一种面向作物水分高效利用的多孔材料优化埋设方法技术

本发明专利技术提供了一种面向作物水分高效利用的多孔材料优化埋设方法，属于农业环保技术领域。本发明专利技术通过埋设不同体积和不同布局的多孔纤维材料，构建DSSAT模型模拟作物生长情况，通过遗传算法得到以作物水分利用效率为目标时的多孔材料埋设方案，为改善农田土壤结构和提高作物水分效率，促进农业可持续发展做出探索，本发明专利技术通过探讨多孔材料对于土壤水分的影响，通过植株累积干物质的能力来评价多孔材料对于水分利用效率的影响，并从中优选出最佳方案，为提高农田作物抗旱能力和水分利用效率提供新的方法。供新的方法。供新的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种面向作物水分高效利用的多孔材料优化埋设方法


[0001]本专利技术属于农业环保
，尤其涉及一种面向作物水分高效利用的多孔材料优化埋设方法。

技术介绍

[0002]在全球气候变化背景下，气温升高加剧水循环，导致极端水文事件的发生，同时由于气象地理等因素导致我国降雨在时空分布上的不均，更加剧了干旱灾害发生的频率，严重制约农业的发展。
[0003]以保水剂为代表的高吸水材料，通过自身结构与土壤水之间的物理化学作用提高水分利用效率，促进作物生长。而多孔纤维材料(岩棉)作为其中的一种，在无土栽培领域岩棉通过自身高孔隙、吸水性和稳定性等优点，大量被应用于作物生长基质来调节作物生长环境，这是因为营养液中的水分和营养物质可以直接通过岩棉抵达作物根部，便于作物直接吸收。但当前岩棉应用主要集中在无土栽培领域，关于探究岩棉布设在自然条件下的土壤水分变化及高效利用的研究较少。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种面向作物水分高效利用的多孔材料优化埋设方法，通过埋设不同体积和不同布局的多孔纤维材料，构建DSSAT模型模拟作物生长情况，通过遗传算法得到以作物水分利用效率为目标时的多孔材料埋设方案，为改善农田土壤结构和提高作物水分效率，促进农业可持续发展做出探索。
[0005]为了达到以上目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]本方案提供一种面向作物水分高效利用的多孔材料优化埋设方法，包括以下步骤：
[0007]S1、在研究区选取农田进行实验小区设计，并确定各实验小区的多孔材料埋设量以及布局方式；
[0008]S2、根据当地经验，确定实验小区的作物种植种类及管理措施；
[0009]S3、在土壤有效深度内分层埋设土壤含水量传感器，获取每日土壤含水量数据；
[0010]S4、根据作物生长期的需水规律，确定灌溉制度；
[0011]S5、基于作物生长过程中的特征变化划分生长期，根据所述每日土壤含水量数据，得到每个生长期内的土壤储水变化量；
[0012]S6、在每个生长期末期取植株样品烘干测量植株干质量，并根据所述植株干质量、灌溉制度以及所述土壤储水变化量计算得到不同生长期下的作物水分利用效率；
[0013]S7、基于多孔材料埋设量和布局方式，构建DSSAT模型所需的土壤输入文件，以及基于气象观测数据和作物管理措施构建DSSAT模型所需的气象数据输入文件和作物管理输入文件，基于所述作物水分利用效率对DSSAT模型进行参数率定处理；
[0014]S8、归一化均方根差作为DSSAT模型参数率定的评价参数，当归一化均方根差大于
阈值时，则停止率定，并进入步骤S9；
[0015]S9、利用已率定好参数的DSSAT模型，构建基于多孔材料埋设量和布局方式的作物水分利用效率的单目标优化函数，确定约束条件，并利用遗传算法求解单目标优化函数，得到基于多孔材料埋设量和布局方式的作物水分利用效率最优的多孔材料埋设量以及埋设布局，完成面向作物水分高效利用的多孔材料优化埋设。
[0016]本专利技术的有益效果是：本专利技术通过埋设不同体积和不同布局的多孔纤维材料，构建DSSAT模型模拟作物生长情况，通过遗传算法得到以作物水分利用效率为目标时的多孔材料埋设方案，为改善农田土壤结构和提高作物水分效率，促进农业可持续发展做出探索，本专利技术通过探讨多孔材料对于土壤水分的影响，通过植株累积干物质的能力来评价多孔材料对于水分利用效率的影响，并从中优选出最佳方案，为提高农田作物抗旱能力和水分利用效率提供新的方法。
[0017]进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：
[0018]S101、在研究区域选取农田，布设12个同等尺寸的矩形实验小区，其中，所述实验小区由透光大棚遮掩，并在大棚下设置有降雨喷头，所述实验小区的规格为c1×
