量Ia，i进行积分计算得到总光能吸收量Ia；
基于所述总光能吸收量Ia采用水分胁迫系数δn得到实际总光合速率AC，以实现光合作用模块的优化，其计算公式如下：
其中，Am表示最大二氧化碳同化速率，τ表示光能利用效率，δn值根据实测水分胁迫和二氧化碳同化速率进行拟合与校正确定。
优选地，所述校正优化后的WOFOST模型中待校正的敏感参数，包括：
调整与作物生长相关的敏感参数使得不同发育阶段的总地上生物量、叶面积指数的测量值和模拟值的均方根误差RMSE最小，调整与水分运移模拟相关的敏感参数使模拟和测量的土壤水分含量的RMSE值最小，以实现敏感参数值的校正。
优选地，所述将土壤基本属性参数和气象信息输入所述改进后的WOFOST模型，得到水分胁迫系数，包括：
将设定的土壤基本属性参数和气象信息输入所述改进后的WOFOST模型，逐日模拟作物各器官生物量日生长、叶面积指数、土壤水分含量、实际蒸腾量、最大蒸腾量、土壤蒸发量和水分胁迫的日变化；
根据所述实际蒸腾量和最大蒸腾量的比值得到所述水分胁迫系数。
第二方面，本发明实施例提供一种果园灌溉管理系统，包括：
参数确定单元，用于确定WOFOST模型中待校正的敏感参数；
模型优化单元，用于通过建立有效光合叶面积指数分段方程优化所述WOFOST模型的有效光合叶面积指数和光合作用模块；
参数校正单元，用于校正优化后的WOFOST模型中待校正的敏感参数以完成所述WOFOST模型的改进；
信息输入单元，用于将设定的土壤基本属性参数和气象信息输入所述改进后的WOFOST模型，得到水分胁迫系数；
管理输出单元，用于基于所述水分胁迫系数判定果树水分需求量，并根据所述果树水分需求量实现果园灌溉管理。
本发明实施例提供的一种果园灌溉管理方法及系统，通过确定世界粮食研究WOFOST模型中待校正的敏感参数；通过建立有效光合叶面积指数分段方程优化所述WOFOST模型的有效光合叶面积指数和光合作用模块；校正优化后的WOFOST模型中待校正的敏感参数以完成所述WOFOST模型的改进；将设定的土壤基本属性参数和气象信息输入所述改进后的WOFOST模型，得到水分胁迫系数；基于所述水分胁迫系数判定果树水分需求量，并根据所述果树水分需求量实现果园灌溉管理。本发明实现了果树水分需求精准定量分析以使得果树作物得到精准灌溉管理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种果园灌溉管理方法的流程示意图；
图2是本发明提供的一种果园灌溉管理系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
下面结合图1-图2描述本发明提供的一种果园灌溉管理方法及系统。
本发明实施例提供了一种果园灌溉管理方法。图1为本发明实施例提供的果园灌溉管理方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：
步骤110，确定世界粮食研究WOFOST模型中待校正的敏感参数；
步骤120，通过建立有效光合叶面积指数分段方程优化所述WOFOST模型的有效光合叶面积指数和光合作用模块；
步骤130，校正优化后的WOFOST模型中待校正的敏感参数以完成所述WOFOST模型的改进；
步骤140，将设定的土壤基本属性参数和气象信息输入所述改进后的WOFOST模型，得到水分胁迫系数；
步骤150，基于所述水分胁迫系数判定果树水分需求量，并根据所述果树水分需求量实现果园灌溉管理。
本发明提供的方法，基于作物生长模拟理论，通过对模型参数的敏感性分析和标定，实现果树生长和水分运移的日变化模拟，提高果园灌溉的时效性和准确性，有利于果园的提质增产。
基于上述任一实施例，所述确定WOFOST模型中待校正的敏感参数包括：
通过对试验区观测的果树进行不同发育时间段的有效积温标定WOFOST模型中物候学发育时间参数，并获取WOFOST模型作物参数，并根据获取的作物参数得到总地上生物量、叶面积指数、果实产量和水分运移模拟结果；
