CN114444307A - 一种覆膜土壤表层温度计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种覆膜土壤表层温度计算方法。所述方法包括：1、采集历史气象数据；2、利用历史气象数据计算未覆地膜土壤表层温度；3、利用未覆地膜土壤表层温度计算覆盖地膜土壤表层温度。本发明提出的覆膜土壤温度计算方法为准确预估覆膜种植农业提供了有力保障，更加准确模拟农作物种植信息以及温室气体排放量，具有重大农业生态应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及优化DNDC模型土壤表层温度模拟模块的研发。
背景技术
土壤是地球表面上一层薄薄的未固结物质，在支撑地球生命方面起着根本作用，它决定了岩石圈与大气之间的能量和质量交换。
温度影响土壤中的所有物理，化学和生物过程。生物过程包括根部吸收养分和水分，微生物分解有机物以及种子发芽，都受到土壤温度的强烈影响。温度每升高10℃，其中某些过程(酶促反应中部分相关过程)的速率就会增加一倍以上。
在某些情况下，地上植物部分的生长与土壤温度的关系比与气温的关系更紧密。水分运动和土壤干燥之类的物理过程也受到温度的强烈影响。在更大范围内，土壤热力学对于将太阳辐射转换为长波辐射和蒸发潜热至关重要。
反硝化分解(DNDC)模型是面向过程的农业生态系统中碳和氮生物地球化学的计算机模拟模型。该模型由两个部分组成。
第一部分由土壤气候，作物生长和分解子模型组成，预测由生态驱动因素(例如气候，土壤，植被和人为活动)驱动的土壤温度，湿度，pH，氧化还原电势(Eh)和底物浓度曲线)。
第二部分由硝化，反硝化和发酵子模型组成，可预测从植物土壤系统中产生的二氧化碳(CO2)，甲烷(CH4)，氨(NH3)，一氧化氮(NO)，一氧化二氮(N2O)和二氮(N2)的排放量)。
物理，化学和生物学的经典定律，以及从实验室研究中得出的经验方程式，已被纳入模型中，以参数化每个特定的地球化学或生物化学反应。整个模型在碳和氮生物地球化学循环与主要生态驱动因素之间架起了一座桥梁。
土壤温度模拟与DNDC模型各模块有紧密联系，其模拟精确性关系到整个模型的精准度。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供一种覆膜土壤表层温度计算方法。对于西北地区覆膜农田来说，还没有覆膜农田温度模拟模块在DNDC模型嵌套的成功软件，且已有应用于其他模型的覆膜温度模拟方案在DNDC整体模型中应用后模拟效果差。经研究发现本实验优化的算法在DNDC模型中应用模拟覆膜情况下土壤温度效果良好。
为达到上述目的，本发明覆膜土壤表层温度计算方法，包括以下步骤：
1、采集历史气象数据；
2、利用历史气象数据计算未覆地膜土壤表层温度；
3、利用未覆地膜土壤表层温度计算覆盖地膜土壤表层温度。
进一步的，采集历史气象数据的步骤包括：
21、从气象站、通量塔等气象数据采集装置中获取气象数据，包括但不限于气温、降水、辐射；
22、将采集的气温整理得到每日最高温(MAX)和最低温(MIN)，降水计算得每日降水量，辐射计算得日辐射值(单位：毫焦每平方米)；
23、将整理好的气象信息整理成csv文档，作物基本信息编写入DNDC模型配置文件；
进一步的，所述的利用历史气象数据计算未覆地膜土壤表层温度的步骤具体为：
31、将包含气象数据的csv文件按年份命名存入DNDC文件读取路径；
32、编写运行DNDC模型的命令行，其信息包括但不限于输入、输出、配置文件的路径以及运行模式的选择；
33、运行DNDC模型，得到未覆膜土壤表层温度；
①○、当运行天数为第一天时，表层土壤温度等于当日气温中最高温与最低温的均值；
②、当温度大于0℃时，未覆膜情况下未种植的土壤表层温度经验方程公式为：
NST＝AT–0.5*OAT+0.5*OT------------------(1)
式(1)中，NST表示未覆膜土壤表层温度，AT表示气温中最高温与最低温的均值，OT表示上一日土壤温度，OAT表示上一日气温中最高温与最低温的均值。
