AquaCrop_花匠小妙招

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文章目录前言1. 概述1.1 目的 2. 版本2.1 山东青岛，2021年10月23日，Version1 3. 微信公众号GISRSGeography 一、土壤水分平衡概述二、土壤水平衡计算相关概念1. 土壤物理属性2. 土壤含水量3. 土壤保水能力五、参考资料

前言

此系列博文的目的是系统学习AquaCrop作物模型的基本原理。

1. 概述

1.1 目的理解土壤水分平衡及其相关概念

2. 版本

2.1 山东青岛，2021年10月23日，Version1

3. 微信公众号GISRSGeography

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一、土壤水分平衡概述

为了跟踪根区土壤含水量（Wr）和相应的土壤水分胁迫，AquaCrop作物模型以每天为时间步长更新土壤水分平衡。在土壤水分平衡研究中，根区通常被看作水库（图1）。通过跟踪边界处的进出水通量来监测根区土壤含水量（Wr）的变化。土壤水的来源主要是降水§和灌溉(I)。部分降水可能因地表径流（RO）而流失。水也可以通过浅层地下水位的毛细上升（CR）作用输送到根区。土壤蒸发（E）、作物蒸腾（Tr）和深层渗滤损失（DP）等过程将水从土壤水库中排出：
W r , t + 1 = W r , t + ( P − R O ) + I + C R − E − T r − D P (1) W_{r,t+1} = W_{r,t} + (P-RO) + I + CR - E - Tr - DP tag{1} Wr,t+1=Wr,t+(P−RO)+I+CR−E−Tr−DP(1)
公式(1)中 W r , t + 1 W_{r,t+1} Wr,t+1和 W r , t W_{r,t} Wr,t是t+1时刻和t时刻的土壤根区含水量；DP表示深层渗滤损失，当大量降雨或过渡灌溉后如果根区土壤湿度超过田间持水量将发生深层渗滤损失。
D P = W r , F C − W r (2) DP = W_{r,FC} - Wr tag{2} DP=Wr,FC−Wr(2)
根区水分赤字（Dr）表示保留在根区的土壤水分与田间持水量相比的短缺量（图1）。田间持水量被选作根区水分赤字的参考值，因为它表示排水后完全湿润的根系区域中残留的水量。
D r = W r , F C − W r (3) Dr = W_{r,FC} - W_{r} tag{3} Dr=Wr,FC−Wr(3)

图1. 土壤水平衡

二、土壤水平衡计算相关概念

1. 土壤物理属性

土壤质地类别： 依据土壤的颗粒组成（土壤中各粒级固体颗粒所占的百分含量）的相近与否，将土壤划分为若干类别，即叫做土壤质地类别。土壤结构： 沙子、淤泥和粘土各部分质量的相对比例定义了土壤或特定土层的质地等级。土壤容重： 一定容积土壤（包括土壤孔隙）的烘干后的质量和烘干前的体积的比值，单位通常为 g / c m 3 g/cm^3 g/cm3。总孔隙率或总孔隙体积： 孔隙体积与土壤体积的比值，对应于土壤水分饱和时的体积土壤含水量。砾石含量： 砾石是指大于2mm的土壤颗粒。作物根系对土壤层的渗透性

表 1给出了 AquaCrop 中区分的十二个土壤质地类别的土壤物理和土壤保水特性的默认值。

表1. 十二个不同土壤质地类别的默认土壤特征（ FAO, 2017）

默认土壤特征

2. 土壤含水量

土壤含水量可以用质量含水量，体积含水量或者等效水深表示。

土壤质量含水量 ：指土壤中水分的质量和干土质量的比值，单位 g / g g/g g/g或 k g / k g kg/kg kg/kg，用 θ m theta_m θm表示。
注：土壤质量含水量，有时候也用100g烘干土中含有土壤水的质量表示。土壤体积含水量 ：土壤中水分占有的体积和土壤总体积的比值，单位通常为 m 3 / m 3 m^3/m^3 m3/m3，通常用 θ v theta_v θv表示。
θ v = θ m ∗ ρ b ρ w a t e r theta_v = theta_m*frac{rho_b}{rho_{water}} θv=θm∗ρwaterρb
公式中 ρ b rho_b ρb 表示土壤容重。等效水深：表示每米土壤深度的土壤含水量，单位是毫米（mm）。
等效水深 = 1000 ∗ θ v 等效水深=1000*theta_v 等效水深=1000∗θv
在水平衡研究中，通常将保留在根区（Wr）中的水量表示为土壤水的等效深度（mm）。通过将根区的土壤体积含水量乘以根区的土壤厚度（Zr，以米为单位）得到根区的土壤等效水深（Wr，以毫米为单位）。其等效于从根区提取所有水并将其均匀分布在整个土壤表面而获得的水层厚度。
W r = 1000 ∗ θ v ∗ Z r Wr = 1000*theta_v*Z_r Wr=1000∗θv∗Zr

3. 土壤保水能力

田间持水量 ：Field Capacity（FC），又称最小持水量，毛管悬着水达到最大时的土壤含水量百分数（可以用质量含水率或体积含水率表示），当土壤中的水分继续增加时，则会由于重力作用大于毛细吸附作用使土壤中的水发生下渗。田间持水量的大小与土壤机械组成、结构和累结性有关。永久萎蔫点 ：Permanent wilting point (PWP)，随着更多的水分从根区被吸收，土壤基质保留剩余土壤水分的能力更强，植物根系更难从土壤吸收水分；当土壤非常干燥，以至于根系不再能够从土壤吸收任何水分时，此时的土壤含水量即达到永久萎蔫点（PWP）。可利用总水量 ：田间持水量和永久萎蔫点分别是植物可提取水分的上限和下限，因此它们决定了作物可利用的总水量（TAW）。尽管土层中砾石的存在不会影响田间持水量或永久萎蔫点，但会降低TAW值（砾石含量的体积百分比）。