分析所述WOFOST模型作物参数对总地上生物量、叶面积指数、果实产量和水分运移模拟结果的敏感性和不确定性，得到各作物参数对所述WOFOST模型输出总方差的直接贡献率，并按照贡献率由大到小排序后筛选出靠前的预定个数的作物参数作为待校正的敏感参数。
具体地，采用Sobol方法分析WOFOST模型作物参数对总地上生物量、叶面积指数和水分运移模拟结果的敏感性和不确定性，计算各参数对模型输出总方差的直接贡献率(敏感性指数)，贡献率较高的5个敏感参数筛选为重点校正参数。
基于上述任一实施例，所述通过对试验区观测的生物进行不同发育时间段的有效积温标定WOFOST模型中物候学发育时间参数，包括：
获取最大阈值发育温度和最低阈值发育温度，并根据每日平均温度函数计算有效累积温度总和；其中，所述平均温度函数的公式如下：
Te＝0 T≤Tbase； (1)
Te＝T-Tbase Tbase≤T≤Tmax，e； (2)
Te＝Tmax，e-Tbase T≥Tmax，e； (3)
其中，Te为每日有效温度，Tmax，e为最大阈值发育温度，若温度高于最大阈值，果树停止发育，Tbase为最低阈值发育温度，若温度低于最低阈值，果树停止发育，T为每日平均温度；
基于所述有效累积温度总和确定开始发育到萌芽、萌芽到开花、开花到成熟的物候学发育长度；
基于所述物候学发育长度并通过观测萌芽、花开和成熟时间得到并标定开始发育到萌芽时的有效积温和、萌芽到开花时的有效积温和及开花到成熟时的有效积温和。
具体地，根据不同果树发育特点通过文献查阅或田间观测标定最低发育和萌芽时最高温度；采用有效积温方法标定TSUMEM(开始发育到萌芽的有效积温和)，TSUM1(萌芽到开花时的有效积温和)，TSUM2(开花到成熟时的有效积温和)。
将果树物候发展阶段可分为三个重要阶段，其数值范围为0到2，其中，0为出苗(DVS＝0)，1为开花DVS＝1)，2为成熟(DVS＝2)。萌芽到开花、开花到成熟的物候学发育长度通过有效累积温度总和确定，有效累积温度总和定义为每日有效温度的累计值。每日有效温度为每日平均温度的函数，如公式(1)、(2)和(3)。进而通过观测萌芽、开花和成熟时间以及每日的平均温度计算TSUMEM、TSUM1和TSUM2。
基于上述任一实施例，所述获取WOFOST模型作物参数，包括：
预设所述WOFOST模型的初始输入参数，包括将芽和新生根的干重作为初始总生物量参数TDWI，测量萌芽时的初始叶面积指数LAIEM和叶面积指数的日最大增长量RGRLAI；
具体地，芽上第五片叶子展开的时间定义为萌芽开始时间(DVS＝0)，此时测量初始干重TDWI值。TDWI被重新定义为每个生长季节中初始新器官(初始芽和根)的重量。芽的初始重量可以通过种植密度乘以保留在树木的芽的平均重量来计算。根的测量通过扫描法计算根长、直径和体积，并通过密度乘以体积进行计算。或者挖90度剖面取样烘干后称量干重。萌芽时的初始叶面积指数LAIEM可以通过单位土地面积的所有叶片面积总和进行计算；叶面积指数的日最大相对增长率RGRLAI取不同发育阶段测量的最大值。
测量生长季内叶面积指数和叶片干重标定不同发育阶段的特定叶面积参数SLATB，并使用生长发育后期的叶面积指数校正所述WOFOST模型初始的叶片死亡率参数SPAN；
具体地，SLATB(特殊叶面积)为叶面积与干重的比值，定义为不同发育阶段的函数，此参数为高敏感参数，先通过不同发育阶段测量值进行初步确定，在通过测量的不同发育阶段的总地上生物量TAGP和叶面积指数LAI进行精细校正。叶片死亡率SPAN校正采用生长季后期的时间序列LAI的模拟值和测量值均方根误差RMSE最小的方法。
采用设备测量不同光照强度的净光合作用速率，并在最佳发育温度范围内拟合光响应曲线，计算出光能利用率和最大二氧化碳同化速率；
具体地，使用LI-COR 6400XT设备测量的不同光照强度的净光合作用速率，在最佳发育温度范围内拟合rectangular hyperbolic correction model光响应曲线，计算光能利用率和最大二氧化碳同化速率等参数。二氧化碳同化和呼吸过程同时进行，测量值代表净同化率，这是同化和呼吸之间的差。因此，为了获得最大的CO2同化率(AMAXTB)，假定暗呼吸的速率与亮呼吸的速率相同，将暗呼吸的值Rd增加到测量值Amax计算最大二氧化同化速率AMAXTB，同时拟合计算最大光能利用率α。
