基于土壤水分变化的作物层次需水量计算方法与流程

本发明涉及水资源需求预测领域，特别涉及一种基于土壤水分变化的作物层次需水量计算方法。

背景技术：

水是作物必不可少的生长因素，在植物的光合作用、蒸腾作用以及作为载体维持植物生命活动方面起到至关重要的作用，没有水植物就无法生存，因此，水作为农业必不可少的物质之一在作物生长的各个阶段起着至关重要的作用。

作物需水量是指作物生长发育所需要消耗的水量，作物需水量是农业用水的重要组成部分，是整个国民经济中消耗水分的主要部分，是确定作物灌溉制度以及地区灌溉用水量的基础，是流域规划、地区水利规划、灌排工程规划、设计和管理的基本依据。合理的预测计算作物需水量能够根据作物的需水要求适时适量地对作物灌溉，既能有效地促进作物的生长发育，又能提高水资源的利用效率，节约水资源，对水资源的规划调配有重要指导作用。

近年研究表明，作物本身具有生理节水与抗旱能力，作物各生育阶段的需水量不同，各生育阶段对水分的敏感程度也不同，作物不同发育期的需水量差别很大，一般在整个生育期中作物需水量前期小，中期达最高峰，后期又减少。生殖生长时期，往往是需水临界期，如禾谷类作物的孕穗期，对缺水最为敏感，此期缺水，对生长发育极为不利，常造成大幅度减产。

目前，确定作物需水量的基本方法有水量平衡法和能量平衡法，水量平衡法简便易行，用简测法、坑测法和田测法即可测定；能量平衡法测定项目有净辐射量、乱流热通量、土壤吸收或放出的热量等，在相关资料短缺时，常采用彭曼公式等经验或半经验方法估计可能蒸散量。上述计算方法因存在计算复杂、结果偏差大以及需要数据资料较多等问题而限制其应用，作物需水量的计算不准确导致作物灌溉量过多或不足，既不利于作物的生长发育又浪费水资源，不利于水资源的规划调配和开发利用，因此，如何准确计算作物需水量成为水资源需求预测领域需要研究解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种基于土壤水分变化的作物层次需水量计算方法。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

本发明实施例提供一种基于土壤水分变化的作物层次需水量计算方法，所述方法包括如下步骤：

步骤a，确定作物凋萎系数、田间持水量和饱和含水率；

步骤b，选取土样、测坑和作物，将土样和作物分别移入测坑，作为作物实验组；

步骤c，对所述作物实验组按照预定要求进行灌溉实验，直至作物生育期结束，计算所述作物实验组的累计灌溉量；

步骤d，根据所述作物实验组的累计灌溉量计算所述作物层次需水量。

进一步地，所述步骤a可以包括如下子步骤：

子步骤a1，根据土壤特性确定田间持水量和饱和含水率；

子步骤a2，根据作物生长特性将作物生长周期分为多个作物生长期，并确定所述多个作物生长期对应的作物凋萎系数。

进一步地，所述步骤b可以包括如下子步骤：

子步骤b1，选取土样，使所述土样的土壤含水率为零；

子步骤b2，选取测坑，将所述土样分别填入所述测坑；

子步骤b3,调整所述测坑的土壤含水率，当所述土壤含水率达到所述作物凋萎系数时，分别向所述测坑移植苗期作物作为所述作物实验组。

进一步地，所述步骤c可以包括：

对所述作物实验组均匀洒水灌溉，并对应于所述多个作物生长期使所述土壤含水率始终保持在对应的所述作物凋萎系数，直至作物生育期结束，计算所述作物实验组累计灌溉水量。

进一步地，所述计算作物层次需水量包括计算作物刚性需水量，以所述步骤c得到的所述累计灌溉水量作为所述作物刚性需水量。

进一步地，所述步骤c可以包括：

对所述作物实验组均匀洒水灌溉，直至所述土壤含水率达到所述田间持水量为止，维持作物自然生长，并对应于所述多个作物生长期当所述土壤含水率降低至对应的所述作物凋萎系数时，继续灌溉至所述田间持水量时为止，如此反复，直至作物生育期结束，计算所述作物实验组的累计灌溉水量。

