不同土壤类型下桃树水分运转动态的数学模拟

不同土壤类型下桃树水分运转动态的数学模拟
高照全;冯社章;王小伟
【摘要】为定量的刻画不同土壤类型和水分条件对桃树蒸腾作用的影响,根据不同土壤的水分特征曲线、气孔导度模型、冠层蒸腾模型和水分传输模型模拟出不同土壤类型下桃树的水分运转动态.数值模拟表明,在逐步干旱过程中,各类土壤维持桃树蒸腾的时间依次为壤土>砂土>改良粘土>砂壤土>粘土;桃树散失的水分总量依次为砂土>壤土>改良粘土>砂壤土>粘土.在整个干旱周期过程中,气孔导度和叶片水势均呈波动式减小,其总体趋势与土壤水势相一致.计算表明,砂土的保水能力最差,粘土的可利用水最少,壤土维持蒸腾的时间最长,粘土用有机物改良后可利用水和维持蒸腾的时间显著增加.
【期刊名称】《天津农业科学》
【年(卷),期】2010(016)004
【总页数】4页(P1-4)
【关键词】桃树;水分;运转;模拟
【作者】高照全;冯社章;王小伟
【作者单位】北京农业职业学院,北京,102442;北京农业职业学院,北京,102442;北京市农林科学院林业果树研究所,北京,100093
【正文语种】中文
【中图分类】S662.1
植物体内的水分运转主要是由气象因子（如辐射、温度、湿度、风速等）和土壤水势决定的[1]。

土壤水势与土壤的含水量和土壤类型有关，当含水量相同时越是粘
性土，土壤的水势越低，所以同样的气象条件下，土壤类型不同其供水能力也不同，进而对植物体内的水分供应[2，3]、蒸腾速率、气孔导度、组织水势、组织贮存水等都有显著的影响。

人们常用Penman-Monteith公式来描述冠层的蒸腾作用[1，4]，该公式一般只能用来模拟环境条件适宜时的蒸腾作用，不能模拟不同土壤类型下的蒸腾作用。

为此，本研究将冠层蒸腾模型、水分传输模型和土壤水分运转模型相结合，模拟出了不同土壤类型对盆栽桃树水分运转的影响，该方法可以用于土壤类型与植物水分运转关系的理论研究。

试验于2002年在北京市林业果树研究所试验场进行（东经116°17′，北纬39°59′，海拔46 m）。

通过4年生盆栽桃树的实验获得了有关桃树的水分参数，试材为油桃（Prunus persica var.nectarina Maxim）—瑞光5号，盆体为0.3 m×0.3
m×0.5 m。

树体组织的传输阻力、贮存水参数的获得采用高照全等[5]方法。

共模拟了5种类型土壤：砂土（ST）、砂壤土（SR）、壤土（RT）、粘土（NT）、
改良粘土(GN)，不同类型土壤水分特征曲线的参数来自于雷志栋等[6]，其中，改
良粘土采用草炭：粘土体积等于1：2的方式改良，其水分特征曲线参数采用压力膜法测定。

气象数据（辐射、温度、湿度、风速等）由AZWS-001小型气象站获得，所有模拟均采用2002年5月23日（典型晴天）的气象数据。

模拟条件设定为首先为桃树充分灌水，然后逐步干旱，在此过程中不进行灌水，通过数值计算的方法研究水分运转动态。

土壤的水分特征曲线采用指数公式来模拟：
本研究采用Caspari等[7]改进的用以模拟梨树单株冠层蒸腾的Penman-Monteith公式来模拟桃树冠层的蒸腾速率E（g/s）。

其公式如下：
式中，λ为水的汽化潜热，s为饱和水气压曲线上的斜率，ρ为空气密度，γ为湿
度计常数，Rn为净辐射，Lp为树冠投影，L为叶面积，Cp为空气的定压比热容量，Da为饱和水气压差，ra为群体动力学阻力，rc为群体气孔阻力（gst），
rc=1/gst。

式中参数采用康绍忠等[4]人的方法获得，其中gst采用Jarvis等[8]提出的经验公式来模拟。

另外，我们根据实验结果拟合出下面的经验公式来模拟土壤水分状况对气孔导度的影响：
式中，go为所有条件都适宜时的最大气孔导度，gmax为土壤水势为Ψs时的气孔最大导度，a、b为常数。

采用RC模型模拟水分在桃树体内的运转（包括组织水势和贮存水的变化）[5]。

土壤的水分运动规律一般用土壤的水分特征曲线来表示，不同类型土壤的水分特征曲线如图1所示，可看出其特征曲线存在明显的差异，粘土的饱和含水量高于砂土，并且粘土的水分特征曲线明显偏左，使得有效水含量低。

一般认为，土壤水势中高于-1.5MPa的土壤水是有效水[3]，各类土壤有效水的含量为：砂土41.1%，砂壤土32.9%，壤土32.6%，粘土17.5%，改良粘土26.4%，可见通过增加有机质的方法可提高粘土的有效水含量。

数值模拟表明，在逐步干旱条件下随着水分的散失，土壤水势不断降低，在前期下降较慢，在后期则迅速降低，不同类型土壤水势的变化趋势不同（图1），这种差异主要是由土壤水分特征曲线的差异引起的，其曲线形状与之相反。