测量根、茎、叶和果实的维持呼吸速率和维持呼吸系数计算维持呼吸需求，并实测不同发育阶段的地上各器官生物量计算光合作用生产有机物扣除呼吸消耗后分配到茎、叶和果实的干物质分配系数。
具体地，维护呼吸根据生物量中存在的蛋白质和矿物质的数量以及作物的代谢活性进行估算，在实验室测量各器官的维持呼吸系数，并通过各器官的干重计算维持呼吸需求。
基于上述任一实施例，所述芽的干重通过种植密度乘以保留在树木的芽的平均干重计算得到；
所述新生根的干重通过扫描法计算根长、直径和体积，并通过密度乘以体积计算得到；
所述萌芽时的初始叶面积指数LAIEM通过单位土地面积的所有叶片面积总和计算得到；
所述叶面积指数的日最大增长量RGRLAI为不同发育阶段测量的最大值；
所述特定叶面积参数SLATB通过不同发育阶段测量值进行初步确定后，通过测量的不同发育阶段的总地上生物量TAGP和叶面积指数LAI进行精细校正；
所述叶片死亡率参数SPAN基于生长季后期的时间序列LAI的模拟值和测量值的均方根误差RMSE最小进行校正；
所述采用设备测量不同光照强度的净光合作用速率，并在最佳发育温度范围内拟合光响应曲线，包括：
采用设备测量最低和最高温度下不同冠层梯度的净光合作用速率，并在最低和最高温度分别拟合基于Rectangular hyperbolic correction model的光响应曲线，其公式(4)和(5)如下：
其中，Pn为净二氧化碳同化速率，α为初始最大光能使用效率，β和γ为拟合系数，PAR为光合有效辐射，Rd为暗呼吸速率，Amax为最大净二氧化碳同化速率。
基于上述任一实施例，所述维持呼吸需求通过根、茎、叶、果实各器官的干重计算得到，其公式(6)如下：
其中，Rm表示在25℃时维持呼吸速率，cm，i表示根、茎、叶、果实各器官i的维持呼吸系数，Wi表示各器官的干重；
初步确定干物质分配到茎、叶和果实的分配系数后，通过模拟活茎干重WST、活叶干重WLV和果实干重WSO对分配系数进行微调，以使模拟和测量的均方根误差RMSE最小。
具体地，在萌芽、开花、果实成熟发育阶段每隔15天-20天测量茎、叶、果实生物量干重，初步确定干物质分配到茎、叶、果实的分配系数(FLTB，FSTB和FOTB)，并通过模拟的WST(活茎干重)、WLV(活叶干重)和WSO(果实干重)对分配系数进行微调，使模拟和测量的均方根误差RMSE最小。
基于上述任一实施例，所述通过建立有效光合叶面积指数分段方程优化所述WOFOST模型的有效光合叶面积指数和光合作用模块，包括：
基于冠层叶面积指数、叶倾角和方位角不同发育阶段的空间变化特征及对光能截获对冠层深度进行分层；
基于冠层深度的分层得到每一层与最顶部冠层有效光合叶面积指数的比例，其计算公式(7)如下：
PAI％，i＝1-(1-xi γ)δ； (7)
其中，PAI％，i是第i层截获PAI与最顶部冠层PAI的比值，xi是冠层深度的百分比，γ和δ根据不同生长发育时期实际观测的每层PAI和冠层顶部的PAI确定；
通过冠层顶部的PAI和每一层的PAI％，i乘积获得冠层第i层的有效光合叶面积指数PAIi，并对所述冠层第i层的有效光合叶面积指数PAIi进行积分得到优化的有效光合叶面积指数；
基于所述冠层第i层的有效光合叶面积指数PAIi得到第i层的光能吸收量Ia，i，其计算公式(8)如下：
其中，k表示漫反射消光系数，表示冠层反射系数，I0表示最顶部冠层的光合有效辐射通量，PAIi表示冠层第i层的有效光合叶面积指数；
对所述第i层的光能吸收量Ia，i进行积分计算得到总光能吸收量Ia；
基于所述总光能吸收量Ia采用水分胁迫系数δn得到实际总光合速率AC，以实现光合作用模块的优化，其计算公式(9)如下：
其中，Am表示最大二氧化碳同化速率，τ表示光能利用效率，δn值根据实测水分胁迫和二氧化碳同化速率进行拟合与校正确定。
具体地，优化WOFOST模型的核心在于考虑果树不同物候学发育阶段的有效叶面积指数时空分布规律，对有效光合叶面积指数进行改进。
