农田水分平衡与作物生长模拟信息系统浙江水利.docx
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农田水分平衡与作物生长模拟信息系统浙江水利
农田水分平衡与作物生长模拟信息系统-浙江水利
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节水灌溉信息系统研究
黄志珍
(浙江省水文局浙江杭州310009)
摘要:
土壤水分运动和作物生长耦合关系模拟模型与GIS技术集成是目前农田水分优化配置领域研究的热点,但国内在两者的无缝集成上仍未有较好的平台可供实际指导生产。
本文首次引入目前GIS应用系统开发较为流行的组件式技术(MapObject,简称MO),建立了全中文界面的农田水分平衡与作物生长模拟信息系统,以期为我国南方红壤地区农田水资源管理与优化利用,不良水分条件下作物生长动态监测提供友好的决策支持平台,为该技术的推广应用奠定基础。
关键词:
土壤水分,作物生长,耦合模型,组件式GIS,MO
1引言
水资源短缺,尤其农业生产用水效率低下,已成为制约国民经济和社会发展的瓶颈,也是我国目前节水的最大潜力所在。
实现农业节水的重要前提是了解作物的需水规律,按作物的最佳需水要求进行灌溉,用较少的水取得较高的产出效益。
农田水分平衡和作物生长的耦合模拟是研究灌溉节水的理论基础。
相关的研究在如美国、荷兰、俄罗斯、日本等国和国内北方干旱、半干旱地区开展较早、发展较快,而在相对多雨的我国南方红壤地区研究较少。
但是红壤地区由于季风性气候和红壤保水性差的结构所致的作物生长期内季节性水资源分配不均一直是困扰红壤区旱地农业发展的主要障碍,同时也是许多国外或北方干旱、半干旱地区模拟效果很好的土壤-水分模型直接引用到南方多雨地区效果却并不理想的原因。
针对南方红壤地区不良水分条件极易对作物生长产生不良影响、反之作物生长的不同状况又会影响到田间水分平衡这样一种强烈的耦合效应,在该区域这种耦合关系的研究显得更为重要。
近年来,继吕军,有杨京平、陈杰等借鉴并改进机理性较强的荷兰学派PenningdeVries的MACROS模型对红壤地区作物-水分关系做了较为深入的研究,但其中用到的模拟模型大都是在DOS环境下开发的基于点(地块)的模拟,不仅界面对研究者和普通用户不友好,而且当模型模拟范围外推(面或其他地块)时由于参数空间变异会导致精度降低。
随着计算机可视化技术和地理信息系统GIS(GeographicalInformationSystem,简称GIS)的发展为这些问题提供了有效的解决手段,且已有不少成功的例子,如WOFOST与ArcInfo,AEGIS与ArcView,但应用目前流行的组件式GIS技术(如MapObject,简称MO)与作物-水分模拟模型开发集成系统的尚未见报道。
鉴于组件式GIS技术小巧灵活、价格便宜,开发简便,可视化功能强大的特点,本文研制和开发了完全中文界面,具有自主知识产权的基于组件式GIS(MO)农田水分平衡与作物生长模拟信息系统,为我国南方红壤地区农田水资源管理与优化利用,不良水分条件下作物生长动态监测提供了友好的决策支持平台,为该技术的推广应用奠定基础,使模型的应用由“专家型”、“研究型”趋于“傻瓜化”。
2材料与方法
2.1实验小区介绍
模拟区域在浙江省兰溪市马达镇,农业耕作方式以水田旱地为主,水田种植水稻,间作油菜,旱地种植方式包括林地,果园,茶园,大豆,芝麻等农作物。
土壤包括黄筋泥,培泥沙头老黄筋泥田,新黄筋泥田,白心老黄筋泥田,老黄筋泥田,母质为第四系中更新统的古红土层,是古山溪性河流冲、洪积物,经中更新世湿热气候条件下形成的富铁铝、低硅、强酸、粘重的红色古土壤。
研究区域水田灌溉水源能够保证,基本不会发生严重干旱。
而旱地红壤分布于低丘山地上,基本上处于雨养条件下,因此季节性干旱对旱地红壤上的农作物生长影响较大。
田间验证实验在浙江省衢州十里丰农场进行,供试作物包括冬小麦、早晚稻、玉米和大豆。
