果園水分傳輸機(jī)制與耗水規(guī)律研究開題報(bào)告

PAGEPAGE18果園水分傳輸機(jī)制與耗水規(guī)律研究果園水分傳輸機(jī)制與耗水規(guī)律研究1研究目的與意義隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，對(duì)水果的需求量會(huì)愈來愈大，并且對(duì)水果的品質(zhì)要求也越來越高。蘋果、梨和桃等主要果樹種植面積在我國(guó)發(fā)展較快，2002年全國(guó)果業(yè)學(xué)術(shù)研討會(huì)的資料表明，中國(guó)目前的水果種植面積為840萬公頃，約占我國(guó)農(nóng)業(yè)耕地面積的6.8%，占世界果樹總面積的21%左右；水果年總產(chǎn)量達(dá)5900多萬噸，占世界果品總產(chǎn)量的13.4%，這兩項(xiàng)指標(biāo)都已躍居世界第一。目前在我國(guó)許多干旱缺水的貧困落后地區(qū)，水果生產(chǎn)已成為當(dāng)?shù)孛撠毢徒?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)。如2002年陜西省蘋果的種植面積約53.4萬公頃，已占全省總耕地面積535萬公頃的1/10，直接產(chǎn)值已超60億元，蘋果收入已占水果產(chǎn)區(qū)農(nóng)民收入的1/3以上，其主產(chǎn)縣蘋果稅收在財(cái)政中所占份額很大，有些縣已達(dá)一半以上，已成為陜西省農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的龍頭和突破口之一。雖然中國(guó)人均79平方米的果樹面積，已接近83平方米的世界人均水平，但由于中國(guó)果樹平均單產(chǎn)僅為世界平均值的66%，所以中國(guó)目前人均果品擁有量(47公斤)遠(yuǎn)低于世界人均75公斤的擁有量。這項(xiàng)指標(biāo)表明中國(guó)果樹增產(chǎn)的潛力仍有很大的發(fā)展空間。是什么原因造成單產(chǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平的呢？主要是由于管理措施不當(dāng)和水旱災(zāi)害造成的。從我國(guó)優(yōu)質(zhì)蘋果的分布來看，品質(zhì)較好的主要分布在年降水量在500mm以下的干旱半干旱地區(qū)，因此，灌溉是這些果區(qū)避免蘋果生育期遭受水分脅迫對(duì)其正常生長(zhǎng)行為的損害和保證水果大小均一、提高優(yōu)質(zhì)果品率的關(guān)鍵措施。面對(duì)該類區(qū)域水資源極缺、地形條件復(fù)雜、灌溉水價(jià)較高的實(shí)際，果園水分高效利用的研究將是未來節(jié)水農(nóng)業(yè)研究的重要內(nèi)容。另外中國(guó)即將加入世貿(mào)組織，為了使我國(guó)水果在國(guó)際上占據(jù)更為廣闊的市場(chǎng)，就必須降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)量和品質(zhì)。水量不足是我國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)良性運(yùn)轉(zhuǎn)和農(nóng)作物產(chǎn)量提高的主要限制因素。黃土高原是優(yōu)質(zhì)蘋果生產(chǎn)基地，但干旱缺水問題非常突出，在該地區(qū)研究果樹節(jié)水灌溉機(jī)理和灌溉制度，對(duì)于科學(xué)利用當(dāng)?shù)赝ㄟ^人工措施集蓄的雨水（窯窖蓄水等）或通過高揚(yáng)程提取的水，發(fā)展補(bǔ)充灌溉抗御干旱，實(shí)現(xiàn)以水促產(chǎn)和以水促優(yōu)質(zhì)，使當(dāng)?shù)剞r(nóng)村脫貧致富和生態(tài)環(huán)境改善，更具有重要的意義。由于果樹根系發(fā)達(dá)，產(chǎn)量高和生物量大，其強(qiáng)烈的蒸騰耗水作用比一般農(nóng)作物都要高，農(nóng)田大面積改種果樹，勢(shì)必加劇果樹生長(zhǎng)的水分供需矛盾；另外對(duì)果園的平整、深翻和精細(xì)護(hù)理，又將改變下墊面狀況，影響降雨入滲—產(chǎn)流關(guān)系，有可能改變?cè)摰貐^(qū)的水分循環(huán)。探討果樹種植面積擴(kuò)大和果樹生產(chǎn)力水平提高條件下的果園水分運(yùn)動(dòng)，對(duì)指導(dǎo)該區(qū)合理利用水資源、加強(qiáng)水分管理和有限水資源條件下果樹發(fā)展的合理布局，以及最終確保果業(yè)健康持續(xù)發(fā)展有一定的實(shí)際意義。因此，干旱條件下果樹水分傳輸機(jī)理及耗水規(guī)律的研究是一個(gè)具有重要的科學(xué)意義和重大應(yīng)用前景的研究課題，它可以滿足如下需求：評(píng)價(jià)農(nóng)村結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)區(qū)域水資源分配影響的需要例如在黃土高原區(qū)擴(kuò)大果樹的栽種面積勢(shì)必改變區(qū)域的灌溉用水量和蒸發(fā)蒸騰等區(qū)域水循環(huán)要素，如何定量評(píng)價(jià)黃土高原區(qū)擴(kuò)大果樹的栽種面積對(duì)黃河流域水資源分配的影響，必須從果園水分運(yùn)動(dòng)機(jī)制和定量描述運(yùn)動(dòng)過程入手，建立果園水分運(yùn)動(dòng)模式并計(jì)算水分收支情況，從而準(zhǔn)確地回答該地區(qū)擴(kuò)大果樹的栽種面積后對(duì)該地區(qū)區(qū)域水資源分配的影響程度。果園灌溉和生產(chǎn)管理決策的需要果樹要實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量、高品質(zhì)、高利潤(rùn)的“三高”生產(chǎn)，需要在果樹生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)階段，根據(jù)植株水分生理需求，適時(shí)供應(yīng)適量的水分，以促成水分在果園土壤-植物-大氣系統(tǒng)中良性循環(huán)。果園水分運(yùn)動(dòng)機(jī)制及以此為基礎(chǔ)建立的模型，是果園灌溉決策專家系統(tǒng)和果園生產(chǎn)管理專家系統(tǒng)的核心模塊。因此，研究果園水分運(yùn)動(dòng)模型，并以此為依據(jù)優(yōu)化調(diào)控果園水分循環(huán)，使果樹達(dá)到“三高”生產(chǎn)，是非常必要的。充實(shí)土壤-植物-大氣水分傳輸模式（SPAC）的研究?jī)?nèi)容近年來，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)農(nóng)田作物土—植系統(tǒng)和森林土—植系統(tǒng)水分傳輸理論已經(jīng)做了大量而又系統(tǒng)的研究，而介于二者之間過渡的果園土—植系統(tǒng)水分運(yùn)動(dòng)理論還缺乏系統(tǒng)深入的研究。因此，如果開展這方面系統(tǒng)的研究必將充實(shí)土壤—植物—大氣水分傳輸過程的研究?jī)?nèi)容。國(guó)際研究趨勢(shì)表明土壤-植物-大氣系統(tǒng)的物質(zhì)（水、氣和溶質(zhì)）循環(huán)及能量轉(zhuǎn)化過程的機(jī)制與模擬研究將是今后的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域隨著高速、大容量計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使過去純粹的數(shù)值仿真模擬變?yōu)橐曈X可感官到的動(dòng)感過程模擬。近幾年來國(guó)外研究者（JeanDauzat,etal2001,CyrilSoler,etal2003）利用可視化語言、高級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和圖像學(xué)中高級(jí)建模技術(shù)（L-系統(tǒng)、AMAP系統(tǒng)等）結(jié)合起來嘗試性地虛擬了植物-大氣系統(tǒng)中蒸騰、光合作用、太陽輻射能量的截獲與分配過程，結(jié)果與實(shí)際過程非常吻合。如果植物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境變化響應(yīng)的可視化一旦完全實(shí)現(xiàn)，那么許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)就可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，將不必耗費(fèi)大量的人力和物力去做煩瑣的實(shí)驗(yàn)，而且所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確合理。