第一步：分析冠层叶面积指数、叶倾角和方位角不同发育阶段的空间变化特征及对光能截获的影响，冠层深度分为20层，首先计算每一层与最顶部冠层有效光合叶面积指数的比例(PAI％，i)，每一层的PAI％，i通过公式(10)计算：
PAI％，i＝1-(1-xi γ)δ； (10)
PAI％，i是第i层截获PAI与最顶部冠层PAI的比值，xi是冠层深度的百分比，设计中分20层，最顶层等于0.05，最底层等于1。γ和δ根据不同生长发育时期实际观测的每层PAI和冠层顶部的PAI确定，根据WOFOST模型有效积温计算方法，物候学发育阶段DVS(Development stages)取值为0到2，萌芽时DVS＝0，开花时DVS＝1，成熟时DVS＝2，γ和δ值分段拟合为DVS的函数。
每一层的光合叶面积指数PAIi可通过冠层顶部的PAI和每一层的PAI％，i乘积获得，积分每一层PAIi获得总有效光合叶面积指数。
第二步，改进的有效光合叶面积指数PAIi取代已实现的枣树生长模型的LAI计算方法，计算第i层的光能吸收量Ia，i，积分各层Ia，i计算总光能吸收量Ia，Ia，i计算见公式(11)。
k表示漫反射消光系数，表示冠层反射系数，I0表示最顶部冠层的光合有效辐射通量，PAIi表示冠层第i层的有效光合叶面积指数。
第三步，使用水分胁迫系数δn调整实际总光合速率AC计算方程，见公式(12)。
Am表示最大二氧化碳同化速率，τ表示光能利用效率。δn值根据实测水分胁迫和二氧化碳同化速率进行拟合与校正。
最后，通过改进的光合作用模块计算枣树干重实际增量。
基于上述任一实施例，所述校正优化后的WOFOST模型中待校正的敏感参数，包括：
调整与作物生长相关的敏感参数使得不同发育阶段的总地上生物量、叶面积指数的测量值和模拟值的均方根误差RMSE最小，调整与水分运移模拟相关的敏感参数使模拟和测量的土壤水分含量的RMSE值最小，以实现敏感参数值的校正。
基于上述任一实施例，所述将土壤基本属性参数和气象信息输入所述改进后的WOFOST模型，得到水分胁迫系数，包括：
将设定的土壤基本属性参数和气象信息输入所述改进后的WOFOST模型，逐日模拟作物各器官生物量日生长、叶面积指数、土壤水分含量、实际蒸腾量、最大蒸腾量、土壤蒸发量和水分胁迫的日变化；
根据所述实际蒸腾量和最大蒸腾量的比值得到所述水分胁迫系数。
具体地，输入通过测量设定的土壤基本属性参数(水响应曲线、田间持水量、饱和含水率、枯萎点含水率、水力传导率等)和气象信息(辐射量、最低温度、最高温度、早晨水气压、平均风速、降雨)驱动模型，逐日模拟各器官生物量日生长、叶面积指数、土壤水分含量、实际蒸腾量、最大蒸腾量、土壤蒸发量和水分胁迫的日变化，并通过水分胁迫系数(实际蒸腾与最大蒸腾的比值)判定果树水分需求量，生成精准灌溉策略。实际蒸腾量计算过程如下：
潜在蒸散量ETP等于潜在蒸腾量Tp和土壤蒸发量Ep的总和，见公式(13)。
ETP根据Penman-Monteith公式(13)计算。因为不同作物潜在蒸散量可能高于Penman-Monteith公式计算的值，所以蒸散量乘以作物因子，从而计算出最大蒸散量ETm，见公式(14)。
最大蒸腾速率Tm通过公式(15)计算。
当供水充足时，实际蒸腾速率Ta等于Tm。当供水不足时，可使用折减系数Rws修正Tm以计算Ta，见公式(16)。
Rws的计算如公式(17)和(18)所示。
ETP＝Tp+Ep； (13)
ETm＝CFET×ETP； (14)
Ta＝Rws×Tm； (16)
θws＝(1-ρ)(θfc-θwp)+θwp； (18)
式中,Ta表示实际蒸腾速率,Rws水分胁迫对蒸腾速率的折减系数,Tm是最大蒸腾速率,ETP表示潜在蒸散量,CFET作物蒸散修正系数(值从0.9到1.2),kgb表达消光系数,θt表达土壤水分含率,θws表达饱和土壤含水率,θwp表达枯萎湿度,ρ表达土壤耗水系数,θfc表达田间持水量。
下面对本发明提供的一种果园灌溉管理系统进行描述，下文描述的与上文描述的一种果园灌溉管理方法可相互对应参照。
