贵州省植烟土壤干旱预测模型初步研究

胡家敏,李继新,陈中云,代丽丹,王 宇

(1.贵州省山地气候与资源重点实验室,贵州贵阳 550002;2.贵州省烟草科学研究所,贵州贵阳550002;3.河海大学水利水电学院,江苏南京 210098)

烟草是我国重要的经济作物和嗜好性作物,也是贵州省主要的经济作物及财政收入来源。贵州省由于特有的地理环境,造成了复杂多样的气候类型,降水充沛,但时间和空间分布严重不均,容易出现季节性的干旱(春旱、夏旱)[1]。据研究,干旱是影响贵州省烤烟产量和品质的最主要的气象灾害之一[2-5]。因此,研究烟地水分预测模型,对烟草的水分管理和提高产量及品质具有重要意义。

国内外对干旱的研究和业务应用多集中在干旱的监测和监测预警上,而且多采用单一的指标进行监测,例如降水量、连续无雨日数、降水距平百分数、SPI指数、帕墨尔干旱指数指标、土壤相对湿度指标等等[6-7],而客观上生产部门对土壤水分未来的发展结果以及何时需要灌溉是最为关心的。近年来,国内也陆续开展了干旱预测预警的研究和业务,如刘荣花等[8]利用中长期预报结果对常年平均气象要素的修正、水量平衡原理等实现对未来时段的土壤相对湿度的预测,马晓群等[9]利用累积湿润度指数Mi进行旱涝的预测预警。然而笔者认为这些研究仍然没有完全将作物放在一个系统内进行综合考虑,对土壤也只是考虑了其水文物理特性,没有考虑到天气、土壤对作物水分利用的影响。针对此,笔者不但考虑了气候条件对烤烟作物需水的影响,同时也考虑了土壤对烤烟的影响。

1 资料与方法

气象资料由贵州省气候中心提供,包括逐日的日最高气温、日最低气温、空气平均水汽压、日照时数、风速等。

1.1 参考作物蒸散量的计算方法

参考作物蒸散量的计算模型是作物需水量研究中最重要的内容[10],也是土壤水分预测模型中的重点,参考作物蒸散量从热力学和动力学角度考虑了各种气候因子对作物需水量的影响,其本质是一种气候因子的函数,表明了大气蒸发能力的大小,彭曼-蒙特斯公式是目前公认的主要用于计算参考作物蒸散量的公式[11]:

式中:Rn为净辐射;Rns为净短波辐射;Rnl为净长波辐射;G为土壤热通量,相对净辐射而言很小,本研究以日为步长,根据FAO—56的规定取G≈0;γ为干湿常数;T为日平均气温;U2为离地面2m高处的风速;es为饱和水汽压;ea为实际水汽压;Δ为饱和水汽压曲线斜率;Rs0为晴天辐射;σ为波尔兹曼常数,σ=4.903×10-9MJ·-4m-2·d-1;Tmax,k为日最高气温;Tmin,k为日最低气温;n为日照时数;N为可照时数。

净辐射的计算关键是确定经验系数,笔者采用王懿贤的经验系数来计算短波辐射和长波辐射,其结果符合我国实际状况,应用较为广泛[12-13]。

1.2 烤烟实际蒸散量的计算方法

实际蒸散量是烤烟需水量研究中最重要的研究内容,其值与潜在蒸散及不同的作物有关,也是土壤水分预测模型中的重点。在土壤能够完全供水的条件下,单作物的实际蒸散量计算公式如下:

Kc的取值随着作物生育期的变化而不同,其仅仅与作物及生育期有关[11]。FAO—56推荐采用分段单值平均法确定作物系数,即把全生育期的作物系数变化过程概化为4个阶段,并分别采用3个作物系数值Kcini,Kcmid和Kcend表示。河南农业大学的何建[14]利用实验方法测出烤烟3个不同生育期的作物系数分别为0.93,1.13,0.54。

当土壤不能完全供水时,作物实际蒸散量的计算是通过式(5)再耦合土壤水分修正系数Ks进行修正。Ks反映土壤的供水能力,其计算公式为

2 植烟土壤水分的预测模型

2.1 土壤有效水分及烤烟根区有效水分

土壤有效水分(WTAW)指作物可以利用的土壤水分,可以用下式来计算:

式中:WTAW为根区土壤有效含水量,mm;ρ为根层土壤平均密度,g/cm3;θFC为田间持水量,%;θWP为凋萎含水率,%;ZR为作物根区深度,cm。

烟田中土壤的有效水分并不是完全都能被烟株利用,当土壤水分足够的时候,能够满足烟株的需求,作物吸收的水分就等于ETc。随着土壤水分的下降,下降到某个阈值时烟株吸收水分开始变得越来越困难。烟株不受水分胁迫作用时所消耗的水分定义为烟株的适宜水分(WRAW),其大小可用下式表示:

P值的大小可以反映烟株对土壤有效水分的吸收能力,即反映烟株的生物学特性,而且P值也随着大气蒸发力的增大而减小,即土壤蒸发能力增大时用于烟株生长发育的适宜水分减少。

2.2 植烟土壤水分的预测模型

根区的土壤水分被作物消耗的部分定义为根区耗水(Dr),假定在土壤水分处于田间持水量的时候Dr记为0,随着烟株蒸散消耗Dr增大。烤烟根系的耗水与根区的土壤供水能力有关,土壤的供水能力反映了土壤在2种不同状态下可用土壤水分的比值大小,分子是实际的土壤可用水分(土壤有效水分与根区耗水之差),分母是烟株根系不受水分胁迫时的土壤可用水分(土壤有效水分与烟株适宜水分之差)。当Dr≤WRAW,则Ks记为1;当Dr＞WRAW时就会产生水分胁迫作用,此时Ks就会小于1。Ks的表达式为

计算Dr需要用到烟株根区的土壤水量平衡法:

式中:Dr,i为计算日根区土壤耗水量;Dr,i-1为计算日前一天的根区土壤耗水量;Pi为日降雨量;qROi为径流量;Ii为日灌溉量;qCRi为毛管上升水量;ETc,i为烟株每日蒸散量;qDPi为作物根区渗漏量,在地下水位的深度大于1m时,qCRi=0,当根区土壤水分在田间持水量以下时qDPi=0。

如果没有降水,也没有灌溉的情况下,则可以把Dr的计算公式简化为

根据烟株根区水量平衡原理可得出简化的土壤相对湿度的预测模型如下:

式中:rRMi为预测的土壤相对湿度。

3 预测模型的验证结果

贵州省烤烟大县思南县几乎每年都有伏旱,烤烟试验点思南站2007年8月8日所测的土壤相对湿度为70%,且接下来的10d无有效降水。已知P=0.40,Kc=0.85,θFC=0.37,θWP=0.14,ZR=0.04m,ρ=1.415g/cm3,初始相对湿度RM=70%,WRAW=53.4mm,WTAW=133.3mm,Dr=40.0mm,参考作物蒸散量等数据为利用2007年的实际观测的气象数据通过彭曼-蒙特斯计算而得(气象要素值见表1),根据预测模型(式(12)(13))进行10次迭代获得未来10d的逐日土壤根区耗水(Dr)、土壤水分修正系数Ks以及土壤相对湿度,见表2。

表1 2007年8月9—18日各气象要素值

从表1中可知在无有效降水以及烤烟成熟期P值取0.40的情况下,土壤相对湿度实际观测值的变化趋势与模型预测值的变化趋势是一致的,而且预测值与观测值比较吻合,且能反映出在未来第7天结束时Dr,i,终(53.9mm)＞WRAW,土壤供水系数Ks从第8天开始小于1,土壤出现了轻微的干旱,此时的土壤相对湿度计算值为57%,与用此指标来判断烟地的旱情结果是一致的[15]。

4 结 语

在充分考虑烤烟、土壤以及大气相互影响的条件下,根据水分平衡原理构建了适合贵州烤烟种植区土壤水分的简化预测模型。该模型简单,预测效果较好,可以在实际应用中推广使用。烤烟干旱预测模型的研究将会对贵州省烤烟实时灌溉预报与决策专家系统[16]提供数据支撑作用,从而对减轻贵州省烤烟干旱气象灾害影响、提高烟叶的产量和品质起到较好促进作用。

表2 利用水量平衡预测未来10d烤烟根区土壤水分

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