2國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展2.1土壤-植物-大氣系統(tǒng)（SPAC）水分傳輸機(jī)制及模擬研究進(jìn)展利用系統(tǒng)的、動(dòng)態(tài)的、連續(xù)的觀點(diǎn)研究和模擬果園土壤-植物-大氣系統(tǒng)水分傳輸過程，國(guó)內(nèi)外尚未系統(tǒng)深入地進(jìn)行，因此進(jìn)行該方面的研究可以直接借鑒的文獻(xiàn)也較少。但是，國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)田土壤-植物-大氣系統(tǒng)水分傳輸機(jī)制及模擬的研究非常系統(tǒng)深入，很值得借鑒，故有必要對(duì)土壤-植物-大氣系統(tǒng)（SPAC）水分傳輸機(jī)制及模擬研究進(jìn)行回顧和分析，找出將在研究中可以借鑒和需要改進(jìn)的地方。自1966年P(guān)hilip提出較完整的SPAC的概念以來，國(guó)內(nèi)外研究者把土壤-植物-大氣系統(tǒng)當(dāng)作一個(gè)連續(xù)、動(dòng)態(tài)的復(fù)雜反饋系統(tǒng)進(jìn)行廣泛深入的研究，并取得了重大突破。譚孝源（1983）首次在國(guó)內(nèi)提出了SPAC水分傳輸?shù)碾娔M程式以及流經(jīng)SPAC水分通量的數(shù)學(xué)模型。SPAC理論的引入，引起國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界的廣泛探討，并深入研究。邵明安等（1987）曾對(duì)植物根系吸收土壤水分進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬，雖然采用了較為復(fù)雜的根系吸水函數(shù)，但是仍側(cè)重于土-根系統(tǒng)，而且包含較為復(fù)雜難測(cè)的參數(shù)，應(yīng)用起來有困難。姚建文（1989）曾對(duì)冬小麥、玉米生長(zhǎng)條件下土壤含水量預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，但是模型仍然只是側(cè)重于根-土系統(tǒng)?？到B忠（1987-2001）曾從整體上與相互反饋關(guān)系上，同時(shí)引入作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)（主要參數(shù)為根系生長(zhǎng)深度、密度和葉面積動(dòng)態(tài)指數(shù)），系統(tǒng)地建立了SPAC水分動(dòng)態(tài)的計(jì)算仿真模型，經(jīng)過幾年的大田中的實(shí)際應(yīng)用，取得了滿意的效果，該模型在已知天氣條件（如氣溫、風(fēng)速、輻射、溫度、日照等）、土壤含水量的初始剖面和一定的邊界條件下不僅能預(yù)測(cè)土壤含水量（或土壤基質(zhì)勢(shì)）的時(shí)空分布，而且還能預(yù)測(cè)作物蒸騰、棵間蒸發(fā)、根系吸水和葉水勢(shì)的變化規(guī)律，為農(nóng)田灌溉預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)。這是我國(guó)現(xiàn)在唯一一個(gè)系統(tǒng)和完整的SPAC水分動(dòng)態(tài)模型。盧振民（1992）根據(jù)詳細(xì)的田間實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)SPAC水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了細(xì)致的研究分析，建立了比較完整的SPAC水流運(yùn)動(dòng)模型。該模型對(duì)SPAC水流運(yùn)動(dòng)的影響，既考慮了氣孔阻力的調(diào)節(jié)作用以及土壤溫度對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響，又可用一般的氣候資料和土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)預(yù)測(cè)土壤水分動(dòng)態(tài)和作物體內(nèi)的水分運(yùn)動(dòng)。黃冠華等（1995）以由能量平衡原理及邊界層水汽擴(kuò)散理論而導(dǎo)出的Penman-Monteith公式為基礎(chǔ)，確立棵間潛在蒸發(fā)及潛在植株蒸騰的計(jì)算模式，建立以作物根量分布為基礎(chǔ)的根系吸水模型，結(jié)合10d實(shí)測(cè)資料，導(dǎo)出了棵間實(shí)際蒸發(fā)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑧?yīng)用上述經(jīng)驗(yàn)與半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，結(jié)合非飽和土壤水分運(yùn)移方程，對(duì)田間土壤水分動(dòng)態(tài)進(jìn)行了模擬與預(yù)測(cè)，其結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果擬合較好。根據(jù)作物冠層覆蓋程度（葉面積指數(shù)大?。?，將潛在蒸騰與棵間潛在蒸發(fā)分開，并結(jié)合實(shí)例資料可建立相應(yīng)的作物根系吸水、植株蒸騰及棵間蒸發(fā)的經(jīng)驗(yàn)公式。這些計(jì)算模式較充分地反映了土壤一植物一大氣系統(tǒng)諸因素相互作用機(jī)制。它們不僅在一定程度上反映了蒸發(fā)與蒸騰的微觀機(jī)理；而且又只需常規(guī)可測(cè)定資料，通過實(shí)測(cè)資料的模擬分析，其精度尚可。姚德良（1996）根據(jù)Philip與Vries提出的土壤中水熱交換的耦合理論、建立了植物固沙區(qū)土壤水熱運(yùn)移的耦合模型，考慮了液態(tài)水和汽態(tài)水運(yùn)移對(duì)溫度的變化，分析了植物根系收水分對(duì)土壤水熱交換的影響，給出了植物蒸騰量、土壤蒸發(fā)量、根系吸水率及土壤表面熱通量等有關(guān)變量的計(jì)算公式。利用本模式并采用具有二階精度的Crank-Nicolson格式對(duì)非線形擴(kuò)散方程進(jìn)行離散，對(duì)沙坡頭植物固沙區(qū)土壤水熱交換過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)值進(jìn)行了比較，總體上符合較好，證明本模型具有實(shí)用價(jià)值，可為改造沙模提供科學(xué)依據(jù)。但是建立的植物固沙區(qū)土壤水熱運(yùn)移耦合模型只適合于模擬植物固沙區(qū)水熱運(yùn)移規(guī)律和用來指導(dǎo)防護(hù)林的建設(shè)、改造沙漠合理利用水資源。劉偉等（1997）從連續(xù)介質(zhì)流體力學(xué)的觀點(diǎn)，采用局部體積平均方法，建立了一個(gè)描述作物覆蓋條件下土壤熱濕遷移過程的二維數(shù)學(xué)模型，以能量平衡原理及土壤層水汽擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)，建立了根系吸水吸熱、作物蒸騰和土面蒸發(fā)模型，兩者結(jié)合適用于求解HIPAS系統(tǒng)中熱濕傳輸問題。沈榮開等（1997）定量分析了夏玉米不同麥秸覆蓋條件下土壤水熱動(dòng)態(tài)的田間試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)Philip和deVries的土壤水熱流動(dòng)理論，采用貯量集中有限元法建立了夏玉米生長(zhǎng)初期，麥秸覆蓋條件下土壤水熱遷移的耦合數(shù)值模型，根據(jù)氣象觀測(cè)資料確定上邊界條件，其水流及熱流的上邊界分別為Neumann和Dirichlet條件，在此基礎(chǔ)上，對(duì)覆蓋定額400kg/畝的夏玉米生長(zhǎng)初期田間非均質(zhì)土層的水熱動(dòng)態(tài)進(jìn)行了模擬，表明該模型有效，可用于生長(zhǎng)前期麥秸全覆蓋下田間土壤水熱動(dòng)態(tài)的仿真。毛曉敏等（1998）應(yīng)用土壤水動(dòng)力學(xué)、微氣象學(xué)和能量平衡原理，對(duì)已往的模型進(jìn)行了改進(jìn)并建立了能夠描述作物生長(zhǎng)期田間水熱狀況、作物蒸騰規(guī)律的動(dòng)態(tài)耦合模型，還采用全隱式有限差分方法進(jìn)行離散，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)計(jì)算步長(zhǎng)和反復(fù)迭代等方法設(shè)計(jì)了數(shù)值模擬程序，使其在算法上和資料的選取上更適合于作物生育期長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)值模擬。