在作物生长模型中考虑地膜覆盖因素的模拟方法及系统

本技术涉及地膜覆盖，尤其涉及在作物生长模型中考虑地膜覆盖因素的模拟方法及系统。

背景技术：

1、全球水资源短缺严重威胁粮食安全。地膜覆盖技术因具有显著的增温、保墒和增产效果，已在全球范围内广泛应用。作物生长模型很少考虑地膜覆盖因素的影响，仅aquacrop模型中简单地考虑了覆盖材料和覆膜比对土壤蒸发量的影响。然而地膜覆盖除了减少土壤蒸发外，还会阻滞降雨，改善土壤温度，地膜覆盖下土壤水热状况的变化又会影响作物生长状况。目前考虑地膜覆盖因素作物模型的缺乏限制了模型的应用。因此，有必要全面综合地考虑地膜覆盖效应，建立能够适用于模拟地膜覆盖农田的作物生长模型。然而不同类型的作物生长模型在土壤水热迁移及作物生长过程原理上存在较大差异，在考虑地膜覆盖因素的具体方案上也存在差异。

2、目前，在地膜覆盖条件下的土壤水热动态与作物生长过程模拟中，常用做法是沿用未考虑地膜覆盖因素的现有模型，通过调整模型参数来间接区分覆膜与不覆膜处理之间的差异。此外，在应用hydrus模型进行模拟时，通常将覆膜区域的水分上边界条件设置为零通量边界，以反映地膜对地表水分交换的阻隔作用。

3、由于考虑地膜覆盖因素模型的欠缺，研究者们将作物生长模型直接应用于地膜覆盖农田，虽然这种做法在特定年份和地点能取得较好的拟合优度，但率定出的参数并不是地膜真实物理作用的反映，这会给模型预测带来极大的不确定性。

4、hydrus模型将地膜覆盖下土壤水分运动的上边界条件简化为零通量边界，忽略了膜孔和薄膜破损处的优先流，并且零通量边界只处理了水分运动，未考虑地膜覆盖对土壤热流的影响。另外hydrus模型缺乏作物生长模块，不能刻画地膜覆盖下作物的动态生长过程。

技术实现思路

1、本技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

2、本技术提出一种在作物生长模型中考虑地膜覆盖因素的模拟方法，提出了原理结构存在较大差异的作物模型所适用的地膜覆盖效应引入方案，使各模型能够更加全面、准确地模拟覆膜条件下的土壤水热运移与作物生长过程。该方法解决的主要问题包括：在作物生长模型中考虑地膜覆盖对降雨截留、土壤蒸发、土壤温度以及作物生长发育阶段的影响；针对作物模型原理结构的不同，制定了具有针对性的地膜覆盖因素的具体引入方案。

3、本技术另一方面提出一种在作物生长模型中考虑地膜覆盖因素的模拟系统。

4、为达上述目的，本技术第一方面实施例提出了一种在作物生长模型中考虑地膜覆盖因素的模拟方法，包括：

5、获取研究区不同灌溉条件下的作物生长数据、土壤水热数据以及气象数据；

6、根据地膜覆盖对降雨截留、土壤蒸发、土壤温度以及作物生长发育阶段的影响，在作物生长模型中引入对应的地膜覆盖模块，构建地膜覆盖下的作物生长模型；

7、将获取的作物生长数据、土壤水热数据和气象数据输入所述地膜覆盖下的作物生长模型，对模型中的土壤水力参数、热参数和作物参数进行率定与验证，使模拟值与实测值吻合；

8、以研究区的实际气象条件和土壤性质为基准，利用验证后的作物生长模型对多种灌溉制度进行模拟，根据模拟结果确定地膜覆盖农田的灌溉调控模式。

9、在本技术的一个实施例中，所述根据地膜覆盖对降雨截留、土壤蒸发、土壤温度以及作物生长发育阶段的影响，在作物生长模型中引入对应的地膜覆盖模块，构建地膜覆盖下的作物生长模型包括：