c2，且c1>1,c2>1，其中，c1和c2分别表示实验小区的长边和短边长度，单位为m；
[0019]S102、设实验小区控制因子为多孔材料埋设量和埋设布局，其中，多孔材料埋设量设置为6个水平，埋设布局为A和B两种方式，多孔材料埋设总体积分别为V1、2V1、3V1、4V1、5V1、6V1，各实验小区内埋设的多孔材料的块数、长、宽、高分别为m
i
、a
i
、b
i
、H/2和2m
i
、a
i
、b
i
、H/4，相同多孔材料埋设体积的A布局和B布局表示在土壤垂直方向上的分布不同，且多孔材料均匀埋设于土壤的有效深度内，所述多孔材料的埋设体积的表达式如下：
[0020][0021]其中，V
i
表示第i个实验小区多孔材料的埋设体积，单位为m3，且V
i
<c2×
c1×
H/2，i表示实验小区编号，tm
i
表示第i个实验小区多孔纤维材料埋设块数，a
i
表示第i个实验小区每块多孔纤维材料长边长度，单位为m，且a
i
<c2，a
i
<c1，b
i
表示第i个实验小区每块多孔纤维材料短边长度，单位为m，b
i
<c1，b
i
<c2，H表示土壤的有效深度，单位为m，表示多孔材料高度，单位为m，t表示多孔材料布局方式，取值为1和2，分别代表A布局和B布局。
[0022]上述进一步方案的有益效果是：通过设计实验小区的构成，减小环境因素对实验的影响，并确定多孔材料的埋设和布局方案，为接下来的实验进行做铺垫。
[0023]再进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：
[0024]S301、获取实验小区的土壤数据，确定土壤的有效深度H，将土壤分为h
z
层，每层土壤厚度为d，其中，所述h
z
的表达式如下：
[0025][0026]其中，h
z
表示土壤有效深度内的分层层数，H表示土壤的有效深度，单位为m，d表示分层后每层土壤的厚度，单位mm；
[0027]S302、在每层土壤的中心位置埋设水分传感器，同时基于土壤埋设水分传感器的规律，在多孔材料内部同等深度处埋设水分传感器；
[0028]S303、利用埋设的水分传感器获取每日土壤和多孔材料内部的含水量，得到每日土壤含水量数据。
[0029]上述进一步方案的有益效果是：确定土壤分层以及土壤含水量数据的获取，为后续实验进行和模型构建提供支持。
[0030]再进一步地，所述步骤S4具体为：
[0031]根据作物生长期的需水规律，灌溉制度设置为当土壤含水量低于M
n1
时进行灌溉补水，并计算得到理论上土壤含水量升至M
n2
时所需的灌溉水量P
n
，并以不产流为限制条件，分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向作物水分高效利用的多孔材料优化埋设方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在研究区选取农田进行实验小区设计，并确定各实验小区的多孔材料埋设量以及布局方式；S2、根据当地经验，确定实验小区的作物种植种类及管理措施；S3、在土壤有效深度内分层埋设土壤含水量传感器，获取每日土壤含水量数据；S4、根据作物生长期的需水规律，确定灌溉制度；S5、基于作物生长过程中的特征变化划分生长期，根据所述每日土壤含水量数据，得到每个生长期内的土壤储水变化量；S6、在每个生长期末期取植株样品烘干测量植株干质量，并根据所述植株干质量、灌溉制度以及所述土壤储水变化量计算得到不同生长期下的作物水分利用效率；S7、基于多孔材料埋设量和布局方式，构建DSSAT模型所需的土壤输入文件，以及基于气象观测数据和作物管理措施构建DSSAT模型所需的气象数据输入文件和作物管理输入文件，并基于所述作物水分利用效率对DSSAT模型进行参数率定处理；S8、归一化均方根差作为DSSAT模型参数率定的评价参数，当归一化均方根差大于阈值时，则停止率定，并进入步骤S9；S9、利用已率定好参数的DSSAT模型，构建基于多孔材料埋设量和布局方式的作物水分利用效率的单目标优化函数，确定约束条件，并利用遗传算法求解单目标优化函数，得到基于多孔材料埋设量和布局方式的作物水分利用效率最优的多孔材料埋设量以及埋设布局，完成面向作物水分高效利用的多孔材料优化埋设。2.根据权利要求1所述的面向作物水分高效利用的多孔材料优化埋设方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：S101、在研究区域选取农田，布设12个同等尺寸的矩形实验小区，其中，所述实验小区由透光大棚遮掩，并在大棚下设置有降雨喷头，所述实验小区的规格为c1×