運(yùn)用本模型對(duì)新疆葉爾羌河流域地下水均衡場(chǎng)1995年3月-6月冬小麥返青至成熟期的田間水熱狀況進(jìn)行了模擬，結(jié)果證明，該模型較真實(shí)地反映了非凍結(jié)期作物生長(zhǎng)過程中土壤中的水熱狀況以及地表和作物蒸散發(fā)的動(dòng)態(tài)變化過程，可用于墑情預(yù)報(bào)以及農(nóng)田蒸散發(fā)研究中，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)期的田間數(shù)值模擬困難較大。吳洪顏等（2001）根據(jù)能量平衡方程和土壤水熱耦合方程，建立了土壤-植物-大氣系統(tǒng)的多層模式，再綜合考慮作物冠層和土壤內(nèi)部的水流變化，對(duì)地表與作物之間的水熱傳輸過程進(jìn)行了描述，并用在棉田的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行了模擬。朱永華等（2001）通過對(duì)生長(zhǎng)了3年生的荒漠植物駱駝刺的根系分布規(guī)律及不同深度土壤含水量分布資料的研究，利用動(dòng)態(tài)模擬方程，分析了駱駝刺根系吸水的分布規(guī)律以及根系吸水與其影響因素之間的關(guān)系。用多元回歸分析方法擬合了駱駝刺根系吸水的數(shù)學(xué)模型，并建立了植物生長(zhǎng)條件下荒漠土壤水分預(yù)報(bào)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)實(shí)驗(yàn)地的土壤水分動(dòng)態(tài)進(jìn)行了模擬，模擬值與實(shí)測(cè)值比較表明結(jié)果具有一定的精度。國(guó)外Nimah和Hanks（1973）在根區(qū)土壤水分運(yùn)動(dòng)方程右邊加入根系吸水項(xiàng)，該根系吸水項(xiàng)考慮了土壤溶質(zhì)的影響和根導(dǎo)管傳導(dǎo)水分的內(nèi)摩擦阻力，但參數(shù)不容易取得，不便于實(shí)際應(yīng)用。Lambert和PenningdeVries（1973）提出了TROIKA模型，NimahHanks（1973）提出了考慮非穩(wěn)定、非線形宏觀源匯項(xiàng)等的模型，F(xiàn)eddes（1974）對(duì)Nimah和Hanks模型進(jìn)行了改進(jìn)，提出了蒸散用結(jié)合方程、土壤蒸發(fā)根據(jù)輻射計(jì)算、根系吸水用根密度隨深度的指數(shù)分布函數(shù)的系統(tǒng)方法，Hansen（1975）考慮了光合作用、呼吸和作物生長(zhǎng)，提出了SPAC水流模型，F(xiàn)edderer（1979）考慮了土壤水勢(shì)和根系分布而建立的估算根系水分傳輸阻力的理論模型。石田朋靖和中野政詩(shī)（1981）以VandenHonert假定為基礎(chǔ)考慮根系吸水項(xiàng)，模擬SPAC水分傳輸動(dòng)態(tài)，但是他們的研究?jī)H限于容積很小的人工土柱。M.G.Huck和D.Hillel（1983）曾提出了一個(gè)考慮光合、呼吸、蒸騰和土壤水動(dòng)力學(xué)特性的根系生長(zhǎng)和水分吸收的模型，并連續(xù)系統(tǒng)仿真語言中的CSMP語言計(jì)算，取得較滿意的結(jié)果。R.Horton（1989）對(duì)冠層覆蓋條件下的水熱耦合運(yùn)移進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，但主要側(cè)重于土壤系統(tǒng)。VandeGriend與VanBoxel（1989）對(duì)SPAC水熱轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行了研究，但是側(cè)重于土壤表面之上的水熱收支、傳輸和轉(zhuǎn)換關(guān)系的模擬。美國(guó)西北地區(qū)流域研究中心Flerchinger（1996）等人開發(fā)了SPAC系統(tǒng)的水熱耦合模型SHAW2.3.5，可以同時(shí)模擬從植物冠層、雪、落葉到土壤的水熱運(yùn)動(dòng)來預(yù)測(cè)氣候和管理對(duì)土壤凍融、雪融化、徑流、土壤溫度、水、蒸發(fā)、蒸騰的影響。該模型模擬的一維垂向剖面是從植物冠層到指定深度的土壤。該系統(tǒng)同時(shí)整合了土壤水凍融模型、植物群體蒸騰模型、雪累積與融化模型，主要用來模擬從點(diǎn)到田間，再到流域尺度的以高山雪水為源頭的水文過程。如果以上模型都能充分考慮水分限制作用對(duì)植物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)的影響，并反映在植物根系吸水和蒸發(fā)蒸騰過程模擬中，其結(jié)果將會(huì)接近現(xiàn)實(shí)且更趨于合理。這也是這些模型不能精確進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)段（如全生育期）模擬的原因。國(guó)內(nèi)李保國(guó)等（2000）認(rèn)為以土壤水為中心、土壤-植物系統(tǒng)為主要研究對(duì)象的農(nóng)田水循環(huán)調(diào)控綜合模型是節(jié)水農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)研究的一個(gè)核心內(nèi)容，建立土壤水分運(yùn)動(dòng)的模型必須考慮作物的生長(zhǎng)，反之亦然；并且土壤水分運(yùn)動(dòng)模型與作物生長(zhǎng)模型必須在時(shí)間、空間進(jìn)行有效匹配與耦合，最終才可利用所建立的模型探討和解決農(nóng)田水分的運(yùn)行、消耗及利用等問題。據(jù)此建立了農(nóng)田土壤水分和作物生長(zhǎng)的耦合模型，并開發(fā)了SWAF1.0農(nóng)田土壤水分計(jì)算模擬分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)行界面友好，功能強(qiáng)，可供從事節(jié)水農(nóng)業(yè)科技人員應(yīng)用，使更多的科技人員掌握最新農(nóng)田水分研究技術(shù)。但是該模型只適用于華北地區(qū)農(nóng)田作物-土壤系統(tǒng)水分運(yùn)動(dòng)的模擬。呂軍（1998）研究了浙江紅壤區(qū)水分條件對(duì)冬小麥生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)耦合模擬，討論和建立了土壤水分運(yùn)動(dòng)與作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)耦合模型，經(jīng)與試驗(yàn)結(jié)果比較，土壤水分運(yùn)動(dòng)和作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)耦合模型對(duì)冬小麥生長(zhǎng)過程模擬是可靠的，分析了模型中有關(guān)作物旱害和漬害耦合參數(shù)的靈敏性，應(yīng)用該模型對(duì)南方多雨地區(qū)冬小麥生長(zhǎng)進(jìn)行了分析。趙顏霞等（1997）以冬小麥為例，借鑒國(guó)內(nèi)外有關(guān)模式，從土壤—作物—大氣系統(tǒng)的水分循環(huán)出發(fā)通過模擬農(nóng)田水分的動(dòng)態(tài)變化過程，并結(jié)合作物的生物學(xué)特性和生長(zhǎng)模式，建立了作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量形成與環(huán)境水分條件相關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)模型，定量模擬作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)及其與田間水分動(dòng)態(tài)變化的相互影響關(guān)系。所建模式不僅能模擬出干物質(zhì)的生產(chǎn)和累積過程，還可以避免對(duì)一些復(fù)雜的作物生長(zhǎng)生理過程的模擬計(jì)算。最后，根據(jù)開花以后的水分脅迫情況和干物質(zhì)的形成量模擬出最終的籽粒產(chǎn)量。該模式既有一定的機(jī)理性，又對(duì)一些復(fù)雜的生理過程的模擬進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理的動(dòng)力—統(tǒng)計(jì)模式。利用3年的試驗(yàn)資料對(duì)模式做了驗(yàn)證，結(jié)果表明，總干物重、籽粒產(chǎn)量和土壤水分含量的模擬平均誤差分別為6.39%、5.60%和5.45%。對(duì)葉面積系數(shù)、干物質(zhì)積累的動(dòng)態(tài)變化的模擬效果也較好。主要發(fā)育期的模擬中，成熟期的模擬比開花期要好。