进一步地，所述计算作物层次需水量包括计算作物弹性需水量，以所述步骤c所得的累计灌溉水量为所述作物弹性需水量。

进一步地，所述步骤c可以包括：

对所述作物实验组均匀洒水灌溉，直至所述土壤含水率达到所述饱和含水率为止，维持作物自然生长，当所述土壤含水率降低至所述田间持水量时，继续灌溉至所述饱和含水率为止，如此反复，直至作物生育期结束，计算所述作物实验组的累计灌溉水量。

进一步地，所述计算作物层次需水量包括计算作物奢侈需水量，以所述步骤c所得的累计灌溉水量作为所述奢侈需水量。

本发明的上述技术方案至少具有如下有益效果之一：

在本发明技术方案中，确定作物凋萎系数、田间持水量和饱和含水率；选取土样、测坑和作物，将土样和作物分别移入测坑，作为作物实验组；对作物实验组按照预定要求进行灌溉实验，直至作物生育期结束，计算作物实验组的累计灌溉量；根据作物实验组的累计灌溉量计算作物层次需水量。该技术方案解决了作物需水量计算不准确和计算过程复杂的问题，能够准确计算作物不同生育期的层次需水量，既有利于作物的灌溉，满足作物的需水量，又节约水资源，提高水资源利用效率，为水资源的开发利用和规划调配提供依据。

附图说明

图1为本发明实施例基于土壤水分变化的作物层次需水量计算方法的一个流程示意图；

图2为本发明实施例中的作物实验组的土壤含水量变化示意图；

图3为本发明另一实施例的基于土壤水分变化的作物层次需水量计算方法的流程示意图；

图4为图3所示的基于土壤水分变化的作物层次需水量计算方法的示意图。

附图标记：

均匀洒水灌溉1；凋萎系数时土壤含水量2；

田间持水量3；饱和含水率时土壤含水量4。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于土壤水分变化的作物层次需水量计算方法，包括以下步骤：

步骤101，确定作物凋萎系数、田间持水量和饱和含水率。

该步骤中，凋萎系数、田间持水量和饱和含水率的测定为作物层次需水量的计算提供基础数据，其测定结果的准确度直接影响到作物层次需水量的计算。

凋萎系数是植物开始发生永久凋萎时的土壤含水率，它是重要的土壤水分常数之一，凋萎系数与土壤质地、土壤中盐分浓度和作物种类有关。凋萎系数的测定方法有直接法和间接法，直接法就是在实验室中用生物方法测定，直接法精度不容易控制，而且耗时较多；间接法是先测出土壤的吸湿系数，再乘以1.5计算得出，本实施例中采用间接法测定作物凋萎系数，测定时应选取多组处于相同生育期的作物在合适的相同条件下测定，根据每组所测定的凋萎系数求其平均值作为最终测定的凋萎系数。

田间持水量是指在地下水较深和排水良好的土地上充分灌水或降水后，允许水分充分下渗，并防止其水分蒸发，经过一定时间，土壤剖面所能维持的较稳定的土壤水含量。田间持水量是土壤所能稳定保持的最高土壤含水量，也是土壤中所能保持悬着水的最大量，是对作物有效的最高的土壤水含量，常用来作为灌溉上限和计算灌水定额的指标，它可评估农田水分供给状况和对作物的有效程度，也是进行农田灌溉的依据。田间持水量的测定方法有田间测定法和室内测定法，为使得测定的结果更接近实际值采用田间测定法进行测定。

饱和含水率是土壤孔隙中完全充满水时水的质量与固体颗粒质量之比，饱和含水率可从实测的土壤容重和土壤密度的值计算得到，也可在实验室直接测定,本实施例中通过在实验室直接测定的方法获取土壤的饱和含水率。

步骤102，选取土样、测坑和作物，将土样和作物分别移入测坑，作为作物实验组。

该步骤中，选取土壤的含水率接近零的土样，选择合适的测坑，选取处于同一生育期的作物，首先将土样移入测坑中，采用均匀洒水的方式灌溉，使得灌溉水量全部转化为土壤水，由于不产生地下径流和地表径流，因处于基本相同的条件下，蒸发量和侧向径流也基本相同且蒸发量和侧向径流较小可忽略不计，均匀洒水灌溉后分别测定测坑中土壤含水量，当土壤含水量分别达到生育期(苗期)作物凋萎系数时，分别移植苗期作物到测坑的土壤中，设置多组作物实验组进行实验。

