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文章基本信息

原名：A modified SWAP model for soil water and heat dynamics and seed–maize growth under film mulching

译名：对覆膜滴灌条件下土壤水热动态与玉米生长的SWAP模型改良研究

期刊：Agricultural and Forest Meteorology

影响因子：4.651

发表时间：2020

第一作者：Yin Zhao

作者单位：中国农业大学

一、摘要

土壤-水-大气-植物(SWAP)模型没有考虑地膜覆盖对土壤水热状况、作物生长和产量的影响。本研究在降水截留、土壤蒸发、土壤温度和作物生长等模块中对SWAP模型进行了改进，以适应地膜覆盖引起的土壤水分和土壤温度的变化以及由此引起的作物生长的变化。利用2017、2018和2019年在石羊河流域进行的玉米田间试验，对模型进行校准和验证。试验分3种膜下滴灌处理，即WF(完全灌溉)，WM(70％WF)，WL(40％WF)。结果表明，三年不同灌溉处理下的土壤水分、0、5、10、20 cm土层温度、LAI、ADB和产量的NRMSE分别比原模型降低14.8%、43.5%、70.5%、56.4%和82.1%，说明改进后的模型具有较高的模拟精度。修正后的模型能更准确地描述不同生育期地膜覆盖引起的土壤水分亏缺和叶面积指数的变化。通过与原模型的模拟结果比较，分析了覆膜与不覆膜条件下的差异。结果表明，与不覆盖相比，覆膜条件下土壤蒸发和蒸散量分别降低了60.7％和10.1％，而蒸腾作用则高了20.2％。产量和水分利用效率(WUE)分别提高了38.9％和54.3％。与WF和WM处理相比，在WL处理下，地膜覆盖对SWS，LAI，ADB，产量，作物蒸腾和WUE的影响更大。

二、材料与方法

玉米种植面积137.2平方米(长24.5m，宽5.6m)，行距40 cm，株距25 cm。种植日期分别为2017年4月24日、2018年4月20日、2019年4月18日。将种子玉米的整个生育期分为三个阶段，即前期(播后0~60d)、中期(61~106d)和后期(107d后)。田间土壤类型为粉壤土，测得的土壤物理性质如表1所示。农田覆盖着宽85 cm、厚0.004 cm的透明地膜，相邻地膜重叠5 cm。试验包括3种滴灌处理，即WF(充分灌溉)、WM(中灌，70%WF)和WL(低灌，40%WF)，灌溉制度如表2所示。滴灌线路放置在两行间距为80 cm的玉米种子之间。滴头沿滴灌线路每隔30 cm设置一次滴头，流量为2.5L·h^-1。地膜覆盖、滴灌系统和玉米种子的布局如图1所示。

三、结果与讨论

一、SWAP模型的改进

前期对有膜覆盖和无膜覆盖农田的试验结果对比表明，透明地膜覆盖可以阻断降雨入渗，减少土壤蒸发，调节土壤温度，加速作物生长发育。这为模型修改提供了基础理论支持。基于以上分析，本研究分别对SWAP的土壤水分模块、土壤温度模块和作物生长模块进行了修改。

(1)土壤温度模块的修改

在原有的SWAP模型中，土壤热流的上边界条件是Dirichlet边界条件。下边界条件可以是Dirichlet边界，也可以是Neumann边界。用户在没有直接测量土壤表面温度的时候，只能用大气温度作为上边界条件，然而地膜覆盖会显著改善土壤表面温度和大气温度的关系，显然这样设置上边界条件是不合适的。梁等人(2017)的研究表明覆膜对土壤温度的影响主要集中在LAI < 1阶段，而在LAI≥1阶段影响不大。因此，当LAI<1时，用公式(4)计算不覆膜下的土壤表层温度，当LAI≥1时，用用公式(5)计算不覆膜下的土壤表层温度。然后利用公式(6)(7)进行覆膜条件下土壤表层温度的确定。

对于下边界条件，由于没有直接测量底层土壤温度，通常用户只能取零热通量作为下边界条件。为了在不直接测量的情况下确定更合适的下边界条件，本研究利用公式(8)(9)来确定下边界土壤温度。

(2)土壤水分模块的修改

在原SWAP模型中，土壤蒸发E是由E_p、E_max和∑E_a中的最小值确定的。

在本研究中，虽然在地表进行了薄膜覆盖，但在植株下方仍有孔的存在，吴在2017年的研究中表明，在覆膜条件下，种植孔的土壤蒸发不能被忽略。在2002年李的研究中指出覆膜条件下的土壤蒸发减少率C_film与开孔率δ的关系可以用式(19)表示，