通過參數(shù)靈敏度分析，得出在其它條件不變的情況下，溫度升高，冬小麥生育期縮短，產(chǎn)量下降。假定作物品種能適應(yīng)溫度的變化而保持生育期不變，則在目前的水分條件下，溫度升高1℃和2℃，產(chǎn)量將下降7%和16.1%；溫度降低1℃和2℃，產(chǎn)量可提高5.9%和5.2%。該模式可用于土壤水分預(yù)報(bào)、產(chǎn)量預(yù)測(cè)、氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)、作物水分利用及水資源的影響評(píng)價(jià)等方面，具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。土壤國(guó)外Johnson和Thornley（2000）建立了含有土壤水入滲、重分布、蒸發(fā)蒸騰、深層排水和地表徑流模塊的水分運(yùn)動(dòng)模型，同時(shí)還集成了作物生長(zhǎng)模型，利用可視化語言VisualC++和PowerBuild數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)開發(fā)了耦合模型的可視化應(yīng)用程序WaterMod3.0。該程序采用交互式、友好的界面，圖形顯示結(jié)果，文件形式輸入?yún)?shù)和輸出結(jié)果。但是該模型還存在許多需要完善的地方，如土壤水分運(yùn)動(dòng)和植物的生長(zhǎng)過程耦合模型不是在探清機(jī)制的基礎(chǔ)上建立的，而利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法建立的。瑞典JanssonPer-Erik和LouiseKarlberg（2001）等人開發(fā)了SPAC系統(tǒng)中物質(zhì)和能量耦合傳輸?shù)腃OUP模型，模型中用到兩個(gè)主要的物質(zhì)和能量耦合運(yùn)動(dòng)微分方程，同時(shí)采用顯式法求解方程。利用該模型能闡明許多SPAC系統(tǒng)中關(guān)于水文和能量過程的問題。能解決的基本理論和應(yīng)用問題主要包括：模擬土壤中調(diào)控因子對(duì)生物和化學(xué)過程的影響并揭示其定量關(guān)系，耦合模擬生物和非生物過程，耦合模擬大氣和土壤過程，評(píng)價(jià)物質(zhì)和能量過程影響因子的重要性，預(yù)測(cè)管理措施如覆蓋、排水、灌溉和植物修剪等對(duì)物質(zhì)和能量過程的影響。COUP模型有效地解釋了在土壤-作物-大氣循環(huán)系統(tǒng)交互作用中，不同的處理過程和特性。它可以不受空間和時(shí)間的限制，開拓對(duì)土壤-作物-大氣循環(huán)系統(tǒng)研究的認(rèn)識(shí)，是研究作物需水和耗水規(guī)律的有效工具?？傮w說來，這個(gè)模型有助于闡明系統(tǒng)中相互作用的不同過程和特性，但是還有必要檢驗(yàn)不同田間尺度應(yīng)用的準(zhǔn)確性。S?renHansen等（1998）設(shè)計(jì)了面向各種管理策略的土壤-植物-大氣系統(tǒng)模型Daisy，該模型能模擬農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)水熱平衡、溶質(zhì)平衡和作物生產(chǎn)。水量平衡模型由地表水量平衡和土壤水量平衡方程構(gòu)成，地表水量平衡包括雪積聚和融化、降水截獲、有效降水、作物冠層蒸發(fā)、入滲和地表徑流，土壤水分平衡包括土壤壤中水流、大孔隙流、植物根系吸水和深層排水。熱量平衡模型模擬土壤溫度和土壤凍融。溶質(zhì)平衡模型模擬溶質(zhì)的運(yùn)輸、吸收和運(yùn)轉(zhuǎn)過程。作物生長(zhǎng)模型模擬植物生長(zhǎng)和發(fā)育，包含干物質(zhì)的積累、氮在植物體內(nèi)各部分的積累、葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)和根系密度分布、植物物種之間的光、水和氮的競(jìng)爭(zhēng)模擬。該模型可以整合到分布式水文模型中，能很好地反映農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。澳大利亞科工組水土研究所，為了認(rèn)識(shí)和定量描述SPAC系統(tǒng)中的能量平衡和物質(zhì)循環(huán)的生物物理過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的相互作用，以達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)能量分配和物質(zhì)循環(huán)的模擬，開發(fā)出該系統(tǒng)中水分和能量相互作用動(dòng)力學(xué)過程的WAVES模型。該模型主要由三個(gè)部分組成：能量平衡亞模型、水量循環(huán)亞模型和碳素平衡亞模型，涉及到的生物、物理過程主要有太陽輻射能的分配、植物生長(zhǎng)和同化能的分配和轉(zhuǎn)化、降水入滲和再分布、植物吸收水分和水分蒸騰、蒸騰蒸發(fā)等。能量平衡亞模型是用Penman-Monteith大葉模型計(jì)算蒸騰蒸發(fā)量，空氣動(dòng)力學(xué)阻力視為常數(shù)，冠層阻力根據(jù)凈同化率、水氣壓差和CO2濃度來計(jì)算。碳平衡亞模型是根據(jù)最大凈同化速率考慮可獲得的光、水、營(yíng)養(yǎng)等因素計(jì)算日實(shí)際碳同化速率，并假設(shè)作物實(shí)際生長(zhǎng)速率與可獲得的資源水平。WAVES模型強(qiáng)調(diào)的是土壤水分運(yùn)動(dòng)物理和作物蒸騰的生物控制，可用來指導(dǎo)農(nóng)田水管理，提高水分利用效率。果園水分運(yùn)動(dòng)機(jī)制與模擬的研究進(jìn)展國(guó)內(nèi)劉川順等（1990）對(duì)柑桔樹生長(zhǎng)條件下土壤水分運(yùn)動(dòng)及耗散規(guī)律進(jìn)行了研究，主要采用考慮果樹生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)的動(dòng)態(tài)均衡法對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)和果樹耗水進(jìn)行實(shí)例演算。但是該模型只是從水量平衡的角度來模擬土壤水分運(yùn)動(dòng)，而未能真正的從土壤水分動(dòng)力學(xué)的角度來進(jìn)行，也沒有從整體上考慮果園水分動(dòng)態(tài)過程，故演算結(jié)果與實(shí)際情況相差較大。郝仲勇等（2000）通過對(duì)蘋果樹根系的詳細(xì)測(cè)定和研究，針對(duì)前人在作物根系吸水的研究中有爭(zhēng)議之處，以大田一般情況為基礎(chǔ)，提出了新的蘋果根系吸水函數(shù)，并建立了以新函數(shù)源匯項(xiàng)的SPAC系統(tǒng)模擬模型，經(jīng)田間試驗(yàn)檢驗(yàn)，模擬準(zhǔn)確、精度較高。但該模型只考慮定根系層深度和密度，沒有考慮水分充分條件下根系的生長(zhǎng)變化，更不用說考慮水分限制條件下根系深度和根系密度的動(dòng)態(tài)變化，故不能模擬較長(zhǎng)時(shí)段的土壤水分真實(shí)的動(dòng)態(tài)過程。2001年中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)與澳大利亞Tatura中心合作研究開發(fā)基于氣候和土壤信息的果樹物生理學(xué)和樹冠發(fā)育的計(jì)算機(jī)模擬模型，模擬模型將具有分析評(píng)價(jià)以下內(nèi)容的能力：1）果樹品種、樹冠結(jié)構(gòu)與產(chǎn)量的關(guān)系（樹體大小、形狀和間距，樹型及修剪系統(tǒng)）。2）不同土壤和氣候條件下的灌溉制度。3）根系分布和灌溉（如RDI、滴灌、漫灌）對(duì)耗水量、枝條生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響。4）咸水環(huán)境（如高地下水位、鹽水灌溉）對(duì)枝條生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響。5）排水、營(yíng)養(yǎng)淋洗和土壤酸化。以上述模型為基礎(chǔ)，開發(fā)果園土壤、灌溉、修剪和營(yíng)養(yǎng)管理專家系統(tǒng)，專家系統(tǒng)將能為用戶提供管理決策并進(jìn)行技術(shù)推廣和試驗(yàn)以檢驗(yàn)專家系統(tǒng)的適用性。但是該模型大多以數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立的，不能很好地反映實(shí)際，故模擬精度很難保證。1991年賓夕法尼亞州立大學(xué)農(nóng)學(xué)院牽頭、耗資35萬美元，組織了園藝、農(nóng)學(xué)、農(nóng)業(yè)工程等多個(gè)專業(yè)的人員聯(lián)合開發(fā)的可持續(xù)的果樹管理信息系統(tǒng)。