图2为本发明实施例提供的果园灌溉管理系统的结构示意图，如图2所示，该系统包括参数确定单元210、模型优化单元220、参数校正单元230、信息输入单元240和管理输出单元250；
所述参数确定单元210，用于确定WOFOST模型中待校正的敏感参数；
所述模型优化单元220，用于通过建立有效光合叶面积指数分段方程优化所述WOFOST模型的有效光合叶面积指数和光合作用模块；
所述参数校正单元230，用于校正优化后的WOFOST模型中待校正的敏感参数以完成所述WOFOST模型的改进；
所述信息输入单元240，用于将设定的土壤基本属性参数和气象信息输入所述改进后的WOFOST模型，得到水分胁迫系数；
所述管理输出单元250，用于基于所述水分胁迫系数判定果树水分需求量，并根据所述果树水分需求量实现果园灌溉管理。
本发明提供的系统，基于作物生长模拟理论，通过对模型参数的敏感性分析和标定，实现果树生长和水分运移的日变化模拟，提高果园灌溉的时效性和准确性，有利于果园的提质增产。
基于上述任一实施例，所述参数确定单元包括模型作物参数获取单元和敏感参数筛选单元；
所述模型作物参数获取单元，用于通过对试验区观测的果树进行不同发育时间段的有效积温标定WOFOST模型中物候学发育时间参数，并获取WOFOST模型作物参数，并根据获取的作物参数得到总地上生物量、叶面积指数、果实产量和水分运移模拟结果；
所述敏感参数筛选单元，用于分析所述WOFOST模型作物参数对总地上生物量、叶面积指数、果实产量和水分运移模拟结果的敏感性和不确定性，得到各作物参数对所述WOFOST模型输出总方差的直接贡献率，并按照贡献率由大到小排序后筛选出靠前的预定个数的作物参数作为待校正的敏感参数。
基于上述任一实施例，所述模型作物参数获取单元包括有效累积温度总和单元和各发育阶段有效积温和单元；
所述有效累积温度总和单元，用于获取最大阈值发育温度和最低阈值发育温度，并根据每日平均温度函数计算有效累积温度总和；其中，所述平均温度函数的公式如下：
Te＝0 T≤Tbase； (19)
Te＝T-Tbase Tbase≤T≤Tmax，e； (20)
Te＝Tmax，e-Tbase T≥Tmax,e； (21)
其中，Te为每日有效温度，Tmax，e为最大阈值发育温度，若温度高于最大阈值，果树停止发育，Tbase为最低阈值发育温度，若温度低于最低阈值，果树停止发育，T为每日平均温度；
所述各发育阶段有效积温和单元，用于基于所述有效累积温度总和确定开始发育到萌芽、萌芽到开花、开花到成熟的物候学发育长度；并基于所述物候学发育长度并通过观测萌芽、花开和成熟时间得到并标定开始发育到萌芽时的有效积温和、萌芽到开花时的有效积温和及开花到成熟时的有效积温和。
基于上述任一实施例，所述获取WOFOST模型作物参数，包括：
预设所述WOFOST模型的初始输入参数，包括将芽和新生根的干重作为初始总生物量参数TDWI，测量萌芽时的初始叶面积指数LAIEM和叶面积指数的日最大增长量RGRLAI；
测量生长季内叶面积指数和叶片干重标定不同发育阶段的特定叶面积参数SLATB，并使用生长发育后期的叶面积指数校正所述WOFOST模型初始的叶片死亡率参数SPAN；
采用设备测量不同光照强度的净光合作用速率，并在最佳发育温度范围内拟合光响应曲线，计算出光能利用率和最大二氧化碳同化速率；
测量根、茎、叶和果实的维持呼吸速率和维持呼吸系数计算维持呼吸需求，并实测不同发育阶段的地上各器官生物量计算光合作用生产有机物扣除呼吸消耗后分配到茎、叶和果实的干物质分配系数。
基于上述任一实施例，所述芽的干重通过种植密度乘以保留在树木的芽的平均干重计算得到；
所述新生根的干重通过扫描法计算根长、直径和体积，并通过密度乘以体积计算得到；
所述萌芽时的初始叶面积指数LAIEM通过单位土地面积的所有叶片面积总和计算得到；
所述叶面积指数的日最大增长量RGRLAI为不同发育阶段测量的最大值；
所述特定叶面积参数SLATB通过不同发育阶段测量值进行初步确定后，通过测量的不同发育阶段的总地上生物量TAGP和叶面积指数LAI进行精细校正；
所述叶片死亡率参数SPAN基于生长季后期的时间序列LAI的模拟值和测量值的均方根误差RMSE最小进行校正；