③、当温度小于0℃时，未覆膜情况下未种植的土壤表层温度经验方程公式为：
NST＝0.5*AT–0.3*OAT+0.8*OT------------------(2)
式(2)中，NST表示未覆膜土壤表层温度，AT表示气温中最高温与最低温的均值，OT表示上一日土壤温度，OAT表示上一日气温中最高温与最低温的均值。
进一步的，所述的利用未覆地膜土壤表层温度计算覆盖地膜土壤表层温度的步骤具体为：
41、编写运行DNDC模型的命令行，其信息包括但不限于输入、输出、配置文件的路径以及运行模式的选择；
42、运行DNDC模型，得到覆膜未种植的土壤表层温度；
○①、当运行天数为第一天时，表层土壤温度等于当日气温中最高温与最低温的均值；
②、当存在雪盖时，即气象条件为温度小于0℃且存在降水，覆膜情况下未种植的土壤表层温度经验方程公式为：
ST＝0------------------(3)
式(3)中，ST表示覆膜未种植的土壤表层温度；
③、当不存在雪盖时，即气象条件为温度大于0℃或不存在降水，定义以下先决条件：
Ke＝0.1------------------(4)
dTTT＝(MT–NST)*TCfilm*dt/Dfilm/SC*e-ke*LAI------------------(5)
式(4)中，Ke为消光系数，设定为定值0.1。
式(5)中，dTTT为覆膜引起的未种植的土壤表层温度变化系数，MT为当日最高气温，NST为未覆膜情况下的土壤表层温度，TCfilm为地膜热容，Dfilm为地膜厚度，SC为土壤热容，Ke为消光系数，LAI为叶面积指数(未种植情况下为0)；
④、当温度大于0℃时，覆膜情况下未种植的土壤表层温度经验方程公式为：
ST＝NST+2*dTTT/ln(MAX–MIN)+0.3*dTTT------------------(6)
式(6)中，ST表示覆膜未种植的土壤表层温度，NST表示未覆膜未种植的土壤表层温度，dTTT为覆膜引起的未种植的土壤表层温度变化系数，MAX表示气象观测到的最高气温，MIN表示气象观测到的最低气温
⑤、当温度小于0℃时，覆膜情况下未种植的土壤表层温度经验方程公式为：
ST＝NST+0.1*dTTT------------------(7)
式(7)中，ST表示覆膜未种植的土壤表层温度，NST表示未覆膜未种植的土壤表层温度，dTTT为覆膜引起的未种植的土壤表层温度变化系数。
采用本算法优化后的DNDC模型，与原DNDC模型相比，优化后的模型对覆膜农田土壤温度的模拟精度获得了提高，通过命令行在DNDC原模型中修改可以将算法整合到原DNDC模型中并参与其中的众多计算。同时，在执行修改后的DNDC模型过程中对作物生长信息以及温室气体的模拟，可以有效提高模拟结果的精度。本发明提出的一种覆膜土壤表层温度计算方法及系统，更加准确的模拟农田相关信息，在作物管理及温室效应评估方面提升经济效益，具有一定的实际参考意义。
附图说明
图1是本发明一种覆膜土壤表层温度计算方法及系统的流程图；
图2(a)是本发明一种原模型模拟结果图(时间序列分布)；
图2(b)是本发明一种原模型模拟结果图(散点分布)；
图3(a)是本发明一种优化后的DNDC模型模拟结果图(时间序列分布)；
图3(b)是本发明一种优化后的DNDC模型模拟结果图(散点分布)；
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参照图1：
第一步：数据采集与处理
(1)、从气象站、通量塔等气象数据采集装置中获取气象数据，包括但不限于气温、降水、辐射；
(2)、将采集的气温整理得到每日最高温(MAX)和最低温(MIN)，降水计算得每日降水量，辐射计算得日辐射值(单位：毫焦每平方米)，具体格式如表1；
表1气象数据输入文件
(3)、将整理好的气象信息整理成csv文档，作物基本信息编写入dndc模型配置文件；
运行修改后的DNDC模型执行以下命令行：
DNDC配置文件输出路径
第二步：模拟未覆膜土壤表层温度
(1)、将包含气象数据的csv文件按年份命名存入dndc文件读取路径；
(2)、编写运行dndc模型的命令行，其信息包括但不限于输入、输出、配置文件的路径以及运行模式的选择；