雖然該模型集成了許多專家的意見，但是該系統(tǒng)不是從機(jī)理上建立的模擬決策模型，而是以數(shù)量統(tǒng)計(jì)方法建立的，導(dǎo)致該系統(tǒng)還存在不合理的地方。2.3土壤-植物-大氣系統(tǒng)（SPAC）水分傳輸監(jiān)測(cè)技術(shù)土壤-植物-大氣系統(tǒng)（SPAC）水分傳輸模擬中一個(gè)重要的任務(wù)就是確定模型所需的參數(shù)，參數(shù)的選取及其測(cè)定精度直接影響到模型應(yīng)用效果，因此有必要對(duì)模型可能所需參數(shù)測(cè)定技術(shù)進(jìn)行回顧，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的條件盡量選取最佳測(cè)定技術(shù)。2.3.1土壤水分運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)的測(cè)定技術(shù)土壤水分運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)包括土壤含水率、土壤水分常數(shù)、土壤水分特征曲線、飽和導(dǎo)水率和非飽和導(dǎo)水率、比水容、土壤水入滲特征參數(shù)、土壤水蒸發(fā)特征參數(shù)。土壤含水率測(cè)定方法有烘干法、TDR法、酒精燃燒法、中子儀法、張力計(jì)法等，其中TDR法為最優(yōu)秀的測(cè)定方法。時(shí)域反射儀（TDR）是80年代發(fā)展起來的快速測(cè)定土壤體積含水率的技術(shù)，它可以定點(diǎn)、定位、周期反復(fù)地測(cè)定土壤容積含水量的變化。它具有許多優(yōu)點(diǎn)，如無核輻射，與稱重法測(cè)定土壤含水率相比，它極其快速，與土壤類型沒有關(guān)系，又不大受溫度和壓力的影響，因此，它已成為土壤水分測(cè)定的一項(xiàng)重要的新技術(shù)。測(cè)定土壤水分特征曲線的方法很多，在高吸力范圍用壓力膜法或15bar壓力板裝置，在低吸力范圍可以用張力計(jì)法、多孔板漏斗法等。由于果樹根系較深，因此根系活動(dòng)區(qū)內(nèi)的土壤一般會(huì)存在分層現(xiàn)象，所以土壤水分特征曲線、土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)、田間持水量、凋萎系數(shù)等土壤參數(shù)應(yīng)分層進(jìn)行測(cè)定。土壤水分特征曲線的測(cè)定可采用壓力膜法、離心機(jī)法、田間土水勢(shì)結(jié)合含水率測(cè)定法等方法。非飽和土壤導(dǎo)水率和非飽和土壤水分?jǐn)U散率二者中只要知道任何一個(gè)，便可根據(jù)關(guān)系式確定另一個(gè)。為土壤水分特征曲線上斜率的倒數(shù)，稱比水容。非飽和土壤水分?jǐn)U散率可采用水平土柱法測(cè)定；非飽和土壤導(dǎo)水率可采用瞬時(shí)剖面法測(cè)定。田間持水量可采用容重環(huán)法、田間測(cè)定法等進(jìn)行測(cè)定。凋萎系數(shù)可采用植物生長(zhǎng)法、土壤吸力法等測(cè)定。根據(jù)近代土壤水勢(shì)研究，已確認(rèn)，凋萎系數(shù)相當(dāng)于土壤吸力為0.6Mpa時(shí)對(duì)應(yīng)的土壤含水量。因此，可采用壓力膜法等測(cè)定土壤水分特征曲線的方法測(cè)定凋萎系數(shù)。2.3.2植物根系吸水、植物體內(nèi)水分傳輸與葉面蒸騰測(cè)定技術(shù)根系吸水速率和植物莖桿水分傳輸（液流）速率可以采用同位素示蹤法、熱脈沖法、熱平衡法、熱擴(kuò)散法、染色法、核磁共振光譜法、磁流體動(dòng)力學(xué)法、激光脈沖法等方法測(cè)定。其中要數(shù)熱脈沖技術(shù)較為成熟，自動(dòng)化程度高，簡(jiǎn)單易行，能連續(xù)監(jiān)測(cè)樹干液流，適用于野外作業(yè)；其它方法或是技術(shù)不太成熟，或是操作不太方便，或是不適于野外作業(yè)。熱脈沖法是采用對(duì)植物液流進(jìn)行標(biāo)記并測(cè)定其流動(dòng)速率從而簡(jiǎn)潔地確定液流通量。采用熱脈沖技術(shù)測(cè)定液流能基本保持植物的自然生長(zhǎng)條件不變而獲得植物的蒸騰耗水量，既能測(cè)定自然條件下的植物蒸騰量，同時(shí)經(jīng)濟(jì)上又是可行的。該方法被Zimmerman（1983）譽(yù)為“最優(yōu)秀的液流測(cè)定技術(shù)”，最先被Rein(1928)用來測(cè)定動(dòng)物血液流速，后來由Huber和他的同事改進(jìn)并用來測(cè)定植物莖液流流速。近幾十年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，國(guó)外研究者（Marshall,Swansan,Whitefield,Edwards,Green,etal）把熱脈沖技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來進(jìn)行深入細(xì)致的實(shí)驗(yàn)研究，在方法上取得了歷史性的突破，使得測(cè)定迅速可靠、準(zhǔn)確，為研究森林中土壤—植被—大氣系統(tǒng)中的水分傳輸規(guī)律提供了有力的技術(shù)支撐。植物根系和莖桿水力傳導(dǎo)度的測(cè)定方法有蒸騰計(jì)法、加壓出流法、壓力探針技術(shù)、高壓液流儀法。其中要數(shù)高壓液流儀法測(cè)定植株水力導(dǎo)度最理想。高壓液流儀是采用正壓，將蒸餾水從莖基部壓入根部，其方向和正常蒸騰條件下的水流方向相反，通過測(cè)定不同壓力下的水流通量便可計(jì)算出根系的水力導(dǎo)度。水力導(dǎo)度可在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件測(cè)定。在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下壓力維持?jǐn)?shù)小時(shí)不變直至水流通量大體上穩(wěn)定。在瞬態(tài)條件下壓力每隔大約幾分鐘變化一次，所以水流通量隨時(shí)間是不停的變化。Tyree等設(shè)計(jì)了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下的高壓液流儀裝置。該方法測(cè)定速度快；不受氣泡干擾和碳水化合物剝奪的影響；可在田間原位狀態(tài)下測(cè)定；同時(shí)還可以用來比較根-莖間水力導(dǎo)度的差別，因而是其它技術(shù)所無法比擬的。使用該技術(shù)可以研究田間原位狀態(tài)下根水力導(dǎo)度的季節(jié)變化及外界環(huán)境條件如土壤溫度、水勢(shì)和微生物作用的影響。但這一技術(shù)也存在一些限制，如無法量測(cè)小根的水力導(dǎo)度。根、莖桿和葉水勢(shì)測(cè)定可以采用熱電偶濕度計(jì)法、壓力室法等。其中近幾十年內(nèi)逐漸發(fā)展的壓力室法，是最完善、方便、快捷的方法。葉面蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度測(cè)定主要采用光合測(cè)定系統(tǒng)，葉面積指數(shù)等冠層結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)采用數(shù)字化的冠層分析儀確定。根系密度分布測(cè)定方法采用原位取樣量測(cè)的方法，由于根系分布在垂直方向和水平方向都不均勻，因此一般應(yīng)采用挖剖面取樣。由于根系具有趨水性的緣故，因此灌水方法通常對(duì)根系分布具有較大影響，另外植株布置方式、植株個(gè)體發(fā)育狀況、土壤非均勻性等因素都會(huì)影響根系分布。2.3.3植物生長(zhǎng)小氣候環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)目前，農(nóng)田和果園的空氣溫度、濕度、風(fēng)速、太陽輻射等氣候因子可以用自動(dòng)氣象站或農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。2.4果園水分運(yùn)動(dòng)機(jī)制與模擬尚需要進(jìn)一步研究和解決的主要問題綜合分析以往的研究發(fā)現(xiàn)，果樹冠層結(jié)構(gòu)與光能分配、冠層氣孔導(dǎo)度、冠層動(dòng)力學(xué)阻力等之間的關(guān)系及其在蒸發(fā)蒸騰模型中的應(yīng)用尚未深入地研究；果樹根系吸水與根系結(jié)構(gòu)、土壤水分布等之間的定量關(guān)系以及以此為基礎(chǔ)建立的根系吸水二、三維模型有待進(jìn)一步的研究；果樹水分傳導(dǎo)與水力導(dǎo)度、水容及水勢(shì)分布之間的關(guān)系有待進(jìn)行定量研究；果園土壤-植物-大氣系統(tǒng)水分傳輸模型還缺乏系統(tǒng)深入的研究。