不同土壤类型下桃树水分运转动态的数学模拟

1、不同土壤类型下桃树水分运转动态的数学模拟Simulation of Dynamic for Water Transport in Different Soil Types in PeachGAO 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,

2、Beijing 100093, China):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

3、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 p

4、each was the longest.Available water and transpiration time could be increased remarkably by improving the clay. During the period ofdrought, the stomatal conductance and leaf waterpotential decreased fluctuant which was consistent with soil waterpotential. The calculated data demonstrated that the

5、water conservation capacity was the lowest in sandy and available water was least in clay.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,

6、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。材料和方法材料试验于 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 persicavar. nectarina Maxim） 瑞光 5 号，盆体为 0.3 m x 0.3 m x 0.5m%树体组织的传输阻

7、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。模拟方法

8、土壤的水分特征曲线采用指数公式来模拟 :s=a 6 b(1)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 :sRnLn+pCpDaL/ra入 E= (2)s+0.93 T (1+rc/ra)式中，入为水的汽化潜热，s为饱和水气压曲线上的斜率，p 为空气密度,丫为湿度计常数,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

9、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 :gmax=g0a+bexp(6 5) (3)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Ws时的气孔最大导度，a、b为常数。采用RC莫型模拟 水分在桃树体内的运转( 包括组织水势和贮存水的变化 )5 。数值模拟不同类型土壤的水分特征曲线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

10、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%,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。逐步干旱条件下土壤水势的动态变化数值模拟表明 , 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

11、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。逐步干旱条件下气孔导度的动态变化从图 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。逐步干旱条

12、件下叶片水势的动态变化模拟表明 , 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。逐步干旱条件下日蒸腾总量的变化动态从图 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

13、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。3 讨论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