貴州省植煙土壤干旱預測模型初步研究

胡家敏,李繼新,陳中云,代麗丹,王 宇

(1.貴州省山地氣候與資源重點實驗室,貴州貴陽 550002;2.貴州省煙草科學研究所,貴州貴陽550002;3.河海大學水利水電學院,江蘇南京 210098)

煙草是我國重要的經濟作物和嗜好性作物,也是貴州省主要的經濟作物及財政收入來源。貴州省由于特有的地理環(huán)境,造成了復雜多樣的氣候類型,降水充沛,但時間和空間分布嚴重不均,容易出現季節(jié)性的干旱(春旱、夏旱)[1]。據研究,干旱是影響貴州省烤煙產量和品質的最主要的氣象災害之一[2-5]。因此,研究煙地水分預測模型,對煙草的水分管理和提高產量及品質具有重要意義。

國內外對干旱的研究和業(yè)務應用多集中在干旱的監(jiān)測和監(jiān)測預警上,而且多采用單一的指標進行監(jiān)測,例如降水量、連續(xù)無雨日數、降水距平百分數、SPI指數、帕墨爾干旱指數指標、土壤相對濕度指標等等[6-7],而客觀上生產部門對土壤水分未來的發(fā)展結果以及何時需要灌溉是最為關心的。近年來,國內也陸續(xù)開展了干旱預測預警的研究和業(yè)務,如劉榮花等[8]利用中長期預報結果對常年平均氣象要素的修正、水量平衡原理等實現對未來時段的土壤相對濕度的預測,馬曉群等[9]利用累積濕潤度指數Mi進行旱澇的預測預警。然而筆者認為這些研究仍然沒有完全將作物放在一個系統(tǒng)內進行綜合考慮,對土壤也只是考慮了其水文物理特性,沒有考慮到天氣、土壤對作物水分利用的影響。針對此,筆者不但考慮了氣候條件對烤煙作物需水的影響,同時也考慮了土壤對烤煙的影響。

1 資料與方法

氣象資料由貴州省氣候中心提供,包括逐日的日最高氣溫、日最低氣溫、空氣平均水汽壓、日照時數、風速等。

1.1 參考作物蒸散量的計算方法

參考作物蒸散量的計算模型是作物需水量研究中最重要的內容[10],也是土壤水分預測模型中的重點,參考作物蒸散量從熱力學和動力學角度考慮了各種氣候因子對作物需水量的影響,其本質是一種氣候因子的函數,表明了大氣蒸發(fā)能力的大小,彭曼-蒙特斯公式是目前公認的主要用于計算參考作物蒸散量的公式[11]:

式中:Rn為凈輻射;Rns為凈短波輻射;Rnl為凈長波輻射;G為土壤熱通量,相對凈輻射而言很小,本研究以日為步長,根據FAO—56的規(guī)定取G≈0;γ為干濕常數;T為日平均氣溫;U2為離地面2m高處的風速;es為飽和水汽壓;ea為實際水汽壓;Δ為飽和水汽壓曲線斜率;Rs0為晴天輻射;σ為波爾茲曼常數,σ=4.903×10-9MJ·-4m-2·d-1;Tmax,k為日最高氣溫;Tmin,k為日最低氣溫;n為日照時數;N為可照時數。

凈輻射的計算關鍵是確定經驗系數,筆者采用王懿賢的經驗系數來計算短波輻射和長波輻射,其結果符合我國實際狀況,應用較為廣泛[12-13]。

1.2 烤煙實際蒸散量的計算方法

實際蒸散量是烤煙需水量研究中最重要的研究內容,其值與潛在蒸散及不同的作物有關,也是土壤水分預測模型中的重點。在土壤能夠完全供水的條件下,單作物的實際蒸散量計算公式如下:

Kc的取值隨著作物生育期的變化而不同,其僅僅與作物及生育期有關[11]。FAO—56推薦采用分段單值平均法確定作物系數,即把全生育期的作物系數變化過程概化為4個階段,并分別采用3個作物系數值Kcini,Kcmid和Kcend表示。河南農業(yè)大學的何建[14]利用實驗方法測出烤煙3個不同生育期的作物系數分別為0.93,1.13,0.54。

當土壤不能完全供水時,作物實際蒸散量的計算是通過式(5)再耦合土壤水分修正系數Ks進行修正。Ks反映土壤的供水能力,其計算公式為

2 植煙土壤水分的預測模型

2.1 土壤有效水分及烤煙根區(qū)有效水分

土壤有效水分(WTAW)指作物可以利用的土壤水分,可以用下式來計算:

式中:WTAW為根區(qū)土壤有效含水量,mm;ρ為根層土壤平均密度,g/cm3;θFC為田間持水量,%;θWP為凋萎含水率,%;ZR為作物根區(qū)深度,cm。

煙田中土壤的有效水分并不是完全都能被煙株利用,當土壤水分足夠的時候,能夠滿足煙株的需求,作物吸收的水分就等于ETc。隨著土壤水分的下降,下降到某個閾值時煙株吸收水分開始變得越來越困難。煙株不受水分脅迫作用時所消耗的水分定義為煙株的適宜水分(WRAW),其大小可用下式表示:

P值的大小可以反映煙株對土壤有效水分的吸收能力,即反映煙株的生物學特性,而且P值也隨著大氣蒸發(fā)力的增大而減小,即土壤蒸發(fā)能力增大時用于煙株生長發(fā)育的適宜水分減少。

2.2 植煙土壤水分的預測模型

根區(qū)的土壤水分被作物消耗的部分定義為根區(qū)耗水(Dr),假定在土壤水分處于田間持水量的時候Dr記為0,隨著煙株蒸散消耗Dr增大。烤煙根系的耗水與根區(qū)的土壤供水能力有關,土壤的供水能力反映了土壤在2種不同狀態(tài)下可用土壤水分的比值大小,分子是實際的土壤可用水分(土壤有效水分與根區(qū)耗水之差),分母是煙株根系不受水分脅迫時的土壤可用水分(土壤有效水分與煙株適宜水分之差)。當Dr≤WRAW,則Ks記為1;當Dr＞WRAW時就會產生水分脅迫作用,此時Ks就會小于1。Ks的表達式為

計算Dr需要用到煙株根區(qū)的土壤水量平衡法:

式中:Dr,i為計算日根區(qū)土壤耗水量;Dr,i-1為計算日前一天的根區(qū)土壤耗水量;Pi為日降雨量;qROi為徑流量;Ii為日灌溉量;qCRi為毛管上升水量;ETc,i為煙株每日蒸散量;qDPi為作物根區(qū)滲漏量,在地下水位的深度大于1m時,qCRi=0,當根區(qū)土壤水分在田間持水量以下時qDPi=0。

如果沒有降水,也沒有灌溉的情況下,則可以把Dr的計算公式簡化為

根據煙株根區(qū)水量平衡原理可得出簡化的土壤相對濕度的預測模型如下:

式中:rRMi為預測的土壤相對濕度。

3 預測模型的驗證結果

貴州省烤煙大縣思南縣幾乎每年都有伏旱,烤煙試驗點思南站2007年8月8日所測的土壤相對濕度為70%,且接下來的10d無有效降水。已知P=0.40,Kc=0.85,θFC=0.37,θWP=0.14,ZR=0.04m,ρ=1.415g/cm3,初始相對濕度RM=70%,WRAW=53.4mm,WTAW=133.3mm,Dr=40.0mm,參考作物蒸散量等數據為利用2007年的實際觀測的氣象數據通過彭曼-蒙特斯計算而得(氣象要素值見表1),根據預測模型(式(12)(13))進行10次迭代獲得未來10d的逐日土壤根區(qū)耗水(Dr)、土壤水分修正系數Ks以及土壤相對濕度,見表2。

表1 2007年8月9—18日各氣象要素值

從表1中可知在無有效降水以及烤煙成熟期P值取0.40的情況下,土壤相對濕度實際觀測值的變化趨勢與模型預測值的變化趨勢是一致的,而且預測值與觀測值比較吻合,且能反映出在未來第7天結束時Dr,i,終(53.9mm)＞WRAW,土壤供水系數Ks從第8天開始小于1,土壤出現了輕微的干旱,此時的土壤相對濕度計算值為57%,與用此指標來判斷煙地的旱情結果是一致的[15]。

4 結 語

在充分考慮烤煙、土壤以及大氣相互影響的條件下,根據水分平衡原理構建了適合貴州烤煙種植區(qū)土壤水分的簡化預測模型。該模型簡單,預測效果較好,可以在實際應用中推廣使用。烤煙干旱預測模型的研究將會對貴州省烤煙實時灌溉預報與決策專家系統(tǒng)[16]提供數據支撐作用,從而對減輕貴州省烤煙干旱氣象災害影響、提高煙葉的產量和品質起到較好促進作用。

表2 利用水量平衡預測未來10d烤煙根區(qū)土壤水分

:

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