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水水 利利 学学 报报 2005 年 6 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 6 期 1文章编号:0559-9350(2005)06-0741-05 冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体水热运移的耦合研究II：模型验证与应用 丛振涛，雷志栋，胡和平，杨诗秀(清华大学 水利水电工程系，北京 100084)摘要：摘要：根据北京永乐店试验站的田间试验资料，得出冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体(简称SPAC)水热运移耦合的WheatSPAC模型计算需要的土壤参数与冬小麦遗传参数。将模型的计算值与实测值进行比较，表明模型能够较好地模拟叶面积指数、干物质重、土壤水分温度等。利用WheatSPAC模型对不同灌溉条件下的田间水热状况与作物产量进行分析，得到结论：对于北京地区的气候条件，返青后作物蒸腾消耗占净辐射的50%以上；如果返青后墒情较好，在拔节期进行灌溉对冬小麦的最终产量最为有利；如果在拔节之后进行一次灌溉，则灌溉进行得越早对产量越有利；三水以后，随灌溉量的增加，产量的边际效益递减；返青后，降雨与灌溉的总量约240mm对冬小麦的生长比较适宜。关键词：关键词：WheatSPAC；冬小麦；土壤-植物-大气连续体/SPAC；灌溉；作物-水分 中图分类号：中图分类号：5152.7+文献标识码：文献标识码：A 冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体(Soil-Plant-Atmosphere Continuum，简称SPAC)水热运移耦合的WheatSPAC模型，包含土壤水热运动数值模拟、冠层水热运动模拟、冬小麦生长模拟等复杂的动力学过程，已知土壤参数、冬小麦遗传参数、初始条件及土壤水分温度的边界条件，就可以动态模拟冬小麦生长期内土壤水分温度的变化、冬小麦叶面积、干物质的变化过程及最终的产量。通过田间土壤水分温度的监测与生物量调查，比较土壤水分温度与生物量的实测值与模拟值，可以对模型进行验证。本文根据北京永乐店的气象观测、田间与室内试验的资料，对WheatSPAC模型进行验证，同时进行参数的率定，并利用WheatSPAC模型，着重分析不同灌溉制度对冬小麦田间水热状况、生长过程及最终产量的影响，为制定科学的灌溉制度提供理论参考。1 田间试验 1.1 试验布置1.1 试验布置 田间试验在北京市水利科学研究所永乐店试验站进行。该试验站位于北京市通州区(地理坐标为116.8E、39.7N)，试验地土壤以粉壤土及砂壤土为主。试验小区分为6行(编号AF)、5列(编号15)共30个小区，每个小区为50m2(10m5m)，中间用混凝土板隔离。小区的南侧布置有小型气象站，同时在试验站内建立了土壤化学实验室。自1998年10月冬小麦播种至2001年9月夏玉米收割，开展了三季冬小麦、三季夏玉米共六茬作物的田间试验。根据试验目的设计冬小麦返青后的灌水、施肥处理，灌水有不灌水、灌一水、灌二水、灌三水、收稿日期：2004-02-16 基金项目：国家自然科学基金重点项目(59839320)作者简介：丛振涛(1973-)，男，辽宁瓦房店人，博士，讲师，主要从事水文水资源的研究。E-mail: 水水 利利 学学 报报 2005 年 6 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 6 期 2 灌四水共5个处理，施肥设有少、中、多共3个处理。各小区不同年份试验处理有所不同。3年冬小麦均选用京冬8号(原代号京农88-66)，在水肥适宜的条件下。产量可达6 0007 500kg/hm2。播种日期均为10月4日，收割日期分别为6月12日、6月12日、6月10日，播种量为300kg/hm2。1.2 田间观测1.2 田间观测 试验监测与取样测定的项目主要包括气象、农艺、作物生理、土壤水热、土壤养分、作物含氮等。气象资料主要由小型气象站获得；土壤水分由中子仪测定，测量深度为1.0m，并辅以TDR、ThetaProbe等；土壤温度由预先埋设的温度传感器测定，测量深度为1.8m；田间监测还使用了光合作用仪、叶绿素仪、茎杆流量计、负压计等；土壤与作物的化学试验在小区取样后由土壤化学实验室完成。2 模型参数 2.1 土壤参数2.1 土壤参数 试验小区的土壤以粉壤土、砂壤土为主，在根系层内土壤性质基本均匀，试验测定饱和含水率0.44cm3/cm3，残余含水率0.05cm3/cm3，饱和导水率3.010-6m/s。采用vG模型1确定与土壤水分有关的参数，根据试验测定结果率定vG模型中参数、n分别为1.55m-1、1.55。根据De Vries2给定的土壤体积热容量CH的公式，忽略空气的影响，CH可表示为 CH=0.46xm+0.60 xo+(1)式中：CH为土壤体积热容量，cal/(cm3)；xm、xo分别为矿物质、有机质所占体积比；为土壤体积含水量，cm3/cm3。