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專利名稱：一種原位確定作物蒸散量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種確定作物蒸散量的方法，尤其涉及一種使用原位測量技術(shù)確定田間作 物實(shí)際蒸散量的方法，屬于農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在土壤-植物-大氣系統(tǒng)(SPAC)循環(huán)中，由降雨、水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)、植物蒸騰等過 程構(gòu)成的陸地水分循環(huán)是維持陸地生態(tài)系統(tǒng)的基本要素，其中土壤蒸發(fā)和植物蒸騰被合稱 為蒸散量(ET)，是區(qū)域水量平衡、農(nóng)田灌溉、水資源管理等眾多領(lǐng)域需要必須考慮的。
目前，直接測定蒸散耗水量方法主要包括水量平衡法、蒸滲儀法、零通量面法等。
水量平衡法應(yīng)用最為普遍，簡便，不受氣象條件的限制；但是取樣頻繁，每次取樣點(diǎn) 均不相同，取樣帶來的誤差不能忽略；其次，在水量平衡法中水分運(yùn)動(dòng)下邊界難以確定， 導(dǎo)致由于取樣深度不確定從而帶來很大誤差；其三，水量平衡法中的各個(gè)分量，如有效降 水量、地下水補(bǔ)給量、騰發(fā)量難以準(zhǔn)確分開，其誤差會(huì)集中到蒸發(fā)量的估算；其四，水量 平衡法的測定時(shí)間相對較長，難以觀測蒸散的日動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。
蒸滲儀法是經(jīng)典的標(biāo)準(zhǔn)方法，可用于lh以內(nèi)蒸散量的測定，但存在以下不足第一， 設(shè)計(jì)復(fù)雜，破壞了土壤原來的結(jié)構(gòu)，隔斷了作物生長土壤與深層土壤之間的水分聯(lián)系；第 二，器內(nèi)植株的代表性對蒸發(fā)測定有影響，器內(nèi)水分調(diào)節(jié)有困難；第三，需要大型設(shè)備， 屬于固定式設(shè)備，機(jī)動(dòng)性很差，而且成本昂貴。前邊兩項(xiàng)不足，使得試驗(yàn)條件與真實(shí)情況 有差異；第三項(xiàng)不足使得該方法不能廣泛使用。
對于傳統(tǒng)的零通量面法，大部分還只是停留在理論方面的探討，而實(shí)際運(yùn)用的還不是 很廣泛，這主要是由于傳統(tǒng)零通量法的應(yīng)用是有比較苛刻條件的，只有當(dāng)零通量面存在時(shí) 才能應(yīng)用這一原理，而零通量面并非時(shí)刻都存在，且當(dāng)?shù)叵滤缓芨邥r(shí)， 一般不能使用， 降水頻繁，零通量面不穩(wěn)定的情況下，也難以使用；同時(shí)，零通量面的確定需要多次測量 確定，在實(shí)際操作中，測定周期長，導(dǎo)致并非所有零通量面都能觀測到，從而限制傳統(tǒng)零 通量面法的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種在不破壞土壤的情況下原位精確確定田間作物實(shí)際蒸散量的方 法，從而獲得蒸散量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化。本方法主要利用精密儀器監(jiān)測出實(shí)時(shí)土壤水分、水 勢數(shù)據(jù)，根據(jù)改進(jìn)的零通量面法的原理，通過數(shù)學(xué)手段計(jì)算獲得所述蒸散量，完成本發(fā)明。
為了達(dá)到上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)手段
一種原位確定作物蒸散量的方法，包括下列步驟
a) 原位實(shí)時(shí)測量5層或5層以上不同深度土層的土壤水勢和土壤體積含水量數(shù)據(jù)， 其中至少一層在作物根層以下；
所述數(shù)據(jù)優(yōu)選通過土壤水分水勢探測儀進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，比如，在各個(gè)土層均埋置探測 儀的探頭，在實(shí)際操作時(shí)，可按照一定的時(shí)間間隔實(shí)時(shí)測量上述數(shù)據(jù)；
b) 根據(jù)測得的土壤水勢數(shù)據(jù)，確定土壤剖面上作物根層以下是否存在零通量面，若 是，則進(jìn)而獲得根層以下零通量面以上各個(gè)土層的非飽和導(dǎo)水率-體積含水量數(shù)據(jù)對；
