華北平原地區(qū)土壤蒸散發(fā)計算模型研究(四)
2.1.2植物散發(fā)系數(shù)(R)的確定
在有作物生長的農(nóng)田里,水分一方面通過土壤表面蒸發(fā),另一方面通過土壤中的根系吸收到作物體內(nèi),然后由作物葉面的氣孔輸送到大氣中,實現(xiàn)作物與大氣間的水分交換。各作物在不同的發(fā)育期,根系對土壤水分的吸收能力不同。假設(shè)作物發(fā)育期生理因素用散發(fā)系數(shù)R表示,通過對兩臺相同土壤蒸發(fā)器不同處理條件下(一個種作物、一個裸地)蒸散量的分析,得到種冬小麥、夏玉米等作物本地區(qū)散發(fā)系數(shù)R與美國人布蘭??死锏聽栍嬎愕母珊蛋敫珊档貐^(qū)的蒸散能力而引入的反映生長階段對蒸散的影響的改正系數(shù)趨勢一致。
2.2土壤因素(W)的確定
土壤水分的蒸散是通過土壤表面和植被表面進行的。在蒸散過程中,表層以下的水分以毛管水的形式向上運動,運動的速度和土壤的有效含水量有一定的關(guān)系。土壤中水量的多少是蒸散發(fā)生的內(nèi)因。對衡水實驗站的實測資料進行分析表明,直到土壤含水量減少到比田間持水量低到某一數(shù)值時實際蒸散量等于蒸散能力,當土壤含水量或有效水分繼續(xù)減少時,土壤逐漸變干,土壤蒸散量迅速變小?!?
當相對有效水分(W-WP)/(Wk-Wp)小于65%時,Et/Em與相對有效水分的關(guān)系接近線性。當相對有效水分大于65%時,Et=Em.
用數(shù)學式子表示:
?。╓-WP)/(Wk-Wp)≥65%時,Et=Em
?。╓-WP)/(Wk-Wp)<65%時,Et<Em
并且 Et= Em.(W-WP)/(Wk-Wp)(6)
式中:W―土層含水量(mm);
Wp―――蒸散等于零,即土壤水分不能供蒸散時的土層水量(mm)
Wk―田間持水量(mm)
因此W-Wp―為土層的有效含水量,而Wk-Wp為土層的有效水分總量。假設(shè)在下水位較深,土壤上層與深層水分交換可忽略不計。由于土壤含水量和凋萎點是隨深度而變化的,如分層計算,蒸發(fā)量可由土層的水分變化來表示,設(shè)Wk-Wp=b則
式中―土壤層次;Z0―土層深度;如Z0=1.0米,則
即1.0米深土層中的有效水分,在無外界附加水分(如無降水)時土壤含水量隨時間呈單調(diào)下降變化,若Em為時間t內(nèi)的可能蒸散發(fā)量,則由式得:
式是一個線性微分方程,對它兩邊積分后可得時間間隔t內(nèi)的蒸散量Et為:
式中、為時段t開始和結(jié)束時1.0米深土層的儲水量,如果時段t內(nèi)有附加降水(如在第n日有降水P),且降水后土壤含水量未達到臨界含水量,時段t內(nèi)的蒸發(fā)量Et為: 即增加了一個附加的蒸發(fā)項。
如果時段t內(nèi)有附加降水(如在第n日有降水P),且降水后土壤含水量超過臨界含水量,時段t內(nèi)的蒸發(fā)量Et為:
如時段內(nèi)有兩次以上降雨,可根據(jù)上述原理,按計算模型得出蒸散量。
在實際蒸散量的計算中,由于土壤性質(zhì)和作物種類及發(fā)育期的不同,臨界含水量Wk有一個變動的范圍。為了確定比較可靠的Wk值,在不同的作物及同一作物的不同發(fā)育期,在已知土壤為不夠濕潤的情況下,利用土壤蒸發(fā)器實測的蒸散量反求臨界含水量Wk.由上式得:
其中與生物學上的凋萎點的觀念有些不同,因為當土壤含水率低于生物凋萎點而高于最大吸濕度時,仍有明顯的蒸散發(fā)生。參考土壤濕度觀測資料取Wp最大吸收濕度=穩(wěn)定凋萎點/1.34,計算中取Wp=42mm.通過反求發(fā)現(xiàn):作物在不同的發(fā)育階段臨界含水量Wk有明顯的規(guī)律變化。如冬小麥在播種到返青臨界含水量與裸地基本相同,平均值為300mm,在拔節(jié)后迅速減小到230mm,至灌漿達到最小值180mm,主要發(fā)育期臨界含水量平均為了220mm.在土壤蒸散條件下,當土壤水分低于田間持水量時,土壤中的懸著水將隨著土壤表層水分的減少向上運動,這種從深層向土壤表層的水分補充是比較緩慢的,使蒸散受到一定的限制。在有作物生長的土壤中,作物根系散布在較深的土層中,當土壤表層因蒸發(fā)而使水分減少時,由于深層土壤水分變化較小,對作物根系的吸收無明顯影響,相應(yīng)的臨界含水量必然低于裸土和作物小苗期的臨界含水量。模型計算中取5月~9月的Wk=220mm,其它月份Wk=300mm.
3 、模型的檢驗
用上述方法計算的土壤蒸散量其結(jié)果和實測值比較,除個別點(由于土壤蒸發(fā)器維修、土柱換土造成土柱含水率分布與自然狀況不一致,蒸散量受影響)相差較大外,總的變化趨勢是一致的。以1986和1987年為例,月均值相差小于10%的點占55%;月均值相差小于20%的點占80%以上,年蒸散量差值均在10%以內(nèi)。表明該模型能達到一定的精度。
綜合上述分析,本模型把“土壤―大氣―植物”三個系統(tǒng)聯(lián)系起來,幾乎考慮了影響作物蒸散量的所有因素,而這些因素又都不難從現(xiàn)有氣象臺站日常觀測資料中得到,為實際應(yīng)用提供了便利條件。
結(jié)語:
?。?)計算機的普及為模型的數(shù)學計算創(chuàng)造了廣闊的前景,可以在短時間內(nèi)計算出任一時段的土壤實際蒸散量,進而推算土壤的水分狀況。而這些是土壤墑情預報和水資源調(diào)度急需解決的問題。依據(jù)蒸散模型建立一個蒸散和土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)對水資源極度饋乏的河北省尤其必要。
?。?)土壤蒸散涉及到多個學科,模型的準確性、可靠性還要在以后的實際運用中進一步檢驗。
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