土壤中有机质含量较少，粗略认为有机质的热容量与矿物质相同，则3 CH=106(1.925(1-s)+4.184)(2)式中：CH为土壤体积热容量，J/(m2)；s为饱和含水量，cm3/cm3。根据Chung给出的经验关系4 KH=b1+b2+b30.5(3)式中：KH为土壤热传导率，J/(sm)；为土壤体积含水量，cm3/cm3；b1、b2、b3为经验系数，Chung给出的壤土取值分别为0.243、0.393、1.5343。2.2 冬小麦参数2.2 冬小麦参数 冬小麦生长模拟中涉及的与品种有关的遗传参数包括温度敏感性ts、光周期敏感性PS、生理春化时间PVT、基本发育因子BDF、收获因子HI，模型对后3个遗传参数比较敏感。生理春化时间PVT对小麦的变化范围是060d，极强春化品种为0d，极强冬性品种为60d5；基本发育因子BDF是根据实际生长期对生理发育时间的修正，根据作物的实际生长期进行取值；收获因子可以根据实测资料率定。永乐店冬小麦试验均选用京冬8号，有关的遗传参数取值见表1。表 1 京 冬 8号 冬 小 麦 主 要 遗 传 参 数 取值表 1 京 冬 8号 冬 小 麦 主 要 遗 传 参 数 取值遗传参数 符号取值 取值范围5 温度敏感性 ts 0.90 01.0 生理春化时间 PVT 50.0 060 光周期敏感性 PS 0.005 0.0030.005 基本发育因子 BDF 0.90 0.61.0 收获因子 HI 0.45 01.0 水水 利利 学学 报报 2005 年 6 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 6 期 3 3 模型验证 3.1 模型设定3.1 模型设定 以A3小区为例，计算19981999、19992000、20002001三季冬小麦返青后的生长过程与土壤水热运动。计算时段为自返青之日(每年的3月5日)至冬小麦收割(3年依次为6月12日、6月12日、6月10日)，时间跨度分别为99、99、97d。选取1m土层为计算土层，空间步长为10cm，共10个单元、11个节点；时间步长选取720s，发生灌溉入渗时，时间步长调整为60s。以3月5日的实测土壤水分温度剖面作为初始条件，土壤下边界采用1m深处实测的土壤水分温度。3.2 土壤水分温度验证3.2 土壤水分温度验证 在田间布置中子仪管，记录不同深度(10、20，30、40、60、80、100cm)的中子仪读数，每5日记录一次，利用中子仪率定曲线，计算土壤不同深度的体积含水率。同时在田间不同深度(10、20、30、40、60、100cm)的土壤布置电阻片，利用电阻的变化测量田间土壤温度。模型田间水热计算的结果表明，土壤水分温度剖面的计算值与实测值有较好的一致性。3年冬小麦返青后的1m土层的储水量与土壤平均温度计算值与实测值的比较见图1。图 1 土壤水分温度计算值与田间实测值之比较图 1 土壤水分温度计算值与田间实测值之比较 3.3 冬小麦生长验证3.3 冬小麦生长验证 在田间取有代表性的10株冬小麦，测量各叶片的叶面积，根据冬小麦的种植密度换算叶面积指数；将植株分为根、茎、叶、穗四部分，烘干(100105杀青1h后维持7080烘烤612h至前后2次干重差小于0.5%)后测量干物质重。3年冬小麦叶面积指数与地上干物质重(包括茎、叶、穗)计算值与实测值的比较见图2。1999与2001年地上干物质重的模拟结果比较理想，2000年的模拟结果不理想，反映出冬小麦生长空间与时间上的变异性。图 2 冬小麦生长过程计算值与田间实测值之比较图 2 冬小麦生长过程计算值与田间实测值之比较 水水 利利 学学 报报 2005 年 6 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 6 期 4 3.4 产量分析3.4 产量分析 产量形成的影响因素包括品种、气候条件，土壤水分、肥分条件及病虫害等，在冬小麦品种一定的条件下，不考虑病虫害等的影响，模型敏感性分析表明，对产量影响较为显著的是太阳辐射条件与土壤水分条件。如果不考虑水分胁迫与氮素、与二氧化碳浓度的胁迫影响，分别计算3年的冬小麦产量，依次为7 490kg/hm2、8 431kg/hm2、6 184kg/hm2。比较3年冬小麦返青后的气象要素(见表2)，产量与净辐射的变化规律是一致的，进一步验证了净辐射与冬小麦干物质积累及产量之间的密切关系。表 2 冬 小 麦 产 量 与 返 青 后 气 象 要 素 关 系表 2 冬 小 麦 产 量 与 返 青 后 气 象 要 素 关 系 年份 平均气温/平均水汽/hPa 平均净辐射/(J/m2s)平均风速/(m/s)降雨/mm 最大产量/(kg/hm2)实测产量/(kg/hm2)1999 13.73 12.37 117.44 1.47 90.8 7490 5156 2000 14.57 10.43 121.61 1.61 49.8 8431 6350 2001 15.28 10.11 109.95 1.22 8.8 6184 2431 4 应用分析 4.1 农田水热分布研究4.1 农田水热分布研究 利用WheatSPAC模型，可以分析各种气候条件、灌溉条件下田间水热的分布规律，以19992000年冬小麦的模拟结果为例(与以上模型验证中19992000冬小麦的模型设定与模型输入一致)，返青之后的能量分配示意图见图3。