一种原位确定作物蒸散量的方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术方法包括下列步骤：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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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lh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。
技术实现思路
本专利技术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，完成本专利技术。为了达到上述技术目的，本专利技术采用如下技术手段，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<formula>formula see original document page 6</formula>式II其中qi表示第i层土层的土壤水分通量；Zi(tl)和Zi(t2)表示tl和t2时刻第i层的土层深 度；Zo(tl)和Zo(t2)分别表示tl和t2时刻零通量面对应的土层深度；9表示土壤体积含水量；非饱和导水率按照式m计算<formula>formula see original document page 6</formula>式III其中K(e)表示非饱和导水率；，表示土体内水势分布梯度曲线，A^w表示土水势变化△z量，Az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± (-AW) 式IV其中P表示tl至t2时段内的降雨量；I表示tl至t2时段内的灌溉量；U表示上行水量， f/= f、&，其中q二-k k(e)表示非饱和导水率，^!表示土体内水势分布梯度曲线，A^w表示土水势变化量，Az表示土层深度变化量；D表示下渗水量，Z)-f-《A;R表示径流量；A『表示土体含水量变化，A『=f f2^cfe^，其中e表示土壤体积含在上述方法步骤中，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<formula>formula see original document page 7</formula>式I其中，ET表示作物蒸散量；P表示tl至t2时段内的降雨量；I表示tl至t2时段内灌溉量;Rs表示tl至t2时段内降雨期间产生的地表径流量；Z表示土层深度；e表示土壤剖面上的 土壤体积含水量；Zo(tl)和Z0(t2)分别表示tl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，本专利技术具有以下优点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；监测地点可本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：龙怀玉，段淑辉，雷秋良，张认连，王豹，
申请(专利权)人：中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]