對(duì)果樹水分散失、水分傳導(dǎo)和水分吸收機(jī)制及模擬研究，將會(huì)解決果園水分的運(yùn)行、消耗及利用等問題，提出果園水分調(diào)控的最優(yōu)策略。而解決這一問題的必須首先解決如下幾個(gè)主要問題。2.4.1果樹冠層結(jié)構(gòu)與果樹冠層光能分配、冠層氣孔導(dǎo)度、冠層空氣動(dòng)力學(xué)阻力之間的定量關(guān)系果樹冠層結(jié)構(gòu)直接影響到果園光能分配、冠層阻力及冠層水分散失。果樹冠層簡(jiǎn)單地用葉面積指數(shù)來描述是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)榕c作物冠層相比果樹冠層結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、變異性大。所以有必要引入和果樹相近的森林系統(tǒng)中冠層描述的方法，來描述果樹冠層結(jié)構(gòu)。同時(shí)有必要研究果樹冠層結(jié)構(gòu)與果樹冠層光能分配、冠層氣孔導(dǎo)度、冠層空氣動(dòng)力學(xué)阻力之間的定量關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)建立果樹蒸發(fā)蒸騰模型。果樹冠層的水分散失過程與作物的比起來，存在很大空間上變異性。如何描述這一特點(diǎn)，也是值得研究的問題。果樹冠層在方位上存在明顯的差異，一般來說在北半球南邊的枝葉茂盛，而北邊的稀疏。如何描述這一特點(diǎn)，也是值得研究的問題。果樹的冠層動(dòng)態(tài)過程的描述也存在同樣的問題，因?yàn)樵诓豢紤]修剪等措施的條件下，今年果樹的最大葉面積在一般情況下肯定是比去年的大，而比明年的小。但是，果樹冠層的葉面積每年都是從無到有，再到無，所以其描述方法上應(yīng)該采用動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)的年最大葉面積值乘以時(shí)間周期變化函數(shù)描述。2.4.2果樹根系吸水與根系空間分布結(jié)構(gòu)、根區(qū)土壤分布等因素之間的定量關(guān)系果樹根系結(jié)構(gòu)與作物的也明顯的不同，作物大多是一年生植物，其根系生長(zhǎng)存在一個(gè)從無到有，再逐漸衰減的過程，而果樹是多年生植物，其根系系統(tǒng)是多年生長(zhǎng)的結(jié)果，也就是存在著年際間的連續(xù)性和差異性。果樹根系系統(tǒng)的描述必須引入初始狀態(tài)變量和生長(zhǎng)變量，而在作物中是不需要初始變量，只需要生長(zhǎng)變量。果樹根系系統(tǒng)分布又體現(xiàn)了趨水性和變異性，與作物比起來，果樹根系分布很不均勻，也就是說用一維的模型來描述果樹根系吸水過程和果園土壤水分運(yùn)動(dòng)是不夠的，有必要采用三維的模型，而二、三維模型的數(shù)值解又很不穩(wěn)定，因此有必要研究描述果樹根系吸水過程和土壤水分運(yùn)動(dòng)的二、三維模型及穩(wěn)定的數(shù)值解法。多年的研究結(jié)果還表明果樹根系在干燥條件下吸收水分的功能具有補(bǔ)償和調(diào)節(jié)功能，如果在模型中能體現(xiàn)這一機(jī)制將會(huì)對(duì)模型模擬精度的提高起到重要作用。但是，如何在模型中實(shí)現(xiàn)這一機(jī)制是一件很難達(dá)到的，因此該問題將是研究中的又一大難點(diǎn)。2.4.3果樹水分傳導(dǎo)與水力導(dǎo)度、水容及水勢(shì)分布之間的關(guān)系 有關(guān)研究表明，果樹根系吸水與果樹蒸騰存在滯后效應(yīng)，主要受樹體水分傳導(dǎo)與水分存儲(chǔ)的控制。對(duì)果樹水分傳導(dǎo)與水力導(dǎo)度、水容及水勢(shì)分布之間的關(guān)系進(jìn)行定量研究，將會(huì)有機(jī)地把果樹根系吸水與果樹蒸騰過程聯(lián)系起來。2.4.4果園土壤-植物-大氣水分傳輸模型 將果樹根系吸水、樹干水分傳輸與冠層蒸騰及土面蒸發(fā)有機(jī)結(jié)合起來建立果園土壤-植物-大氣水分傳輸模型，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。從模擬結(jié)果中將會(huì)提出最優(yōu)水分調(diào)控策略。3研究?jī)?nèi)容利用系統(tǒng)的、動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)研究和模擬果園土壤-植物-大氣水分傳輸機(jī)制，主要研究?jī)?nèi)容如下：果園水分運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)的試驗(yàn)確定野外取樣、室內(nèi)試驗(yàn)確定桃園和蘋果園的土壤水分運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)，利用冠層分析儀原位觀測(cè)冠層發(fā)展動(dòng)態(tài)，利用打孔取樣法測(cè)定不同深度根系密度分布。果樹根系密度分布測(cè)定方法采用原位取樣量測(cè)的方法，由于果樹的根系分布在垂直方向和水平方向都不均勻，且根系相對(duì)比較粗大，因此一般應(yīng)采用挖剖面取樣。由于根系具有趨水性的緣故，因此灌水方法通常對(duì)根系分布具有較大影響，另外植株布置方式、植株個(gè)體發(fā)育狀況、土壤非均勻性等因素都會(huì)影響根系分布，所以在沒有充分證據(jù)證明根系在水平方向的分布是以樹干為中心成對(duì)稱分布的情況下，應(yīng)在樹干的四周（東、西、南、北、東南、西南、東北、西北八個(gè)方位）均挖剖面取樣，以便了解根系的真實(shí)分布情況。但當(dāng)可以確定根系分布分別在行距方向和株距方向以樹干為中心成對(duì)稱分布時(shí)，可以減少取樣剖面數(shù)量（此時(shí)可僅沿行距向、株距向及行株距對(duì)角線方向取三個(gè)剖面）。取樣方式如圖1所示。20cm20cm20cm20cm20cm20cm八個(gè)方位取樣三個(gè)方位取樣果園土壤-植物-大氣水分傳輸機(jī)制研究利用熱脈沖技術(shù)測(cè)定果樹蒸騰，利用微型蒸滲儀測(cè)定果園土壤蒸發(fā)。根據(jù)監(jiān)測(cè)資料、上面3.1中測(cè)定的根系密度動(dòng)態(tài)和冠層結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析果樹根系吸水與果樹蒸騰過程特征及其影響因素，即果樹根系吸水與大氣潛在蒸發(fā)能力、根系分布、土壤水分分布及有效性的關(guān)系，果樹冠層阻力及蒸騰與土壤水分分布與有效性、氣象參數(shù)之間的定量關(guān)系；同時(shí)分析果樹冠層結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并以此建立光能截獲、分配模型，為考慮冠層結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)的蒸發(fā)蒸騰模型的建立提供理論基礎(chǔ)。利用室內(nèi)盆栽模擬試驗(yàn)研究果樹水分傳導(dǎo)與水力導(dǎo)度、水容及水勢(shì)分布之間的定量關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)資料分析，利用類比歐姆定律的方法研究果樹水分傳導(dǎo)與果樹葉水勢(shì)、根區(qū)土水勢(shì)、水力阻力及水容之間的關(guān)系。建立果園土壤-植物-大氣水分傳輸模型利用土壤水動(dòng)力學(xué)、微氣象學(xué)和植物生理學(xué)的原理，建立包含土壤水分入滲、重分布和排水、根系吸水、果樹蒸騰及土面蒸發(fā)等多項(xiàng)子功能模塊的果園水分運(yùn)動(dòng)模型。利用VisualBasic6.0編寫果園果園土壤-植物-大氣水分傳輸模型的應(yīng)用程序利用VisualBasic6.0編寫果園水分運(yùn)動(dòng)模型的可視化應(yīng)用程序。模型驗(yàn)證研究利用實(shí)測(cè)資料，進(jìn)行模型驗(yàn)證研究。4研究方法與技術(shù)路線本研究以田間定量定位監(jiān)測(cè)和室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究相結(jié)合為其總的技術(shù)路線，并采用果園和室內(nèi)試驗(yàn)和理論分析及計(jì)算機(jī)定量模擬相結(jié)合的研究方法。4.1果園土壤-植物-大氣系統(tǒng)水分傳輸機(jī)制研究在西北農(nóng)林科技大學(xué)節(jié)水灌溉實(shí)驗(yàn)站桃園和蘋果園進(jìn)行不同時(shí)期果園水分散失和土壤水分動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，同時(shí)在教育部農(nóng)業(yè)水土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行果樹水分傳導(dǎo)模擬試驗(yàn)。