其中，零通量面可通過下述方法確定基于測得的土壤水勢數(shù)據(jù)制作土壤剖面上的土 壤水勢分布曲線，并根據(jù)該曲線的一階導(dǎo)數(shù)曲線確定是否存在零通量面；
其中，各個(gè)土層的非飽和導(dǎo)水率-體積含水量數(shù)據(jù)對可通過下述方法獲得
i. 根據(jù)測得的土壤水勢數(shù)據(jù)獲得土壤剖面上的土壤水勢分布曲線及其一階導(dǎo)數(shù)曲線；
ii. 根據(jù)測得的土壤體積含水量數(shù)據(jù)獲得土壤剖面上的土壤體積含水量分布曲線，并由 此獲得作物根層以下零通量面以上各土層的水分通量曲線；
iii. 根據(jù)所述水分通量曲線和所述土壤水勢一階導(dǎo)數(shù)曲線獲得土壤剖面上作物根層以 下零通量面以上各個(gè)土層的非飽和導(dǎo)水率-體積含水量數(shù)據(jù)對；
在上述步驟中，水分通量按照式II計(jì)算
<formula>formula see original document page 6</formula>
式II
其中qi表示第i層土層的土壤水分通量；Zi(tl)和Zi(t2)表示tl和t2時(shí)刻第i層的土層深 度；Zo(tl)和Zo(t2)分別表示tl和t2時(shí)刻零通量面對應(yīng)的土層深度；9表示土壤體積含水量；
非飽和導(dǎo)水率按照式m計(jì)算<formula>formula see original document page 6</formula>
式III其中K(e)表示非飽和導(dǎo)水率；，表示土體內(nèi)水勢分布梯度曲線，A^w表示土水勢變化
△z
量，Az表示土層深度變化量。
關(guān)于本步驟有兩點(diǎn)值得說明 一，并非所有時(shí)刻測得的數(shù)據(jù)均可以獲得滿足要求的零 通量面，比如，不存在零通量面或零通量面位于根層以上時(shí)，若不能獲得這樣的零通量面， 則根據(jù)下一時(shí)刻測得的數(shù)據(jù)繼續(xù)計(jì)算，直至最終獲得所述數(shù)據(jù)對；二，當(dāng)獲得滿足要求的 零通量面時(shí)，最終獲得的數(shù)據(jù)對并非所有土層的數(shù)據(jù)對，而是位于根層以下零通量面以上 的土層的數(shù)據(jù)對；
C)在多個(gè)時(shí)刻重復(fù)上述步驟直至根層以下每個(gè)土層均獲得多個(gè)所述數(shù)據(jù)對，并根據(jù) 所述數(shù)據(jù)對獲得各個(gè)土層的非飽和導(dǎo)水率-體積含水量數(shù)學(xué)關(guān)系；
該數(shù)學(xué)關(guān)系可通過三次樣條函數(shù)擬合非飽和導(dǎo)水率和體積含水量而獲得； d)獲得所述數(shù)學(xué)關(guān)系后，在其基礎(chǔ)上根據(jù)測得的土壤水勢和土壤體積含水量數(shù)據(jù)獲 得根層以下各土層的水分通量，進(jìn)而根據(jù)水量平衡法確定蒸散量； 其中，蒸散量可按照式IV計(jì)算
ET =P+I+U-D -R± (-AW) 式IV
其中P表示tl至t2時(shí)段內(nèi)的降雨量；I表示tl至t2時(shí)段內(nèi)的灌溉量；U表示上行水量， f/= f、&，其中q二-k k(e)表示非飽和導(dǎo)水率，^!表示土體內(nèi)水勢分布梯度
曲線，A^w表示土水勢變化量，Az表示土層深度變化量；D表示下滲水量，Z)-f-《A;
R表示徑流量；A『表示土體含水量變化，A『=f f2^cfe^，其中e表示土壤體積含
在上述方法步驟中，作為一個(gè)特例，當(dāng)步驟b)中連續(xù)兩次測量均獲得根層以下的零通 量面時(shí)，則可以根據(jù)這兩個(gè)零通量面，結(jié)合土壤體積含水量的變化量及徑流量、降雨量、 灌溉量按照式I直接確定蒸散量
<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時(shí)段內(nèi)的降雨量；I表示tl至t2時(shí)段內(nèi)灌溉量;Rs表示tl至t2時(shí)段內(nèi)降雨期間產(chǎn)生的地表徑流量；Z表示土層深度；e表示土壤剖面上的 土壤體積含水量；Zo(tl)和Z0(t2)分別表示tl和t2時(shí)刻零通量面對應(yīng)的土層深度。有關(guān)上 述式I的更多細(xì)節(jié)可參考胡安焱等.零通量面法計(jì)算土壤水分騰發(fā)量研究.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)
