一种协调根区供水和作物需水的干旱指数构建方法

本发明属于农业干旱监测，具体涉及一种协调根区供水和作物需水的干旱指数构建方法。

背景技术：

1、农业干旱是指由于长期无雨或少雨导致土壤缺水、空气干燥，致使作物缺水，影响正常生长发育而减产的农业气象灾害。近年的前沿热点研究已进入揭示气象、农业等不同干旱类型之间的时空传播过程及复杂交互作用机理阶段，蕴含了基于土壤-植被-大气连续体(spac)物理过程，并趋向形成气-土、土-根、冠层-大气等多界面过程精准智能调控技术。然而，目前常用的气象干旱监测识别指标如标准化降水指数(spi)、标准加权降水指数(swap)、标准化降水蒸散发指数(spei)、综合气象干旱指数(ci)等，主要以大气降水及蒸散发等要素来反映，并且是以多年平均作为无旱参考值来计算的干旱程度。该程度与区域遭受气象干旱影响的生态系统(如作物)实际供水及需水情况均不对应，由此导致气象-农业干旱传播过程研究中产生了大量不匹配现象，已有的众多研究鲜有讨论这个问题。此外，目前农业干旱监测常用的有土壤水分类指标(如smci)和冠层长势类指标(如tvdi)，但土壤水分并不能直接反映植被(作物)受旱胁迫下的需水及实际耗水情况，也即无法直接反映作物根系的干旱程度；而冠层长势又对植被(作物)根系水分亏缺胁迫存在滞后响应、生态反馈及生理调节等，亦不能全面反映气象-农业干旱的传播过程机理。因此，针对当前干旱复杂系统演化过程及其传播机理研究的逐步深入，亟待构建能综合反映区域植被(作物)实际供水(supply)、适宜需水(demand)及二者耦合作用的农业干旱指数，以其能支撑和解决上述问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种协调根区供水和作物需水的干旱指数构建方法，旨在于结合不同作物根区情况和全生育期逐日需水量计算得到的作物供水和需水的农业干旱指数(adihwsd)，能够准确地反映区域作物全生育期的逐日生长过程所遭受的水分胁迫的真实情况，以解决传统农业干旱指数不能精确识别不同作物干旱的问题，从而实现精细化农业管理、优化水资源配置，保障作物健康生长。

2、为了实现上述目的，本发明的具体方案如下：

3、协调根区供水和作物需水的农业干旱指数构建方法，包括如下步骤：

4、步骤1，构建研究区hydrus-1d水分运移模型，计算研究区作物田间逐日土壤含水量；

5、步骤2，根据不同作物特征，结合地区及气象因素，确定作物不同生育期根系发育情况，对其线性插值得到作物逐日根系发育水平，根据作物逐日根系发育水平及田间特征，界定作物根区大小；

6、步骤3，计算作物土壤田间持水量、凋萎含水量和土壤有效含水量，结合步骤2的作物根区大小计算作物逐日根区供水能力；

7、步骤4，基于作物的根系分布特征与吸水特征，构建研究区作物根系吸水模型，模拟得到研究区作物根系逐日吸水量与步骤1所述的研究区作物田间逐日土壤含水量计算得研究区作物根系吸水效率，并结合步骤3所述的作物逐日根区供水能力，计算研究区作物根区逐日供水量；

8、步骤5，计算研究区作物全生育期逐日最佳需水量；

9、步骤6，计算步骤4的研究区作物根区供水量和步骤5的研究区作物全生育期逐日最佳需水量的差值，构建不同时间尺度的累积水分盈亏序列，并对累积水分盈亏序列进行正态化处理，得到累积概率，将累积概率转化为标准化变量，计算根区供水和作物需水的农业干旱指数，并对该农业干旱指数进行阈值划分。

10、进一步地，步骤1所述计算研究区作物田间逐日土壤含水量的方法，包括如下步骤：

11、步骤11，收集包括研究区的土壤物理性质、气象数据、植被情况、初始和边界条件的数据，并进行采样处理得到相同分辨率的数据；

12、步骤12，根据步骤11的数据创建hydrus-1d水分运移模型，输入土壤的水分保持曲线、渗透性参数、气象数据和边界条件，并定义土壤的层次结构；

13、步骤13，模型起转：设定模拟的起始时间、结束时间、时间步长和空间离散化精度，设定模型的初始水分条件，选取某年的边界条件作为输入，进行多年重复模拟，计算其土壤含水量差值，当含水量差值归零时即认为该点达到了平衡状态；