(3)、运行dndc模型，得到未覆膜土壤表层温度；
○①、当运行天数为第一天时，表层土壤温度等于当日气温中最高温与最低温的均值；
②、当温度大于0℃时，覆膜情况下未种植的土壤表层温度经验方程公式为：
NST＝AT–0.5*OAT+0.5*OT------------------(1)
式(1)中，NST表示未覆膜土壤表层温度，AT表示气温中最高温与最低温的均值，OT表示上一日土壤温度，OAT表示上一日气温中最高温与最低温的均值。
③、当温度小于0℃时，未覆膜情况下未种植的土壤表层温度经验方程公式为：
NST＝0.5*AT–0.3*OAT+0.8*OT------------------(2)
式(2)中，NST表示未覆膜土壤表层温度，AT表示气温中最高温与最低温的均值，OT表示上一日土壤温度，OAT表示上一日气温中最高温与最低温的均值。
第三步：模拟覆膜土壤表层温度
(1)、编写运行dndc模型的命令行，其信息包括但不限于输入、输出、配置文件的路径以及运行模式的选择；
(2)、运行dndc模型，得到覆膜未种植的土壤表层温度；
○①、当运行天数为第一天时，表层土壤温度等于当日气温中最高温与最低温的均值；
②、当存在雪盖时，即气象条件为温度小于0℃且存在降水，覆膜情况下未种植的土壤表层温度经验方程公式为：
ST＝0------------------(3)
式(3)中，ST表示覆膜未种植的土壤表层温度；
③、当不存在雪盖时，即气象条件为温度大于0℃或不存在降水，定义以下先决条件：
Ke＝0.1------------------(4)
dTTT＝(MT–NST)*TCfilm*dt/Dfilm/SC*e-ke*LAI------------------(5)
式(4)中，Ke为消光系数，设定为定值0.1。
式(5)中，dTTT为覆膜引起的未种植的土壤表层温度变化系数，MT为当日最高气温，NST为未覆膜情况下的土壤表层温度，TCfilm为地膜热容，Dfilm为地膜厚度，SC为土壤热容，Ke为消光系数，LAI为叶面积指数(未种植情况下为0)；
④、当温度大于0℃时，覆膜情况下未种植的土壤表层温度经验方程公式为：
ST＝NST+2*dTTT/ln(MAX–MIN)+0.3*dTTT------------------(6)
式(6)中，ST表示覆膜未种植的土壤表层温度，NST表示未覆膜未种植的土壤表层温度，dTTT为覆膜引起的未种植的土壤表层温度变化系数，MAX表示气象观测到的最高气温，MIN表示气象观测到的最低气温；
⑤、当温度小于0℃时，覆膜情况下未种植的土壤表层温度经验方程公式为：
ST＝NST+0.1*dTTT------------------(7)
式(7)中，ST表示覆膜未种植的土壤表层温度，NST表示未覆膜未种植的土壤表层温度，dTTT为覆膜引起的未种植的土壤表层温度变化系数；
土壤温度模拟结果如下表：
经对比原模型模拟结果(图2)，本算法优化后的DNDC模型模拟结果(图3)具有较高精度提升，为后续模型的各项参数模拟奠定基础。
本发明为广泛适用中国黄土高原地区雨养覆膜农业种植地区的土壤表层温度模拟算法，实际技术人员操作会因地膜使用种类、土壤质地差异对此方案中固定参数进行一定改变。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种覆膜土壤表层温度计算方法及系统，其特征在于，包括以下步骤：
1、采集历史气象数据；
2、利用历史气象数据计算未覆地膜土壤表层温度；
3、利用未覆地膜土壤表层温度计算覆盖地膜土壤表层温度。
2.如权利要求1所述的覆膜土壤表层温度计算方法及系统，其特征在于，采集历史气象数据的步骤包括：
21、从气象站、通量塔等气象数据采集装置中获取气象数据，包括但不限于气温、降水、辐射；
22、将采集的气温整理得到每日最高温(MAX)和最低温(MIN)，降水计算得每日降水量，辐射计算得日辐射值(单位：毫焦每平方米)；
23、将整理好的气象信息整理成csv文档，作物基本信息编写入DNDC模型配置文件；