当土壤水势低于-4MPa时桃树的正常生理进程基本停止，各种类型土壤维持桃树生长的天数分别为：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。

从图3可看出，在逐步干旱的过程中气孔导度总的变化趋势也是逐步下降，与土壤水势相类似，其日变化呈双峰曲线，在中午有明显的“午休”现象，上午的峰值明显比下午高，气孔导度的日变化主要是由气象因子（太阳辐射、大气温度、大气湿度、风速等）的日变化引起的，而长期变化主要受土壤水势的影响。

不同类型土
壤维持气孔开张的时间不同，壤土最长，粘土最短，总体变化与土壤水势相类似。

模拟表明，在干旱过程中叶片水势呈波动式下降（图4），其日变化与正（余）弦曲线相类似，不过晚上的变化比较平缓。

在干旱周期中，各类土壤叶水势总的变化趋势与土壤水势相一致，其中壤土的变化最平缓，并且较高叶水势维持的时间也较长。

从图5可看出，日蒸腾总量的变化与土壤水势的变化是一致的。

在整个干旱周期内砂土通过蒸腾散失的水分最多，然后是壤土，改良粘土，砂壤土和粘土，它们总的蒸腾量分别相当于砂土的89.2%，88.5%，83.4%，58.5%。

可见砂土的保水能力最差，而粘土的可利用水最少，壤土维持蒸腾的时间最长，粘土改良后其可利用水和维持蒸腾时间大为增加。

水分是植物生长和作物产量形成的主要影响因子之一，过去的模型研究多集中在气象和蒸腾的关系上，而忽略了土壤类型对植物水分运转的影响，本研究通过数值模拟的方法分析了土壤类型对桃树水分运转的影响。

结果表明，不同类型土壤其供水时间存在明显差异，这种差异是由土壤的水分特征曲线确定的[9]。

植物体内的贮存水对其水分运转也有很大影响[5]，这种影响主要是由树干体积和高度决定的。

Cermak等[10]的研究表明，贮存水的动态变化主要是由茎流引起的，并且这种变化可引起水分传输途径中不同位置的茎流峰值时间出现显著的滞后现象（从几分钟到几小时），在一天当中贮存水的变化量占到全天茎流量的20%。

高照全等[5]的研究也表明，桃树主干和根系贮存的水分最多，能够影响桃树蒸腾日变化的进程，在干旱胁迫条件下产生的影响更加显著。

在本研究的模型中，所用桃树的水分参数都是在充分供水的条件下获得的，而不同类型的土壤和水分条件对植物的水分参数都有显著的影响[11]，因此，需要将构建的模型通过田间试验来进一步优化。

土壤的水分主要来自于大气降雨，如将某地的气候条件和土壤类型结合来研究对植物水分运转的影响，可能更具有实际意义。

数
值计算是继理论研究、实验研究之后人类又一种探索自然和改造自然的有力工具，在各个学科都有广泛的应用前景。

传统的农业研究偏重于大田试验，在大田试验一般周期长，效率低，如能将数值模拟的方法引入到农业研究中进行虚拟试验，可大大节省人力物力，为农业研究提供新的方法。

同时，作物的定量模拟技术也可以直接用于农业生产，为农业生产的精确化提供理论指导和模型支持。

【相关文献】
[1]高照全,李天红,张显川.苹果冠层蒸腾作用动态模拟[J].果树学报,2009（6）：19-24.
[2]Xia Y Q,Shao M A.Soil water carrying capacity for vegetation：A hydrologic and biogeochemical process model solution[J].Ecological Modelling,2008,214：112-124. [3]李邵良,陈有君.锡林河流域栗钙土及其物理性状与水分动态的研究[J].中国草地,1999（3）：71-76.
[4]康绍忠,刘晓明.土壤-植物-大气连续体水分传输的计算机模拟[J].水利学报,1992（3）：1-12.
[5]高照全,张显川,王小伟.干旱胁迫下桃树各部位贮存水调节能力的研究[J].果树学报,2006,23(1)：5-8.
[6]雷志栋,杨诗秀,谢森传.土壤水分运动[M].北京：清华大学出版社,1988.
[7]Caspari H W,Green S R,Edwards W R N.Transpiration of well-watered and water stressed Asian Pear Trees as determined by lysimetry,heat-pulse,and estimated by a Penman-Monteith model[J].Agricultural and Forest Meteorology,1993,67：13-27.
[8]Jarvis P J.The interpretation of the variations in leaf water potential and stomatal conductance found in canopies in the field[J].Phil Trans Roy Soc Lond Ser B，1976,273：593-610.
[9]Wang Q J,Horton R,Lee J.A simple model relating soil water characteristic curve and soil solute breakthrough curve[J].Soil Science,2002,167(7)：436-443.
[10]Cermak J,Kucera J,Bauerle W L,et al.Tree water storage and its diurnal dynamics related to sap flow and changesin stem volume in old-growth Douglas-fir trees[J].Tree physiology,2007,27（2）：181-198.
[11]Clarkson D T,Henzler T,Waterhouse R N,et al.Root hydraulic conductance diurnal aquaporin expression and the effects of nutrient stress[J].Journal of Experimental Botany,2000,51：61-70.。