步骤103，对作物实验组按照预定要求进行灌溉实验，直至作物生育期结束，计算作物实验组的累计灌溉量。

该步骤中，可对作物实验组进行分组，将作物实验组分为三组，三组作物实验组分别为作物实验组a、作物实验组b和作物实验组c，每组中分别设有多个对比实验组，避免个别实验组可能由于作物自身状况或其他不确定因素引起的结果偏差过大，提高实验结果数据的可靠性。分别根据实验方案的要求分别对三组作物实验组进行灌溉实验，在三组作物实验组灌溉实验中，土壤中水分达到作物凋萎系数、田间持水量和饱和含水率时的含水量变化如图2所示。

作物实验组a继续均匀洒水灌溉，每间隔一定时间测定土壤含水量，使得土壤含水量始终维持在凋萎系数附近，直至作物生育期结束，分别记录下每次灌溉量，计算作物实验组a的累计灌溉量。

作物实验组b继续均匀洒水灌溉，加大洒水灌溉强度直至土壤含水量达到田间持水量时停止灌溉，每间隔一定时间测定土壤含水量，当土壤含水量降低到凋萎系数时再进行均匀洒水灌溉直至达到田间持水量停止，如此反复，直至作物生育期结束，分别记录下每次灌溉量，计算作物实验组b的累计灌溉量。

作物实验组c继续均匀洒水灌溉，加大洒水灌溉强度，当土壤含水量从凋萎系数达到田间持水量时继续灌溉至达到饱和含水量停止，每间隔一定时间测定土壤含水量，当土壤含水量降低到田间持水量时再继续灌溉至饱和含水量时停止，如此反复，直至生育期结束，分别记录下每次灌溉量，计算作物实验组c的累计灌溉量。

作物实验组中当土壤中的含水量达到一定量时才能满足作物的正常生长发育需求，当土壤含水量低于凋萎系数时，作物就会枯萎；当土壤含水量达到饱和含水量时，土壤孔隙中充满水，空气含量很少，不利于作物生长，因此，土壤中含水量低于饱和含水量时才能使得土壤中达到一定的空气量，才能利于作物正常生长。因此，根据每个作物实验组的累计灌溉量数据，可以适时适量有效地指导作物的灌溉，满足作物生长发育需要，提高灌溉效率，节约水资源，为水资源的规划调配提供依据。

步骤104，根据作物实验组的累计灌溉量计算作物层次需水量。

该步骤中，作物层次需水量包括刚性需水量、弹性需水量和奢侈需水量，根据步骤103中三组作物实验组的实验数据结果分别计算刚性需水量、弹性需水量和奢侈需水量。由于作物实验组的实验环境基本一样，每个作物实验组水分的蒸发量和其他损失量基本相同，且相对于灌溉量较小，对实验组的实验结果影响较小，因此，作物实验组水分的蒸发量和其他损失量可忽略不计。

根据作物实验组a的累计灌溉量计算刚性需水量，作物实验组a的累计灌溉量即为刚性需水量；根据作物实验组b的累计灌溉量计算弹性需水量，作物实验组b的累计灌溉量即为弹性需水量；根据作物实验组c的累计灌溉量计算奢侈需水量，作物实验组c的累计灌溉量即为奢侈需水量。

根据本发明实施例的基于土壤水分变化的作物层次需水量计算方法还可以用到干旱预警和自动灌溉系统中，根据该方法计算的层次需水量和其他相关数据可为其提供准确的数据支持。

在本发明实施例中，确定作物凋萎系数、田间持水量和饱和含水率；选取土样、测坑和作物，将土样和作物分别移入测坑，作为作物实验组；对作物实验组按照预定要求进行灌溉实验，直至作物生育期结束，计算作物实验组的累计灌溉量；根据作物实验组的累计灌溉量计算作物层次需水量。通过上述实施例中的计算过程和步骤，解决了作物需水量计算不准确和计算过程复杂的问题，能够准确计算作物不同生育期的层次需水量，既有利于作物不同生育期的灌溉，满足作物的需水量，又节约水资源，提高水资源利用效率，为水资源的开发利用和规划调配提供依据。

