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1、作物生长模块的结构作物生长模块概述有效积温的计算生物量的同化对水分的吸收对N、P的吸收实际生长耕作措施,SWAT的作物生长模块,1.作物生长模块的结构,上图是SWAT模型中，模拟作物生长的模块的结构。程序流程的次序如下：按箭头的指向，先上后下，先左后右；箭头指的是调用关系，例如，crpmd子程序先后调用了三个子程序，先调用swu程序，然后调用operatn子程序，最后是grow子程序。而grow子程序又按先后顺序调用了tstr、npup、nup和anfert子程序。其余的以此类推。上图的这些子程序仅在此被调用，不存在交叉调用的情况；图中灰色块部分，分别是作物生长的两大模块：operatn和gr
2、ow，实现耕作模拟和作物生长模拟的功能。,2.作物生长模块概述,SWAT模型中作物生长模块是一种多作物能用型生长模型，能够模拟上百种大田作物、园艺作物、草原牧草和树木生长，其特点是根据各种作物生理生态过程的共性研制成模型的主体框架，再结合各种作物的生长参数和田间管理参数分别进行各种作物生长与产量模拟。模型对作物生长与产量形成过程，及其对环境响应进行定量模拟的基本过程如下：作物模型在逐日气候要素的驱动下，首先模拟计算太阳辐射能转化为干物质的数量，涉及到估算光截获数量的叶面积变化动态，主要通过最大叶面积系数、叶面积变化的S形曲线形态参数、叶面积下降速度等作物生长参数来确定。同时，光合产物转化受作物
3、水汽压差和大气CO2浓度的影响。,叶面积的增长和变化与温度、水分、养分等作物生长因素密切相关。通过作物生长的最适温度、最低温度与作物生育过程计算湿度对叶面积增长的影响效应。通过计算根系分布层次的土壤水分和养分状况，估计水分和养分胁迫对叶面积增长的影响效应。根据作物生长期生物量增长的、氮、磷和温度等四种胁迫因子，校正干物质的合成数量。计算分配到地上部和根系的干物质数量，估算根系分布深度和根系密度，进而计算作物根系吸收的土壤水分和养分在不同土层的分布情况。而植株水分、氮素、磷素满足程度最终又影响干物质合成数量。通过作物水分和养分临界期水分、养分亏缺状况估计实际收获指数，最后通过地上部生物量和收获指
4、数计算可供收获的作物经济产量。,有效积温为日平均温度减去基础温度计算公式如下：在全生育期内将HU中大于零的部分累加，就得到植物生育期有效积温的总和。农事活动可以依据达到有效积温的某个比例进行安排。,3.有效积温的计算,4.生物量的同化,植物叶面积截获光能的量，通过Beer法则来计算:利用截获的光，根据光能利用率，就得到时间步长内生物量的最大增量，公式如下：SWAT考虑了CO2浓度对光能利用率的影响。CO2浓度对光能利用率校正的公式如下：,SWAT按照右图的曲线来模拟冠层高度与LAI随发育阶段而变化的过程，通过对用户输入的曲线特征值求解曲线。,冠层高度的计算公式如下：其中，hc是冠层高度，hc,
5、max是冠层最大的高度，frLAImx是植物最大LAI的分数。LAI的计算公式如下：LAI达到最大值后，这个最大值将会维持一段时间，直到叶片老化的速率超过叶片生长补充的速率,根系的发育：分配到根系的干物质从出苗期的40%变化到成熟期的20%。根系逐日的分配系数依下式计算：其中，frroot是该日分配给根系的比例，frPHU是在达到生长季指定的某天时积累的潜在热量单位的分数。根深的计算，依作物不同而不同，对一年生植物，开始时根系的深度被设置为10.0 mm，随后发育阶段为0.4时达到最大，维持在最大值。在发育阶段小于0.4时，根深依下式计算：,5.对水分的吸收,在根区任何深度的土层下，利用下式来