田間果園試驗(yàn)設(shè)在西北農(nóng)林科技大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站。試驗(yàn)材料為成年蘋果樹和成年桃樹。試驗(yàn)時(shí)土壤含水率采用TDR水分測(cè)定儀測(cè)定，必要時(shí)用取土烘干法進(jìn)行對(duì)照測(cè)量；葉面蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、光合速率等用CID便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)觀測(cè)；葉水勢(shì)用壓力室測(cè)定；根莖液流采用SF100型熱脈沖探針測(cè)定；土面蒸發(fā)采用微型蒸滲儀測(cè)定；太陽輻射、空氣溫度、濕度及其它地面氣象因素由自動(dòng)氣象站獲得。利用冠層分析儀測(cè)定果樹冠層結(jié)構(gòu)（樹高、葉面積指數(shù)空間分布等），挖剖面取樣的方法確定根系空間分布特征。室內(nèi)試驗(yàn)確定果樹水分傳導(dǎo)與果樹葉水勢(shì)、根區(qū)土水勢(shì)、水力阻力和水容之間的關(guān)系。試驗(yàn)材料為盆栽桃樹。采用電子天平、光合測(cè)定系統(tǒng)、壓力室和TDR相結(jié)合，來測(cè)測(cè)果樹的蒸騰量、果樹氣孔導(dǎo)度、葉水勢(shì)及根區(qū)的土壤含水率。以上這些系統(tǒng)的綜合試驗(yàn)觀測(cè)可為本研究提供可靠的基礎(chǔ)資料。在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并根據(jù)水分傳輸和氣體交換理論、果樹水分生理機(jī)制，建立果園水分運(yùn)動(dòng)傳輸模式，利用計(jì)算機(jī)對(duì)果樹水分散失、水分傳導(dǎo)與水分吸收過程進(jìn)行定量模擬。4.2果園土壤-植物-大氣系統(tǒng)水分傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)借鑒以往的土壤-植物-大氣系統(tǒng)水分傳輸模型，采用理論分析的方法建立果園水分運(yùn)動(dòng)模型。然后利用VisualBasic6.0編寫果園水分運(yùn)動(dòng)模型可視化程序。4.3果園土壤-植物-大氣系統(tǒng)水分傳輸試驗(yàn)驗(yàn)證野外取樣、室內(nèi)試驗(yàn)確定桃園和蘋果園的土壤水分運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)，利用冠層分析儀原位觀測(cè)冠層結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)，利用打孔取樣法測(cè)定不根系密度空間分布，利用TDR監(jiān)測(cè)土壤水分動(dòng)態(tài)，利用熱脈沖技術(shù)測(cè)定樹干液流，利用微型蒸滲儀測(cè)定土面蒸發(fā)。利用實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，分析模型的可行性。5創(chuàng)新點(diǎn)該項(xiàng)研究采用土壤水動(dòng)力學(xué)、果樹生理學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)以及計(jì)算機(jī)可視化語言學(xué)中的基本理論和前沿技術(shù)，以桃樹和蘋果樹為研究對(duì)象，研究了果樹水分散失與果樹冠層結(jié)構(gòu)、冠層導(dǎo)度之間的定量關(guān)系，果樹水分吸收與根系結(jié)構(gòu)、土壤水分空間分布與有效性等之間的定量關(guān)系，果樹水分傳導(dǎo)與果樹葉水勢(shì)、根區(qū)土水勢(shì)和果樹水分阻力、水容分布之間的定量關(guān)系，建立了果樹蒸發(fā)蒸騰模型、果樹樹干水分傳輸模型與根系吸水模型，并將這三個(gè)模型整合成果園土壤-植物-大氣系統(tǒng)水分傳輸模型，從預(yù)測(cè)結(jié)果中確定最優(yōu)協(xié)調(diào)水-土-果樹-環(huán)境關(guān)系的灌溉策略，以指導(dǎo)果樹節(jié)水實(shí)踐，構(gòu)成了本研究的特色。6.預(yù)期成果系統(tǒng)深入地研究了果樹水分散失與果樹冠層結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系，果樹根系吸水與根系結(jié)構(gòu)、根區(qū)土壤含水率分布等的定量關(guān)系，果樹水分傳導(dǎo)與果樹葉水勢(shì)、土壤水勢(shì)和果樹水分阻力分布、水容之間的定量關(guān)系；建立并驗(yàn)證了果園土壤-植物-大氣水分傳輸模型。預(yù)期可為果樹學(xué)科灌溉提供一條最優(yōu)調(diào)控水-土-果樹-環(huán)境關(guān)系的有效途徑，定量指導(dǎo)干旱地區(qū)果樹灌溉管理，獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的果品。通過此項(xiàng)研究，可望獲得國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的科研成果。這些成果將以學(xué)術(shù)期刊論文與學(xué)位論文及模擬軟件的形式提供。7.經(jīng)費(fèi)來源 本項(xiàng)研究主要由張富倉(cāng)教授主持的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助。8.進(jìn)度計(jì)劃2006/2.15-2007/3.1查閱文獻(xiàn)寫出開題報(bào)告，并準(zhǔn)備開題；2007/4.15-2007/12.31和2008/4.15-2008/9.31布置、開展試驗(yàn)（兩個(gè)全生育期）、分析處理數(shù)據(jù)并不斷改進(jìn)試驗(yàn)方案；撰寫小論文2008/10.1-2009/4.30寫出博士學(xué)位論文；2009/5.1-2009/6.25準(zhǔn)備論文答辯參考文獻(xiàn)康紹忠.旱地土壤水分動(dòng)態(tài)模擬的初步研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,1987,8(2):38-41.康紹忠,熊運(yùn)章.干旱缺水條件下麥田蒸散量的計(jì)算方法[J].地理學(xué)報(bào),1990,45(4):477-483.康紹忠,熊運(yùn)章,劉曉明.用彭曼-蒙特斯模式估算作物蒸騰量的研究[J].西北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1991,19(1):13-20.康紹忠,邵明安.作物蒸發(fā)蒸騰量的計(jì)算方法研究[J].中國(guó)科學(xué)院、水利部西北水土保持研究所集刊,1991,13:66-74.康紹忠,劉曉明,高新科,熊運(yùn)章.土壤-植物-大氣連續(xù)體水分傳輸?shù)挠?jì)算機(jī)模擬[J].水利學(xué)報(bào),1992,7:1-12.康紹忠,劉曉明.田間冬小麥蒸騰量的計(jì)算方法[J].水科學(xué)進(jìn)展,1992,3(4):265-270.康紹忠,劉曉明,熊運(yùn)章.冬小麥根系吸水模式的研究[J].西北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1992,20(2):5-12.康紹忠.土壤-植物-大氣連續(xù)體水流阻力分布規(guī)律的研究[J].生態(tài)學(xué)報(bào),1993,13(2):159-163.康紹忠,劉曉明,張國(guó)瑜.作物覆蓋條件下田間水熱運(yùn)移的數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報(bào),1993,3:11-17.康紹忠,劉曉明,徐沖.無地下水補(bǔ)給條件下玉米田水分微循環(huán)的動(dòng)力學(xué)模式及其應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào),1993,5:1-9.康紹忠.土壤-植物-大氣連續(xù)體水分傳輸動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用[J].力學(xué)與實(shí)踐,1993,15(2):11-19.康紹忠,劉曉明,熊運(yùn)章.土壤-植物-大氣連續(xù)體水分傳輸理論及其應(yīng)用[M].北京:水利電力出版社,1994.康紹忠,蔡煥杰.農(nóng)業(yè)水管理學(xué)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,1996.康紹忠,張建華.不同土壤水分和溫度條件下土根系統(tǒng)中水分傳導(dǎo)的變化及其相對(duì)重要性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),1997,13(2):76-81.