研究,2006,24(2):119 121。
運(yùn)用以上方法可以求算出蒸散量的最小時(shí)段為水分傳感器、水勢傳感器的最快響應(yīng)時(shí) 間，在實(shí)際操作過程中，數(shù)據(jù)取樣周期(即用傳感器測定土壤水分含量、水勢值的周期) 一般要大于這個(gè)時(shí)間。但是，為了便于所確定的蒸散量數(shù)據(jù)運(yùn)用起來方便，往往將水分含 量、水勢值匯總成1天(或更長時(shí)間)的數(shù)據(jù)，然后求算出1天(或更長時(shí)間)的蒸散量。 即根據(jù)1天內(nèi)各個(gè)時(shí)刻所采集到的所有水分含量、水勢值數(shù)據(jù)得到1天的平均水分含量、 水勢值，然后根據(jù)上述步驟b)到d)的方法求算各天的蒸散量。
和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1. 基本沒有破壞土壤原來的結(jié)構(gòu)，屬于原位測量技術(shù)。
2. 通過實(shí)時(shí)監(jiān)測，可獲得精確的土壤水分、水勢數(shù)據(jù)，蒸散量計(jì)算結(jié)果精確度較高， 可獲得很小時(shí)間段的蒸散量數(shù)據(jù)。
3. 所用儀器安裝方便，可便攜；監(jiān)測地點(diǎn)可以很方便地改變。 特別地，本發(fā)明和傳統(tǒng)的零通量面法相比，具有以下優(yōu)勢
1. 傳統(tǒng)的零通量面法沒有系統(tǒng)的規(guī)定土壤水分、水勢的測定層次，本發(fā)明明確規(guī)定 為5層或者5層以上，而且至少有一個(gè)層次的深度大于作物根層。
2. 傳統(tǒng)零通量面法需要多次測量確定零通量面位置，且測定周期長，期間零通量面 極有可能發(fā)生多次反復(fù)變化，致使測定結(jié)果與實(shí)際情況不符合。本發(fā)明根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的土 水勢數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)手段能較精確的確定零通量面位置，且能獲得實(shí)時(shí)零通量面位置，漏 測零通量面的概率幾乎為零。
3. 傳統(tǒng)零通量面法在無零通量面存在時(shí)無法計(jì)算，本發(fā)明對于那些沒有觀測零通量
的時(shí)段，也能夠求算出其作物蒸散量。利用存在零通量的數(shù)據(jù)，演算出了不同土層深度土 壤體積含水量 土壤非飽和導(dǎo)水率的關(guān)系，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了多次使用。即本發(fā)明具有自我校 正功能，隨著監(jiān)測時(shí)間的延長，精度將越來越高，并且可以對已經(jīng)獲得蒸散量數(shù)據(jù)進(jìn)行檢 驗(yàn)與校正。
4. 本發(fā)明較為明確的規(guī)定了測定計(jì)算步驟，方法清晰且精確度較高。
具體實(shí)施例方式
下面通過優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。 本實(shí)施例通過下述方法確定作物蒸散量
1. 將土壤水分水勢探測儀的探頭分別埋植在5層不同深度的土層中，這5層土層的深 度均大于作物根層，并持續(xù)不斷地獲得不同土壤層次的土壤體積含水量和土壤水勢。
2. 根據(jù)不同土壤層次的土壤水勢，獲得土壤水勢在土壤剖面上的分布曲線及其一階導(dǎo)
數(shù)曲線，其一階導(dǎo)數(shù)為零的點(diǎn)即Az =0的點(diǎn)即為零通量點(diǎn)，從而確定可能存在的零通量 面的位置。
3. 根據(jù)不同土壤層次的土壤體積含水量，獲得土壤體積含水量在土壤剖面上的分布曲 線，如果有零通量面存在(根據(jù)步驟2計(jì)算的結(jié)果)，則可以求算出零通量面以上相鄰兩 個(gè)監(jiān)測時(shí)刻的土壤體積含水量的變化量，同時(shí)如果零通量面在根層以下，那么這個(gè)土壤體 積含水量的變化量再結(jié)合該時(shí)間段內(nèi)降雨、灌溉、徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算即可求算出該時(shí)段內(nèi) 的蒸散量，可通過下式I計(jì)算-
￡r = P + / —i +f 0(Z， ti)dZ-f 6(Z， t2)dZ+f'(")妖Z， t (zo) )dZ
式I
其中，
ET表示作物實(shí)際蒸散量； P表示tl至t2時(shí)段內(nèi)的降雨量； I表示tl至t2時(shí)段內(nèi)灌溉量；