所述采用设备测量不同光照强度的净光合作用速率，并在最佳发育温度范围内拟合光响应曲线，包括：
采用设备测量最低和最高温度下不同冠层梯度的净光合作用速率，并在最低和最高温度分别拟合基于Rectangular hyperbolic correction model的光响应曲线，其公式如下：
其中，Pn为净二氧化碳同化速率，α为初始最大光能使用效率，β和γ为拟合系数，PAR为光合有效辐射，Rd为暗呼吸速率，Amax为最大净二氧化碳同化速率。
基于上述任一实施例，所述维持呼吸需求通过根、茎、叶、果实各器官的干重计算得到，其公式如下：
其中，Rm表示在25℃时维持呼吸速率，cm，i表示根、茎、叶、果实各器官i的维持呼吸系数，Wi表示各器官的干重；
初步确定干物质分配到茎、叶和果实的分配系数后，通过模拟活茎干重WST、活叶干重WLV和果实干重WSO对分配系数进行微调，以使模拟和测量的均方根误差RMSE最小。
基于上述任一实施例，所述模型优化单元包括有效光合叶面积指数优化单元和光合作用模块优化单元；
所述有效光合叶面积指数优化单元，用于基于冠层叶面积指数、叶倾角和方位角不同发育阶段的空间变化特征及对光能截获对冠层深度进行分层；
并基于冠层深度的分层得到每一层与最顶部冠层有效光合叶面积指数的比例，其计算公式如下：
PAI％，i＝1-(1-xi γ)δ； (25)
其中，PAI％，i是第i层截获PAI与最顶部冠层PAI的比值，xi是冠层深度的百分比，γ和δ根据不同生长发育时期实际观测的每层PAI和冠层顶部的PAI确定；
通过冠层顶部的PAI和每一层的PAI％，i乘积获得冠层第i层的有效光合叶面积指数PAIi，并对所述冠层第i层的有效光合叶面积指数PAIi进行积分得到优化的有效光合叶面积指数；
所述光合作用模块优化单元，用于基于所述冠层第i层的有效光合叶面积指数PAIi得到第i层的光能吸收量Ia，i，其计算公式如下：
其中，k表示漫反射消光系数，表示冠层反射系数，I0表示最顶部冠层的光合有效辐射通量，PAIi表示冠层第i层的有效光合叶面积指数；
并对所述第i层的光能吸收量Ia，i进行积分计算得到总光能吸收量Ia；
基于所述总光能吸收量Ia采用水分胁迫系数δn得到实际总光合速率AC，以实现光合作用模块的优化，其计算公式如下：
其中，Am表示最大二氧化碳同化速率，τ表示光能利用效率，δn值根据实测水分胁迫和二氧化碳同化速率进行拟合与校正确定。
基于上述任一实施例，所述参数校正单元，具体用于调整与作物生长相关的敏感参数使得不同发育阶段的总地上生物量、叶面积指数的测量值和模拟值的均方根误差RMSE最小，调整与水分运移模拟相关的敏感参数使模拟和测量的土壤水分含量的RMSE值最小，以实现敏感参数值的校正。
基于上述任一实施例，所述信息输入单元包括模拟单元和系数单元；
所述模拟单元，用于将设定的土壤基本属性参数和气象信息输入所述改进后的WOFOST模型，逐日模拟作物各器官生物量日生长、叶面积指数、土壤水分含量、实际蒸腾量、最大蒸腾量、土壤蒸发量和水分胁迫的日变化；
所述系数单元，用于根据所述实际蒸腾量和最大蒸腾量的比值得到所述水分胁迫系数。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种果园灌溉管理方法，其特征在于，包括：
确定世界粮食研究WOFOST模型中待校正的敏感参数；
通过建立有效光合叶面积指数分段方程优化所述WOFOST模型的有效光合叶面积指数和光合作用模块；
校正优化后的WOFOST模型中待校正的敏感参数以完成所述WOFOST模型的改进；
将设定的土壤基本属性参数和气象信息输入改进后的WOFOST模型，得到水分胁迫系数；
基于所述水分胁迫系数判定果树水分需求量，并根据所述果树水分需求量实现果园灌溉管理；
其中，所述通过建立有效光合叶面积指数分段方程优化所述WOFOST模型的有效光合叶面积指数和光合作用模块，包括：
基于冠层叶面积指数、叶倾角和方位角不同发育阶段的空间变化特征及对光能截获对冠层深度进行分层；
基于冠层深度的分层得到每一层与最顶部冠层有效光合叶面积指数的比例，其计算公式如下：