因此，在改型SWAP中，采用如下公式计算覆膜条件下的土壤蒸发。

(3)作物生长模块的修改

在原有的SWAP模型中，作物的所有生理过程都是基于气温来模拟的，包括物候发育阶段、光合作用和呼吸作用。作物生长发育阶段D_s由公式(24)(25)获得。

然而在地膜覆盖条件下，作物生长初期土壤温度显著升高，如果用空气积温预测，作物生长模拟会出现较大误差。因此，本研究对SWAP模型进行了修正，使用膜下5cm处的土壤温度，利用公式(26)(27)模拟V6之前的作物发育阶段(Ds-film)，采用塑料膜下5cm深度的土壤温度。因为在1999年斯通等人的研究中指出玉米分生组织在V6之前(6-叶期)处于地下，且作物生长速率受土壤温度的影响。而光合和呼吸等生理过程仍用大气温度进行计算。

二、模型参数的输入

(1)气象和灌溉数据

SWAP模型所需的气象数据主要包括每日太阳辐射，最高温度，最低温度，降水，湿度和风速。根据实际灌溉时间表指定灌溉数据，如表2所示。

(2)土壤参数

土壤参数主要包括土壤水力参数、土壤蒸发参数和土壤传热参数。原始的土壤水力参数，是通过基于神经网络的pedotransfer函数方法利用土壤质地信息优化获得的。土壤热传递参数主要包括土壤质地信息以及修正模型中估算上、下层土壤温度的参数D_Film、TC_Film、T_mean、T_ampl。其中原始土壤质地、DFilm，Tmean，Tampl从实测值获得，初始TC_film选自Kroes等人在2017年的研究结果。最后根据实测数据在改进的SWAP中对上述参数进行了校准。

(3)作物参数

SWAP中的作物模块即WOFOST包含了多种作物参数，如LAI、总干重、根系生长等。参数的初始值是根据测量值或模型缺省值给出的。

三、模型性能

(1)SWS

图2显示了原始模型和改进模型的实测和模拟SWS值。与原模型相比，修正模型得到的SWS与实测SWS的一致性更好。表7表明，改进后的模型对SWS的模拟精度更高。与原模型相比，除2017年的WL处理和2018年的WM处理外，修正模型下3个季节不同灌溉处理下SWS的RMSE值降低了5.1%~26.4%。修正模型和原模型的R²分别为0.81和0.7。除2017、2018、2019年WL处理的中期和2018年WM处理的后期外，改进后的模型在SWS的各个生长阶段都比原始模型表现得更好。

(2)土壤温度

原始模型和改进模型对浅层土壤温度的实测和模拟结果如图3所示。实测的土壤温度大多落在修正模型的曲线上，特别是在前期。表8表明，改进后的模型对土壤温度的模拟精度有所提高，改进模型和原模型在3个季节不同土层的RMSE、NRMSE、R²平均值分别为1.52°C、7.31%、0.83℃和2.59°C、12.49%、0.68。

(3)LAI

图4给出了原始模型和修正模型LAI的模拟值和实测的LAI值。总体而言，在不同灌溉处理下，特别是在种子玉米快速生长期，改进模型对叶面积指数的模拟效果要好于原模型。在整个生育期内，三个季节不同灌溉处理下的叶面积均方根值比原模型降低了52.2%~83.9%(表9)。修正模型和原始模型的R²分别为0.91~0.99和0.79~0.98。在前期和中期，改进模型在三个季节不同灌溉处理下的叶面积均方根值比原模型降低了77.4%。修正模型和原始模型的平均R²分别为0.99和0.90。

(4)水量平衡构成、产量和水分利用效率

表11比较了原始模型和改进模型对不同处理的水量平衡、产量和水分利用效率的影响。修正模型的平均截留率为28.4%，而原模型的截留率仅为9.1%。这是因为在改进的模型中，除了考虑冠层截留外，还考虑了地膜截留。修正模型在WF、WM、WL处理下三个季节的平均土壤蒸发量分别为56.0、56.0、58.2mm，比原始模型分别减少了61.1％、61.2％、59.8％。修正模型在WF、WM、WL处理下三个季节的平均作物蒸腾量分别为348.9、309.1、242.5 mm，分别比原始模型高10.9％、19.1％、30.7％。修正模型与原模型的比较结果表明，WF、WM、WL处理的三季产量分别比原模型增产29.4%、37.3%、50.2%。改进模型在WF、WM、WL处理的三个季节的WUE分别比原模型提高46.6%、51.7%、64.5%。说明地膜覆盖可以提高产量和水分利用效率，特别是在亏缺灌溉条件下。

四、结论

为了适应地膜覆盖条件下的应用，对SWAP模型中的降水截留、土壤蒸发、土壤温度和作物生育期等模块的算法进行了改进。与原模型相比，改进的SWAP模型对不同灌溉水平下的土壤水分状况、土壤温度、LAI、ADB和产量均有较好的改善效果。修正后的模型可以反映出整个生育期内覆膜引起的SWS和LAI的阶段性变化。修正的SWAP模型表明，地膜覆盖可以减少土壤蒸发，增加作物蒸腾，并提高产量和水分利用效率。在重度亏缺灌溉(WL处理)下，覆膜对SWS、LAI、ADB、产量、作物蒸腾和水分利用效率的影响显著高于高灌水量处理(WF和WM)。

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本期编辑：李云峰