10、根据地膜覆盖对降雨的截留作用，在作物生长模型中量化薄膜截留过程，以计算实际渗入土壤中的降雨量；

11、根据地膜覆盖对土壤蒸发的抑制作用，在作物生长模型中引入土壤蒸发减少因子，以计算覆膜条件下的土壤蒸发量；

12、根据地膜覆盖对土壤温度的增温效应，在作物生长模型中引入与土壤热相关的地膜参数，以计算覆膜条件下的土壤表面温度；

13、根据地膜覆盖下土壤增温对作物生长发育阶段的促进作用，在作物生长模型中建立作物发育阶段与土壤温度的关系，以计算覆膜条件下的作物生长发育阶段。

14、在本技术的一个实施例中，所述量化薄膜截留过程，以计算实际渗入土壤中的降雨量包括：

15、基于叶面积指数和土壤覆盖比例计算冠层截留量；

16、基于总降雨量与冠层截留量的差值计算薄膜截留量；

17、基于总降雨量、冠层截留量和薄膜截留量计算实际渗入土壤中的降雨量。

18、在本技术的一个实施例中，所述引入土壤蒸发减少因子，以计算覆膜条件下的土壤蒸发量包括：基于覆膜比、覆膜阻力计算覆膜条件下的土壤蒸发量。

19、在本技术的一个实施例中，所述引入与土壤热相关的地膜参数，以计算覆膜条件下的土壤表面温度包括：通过考虑薄膜厚度、薄膜导热率对薄膜与土壤表面之间的热传递的影响计算覆膜条件下的土壤表面温度；或者通过考虑覆膜控制因子，包括地膜光学特性参数、覆膜比、膜地间距对地表能量平衡收支与分配过程的影响，计算覆膜条件下的土壤温度。

20、在本技术的一个实施例中，所述建立作物发育阶段与土壤温度的关系，以计算覆膜条件下的作物生长发育阶段包括：

21、基于5cm土层深度处的土壤温度、基点温度和完成营养期或生殖期所需的温度计算覆膜条件下的作物生长发育阶段。

22、在本技术的一个实施例中，所述对模型中的土壤水力参数、热参数和作物参数进行率定与验证包括：

23、依据获取的研究区部分作物生长数据、土壤水热数据以及气象数据；先基于土壤剖面的水分动态变化对土壤水力参数进行率定，再基于土壤剖面的温度变化对土壤热参数进行率定，最后基于作物的叶面积指数、干物质累积量和产量对作物参数进行率定；利用其余试验数据对模型参数进行验证。

24、在本技术的一个实施例中，所述对多种灌溉制度进行模拟包括：设置不同的灌溉间隔和灌溉量情景，利用验证后的作物生长模型对各情景下的作物生长和土壤水热状况进行模拟。

25、在本技术的一个实施例中，所述根据模拟结果确定地膜覆盖农田的灌溉调控模式包括：采用熵权法对不同灌溉制度进行综合评价，根据综合评分确定最优灌溉制度。

26、进一步地，为实现上述实施例，本技术提出一种在作物生长模型中考虑地膜覆盖因素的模拟系统，包括：

27、原始数据获取模块，用于获取研究区不同灌溉条件下的作物生长数据、土壤水热数据以及气象数据；

28、生长模型构建模块，用于根据地膜覆盖对降雨截留、土壤蒸发、土壤温度以及作物生长发育阶段的影响，在作物生长模型中引入对应的地膜覆盖模块，构建地膜覆盖下的作物生长模型；

29、参数率定与验证模块，用于将获取的作物生长数据、土壤水热数据和气象数据输入所述地膜覆盖下的作物生长模型，对模型中的土壤水力参数、热参数和作物参数进行率定与验证，使模拟值与实测值吻合；

30、模拟输出模块，用于以研究区的实际气象条件和土壤性质为基准，利用验证后的作物生长模型对多种灌溉制度进行模拟，根据模拟结果确定地膜覆盖农田的灌溉调控模式。

31、本技术实施例的方法和系统，能够准确模拟地膜覆盖下作物生长过程与土壤水热动态过程，为后续作物模型在地膜覆盖农田的应用提供了科学工具。

32、本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。