康紹忠,胡笑濤等.地下水位較高條件下不同根區(qū)濕潤(rùn)方式對(duì)梨樹根莖液流及其水分平衡的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2001,17(3):15-23.姚建文.作物生長(zhǎng)條件下土壤含水量預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型[J].水利學(xué)報(bào),1989,9:24-29.邵明安,楊文治,李玉山.植物根系吸收土壤水分的數(shù)學(xué)模型[J].土壤學(xué)報(bào),1987,4:23-29.劉川順.柑桔樹生長(zhǎng)條件下土壤水分運(yùn)動(dòng)及耗散規(guī)律的研究[碩士論文].武漢:武漢水利電力學(xué)院,1990.郝仲勇,劉洪祿,楊培嶺.果樹根系吸水函數(shù)的建立[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2000,16(增刊):53-56.莫興國(guó).土壤-植被-大氣系統(tǒng)水分能量傳輸模擬和驗(yàn)證[J].氣象學(xué)報(bào),1998,56(3):323-332.劉樹華,黃子琛,劉立超.土壤-植被-大氣連續(xù)體中蒸散過程的數(shù)值模擬[J].地理學(xué)報(bào),1996,51(2):118-126.沈榮開,任理,張瑜芳.夏玉米麥秸全覆蓋下土壤水熱動(dòng)態(tài)的田間試驗(yàn)和數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報(bào),1997,2:14-21.沈振榮.水資源科學(xué)實(shí)驗(yàn)與研究-大氣水、地表水、土壤水、地下水相互轉(zhuǎn)化關(guān)系[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,1992.黃冠華,沈榮開,張榆芳.作物生長(zhǎng)條件下蒸發(fā)蒸騰的模擬與土壤水分動(dòng)態(tài)模擬[J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào),1995,28(5):25-32.姚德良,李家春,沈衛(wèi)明.植物固沙區(qū)土壤水熱運(yùn)移耦合模型研究[J].力學(xué)學(xué)報(bào),1996,28(5):513-521.姚德良,丘克儉,冀偉等.在植物耗水條件下土壤水分動(dòng)態(tài)的數(shù)值模擬[J].土壤學(xué)報(bào),1993,30(1):111-116.劉偉,趙緒新,黃素逸,張浙.HIPAS系統(tǒng)中熱濕傳輸?shù)睦碚撃Ｐ蚚J].華中理工大學(xué)學(xué)報(bào),1997,25(5):1-4.毛曉敏,楊詩(shī)秀,雷志棟.葉爾羌灌區(qū)冬小麥生育期SPAC水熱傳輸?shù)哪M研究[J].水利學(xué)報(bào),1998,7:35-40,45.趙顏霞,王馥棠.土壤-作物-大氣連續(xù)體水分循環(huán)與作物生產(chǎn)關(guān)系的模擬模式研究[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),1997,8(4):428-436.沈明林.我國(guó)果樹科技發(fā)展戰(zhàn)略研究[碩士畢業(yè)論文].南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2000.賈煒瑋.落葉松人工林樹冠構(gòu)筑型及枝生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)的研究[碩士畢業(yè)論文].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2002.柳云龍.低丘紅壤水分特性和農(nóng)田作物水分模擬信息系統(tǒng)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2002.陳德清.冬小麥根系的分形分析和生長(zhǎng)模擬[D].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),1996.李保國(guó),龔元石,左強(qiáng)等.農(nóng)田土壤水的動(dòng)態(tài)模型及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2000.雷志棟,楊詩(shī)秀,謝森傳.土壤水動(dòng)力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1988.孫景生,康紹忠,熊運(yùn)章.農(nóng)田蒸發(fā)蒸騰模擬計(jì)算的理論與方法[J].灌溉排水,1993,12(3):32-35.王漢江等.生態(tài)邊界層理論與方法[M].北京:中國(guó)林業(yè)出版社,1999:21-28.莫興國(guó)等.基于Penman-Monteith公式的雙源模型的改進(jìn)[J].水利學(xué)報(bào),2000,5:6-11.KangS.Z.,ZhangF.C.,ZhangJ.H.Asimulationmodelofwaterdynamicsinwinterwheatfieldanditsapplicationinasemiaridregion[J].AgricWaterManagement,2001,49(2):115-129.KangS.Z.,CaiH.J.,ZhangJ.H..Estimationofmaizeevapotranspirationunderwaterdeficitsinasemiaridregion[J].Agric.WaterManagement,2000,43:1-14.Caspari,H.W.,Green,S.R.,etal.Transpirationofwell-wateredandwater-stressedAsianpearasestimatedbylysimeter,heatpulseandthePenman-Monteithmodel[J].Agri.andFor.Meter.,1993,67:13-27.EckerstenH.,Noronha-SannervikA.,NymanP.,TorssellB..ModellingmassflowsinsoilplantsystemsusingMatlab/Simulink.In:Bj?rne?,T.I.,Ed.NordicMATLABConference–Program&Proceedings.October17-18,Oslo,Norway,2001,2:KowalikP.J.,EckerstenH..Watertransferfromsoilthroughplantstotheatmosphereinwillowenergyforest[J].EcologicalModelling,1984,26:251-284.PhilipJ.R.Plantwaterrelations:somephysicalaspects[J].Ann.Rev.PlantPhysiol.,1966,17:245-268.JanssonPE,KarlbergL..Coupledheatandmasstransfermodelforsoil-plant-atmospheresystems.RoyalInstituteofTechnology,DeptofCivilandStockleS.O.,JaraJ..Modelingtranspirationandsoilwatercontentfromacorn(ZeaMaizeL)field:20minvs.daytimeintegrationstep[J].AgriculturalandForestMeteorology,1998,HardingR.J.,HuntingfordC.,CoxP.M..Modelinglong-termtranspirationmeasurementsfromgrasslandinsouthernEngland[J].AgriculturalandForestMeteorology,2000,100:MeiresonneL.,NadezhdinN.,etal.MeasuredsapflowandsimulatedtranspirationfromapoplarstandinFlanders(Belgium)[J].AgriculturalandForestMeteorology,1999,96:165-ZhangHP,LesterPS,etal.Estimationoftranspirationbysingletrees:comparisonofsapflowmeasurementswithacombinationequation[J].AgriculturalandForestMeteorology,2000,102:75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