田间土壤为红壤性水稻土(黄筋泥田),耕层(0-15cm),犁底层(15-30cm)和心土层(30-100cm)土壤质地分别为粘壤土、重粘土和轻粘土。
2.2系统开发:
2.2.1系统功能:
系统控制:
主要通过人机交互操作,管理各个子系统间的接口,检验模块间参数传递,保证各子系统正常运作。
该子系统还用来检验用户身份,防止非法用户操作,并且完成系统最基本的输入、输出操作。
数据维护:
进行系统数据集的日常维护。
数据维护除具备图形数据和属性数据的输入、存储、整编功能外,也兼有查询、统计、分析等功能,同时,提供数据库与其他模块系统间的数据传输接口。
土壤水分平衡动态模拟:
能根据输入的土壤气象资料,模拟土壤水分平衡收支项的各个组成部分,包括土壤蒸发、作物蒸腾、土壤含水量的逐日变化,并根据作物需水规律确定最佳灌溉时间及灌溉量等。
作物生长响应模拟:
在土壤水分逐日动态变化的基础上,作物生长模块能进一步分析由土壤含水量变化所引起的作物生长发育的变化,包括作物光合作用、呼吸作用和叶面积变化等。
图形报表等输出功能:
模拟结果能通过数据文件、电子表格、曲线图、GIS专题图等多种形式直观的表示出来。
帮助介绍页
图IVCWSIS系统集成总体结构设计
2.2.2系统实现
2.2.2.1GIS与专业模型集成方案选择
由于作物、水分专业模型和GIS技术各自的发展都已比较成熟,但如何有效的实现两者的无缝集成是目前的研究热点。
与传统的GIS应用系统的三种集成模式:
对称结构(Peer-to-Peer)、嵌入结构(Embedded)、动态链接结构(DynamicLinking)相比,组件式GIS具有小巧灵活、价格便宜,不依赖于GIS开发语言,与通用开发工具(VisualBasic、VisualC++、Delphi)兼容,开发简便,系统可脱离GIS平台独立运行等显著特点。
本文中即采用组件式技术进行GIS与土壤—作物模拟模型的集成,这在国内尚未见相关报道。
2.2.2.2模拟原理及系统模型库
系统采用GIS与专业模型相结合,专业模型包括土壤水分平衡动态、作物生长动态及两者的耦合效应。
GIS用于空间和属性数据的管理,分析和运算,为模型提取参数并对模型模拟结果作多种形式的输出,土壤水分平衡动态模拟模块用于根区土壤水分动态模拟分析和对水分胁迫进行预报,作物生长模拟模型用于作物生长模拟和产量预测,在各模块之间通过数据接口软件开发实现各模块间的集成,对研究区域内的所有空间单元逐个进行模拟,来研究模拟模型的区域的区域化应用问题。
图V系统模拟流程示意图
系统模型库包括作物生长模块、水分平衡动态模块和两者的耦合模块。
作物生长模型采用PenningdeVries的MACROS(L1D)模型,以冠层光合作用为基础,以光合产物在各器官中的分配为中心,在器官和组织这一层次上描述作物变化,包括作物发育、光合、呼吸、碳水化合物的分配与器官的建成和叶面积消长动态等5个子模块。
土壤水分平衡动态模块,采用了MACROS模块中SAHEL(爽水土壤模拟算法L2SU)和改进的SAWAH(排水不良土壤模拟算法L2SS)模块。
以农田水分平衡方程为核心,以土壤水分垂直一维流为基础,以作物冠层为上边界,土底一米深处为下边界,包括包括水分土表入渗,地表径流,作物吸水蒸腾,土表蒸发,土壤水分再分配,毛管水补给和渗漏等过程。
两者的耦合关系子模型是本研究的主要改进处,包括滞害和旱害对光合速率、光合产物分配比例、光合有效面积和作物发育进程的改变这几方面。
水分运动模型以0.1d—0.001d可变时间步长进行模拟,作物生长模型以1d(24h)为时间步长,土壤水分状态经24h循环计算后取值与作物发生相互作用,两模块互相提供模拟参数,实现动态耦合,作物与水分的互反馈机制得以体现。
2.2.2.4数据库设计
图形数据库:
包括1:
1万土地利用图,1:
1万土壤图,1:
1万地形图,1:
1万行政图等基础图层。
属性数据库:
主要包括土壤,作物,气象数据三个方面。
土壤参数:
资料由实际分析测得,有水分特征曲线,饱和含水量,风干含水量,田间持水量,凋萎含水量,土壤饱和、非饱和导水率,土壤质地类型,土层深度、厚度,地下水位埋深等。
作物参数:
包括水稻、小麦、大豆、玉米、花生等等。
这些资料对于作物同一亚种的不同品种而言,许多基本资料可通用,但一些品种之间差异较大的资料则需要根据品种的不同进行调整。
气象资料:
包括每日最高,最低气温,日照,日降雨量,日平均湿度和平均风速六个参数。
因MACROS模型机理性强,输入的参数复杂,难于在实际生产应用中确定,为实用考虑,本系统设置了根据参数的灵敏度分析,建立了最小参数集,并设定默认的土壤、作物、气象数据,用户可直接选用,对有条件实测者,也可自行设定。
其中作物参数,当选择不同作物时,系统会自动给出相应的默认参数。
模型的输出包括从模拟开始之日起生长季内任何一天的作物生长状况(包括作物各器官的生长速率和状态变量)和各土壤水分平衡收支项(速率和状态),土壤水分剖面分布等。
3结果与讨论
3.1系统模型验证
3.1.2模拟模型验证
严格的田间实验验证是保证模型有效性和实用性的前提。
验证实验总体结果表明,耦合模型是相当成功的。
水分平衡方面:
以浙江十里丰农场红壤性水稻土(黄筋泥田,系统分类名)为研究对象,通过对冬小麦和玉米两种作物在三个土壤深度(0-5cm,5-15cm,30-35cm)的土壤水分与70多个水分实测值的比较:
总体平均偏差为2.00%(0.021cm3/cm3),相对误差总体平均为5.4%。
验证实验中,土壤水分含量的实测值是田间多点(3-5个样品)测定的平均值。
因此,考虑到土壤水分在田间分布上的空间变异性,模拟值和实测值的拟合程度是相当令人满意的。
作物产量模拟方面:
选用当时当地(十里丰农科所1986-1992年)冬小麦、早稻、晚稻、和玉米等的高产实验资料,模拟结果也是十分理想的。
从对模型中有关参数的灵敏度分析来看,结果也是满意的。
土壤水分运动的模拟结果对土壤水分条件与作物生长的耦合参数,土壤水分特征参数和气象条件比较敏感,而在作物生长前期,叶面积伸长速率的变化以及由种植密度不同而造成叶面积系数的变化,都对土壤水分平衡的模拟结果有显著影响。
综上,就土壤水分平衡和作物生产关系这一特定目标而言,模型的模拟结果是可靠的。
因此,模型可较好地应用以下两方面的研究:
1)当作物生产的主要障碍因子是土壤水分问题时,模型对生产的预测预报是可行的;2)更重要的是,本模型作为一地或一区域的作物生长、对不良水分条件响应机制农田土壤水分管理和农业水资源的分析研究的工具,具有十分重要的作用。
3.2模拟模型应用
3.2.1农田水分平衡及土壤水分管理模拟
在低丘红壤地区黄筋泥田土壤条件下,近十年的早稻和晚稻的田间水量动态平衡的模拟分析表明,尽管水稻常规栽培耗水总量很大,但其生理生态必须耗水比例并不高;在耗水各项中,渗漏比例最大;能在保持水稻正常生理生态条件下,通过大大降低胜漏水量和其他耗水,使早稻耗水减少60%,晚稻减少80%以上,鉴于水稻种植面积广,应用间歇灌溉方法,对当地农业节水具有重要意义。
春玉米的水分管理,重点在于早播避旱,如能将收获期从常规栽培的7月下旬提前到7月上旬,可大大提高春玉米高产、稳产的可能性。
而秋玉米的产量与灌溉水量成二次曲线关系,最高产量出现在200-300mm灌水量范围内。
在灌溉过程中以土壤凋萎含水量的1.2倍为灌溉临界土壤含水量,每次灌水定额为60-70mm为好。
雨养条件下,春大豆产量高于夏、秋大豆,但有灌溉条件时,夏秋大豆产量更高,由于大豆对土壤湿度变化较敏感,滞害也会对其产生明显影响,大豆灌溉的临界土壤含水应为凋萎系数,每次灌溉以40mm为佳。
对小米生育期的田间水量平衡模拟表明,即使在雨养条件下,秋季小米仍可达到较高产量,说明对水分变化不太敏感。
应用本文模型模拟当地土壤和作物条件下的农田水分平衡,从而较确切地取得了不同作物、不同土壤和环境条件下农田灌溉
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