图 3 2000 年返青后的能量分配图 3 2000 年返青后的能量分配 作物蒸腾，棵间蒸发、显热通量、地表热通量四项能量之和为净辐射的总量。返青后，能量主要消耗于作物的蒸腾作用，在冬小麦接近收割时，由于叶面积指数的下降，棵间蒸发量有所增加。另外，在35月份，土壤热通量主要表现为对土壤的增温过程。整个返青之后的四项能量消耗构成比例54%、26%、13%、7%。各部分3月5日6月12日平均温度存在关系：叶片气孔内温度Tv植物冠层温度Tc土壤表面温度Ts参考高度气温Ta，因此地表与冠层之间的热通量Hs0，两者互相抵消使总的显热通量较低。4.2 灌溉制度探讨4.2 灌溉制度探讨 不同灌溉形成不同的水分下边界，但可以近似认为一定深度的土壤水分温度相对稳定。根据永乐店试验站的实际情况，假定3m下边界的含水率恒为0.4cm3/cm3，温度下边界采用某一年实测水水 利利 学学 报报 2005 年 6 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 6 期 5资料(年际变化很小)，计算结果表明利用这种假定获得的土壤水分温度与实测值有较好的一致性。以这种假定作为边界条件，以2001年的气候条件作为输入，模型的其他参数与模型验证分析中20002001年冬小麦的模型设定相同，分析不同的灌溉制度对田间水热分布及产量的影响。在灌溉水量有限的条件下，分析只有一次灌溉发生在不同生育阶段对田间水热分布及产量的影响(见表3)，可以发现：在返青后，灌溉得越早，对产量越为有利。如果灌溉发生的较早，就可以改善之后的土壤水分状况，从而对以后的生育阶段产生有利的影响；相反，如果灌溉发生的较晚，对之前生育阶段的土壤水分状况是不会产生什么影响的。但是，如果灌溉发生的太早，对于对水分比较敏感的灌溉阶段就不会产生影响。以往利用Jensen模型开展的作物-水分关系研究6中，孤立地考虑各阶段水分亏缺对作物最终产量的影响，没有考虑前一阶段水分亏缺对下一阶段的影响，利用本文建立的WheatSPAC模型可以在一定程度上弥补这一不足。表 3 不 同 生 育 阶 段 一 次 灌 溉 对 田 间 水 热 分 布 及 产 量 的 影 响表 3 不 同 生 育 阶 段 一 次 灌 溉 对 田 间 水 热 分 布 及 产 量 的 影 响 灌溉 阶段 降雨/mm 灌溉/mm 腾发/mm 入渗/补给/mm 土壤水蓄变量/mm 蒸腾/mm蒸发/mm收获时 蓄水量/mm 产量/(kg/hm2)灌溉时间 8.8 60.0 260.8-83.9-108.1 229.6 31.2 118.7 3340 3.50 返青 8.8 60.0 270.0-94.1-107.0 231.7 38.3 119.8 3511 3.25 拔节 8.8 60.0 265.3-93.1-103.3 225.5 39.8 123.5 3343 4.15 抽穗 8.8 60.0 258.4-87.7-101.9 220.4 38.1 124.9 3174 5.10 灌浆 8.8 60.0 257.8-90.1-98.9 212.0 45.7 127.9 2955 5.20 表 4 不 同 灌 溉 次 数 对 田 间 水 热 分 布 及 产 量 的 影 响表 4 不 同 灌 溉 次 数 对 田 间 水 热 分 布 及 产 量 的 影 响 灌溉 次数 降雨/mm 灌溉/mm 腾发/mm 入渗/补给/mm 土壤水蓄 变量/mm 蒸腾/mm 蒸发/mm 收获时蓄水量/mm 产量/(kg/hm2)灌溉时间 0 8.8 0.0 241.4-123.6-109.0 213.727.7117.8 2874 1 8.8 60.0 270.0-94.1-107.0 231.738.3119.8 3511 3.25 2 8.8 120.0 292.2-64.3-99.2 245.846.4127.6 4191 3.25,4.15 3 8.8 180.0 308.2-32.3-87.1 254.353.9139.7 4658 3.25,4.15,5.1 4 8.8 240.0 323.7-9.5-65.4 255.068.8161.4 4824 3.25,4.15,5.1,5.20 5 8.8 300.0 329.8 36.2-57.2 264.765.1169.6 5158 3.5,3.25,4.15,5.1,5.20 6 8.8 300.0 337.6 52.6-21.5 266.970.7205.3 5251 3.10,3.25,4.10,4.25,5.10,5.25 通过分析不同灌溉次数对田间水热分布及产量的影响(见表4)，可以发现，随着灌溉水量的增加，产量的边际效益递减；随着灌溉水量的增加，蒸发、入渗等无效消耗在增加。对于北京永乐店的气候与水文条件，冬小麦返青后，降雨与灌溉的总量在240mm左右比较合适，大致相当于四水或三水，这个结论与当地的灌溉实践也是一致的。5 结语 本文根据北京永乐店试验站气象观测、田间与室内试验的资料，对WheatSPAC模型进行了验证，田间水水 利利 学学 报报 2005 年 6 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 6 期 6土壤水分温度、冬小麦生长过程计算值与实测值的比较，验证了WheatSPAC模型模拟结果的可靠性。