不同土壤類型下桃樹水分運轉動態的數學模擬

摘要:為定量的刻畫不同土壤類型和水分條件對桃樹蒸騰作用的影響，根據不同土壤的水分特征曲線、氣孔導度模型、冠層蒸騰模型和水分傳輸模型模擬出不同土壤類型下桃樹的水分運轉動態。數值模擬表明，在逐步干旱過程中，各類土壤維持桃樹蒸騰的時間依次為壤土>砂土>改良粘土>砂壤土>粘土;桃樹散失的水分總量依次為砂土>壤土>改良粘土>砂壤土>粘土。在整個干旱周期過程中，氣孔導度和葉片水勢均呈波動式減小，其總體趨勢與土壤水勢相一致。計算表明，砂土的保水能力最差，粘土的可利用水最少，壤土維持蒸騰的時間最長，粘土用有機物改良后可利用水和維持蒸騰的時間顯著增加。

關鍵詞:桃樹;水分;運轉;模擬

中圖分類號:S662.1文獻標識碼:A DOI編碼:10.3969/j.issn.1006-6500.2010.04.001

Simulation of Dynamic for Water Transport in Different Soil Types in Peach

GAO Zhao-quan1， FENG She-zhang1， WANG Xiao-wei2

(1.Beijing Agricultural Vocation College， Beijing 102442， China ; 2. Institute of Forestry and Pomology， Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Beijing 100093， China)

Abstract:The dynamic of water transport of peach trees by mathematical simulation was studied in this paper. The dynamic for water transport was simulated according to the water characteristic curves， model of stomatal conductance， canopy transpiration and water transport in different soil types. The results showed that under gradual drought in different soil types the length of time to keep normal transpiration in peach was soil> sandy> improved clay> sandy soil> clay， and the total water content lost was sandy> soil> improved clay> sandy soil> clay. The transpiration time of soil for peach was the longest. Available water and transpiration time could be increased remarkably by improving the clay. During the period of drought， the stomatal conductance and leaf waterpotential decreased fluctuant which was consistent with soil water potential. The calculated data demonstrated that the water conservation capacity was the lowest in sandy and available water was least in clay.

Key words: peach; water; transport; simulation

植物體內的水分運轉主要是由氣象因子(如輻射、溫度、濕度、風速等)和土壤水勢決定的[1]。土壤水勢與土壤的含水量和土壤類型有關，當含水量相同時越是粘性土，土壤的水勢越低，所以同樣的氣象條件下，土壤類型不同其供水能力也不同，進而對植物體內的水分供應[2，3]、蒸騰速率、氣孔導度、組織水勢、組織貯存水等都有顯著的影響。人們常用Penman-Monteith公式來描述冠層的蒸騰作用 [1，4]，該公式一般只能用來模擬環境條件適宜時的蒸騰作用，不能模擬不同土壤類型下的蒸騰作用。為此，本研究將冠層蒸騰模型、水分傳輸模型和土壤水分運轉模型相結合，模擬出了不同土壤類型對盆栽桃樹水分運轉的影響，該方法可以用于土壤類型與植物水分運轉關系的理論研究。

1材料和方法

1.1材料

試驗于2002年在北京市林業果樹研究所試驗場進行(東經116°17′，北緯39°59′，海拔46 m)。通過4年生盆栽桃樹的實驗獲得了有關桃樹的水分參數，試材為油桃(Prunus persica var. nectarina Maxim)—瑞光5號，盆體為0.3 m×0.3 m×0.5 m。樹體組織的傳輸阻力、貯存水參數的獲得采用高照全等[5]方法。共模擬了5種類型土壤:砂土(ST)、砂壤土(SR)、壤土(RT)、粘土(NT)、改良粘土(GN)，不同類型土壤水分特征曲線的參數來自于雷志棟等[6]，其中，改良粘土采用草炭:粘土體積等于1:2的方式改良，其水分特征曲線參數采用壓力膜法測定。氣象數據(輻射、溫度、濕度、風速等)由AZWS-001小型氣象站獲得，所有模擬均采用2002年5月23日(典型晴天)的氣象數據。模擬條件設定為首先為桃樹充分灌水，然后逐步干旱，在此過程中不進行灌水，通過數值計算的方法研究水分運轉動態。

1.2模擬方法

土壤的水分特征曲線采用指數公式來模擬:

s=aθb(1)

本研究采用Caspari等[7]改進的用以模擬梨樹單株冠層蒸騰的Penman-Monteith公式來模擬桃樹冠層的蒸騰速率E(g/s)。其公式如下:

sRnLn+pCpDaL/ra

λE= (2)

s+0.93γ(1+rc/ra)

式中，λ為水的汽化潛熱，s為飽和水氣壓曲線上的斜率，ρ為空氣密度，γ為濕度計常數，Rn為凈輻射，Lp為樹冠投影，L為葉面積，Cp為空氣的定壓比熱容量，Da為飽和水氣壓差，ra為群體動力學阻力，rc為群體氣孔阻力(gst)，rc=1/gst。式中參數采用康紹忠等[4]人的方法獲得，其中gst采用Jarvis等[8]提出的經驗公式來模擬。另外，我們根據實驗結果擬合出下面的經驗公式來模擬土壤水分狀況對氣孔導度的影響:

gmax=g0[a+bexp(ψ5) ] (3)