；
其中，是第/>层截获PAI与最顶部冠层PAI的比值，/>是冠层深度的百分比，γ和δ根据不同生长发育时期实际观测的每层PAI和冠层顶部的PAI确定；
通过冠层顶部的PAI和每一层的乘积获得冠层第/>层的有效光合叶面积指数，并对所述冠层第/>层的有效光合叶面积指数/>进行积分得到优化的有效光合叶面积指数；
基于所述冠层第层的有效光合叶面积指数/>得到第/>层的光能吸收量/>，其计算公式如下：
；
其中，表示漫反射消光系数，/>表示冠层反射系数，/>表示最顶部冠层的光合有效辐射通量，/>表示冠层第/>层的有效光合叶面积指数；
对所述第层的光能吸收量/>进行积分计算得到总光能吸收量/>；
基于所述总光能吸收量采用水分胁迫系数/>得到实际总光合速率/>，以实现光合作用模块的优化，其计算公式如下：
；
其中，表示最大二氧化碳同化速率，/>表示光能利用效率，/>值根据实测水分胁迫和二氧化碳同化速率进行拟合与校正确定。
2.根据权利要求1所述的果园灌溉管理方法，其特征在于，确定WOFOST模型中待校正的敏感参数包括：
通过对试验区观测的果树进行不同发育时间段的有效积温标定WOFOST模型中物候学发育时间参数，并获取WOFOST模型作物参数，并根据获取的作物参数得到总地上生物量、叶面积指数、果实产量和水分运移模拟结果；
分析所述WOFOST模型作物参数对总地上生物量、叶面积指数、果实产量和水分运移模拟结果的敏感性和不确定性，得到各作物参数对所述WOFOST模型输出总方差的直接贡献率，并按照贡献率由大到小排序后筛选出靠前的预定个数的作物参数作为待校正的敏感参数。
3.根据权利要求2所述的果园灌溉管理方法，其特征在于，所述通过对试验区观测的生物进行不同发育时间段的有效积温标定WOFOST模型中物候学发育时间参数，包括：
获取最大阈值发育温度和最低阈值发育温度，并根据每日平均温度函数计算有效累积温度总和；其中，所述平均温度函数的公式如下：
；
；
；
其中，为每日有效温度，/>为最大阈值发育温度，若温度高于最大阈值，果树停止发育，/>为最低阈值发育温度，若温度低于最低阈值，果树停止发育，/>为每日平均温度；
基于所述有效累积温度总和确定开始发育到萌芽、萌芽到开花、开花到成熟的物候学发育长度；
基于所述物候学发育长度并通过观测萌芽、花开和成熟时间得到并标定开始发育到萌芽时的有效积温和、萌芽到开花时的有效积温和及开花到成熟时的有效积温和。
4.根据权利要求2所述的果园灌溉管理方法，其特征在于，所述获取WOFOST模型作物参数，包括：
预设所述WOFOST模型的初始输入参数，包括将芽和新生根的干重作为初始总生物量参数TDWI，测量萌芽时的初始叶面积指数LAIEM和叶面积指数的日最大增长量RGRLAI；
测量生长季内叶面积指数和叶片干重标定不同发育阶段的特定叶面积参数SLATB，并使用生长发育后期的叶面积指数校正所述WOFOST模型初始的叶片死亡率参数SPAN；
采用设备测量不同光照强度的净光合作用速率，并在最佳发育温度范围内拟合光响应曲线，计算出光能利用率和最大二氧化碳同化速率；
测量根、茎、叶和果实的维持呼吸速率和维持呼吸系数计算维持呼吸需求，并实测不同发育阶段的地上各器官生物量计算光合作用生产有机物扣除呼吸消耗后分配到茎、叶和果实的干物质分配系数。
5.根据权利要求4所述的果园灌溉管理方法，其特征在于，芽的干重通过种植密度乘以保留在树木的芽的平均干重计算得到；
所述新生根的干重通过扫描法计算根长、直径和体积，并通过密度乘以体积计算得到；
所述萌芽时的初始叶面积指数LAIEM通过单位土地面积的所有叶片面积总和计算得到；
所述叶面积指数的日最大增长量RGRLAI为不同发育阶段测量的最大值；
所述特定叶面积参数SLATB通过不同发育阶段测量值进行初步确定后，通过测量的不同发育阶段的总地上生物量TAGP和叶面积指数LAI进行精细校正；
所述叶片死亡率参数SPAN基于生长季后期的时间序列LAI的模拟值和测量值的均方根误差RMSE最小进行校正；
所述采用设备测量不同光照强度的净光合作用速率，并在最佳发育温度范围内拟合光响应曲线，包括：