如图3及图4所示，本发明另一实施例提供的基于土壤水分变化的作物层次需水量计算方法，包括以下步骤：

步骤201，根据土壤特性确定田间持水量和饱和含水率。

该步骤中，田间持水量和饱和含水率的测定为作物层次需水量的计算提供基础数据，其测定结果的准确度直接影响到作物层次需水量的计算。

田间持水量是指在地下水较深和排水良好的土地上充分灌水或降水后，允许水分充分下渗，并防止其水分蒸发，经过一定时间，土壤剖面所能维持的较稳定的土壤水含量。田间持水量是土壤所能稳定保持的最高土壤含水量，也是土壤中所能保持悬着水的最大量，是对作物有效的最高的土壤水含量，常用来作为灌溉上限和计算灌水定额的指标，它可评估农田水分供给状况和对作物的有效程度，也是进行农田灌溉的依据。田间持水量的测定方法有田间测定法和室内测定法，为使得测定的结果更接近实际值采用田间测定法进行测定。

饱和含水率是土壤孔隙中完全充满水时水的质量与固体颗粒质量之比，饱和含水率可从实测的土壤容重和土壤密度的值计算得到，也可在实验室直接测定。当土壤中水量等于或高于饱和含水率时，土壤中的空气含量较少，不利于植物的生长发育，因此，根据土壤的饱和含水率可有效指导灌溉，利于植物生长。

步骤202，根据作物生长特性将作物生长周期分为多个作物生长期，并确定多个作物生长期对应的作物凋萎系数。

该步骤中，凋萎系数是植物开始发生永久凋萎时的土壤含水率，它是重要的土壤水分常数，凋萎系数与土壤质地、土壤中盐分浓度和作物种类有关，作物处于不同的生育期对凋萎系数也有一定影响，由于作物整个生长过程中有多个不同的生育期，因此，在测定凋萎系数时应选取处于同一生育期的同种作物。

凋萎系数的测定可采用生物法或间接法，在本实施例中可采用生物法，选取处于同一生育期的生长状况相近的同种作物，将所测土壤放入容器内，再将作物移植在容器的土壤中，至作物因缺水而开始永久凋萎时，测定其土壤含水量即可得作物凋萎系数。可以把作物生长期分成多个生育期，利用生物法分别测定每个作物生育期的作物凋萎系数，在进行实验测定时应选取多组作物在同一条件下测定，根据每组所测定的凋萎系数求其平均值作为最终测定的凋萎系数，保证测定结果的准确可靠性，防止因偶然因素而引起较大的结果偏差。

步骤203，选取土样，使土样的土壤含水率为零。

该步骤中，将选取的土样放入容器中，再将容器置于烘箱中烘烤，每间隔一定时间测定土样的含水量，当土样的含水量接近零时，停止烘烤将土壤取出。烘烤中土样成团或者土样颗粒较大不均匀时，应将其碾碎均匀。将土样的含水量烘烤至接近零为了保证实验中的土样中的水都是洒水灌溉加入的，便于准确计量土样中的水，为准确计算实验中土壤中的水量和灌溉量提供保证，使得能够准确计算作物层次需水量。

步骤204，选取测坑，将土样分别填入测坑。

该步骤中，选取合适的测坑，测坑的大小、深浅、形状以及测坑周壁土壤的特性应基本一样，避免因测坑的差异而影响实验结果。将相同数量的土样分别填入不同测坑，土样的数量选取应该合适，应能够满足作物生育期的需要，避免因土样的差别而引起实验结果的偏差，提高实验数据结果的准确度。

步骤205,调整测坑的土壤含水率，当土壤含水率达到作物凋萎系数时，分别向测坑移植苗期作物作为作物实验组。

该步骤中，将上述步骤204中填入土样的测坑分别进行均匀洒水灌溉，使得将灌溉水量全部转化为土壤水(少量蒸发损失除外)，不产生地下径流和地表径流，忽略侧向径流，每灌溉一定水量后测定土壤的含水率，当土壤含水量分别达到对应生育期作物凋萎系数时，将处于相同生育期且生长状况相近的作物分别移植入测坑中，作为作物实验组准备实验,将作物实验组分为作物实验组m1、作物实验组m2和作物实验组m3三组。