R表示tl至t2時(shí)段內(nèi),降雨期間產(chǎn)生的地表徑流量；
e(z,ti)和e(z,t2)分別表示tl和t2時(shí)刻土壤剖面上的土壤含水量分布； Zo(tl)和Zo(t2)分別表示tl和t2時(shí)刻零通量面對應(yīng)的土層深度；
z表示土層深度。
4. 如果根層以下零通量面存在(根據(jù)步驟2計(jì)算的結(jié)果)，根據(jù)土壤體積含水量在土 壤剖面上的分布曲線，獲得根層以下土壤剖面水分通量曲線(式II)，進(jìn)一步結(jié)合土壤水 勢的一階導(dǎo)數(shù)曲線，獲得土壤剖面上根層一下零通量面以上的各個(gè)土層的非飽和導(dǎo)水率
(K(e))(式in)-體積含水量(e)的數(shù)據(jù)對。fZi (tl) 、 fZ;(t2) fZ0 (tl) ,
qi=[亂h)dZ-[亂t2)dZ+[P(Z， t (zo) )dZ
feo (tl) *feo (t2) J!ZO (t2)
式n
式中
《表示第i層土層的土壤水分通量； Zi表示第i層土層；
e表示土壤體積含水量；
k q
Az
式III
式中K(e)表示非飽和導(dǎo)水率；
，表示土體累水勢分布梯度曲線； Az
5. 對于所有存在根層以下零通量面的情況，重復(fù)4，便可以針對各個(gè)土層獲得多組非 飽和導(dǎo)水率-體積含水量的數(shù)據(jù)對，進(jìn)一步可以用三次樣條函數(shù)擬合出兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān) 系。
6. 在上述數(shù)學(xué)關(guān)系的基礎(chǔ)上，對于根層以下不存在零通量面的情況，也可以通過如下
方法確定蒸散量首先根據(jù)其e及已經(jīng)擬合出的K(e)與e之間的數(shù)學(xué)關(guān)系通過插值求算出
K(e)，進(jìn)而根據(jù)達(dá)西定律q--k ("^即可求算出此情況下的根層下界水分通量q，然
△Z
后根據(jù)下式IV即可求算出不存在零通量面情況下的ET:
ET =P+I+U-D -R± (-AW)
式IV;
式中，
ET:作物實(shí)際蒸散量；
P: tl至t2時(shí)段內(nèi)降雨量；
I: tl至t2時(shí)段內(nèi)灌溉量；
U:上行水量，t/=jf3^^; D:下滲水量，D= 《&;R: tl至t2時(shí)段內(nèi),降雨期間產(chǎn)生的地表徑流量；
A『土體含水量變化，<formula>formula see original document page 11</formula>， 土體內(nèi)含水量分布梯度曲線。
權(quán)利要求
1. 一種原位確定作物蒸散量的方法，包括下列步驟a)原位實(shí)時(shí)測量5層或5層以上不同深度土層的土壤水勢和土壤體積含水量數(shù)據(jù)，其中至少一層在作物根層以下；b)根據(jù)測得的土壤水勢數(shù)據(jù)，確定土壤剖面上作物根層以下是否存在零通量面，若是，則進(jìn)而獲得根層以下零通量面以上各個(gè)土層的非飽和導(dǎo)水率-體積含水量數(shù)據(jù)對；c)在多個(gè)時(shí)刻重復(fù)上述步驟直至根層以下每個(gè)土層均獲得多個(gè)所述數(shù)據(jù)對，并根據(jù)所述數(shù)據(jù)對獲得各個(gè)土層的非飽和導(dǎo)水率-體積含水量數(shù)學(xué)關(guān)系；d)獲得所述數(shù)學(xué)關(guān)系后，在其基礎(chǔ)上根據(jù)測得的土壤水勢和土壤體積含水量數(shù)據(jù)獲得根層以下各土層的水分通量，進(jìn)而根據(jù)水量平衡法確定蒸散量。
2. 如權(quán)利要求1所述的原位確定作物蒸散量的方法，其特征在于，步驟a)通過土壤水分 水勢探測儀實(shí)時(shí)測量5層或5層以上不同深度土層的土壤水勢和土壤體積含水量數(shù)據(jù)。
3. 如權(quán)利要求1所述的原位確定作物蒸散量的方法，其特征在于，步驟b)通過基于測得 的土壤水勢數(shù)據(jù)制作土壤剖面上的土壤水勢分布曲線及其一階導(dǎo)數(shù)曲線確定是否存在零 通量面，并進(jìn)一步確定零通量面是否位于作物根層以下。
4. 如權(quán)利要求1所述的原位確定作物蒸散量的方法，其特征在于，當(dāng)連續(xù)兩個(gè)相鄰時(shí)刻 在步驟b)中確定根層以下存在零通量面時(shí)，則直接根據(jù)這兩個(gè)零通量面位置，以及土壤體 積含水量的變化量及徑流量、降雨量、灌溉量確定蒸散量。