6、计算植物的潜在吸水量：其中，wup,z是某一特定深度的土层内吸收的水量，Et是该日的最大蒸腾量，是水分利用分布参数，z是土层深度，zroot是该日根深。通过代入土层顶层和底层，取其差值后再对公式求解，可以得到任意土层的潜在吸水量。,随着土壤含水量的降低，土壤水分被土壤颗粒吸附得越来越牢，植物的吸水因此也变得越来越困难。为了反应这个现象，利用下面这个公式来修正植物的潜在吸收水量：吸收的水量经过校正后，就可以用来下式来计算从某一土层吸收的水量：,when,when,6.对N、P的吸收,植物对氮素的吸收受植物氮素平衡的控制。植物氮素平衡公式计算植物生物量中的含氮量，在最适生长条件下，这个含氮量是植物
7、生长阶段的函数。,计算植物N需求的公式如下：,被吸收的氮素在不同深度土层中的分配，按下式计算：,地表根系的密度最大，因此地表层氮素吸收的强度也最大。这种随深度不同而异的分布由氮素吸收分布参数来控制，这是一个用户可以自己调整的参数。,如果根区的含氮量不足以满足豆类植物的需要，SWAT允许植物通过固氮获得额外的氮素。固氮量是土壤水分，土壤氮素和植物发育阶段的函数：,fgr是固氮能力受生育期的影响最大，需要另外进行校正。,植物P吸收的计算与N吸收的计算类似，受植物P平衡的控制，在最适生长条件下，植物对P的吸收受植物中含P量的影响，并且是发育阶段的函数：,计算植物P需求的公式如下：,吸收的P在不同深度
8、的土层内的分布依下式计算：,7.实际生长,上述计算的是潜在条件下的生长，需要进行水分、温度、N和P胁迫的校正后就是实际条件下的生长。,水分胁迫的计算公式如下：,其中，wstrs是该日的水分胁迫影响因子，Et是该日的最大蒸腾量，Et,act是该日的实际蒸腾量，wactualup是该日植物总的吸水量。,温度胁迫是日平均温度和植物生长最适温度的函数，在最适温度附近，植物不会受到温度的胁迫。然而，如果偏离较大，植物就会开始受到温度的胁迫。计算公式如下：,when,when,when,when,N胁迫的计算仅限于对非豆类作物，SWAT模型不允许豆类作物受到N胁迫。N胁迫的计算公式如下：,nstrs是氮素
9、胁迫程因子，依下式计算：,其中，bioN,opt是当前发育阶段下植物组织里的最适含氮量，bioN是实际贮存在植物干物质中的氮素。,P素胁迫程度的计算，可通过比较植物实际的与最适的P素含量得到。当植物的实际含P量等于最适含P量时，P素的胁迫等于0.0，当实际含P量低于最适含P量的50%时，P素的胁迫等于1.0，这个P素胁迫随含P量的下降而增加的过程也是非线性的，依下式计算：,pstrs是P素胁迫程因子，依下式计算：,植被的实际生产，取水分、温度、N和P胁迫中最大的胁迫因子，即依下式计算：,计算出的潜在生长时的干物质就被乘以这个值，计算公式如下：,植物在该日实际增加的叶面积依下式计算：,对于植物每
10、年生产的生物量的多少，模型允许用户自己定义一个值。当这个值在模型的管理文件(.mgt)文件中被设立后，模型中每年的上述胁迫因素就不再考虑。当这个值被设立后，生物量的计算方法就如下式所示：,模型允许用户指定一个固定的收获指数，当这个参数被指定时，这个参数值就取代了公式计算出来的收获指数，此时不考虑生育期的不同，也不计算水分亏缺对其的影响。,其中，HIact是实际的收获指数，HI是潜在生长状态下的收获指数，HImm是植物在爱干旱胁迫的情况下，所能允许的最小的收获指数，是水分亏缺指数。水分亏缺指数依下式计算：,实际收获指数就可按下式计算：,8.耕作措施,模型中考虑的耕作措施有以下几种：播种：实施植物的播种操作；杀死：杀死植物，并不收获，仅仅是移除地上部分生物量，不计算产量；杀死和收获：杀死并收获，杀死植物，收获其经济部分；收获：收获植物的经济部分但不杀死植株；耕作或生物混合：计算耕作混合或生物混合对残茬与养分的混合作用,