利用步骤205中的作物实验组m1、作物实验组m2和作物实验组m3进行灌溉实验，根据三组作物实验组的灌溉实验数据分别计算灌溉水量和作物层次需水量，作物层次需水量的计算包括计算刚性需水量、计算弹性需水量和计算奢侈需水量。

在本发明实施例中，根据本发明实施例的基于土壤水分变化的作物层次需水量计算方法，还包括：

步骤206，对作物实验组灌溉实验，计算作物实验组灌溉水量和作物刚性需水量。

步骤206的具体实施过程如下：

选取作物实验组m1，对作物实验组m1进行均匀洒水灌溉，每灌溉一定水量后，测定土壤的含水率，并对应于多个作物生长期使土壤含水率始终保持在对应的作物凋萎系数，直至作物生育期结束，分别记录每次灌溉水量，根据作物实验组m1的实验数据计算作物实验组m1累计灌溉水量。

根据作物实验组m1累计灌溉水量计算作物刚性需水量，作物刚性需水量等于作物实验组m1的累计灌溉水量。

在本发明实施例中，根据本发明实施例的基于土壤水分变化的作物层次需水量计算方法，还包括：

步骤207，对作物实验组灌溉实验，计算作物实验组灌溉水量和作物弹性需水量。

步骤207的具体实施过程如下：

选取作物实验组m2，对作物实验组m2进行均匀洒水灌溉，每灌溉一定水量后，测定土壤的含水率，直至土壤含水率达到田间持水量为止，维持作物自然生长，并对应于多个作物生长期当土壤含水率降低至对应的作物凋萎系数时，继续灌溉至田间持水量时为止，如此反复，直至作物生育期结束，分别记录每次灌溉水量，根据作物实验组m2的实验数据计算作物实验组m2累计灌溉水量。

根据作物实验组m2累计灌溉水量计算作物弹性需水量，作物弹性需水量等于作物实验组m2的累计灌溉水量。

在本发明实施例中，根据本发明实施例的基于土壤水分变化的作物层次需水量计算方法，还包括：

步骤208，对作物实验组灌溉实验，计算作物实验组灌溉水量和作物奢侈需水量。

步骤208的具体实施过程如下：

选取作物实验组m3，对作物实验组m3均匀洒水灌溉，每灌溉一定水量后，测定土壤的含水率，直至土壤含水率达到饱和含水率为止，维持作物自然生长，当土壤含水率降低至田间持水量时，继续灌溉至饱和含水率为止，如此反复，直至作物生育期结束，分别记录每次灌溉水量，根据作物实验组m3的实验数据计算作物实验组m3的累计灌溉水量。

根据作物实验组m3累计灌溉水量计算作物奢侈需水量，作物奢侈需水量等于作物实验组m3的累计灌溉水量。

根据本发明实施例的基于土壤水分变化的作物层次需水量计算方法，可以计算同种作物在不同土壤中的各个生育期的层次需水量，比如刚性需水量、弹性需水量和奢侈需水量，可以根据该计算方法计算作物从生育期开始(幼芽)到作物其他生育期整个生长过程的需水量，先将作物根据其生长特性分成不同的生育期，然后分别计算出每个作物生育期的层次需水量，将各个作物生育期的层次需水量累计相加即可计算作物几个生育期过程的层次需水量。根据作物各个生育期的层次需水量，能够为不同生育期的作物灌溉提供有效的指导，及时采取合适的灌溉措施，既能够保证作物生长需水要求，又节约水资源。根据本发明实施例的基于土壤水分变化的作物层次需水量计算方法，除了应用在作物灌溉、水资源的规划调配和土壤评估领域，还可以应用到自动灌溉、干旱预警及作物智能培育等实际生产中，为其提供可靠的作物需水量数据。

根据本发明实施例的基于土壤水分变化的作物层次需水量计算方法，通过上述实施例中的过程能够准确地计算作物不同生育期的层次需水量，解决作物需水量计算不准确和计算过程复杂的问题，既有利于作物不同生育期的灌溉，满足作物的需水量，提高灌溉效率和水资源利用效率，为水资源的开发利用和规划调配提供依据。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。