3.如权利要求1所述的覆膜土壤表层温度计算方法及系统，其特征在于，所述的利用历史气象数据计算未覆地膜土壤表层温度的步骤具体为：
31、将包含气象数据的csv文件按年份命名存入DNDC文件读取路径；
32、编写运行DNDC模型的命令行，其信息包括但不限于输入、输出、配置文件的路径以及运行模式的选择；
33、运行DNDC模型，得到未覆膜土壤表层温度；
①、当运行天数为第一天时，表层土壤温度等于当日气温中最高温与最低温的均值；
②、当温度大于0℃时，未覆膜情况下未种植的土壤表层温度经验方程公式为：
NST＝AT–0.5*OAT+0.5*OT------------------(1)
式(1)中，NST表示未覆膜土壤表层温度，AT表示气温中最高温与最低温的均值，OT表示上一日土壤温度，OAT表示上一日气温中最高温与最低温的均值。
③、当温度小于0℃时，未覆膜情况下未种植的土壤表层温度经验方程公式为：
NST＝0.5*AT–0.3*OAT+0.8*OT------------------(2)
式(2)中，NST表示未覆膜土壤表层温度，AT表示气温中最高温与最低温的均值，OT表示上一日土壤温度，OAT表示上一日气温中最高温与最低温的均值。
4.如权利要求1所述的覆膜土壤表层温度计算方法及系统，其特征在于，所述的利用未覆地膜土壤表层温度计算覆盖地膜土壤表层温度的步骤具体为：
41、编写运行DNDC模型的命令行，其信息包括但不限于输入、输出、配置文件的路径以及运行模式的选择；
42、运行DNDC模型，得到覆膜未种植的土壤表层温度；
①、当运行天数为第一天时，表层土壤温度等于当日气温中最高温与最低温的均值；
②、当存在雪盖时，即气象条件为温度小于0℃且存在降水，覆膜情况下未种植的土壤表层温度经验方程公式为：
ST＝0------------------(3)
式(3)中，ST表示覆膜未种植的土壤表层温度；
③、当不存在雪盖时，即气象条件为温度大于0℃或不存在降水，定义以下先决条件：
Ke＝0.1------------------(4)
dTTT＝(MT–NST)*TCfilm*dt/Dfilm/SC*e-ke*LAI------------------(5)
式(4)中，Ke为消光系数，设定为定值0.1。
式(5)中，dTTT为覆膜引起的未种植的土壤表层温度变化系数，MT为当日最高气温，NST为未覆膜情况下的土壤表层温度，TCfilm为地膜热容，Dfilm为地膜厚度，SC为土壤热容，Ke为消光系数，LAI为叶面积指数(未种植情况下为0)；
④、当温度大于0℃时，覆膜情况下未种植的土壤表层温度经验方程公式为：
ST＝NST+2*dTTT/ln(MAX–MIN)+0.3*dTTT------------------(6)
式(6)中，ST表示覆膜未种植的土壤表层温度，NST表示未覆膜未种植的土壤表层温度，dTTT为覆膜引起的未种植的土壤表层温度变化系数，MAX表示气象观测到的最高气温，MIN表示气象观测到的最低气温
⑤、当温度小于0℃时，覆膜情况下未种植的土壤表层温度经验方程公式为：
ST＝NST+0.1*dTTT------------------(7)
式(7)中，ST表示覆膜未种植的土壤表层温度，NST表示未覆膜未种植的土壤表层温度，dTTT为覆膜引起的未种植的土壤表层温度变化系数。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118378452A (zh) * | 2024-06-21 | 2024-07-23 | 南京农业大学 | 一种作物生产-温室气体排放协同模拟方法、系统及装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN118378452A (zh) * | 2024-06-21 | 2024-07-23 | 南京农业大学 | 一种作物生产-温室气体排放协同模拟方法、系统及装置 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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