利用WheatSPAC模型分析冬小麦田间能量分配，可以发现返青后作物蒸腾消耗占净辐射的50%以上；利用WheatSPAC模型可以分析不同灌溉制度对田间水热分布及产量的影响，结论是：如果返青后墒情较好，在拔节期进行灌溉对冬小麦的最终产量最为有利；如果在拔节之后进行一次灌溉，则灌溉进行得越早对产量越有利；三水以后，随灌溉量的增加，产量的边际效益递减；返青后，降雨与灌溉的总量在240mm对冬小麦的生长比较适宜。WheatSPAC模型主要针对北京永乐店的气候条件、土壤条件及京冬8号的冬小麦品种，因此具体结论只适于类似条件的分析。但随着WheatSPAC模型的进一步完善，也可用于分析气候因素(如温度、CO2浓度等)变化对作物产量的影响。参考文献：参考文献：1 van Genuchten M T.A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated flow,Soil Sci.Soc.Am.J.,1980,44:892-898.2 De Vries D A.Thermal conductivity of soilM.In W.R.Van Wijk.Physics of plant environment.North-Holland Publishing Company,Amsterdam,1963.3 吴擎龙.田间腾发条件下水热迁移数值模拟的研究D.北京：清华大学，1993.4 Chung S Q,Horton R.Soil heat and water flow with a partial surface mulchJ.Water Resour.Res.,1987,23(12):2175-2186.5 曹卫星，罗卫红.作物系统模拟及智能管理M.北京：华文出版社，2000.6 郭群善，雷志栋，等.冬小麦水分生产函数Jensen模型水分敏感指数研究J.水利学进展，1996，7(1)：20-25.Study on coupling between winter wheat growth and water-heat transfer in soil-plant-atmosphere continuum II.Model verification and application CONG Zhen-tao,LEI Zhi-dong,HU He-ping,YANG Shi-xiu(Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract:The observation data obtained from field experiment station are used to deduce the soil parameters and genetic parameters for calculation of WheatSPAC model proposed by the authors.The comparison between calculation result and observation data for winter wheat shows that the model can be satisfactorily used to simulate the leave area index,weight of dry material,soil temperature and soil moisture.On this basis,the WheatSPAC model is applied to analyze the influences of irrigation treatments and water-heat conditions on wheat yield.It is found that the evapotranspiration consumption will be more than half of the net radiation gained by the plant after its turning green.In case the soil moisture is sufficient,the irrigation carried out in jointing stage will be benefit to the crop yield and the irrigation should be completed as early as possible.After three times of irrigation the marginal benefit of yield will decrease with the increase of irrigation water amount.The best irrigation water amount including the raining is about 240mm.Key words:soil-plant-atmosphere continuum(SPAC);WheatSPAC model;winter wheat;irrigation;crop-water