5. 如權(quán)利要求4所述的原位確定作物蒸散量的方法，其特征在于，按照式I計(jì)算蒸散量<formula>formula see original document page 2</formula>式I其中，ET表示作物實(shí)際蒸散量；P表示tl至t2時(shí)段內(nèi)的降雨量；I表示tl至t2時(shí)段內(nèi)灌 溉量；R表示tl至t2時(shí)段內(nèi)降雨期間產(chǎn)生的地表徑流量；Z表示土層深度；6表示土壤剖 面上的土壤體積含水量；Zo(tl)和Zo(t2)分別表示tl和t2時(shí)刻零通量面對應(yīng)的土層深度。
6. 如權(quán)利要求1所述的原位確定作物蒸散量的方法，其特征在于，步驟b)通過下述方法 獲得各個(gè)土層的非飽和導(dǎo)水率-體積含水量數(shù)據(jù)對根據(jù)測得的土壤水勢數(shù)據(jù)獲得土壤剖面上的土壤水勢分布曲線及其一階導(dǎo)數(shù)曲線；根據(jù)測得的土壤體積含水量數(shù)據(jù)獲得土壤剖面上的土壤體積含水量分布曲線，并由此 獲得作物根層以下零通量面以上各土層的水分通量曲線；根據(jù)所述水分通量曲線和所述土壤水勢一階導(dǎo)數(shù)曲線獲得土壤剖面上作物根層以下 零通量面以上各個(gè)土層的非飽和導(dǎo)水率-體積含水量數(shù)據(jù)對；其中，水分通量按照式II計(jì)算<formula>formula see original document page 3</formula> 式II其中qi表示第i層土層的土壤水分通量；Zi(tl)和Zi(t2)表示tl和t2時(shí)刻第i層的土層深 度；Zo(tl)和Zo(t2)分別表示tl和t2時(shí)刻零通量面對應(yīng)的土層深度；0表示土壤體積含水量； 非飽和導(dǎo)水率按照式III計(jì)算<formula>formula see original document page 3</formula> 式III其中K(e)表示非飽和導(dǎo)水率；^表示土體內(nèi)水勢分布梯度曲線，A^w表示土水勢變化△Z量，Az表示土層深度變化量。
7. 如權(quán)利要求1所述的原位確定作物蒸散量的方法，其特征在于，步驟c)通過三次樣條 函數(shù)擬合非飽和導(dǎo)水率和體積含水量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。
8. 如權(quán)利要求1所述的原位確定作物蒸散量的方法，其特征在于，步驟d)按照式IV計(jì)算 蒸散量<formula>formula see original document page 3</formula> 式IV其中P表示tl至t2時(shí)段內(nèi)的降雨量；I表示tl至t2時(shí)段內(nèi)的灌溉量；U表示上行水量，t/= f、^，其中q--k (A^， k(e)表示非飽和導(dǎo)水率，^表示土體內(nèi)水勢分布梯度曲線，A^w表示土水勢變化量，Az表示土層深度變化量；D表示下滲水量，D=f-^/"R表示徑流量；A『表示土體含水量變化，A『=f f^&A，其中e表示土壤體積含tK量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種原位確定作物蒸散量的方法，屬于農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域。本發(fā)明方法包括下列步驟原位實(shí)時(shí)測量5層以上不同深度土層的土壤水勢和土壤體積含水量數(shù)據(jù)，其中至少一層在作物根層以下；在作物根層以下存在零通量面的情況下獲得根層以下零通量面以上各個(gè)土層的多個(gè)非飽和導(dǎo)水率-體積含水量數(shù)據(jù)對；進(jìn)而獲得各個(gè)土層的非飽和導(dǎo)水率-體積含水量數(shù)學(xué)關(guān)系；在此基礎(chǔ)上獲得根層以下各土層的水分通量，進(jìn)而根據(jù)水量平衡法確定蒸散量。本發(fā)明方法可用于原位確定作物的蒸散量，不破壞土壤，方便精確，對于那些沒有觀測零通量的時(shí)段，也能夠求算出其作物蒸散量。
文檔編號G01N33/24GK101413935SQ20081023942
公開日2009年4月22日 申請日期2008年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月9日
發(fā)明者張認(rèn)連, 段淑輝, 豹 王, 雷秋良, 龍懷玉 申請人:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所