式中，go為所有條件都適宜時的最大氣孔導度，gmax為土壤水勢為Ψs時的氣孔最大導度，a、b為常數。采用RC模型模擬水分在桃樹體內的運轉(包括組織水勢和貯存水的變化)[5]。

2數值模擬

2.1不同類型土壤的水分特征曲線

土壤的水分運動規律一般用土壤的水分特征曲線來表示，不同類型土壤的水分特征曲線如圖1所示，可看出其特征曲線存在明顯的差異，粘土的飽和含水量高于砂土，并且粘土的水分特征曲線明顯偏左，使得有效水含量低。一般認為，土壤水勢中高于-1.5MPa的土壤水是有效水[3]，各類土壤有效水的含量為:砂土41.1%，砂壤土32.9%，壤土32.6%，粘土17.5%，改良粘土26.4%，可見通過增加有機質的方法可提高粘土的有效水含量。

2.2逐步干旱條件下土壤水勢的動態變化

數值模擬表明，在逐步干旱條件下隨著水分的散失，土壤水勢不斷降低，在前期下降較慢，在后期則迅速降低，不同類型土壤水勢的變化趨勢不同(圖1)，這種差異主要是由土壤水分特征曲線的差異引起的，其曲線形狀與之相反。當土壤水勢低于-4MPa時桃樹的正常生理進程基本停止，各種類型土壤維持桃樹生長的天數分別為:砂土22 d、砂壤土20 d、壤土25 d、粘土17 d、改良粘土21 d，粘土改良后其供水能力大大提高。

2.3逐步干旱條件下氣孔導度的動態變化

從圖3可看出，在逐步干旱的過程中氣孔導度總的變化趨勢也是逐步下降，與土壤水勢相類似，其日變化呈雙峰曲線，在中午有明顯的“午休”現象，上午的峰值明顯比下午高，氣孔導度的日變化主要是由氣象因子(太陽輻射、大氣溫度、大氣濕度、風速等)的日變化引起的，而長期變化主要受土壤水勢的影響。不同類型土壤維持氣孔開張的時間不同，壤土最長，粘土最短，總體變化與土壤水勢相類似。

2.4逐步干旱條件下葉片水勢的動態變化

模擬表明，在干旱過程中葉片水勢呈波動式下降(圖4)，其日變化與正(余)弦曲線相類似，不過晚上的變化比較平緩。在干旱周期中，各類土壤葉水勢總的變化趨勢與土壤水勢相一致，其中壤土的變化最平緩，并且較高葉水勢維持的時間也較長。

2.5逐步干旱條件下日蒸騰總量的變化動態

從圖5可看出，日蒸騰總量的變化與土壤水勢的變化是一致的。在整個干旱周期內砂土通過蒸騰散失的水分最多，然后是壤土，改良粘土，砂壤土和粘土，它們總的蒸騰量分別相當于砂土的89.2%，88.5%，83.4%，58.5%。可見砂土的保水能力最差，而粘土的可利用水最少，壤土維持蒸騰的時間最長，粘土改良后其可利用水和維持蒸騰時間大為增加。

3討論

水分是植物生長和作物產量形成的主要影響因子之一，過去的模型研究多集中在氣象和蒸騰的關系上，而忽略了土壤類型對植物水分運轉的影響，本研究通過數值模擬的方法分析了土壤類型對桃樹水分運轉的影響。結果表明，不同類型土壤其供水時間存在明顯差異，這種差異是由土壤的水分特征曲線確定的[9]。植物體內的貯存水對其水分運轉也有很大影響[5]，這種影響主要是由樹干體積和高度決定的。Cermak等[10]的研究表明，貯存水的動態變化主要是由莖流引起的，并且這種變化可引起水分傳輸途徑中不同位置的莖流峰值時間出現顯著的滯后現象(從幾分鐘到幾小時)，在一天當中貯存水的變化量占到全天莖流量的20%。高照全等[5]的研究也表明，桃樹主干和根系貯存的水分最多，能夠影響桃樹蒸騰日變化的進程，在干旱脅迫條件下產生的影響更加顯著。

在本研究的模型中，所用桃樹的水分參數都是在充分供水的條件下獲得的，而不同類型的土壤和水分條件對植物的水分參數都有顯著的影響[11]，因此，需要將構建的模型通過田間試驗來進一步優化。土壤的水分主要來自于大氣降雨，如將某地的氣候條件和土壤類型結合來研究對植物水分運轉的影響，可能更具有實際意義。數值計算是繼理論研究、實驗研究之后人類又一種探索自然和改造自然的有力工具，在各個學科都有廣泛的應用前景。傳統的農業研究偏重于大田試驗，在大田試驗一般周期長，效率低，如能將數值模擬的方法引入到農業研究中進行虛擬試驗，可大大節省人力物力，為農業研究提供新的方法。同時，作物的定量模擬技術也可以直接用于農業生產，為農業生產的精確化提供理論指導和模型支持。

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