14、步骤14，模拟结果输出，得到研究区的作物田间各格点的土壤逐日含水量数据，将模拟结果导出为图形或数据文件。

15、进一步地，步骤3所述作物土壤田间持水量与凋萎含水量分别采用hwsd土壤质地数据与经验公式计算，所述作物土壤田间持水量的计算公式如下：

16、θfld＝θs(ψfldψs)-1/b；

17、所述凋萎含水量的计算公式如下：

18、θwlt＝θs(ψwltψs)-1/b；

19、式中，θs为饱和含水量；θfld为作物土壤田间持水量；θwlt为凋萎含水量；ψs、ψfld、ψwlt分别为饱和基质势、田间持水量基质势、凋萎含水量基质势；b为campbell土壤水分特征曲线的斜率；

20、所述土壤有效含水量的计算公式如下：

21、当θi＞θfld时，θe＝θfld-θwlt；

22、当θi＜θwlt时，θe取0；

23、当θfld＞θi＞θwlt时，θe＝θi-θwlt；

24、式中，θe为土壤有效含水量。

25、进一步地，步骤3所述作物逐日根区供水能力的计算公式如下：

26、sr＝vrz×θe

27、式中，sr为作物根区供水能力；vrz为作物根区大小；θe为土壤有效含水量；当θi＞θfld时，θe＝θfld-θwlt；当θi＜θwlt时，θe取0；当θfld＞θi＞θwlt时，θe＝θi-θwlt。

28、进一步地，步骤4所述研究区作物根系吸水效率的计算公式如下：

29、

30、式中，η为研究区作物根系吸水效率，n为研究区作物根系吸水量；

31、所述研究区作物根区逐日吸水量的计算公式如下：

32、rzms＝sr×η

33、式中，rzms(root zone moisture supply)为研究区作物根区逐日土壤供水量。

34、进一步地，步骤5所述计算研究区作物全生育期最佳需水量的公式如下：

35、cwd＝etc

36、式中，cwd表示研究区作物生育期最佳需水量；etc为标准条件下作物蒸腾量。

37、进一步地，步骤6中所述计算步骤4的研究区作物根区有效供水量和步骤5的研究区作物全生育期最佳需水量的差值的公式如下：

38、di＝rzmsi-cwdi

39、式中，rzms和cwd分别为根区土壤供水量及作物需水量；

40、所述构建不同时间尺度的累积水分盈亏序列的公式如下：

41、

42、式中：k为时间尺度；n和i表示某几天；为时间尺度为k时，第n天根区土壤供水量与作物需水量的差值；

43、所述对累积水分盈亏序列进行正态化处理采用log-logistic概率分布函数，其函数如下：

44、

45、式中，f(x)为累积水分盈亏序列；x＝di；α为尺度参数；β为形状参数；γ为位置参数。三个参数分别由下式计算得：

46、

47、γ＝ω0-αγ(1+1β)γ(1-1β)

48、式中，γ(β)是关于β的gamma函数；ω0、ω1、ω2为原始数据di的概率加权矩。

49、所述累积概率的表达式如下：

50、

51、式中，f(x)为累积概率；

52、所述构建根区供水和作物需水的农业干旱指数的公式如下：

53、令p＝1-f(x)，当p≤0.5时：

54、

55、

56、当p＞0.5时：

57、

58、其中，常数c0、c1、c2、d1、d2、d3分别为：2.515517、0.802853、0.010328、1.432788、0.189269、0.001308；adihwsd为根区供水和作物需水的农业干旱指数；ω为概率加权矩。

59、进一步地，步骤6所述对该农业干旱指数进行阈值划分，包括如下步骤：

60、步骤61，计算累积频率，对计算得到的农业干旱指数值进行排序，从最小到最大，然后计算每个值的累积频率；累积频率通常表示为从0到1的值，其中0表示数据集中的最小值，1表示最大值；

61、步骤62，确定累积频率阈值，选择特定的累积频率作为干旱的分类阈值；

62、步骤63，映射到农业干旱指数值，将选定的累积频率阈值转换为对应的农业干旱指数值，通过查看农业干旱指数值的分布，找到累积频率对应的农业干旱指数值。

63、本发明的优点

64、本发明协调根区供水和作物需水的干旱指数构建方法能够准确地反映区域作物全生育期的逐日生长过程所遭受的水分胁迫的真实情况，经过与swap、spei、smci等气象、农业干旱等干旱指数的对比，并结合区域实际作物历年干旱情况的调查分析，本发明方法计算得到的作物供水和需水的农业干旱指数与实际作物受旱情况及其时序变化过程更为吻合，具有良好的应用潜力和科学价值，解决了传统农业干旱指数不能精确识别不同作物干旱的问题，并实现精细化农业管理、优化水资源配置，保障作物健康生长，且该adihwsd对于区域干旱系统演化、干旱传播、农业旱灾风险预测预警及智慧调控、农业灌溉制度优化及智慧管理等均具有重要科学意义和实践价值。