c2，且c1>1,c2>1，其中，c1和c2分别表示实验小区的长边和短边长度，单位为m；S102、设实验小区控制因子为多孔材料埋设量和埋设布局，其中，多孔材料埋设量设置为6个水平，埋设布局为A和B两种方式，多孔材料埋设总体积分别为V1、2V1、3V1、4V1、5V1、6V1，各实验小区内埋设的多孔材料的块数、长、宽、高分别为m
i
、a
i
、b
i
、H/2和2m
i
、a
i
、b
i
、H/4，相同多孔材料埋设体积的A布局和B布局表示在土壤垂直方向上的分布不同，且多孔材料均匀埋设于土壤的有效深度内，所述多孔材料的埋设体积的表达式如下：其中，V
i
表示第i个实验小区多孔材料的埋设体积，单位为m3，且V
i
<c2×
c1×
H/2，i表示实验小区编号，tm
i
表示第i个实验小区多孔纤维材料埋设块数，a
i
表示第i个实验小区每块多孔纤维材料长边长度，单位为m，且a
i
<c2，a
i
<c1，b
i
表示第i个实验小区每块多孔纤维材料短边长度，单位为m，b
i
<c1，b
i
<c2，H表示土壤的有效深度，单位为m，表示多孔材料高度，单位为m，t表示多孔材料布局方式，取值为1和2，分别代表A布局和B布局。3.根据权利要求1所述的面向作物水分高效利用的多孔材料优化埋设方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
S301、获取实验小区的土壤数据，确定土壤的有效深度H，将土壤分为h
z
层，每层土壤厚度为d，其中，所述h
z
的表达式如下：其中，h
z
表示土壤有效深度内的分层层数，H表示土壤的有效深度，单位为m，d表示分层后每层土壤的厚度，单位mm；S302、在每层土壤的中心位置埋设水分传感器，同时基于土壤埋设水分传感器的埋设规律，在多孔材料内部同等深度处埋设水分传感器；S303、利用埋设的水分传感器获取每日土壤和多孔材料内部的含水量，得到每日土壤含水量数据。4.根据权利要求1所述的面向作物水分高效利用的多孔材料优化埋设方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：根据作物生长期的需水规律，灌溉制度设置为当土壤含水量低于M
n1
时进行灌溉补水，并计算得到理论上土壤含水量升至M
n2
时所需的灌溉水量P
n
，并以不产流为限制条件，分多次灌溉，其中，每当出现水分亏缺时所需的灌溉水量的计算表达式如下：P
n
＝(M
n2
‑
M
n1
)
×
H其中，P
n
表示第n个生育内出现水分亏缺时需灌溉的水量，单位为mm，M
n2
表示第n个生育内作物适宜含水量的上限，单位为％，M
n1
表示第n个生育内作物适宜含水量的下限，单位为％，H表示土壤有效深度，单位为m。5.根据权利要求1所述的面向作物水分高效利用的多孔材料优化埋设方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下步骤：S501、根据作物生长过程中的特征变化划分生长期，并基于每日土壤含水量数据计算得到作物在有效深度内的日均土壤含水量：得到作物在有效深度内的日均土壤含水量：其中，θ
ijv
表示第i个实验小区、第j日下作物在有效深度内的日均土壤含水量，单位为％，θ
ijhv
表示第i个实验小区、第j日、第h层作物在有效深度区域内的平均土壤含水量，单位为％，h表示土壤或多孔材料所处的层数，V
ih
表示第i个实验小区、第h层深度埋设的多孔材料体积，单位为m3，θ
1ijhv
表示第i个实验小区、第j日、第h层深度下的多孔材料内部含水量，单位为％，V
0h
表示实验小区内土壤第h层深度空间总体积，单位为m3，θ
2ijhv
表示第i个实验小区、第j日、第h层深度下的土壤含水量，单位为％，h
z
表示土壤有效深度内的分层层数，T表示总的天数；S502、根据所述日均土壤含水量，计算得到作物不同生长期末期的土壤储水量，并根据作物不同生长期末期的土壤储水量得到每个生长期内的土壤储水变化量：K
ij
＝d
×
h
z
×
θ
ijv
÷
100(i＝1,2,...,12,j＝1,2,...,T)K
ij
＝K
inr
(i＝1,2,...,12,j＝1,2,...,T,n＝1,2,...,G,r＝1,2...,ln)
其中，K
ij
表示第i个实验小区、第j日的土壤储水量，单位为mm，K
inr
表示第i个实验小区、第n个生育期内第r日的土壤储水量，单位mm，ΔK
in
表示第i个实验小区在第n个生长期内的土壤储水量变化量，单位为mm，K
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘姗姗，李威，秦天玲，严登华，吕锡芝，李晨昊，冯贱明，侯军，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：