采用设备测量最低和最高温度下不同冠层梯度的净光合作用速率，并在最低和最高温度分别拟合基于Rectangular hyperbolic correction model的光响应曲线，其公式如下：
；
；
其中，为净二氧化碳同化速率，/>为初始最大光能使用效率，/>和 />为拟合系数，为光合有效辐射，/>为暗呼吸速率，/>为最大净二氧化碳同化速率。
6.根据权利要求4所述的果园灌溉管理方法，其特征在于，所述维持呼吸需求通过根、茎、叶、果实各器官的干重计算得到，其公式如下：
；
其中，表示在25 ℃时维持呼吸速率，/>表示根、茎、叶、果实各器官/>的维持呼吸系数，/>表示各器官的干重；
初步确定干物质分配到茎、叶和果实的分配系数后，通过模拟活茎干重WST、活叶干重WLV和果实干重WSO对分配系数进行微调，以使模拟和测量的均方根误差RMSE最小。
7.根据权利要求1所述的果园灌溉管理方法，其特征在于，所述校正优化后的WOFOST模型中待校正的敏感参数，包括：
调整与作物生长相关的敏感参数使得不同发育阶段的总地上生物量、叶面积指数的测量值和模拟值的均方根误差RMSE最小，调整与水分运移模拟相关的敏感参数使模拟和测量的土壤水分含量的RMSE值最小，以实现敏感参数值的校正。
8.根据权利要求1所述的果园灌溉管理方法，其特征在于，将土壤基本属性参数和气象信息输入所述改进后的WOFOST模型，得到水分胁迫系数，包括：
将设定的土壤基本属性参数和气象信息输入所述改进后的WOFOST模型，逐日模拟作物各器官生物量日生长、叶面积指数、土壤水分含量、实际蒸腾量、最大蒸腾量、土壤蒸发量和水分胁迫的日变化；
根据所述实际蒸腾量和最大蒸腾量的比值得到所述水分胁迫系数。
9.一种果园灌溉管理系统，其特征在于，包括：
参数确定单元，用于确定WOFOST模型中待校正的敏感参数；
模型优化单元，用于通过建立有效光合叶面积指数分段方程优化所述WOFOST模型的有效光合叶面积指数和光合作用模块；
参数校正单元，用于校正优化后的WOFOST模型中待校正的敏感参数以完成所述WOFOST模型的改进；
信息输入单元，用于将设定的土壤基本属性参数和气象信息输入改进后的WOFOST模型，得到水分胁迫系数；
管理输出单元，用于基于所述水分胁迫系数判定果树水分需求量，并根据所述果树水分需求量实现果园灌溉管理；
其中，所述模型优化单元包括有效光合叶面积指数优化单元和光合作用模块优化单元；
所述有效光合叶面积指数优化单元，用于基于冠层叶面积指数、叶倾角和方位角不同发育阶段的空间变化特征及对光能截获对冠层深度进行分层；
所述光合作用模块优化单元，用于基于冠层深度的分层得到每一层与最顶部冠层有效光合叶面积指数的比例，其计算公式如下：
；
其中，是第/>层截获PAI与最顶部冠层PAI的比值，/>是冠层深度的百分比，γ和δ根据不同生长发育时期实际观测的每层PAI和冠层顶部的PAI确定；
通过冠层顶部的PAI和每一层的乘积获得冠层第/>层的有效光合叶面积指数，并对所述冠层第/>层的有效光合叶面积指数/>进行积分得到优化的有效光合叶面积指数；
基于所述冠层第层的有效光合叶面积指数/>得到第/>层的光能吸收量/>，其计算公式如下：
；
其中，表示漫反射消光系数，/>表示冠层反射系数，/>表示最顶部冠层的光合有效辐射通量，/>表示冠层第/>层的有效光合叶面积指数；
对所述第层的光能吸收量/>进行积分计算得到总光能吸收量/>；
基于所述总光能吸收量采用水分胁迫系数/>得到实际总光合速率/>，以实现光合作用模块的优化，其计算公式如下：
；
其中，表示最大二氧化碳同化速率，/>表示光能利用效率，/>值根据实测水分胁迫和二氧化碳同化速率进行拟合与校正确定。
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| CN202111243209.7A CN114128608B (zh) | 2021-10-25 | 2021-10-25 | 一种果园灌溉管理方法及系统 |
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