[发明专利]一种面向作物水分高效利用的多孔材料优化埋设方法

权利要求书

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；

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，且，其中，和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，各实验小区内埋设的多孔材料的块数、长、宽、高分别为和，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，表示第个实验小区多孔材料的埋设体积，单位为m³，且，表示实验小区编号，表示第个实验小区多孔纤维材料埋设块数，表示第个实验小区每块多孔纤维材料长边长度，单位为m，且，表示第个实验小区每块多孔纤维材料短边长度，单位为m，，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，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；

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；

所述步骤S7包括以下步骤：

S701、利用多孔材料埋设量和埋设布局表示土壤理化性质，并根据所述土壤理化性质构建DSSAT模型所需的土壤输入文件，其中，所述土壤理化性质的情况如下：

其中，表示第个实验小区、土壤第层深度播种前的平均容重，单位为g/cm³，和分别表示第个实验小区、土壤第层深度多孔材料和土壤的密度，单位为g/cm³，表示第个实验小区、土壤第层深度的多孔材料埋设体积，单位为m³，表示实验小区内土壤第层深度的土壤体积，单位为m³，表示第个实验小区、土壤第层深度播种前的土壤平均含水量，单位为%，表示第个实验小区、土壤第层深度在播种前的饱和土壤含水量，单位为%，表示第个实验小区、土壤第层深度在播种前的田间持水量，单位为%；表示第个实验小区、土壤第层深度在播种前的材料内部体积含水率，单位为%，表示第个实验小区、土壤第层深度在播种前的土壤体积含水率，单位为%，表示第个实验小区、土壤第层深度在播种前的材料内部饱和含水率，单位为%，_s表示第个实验小区、土壤第层深度在播种前的土壤饱和含水率，单位为%，表示第个实验小区、土壤第层深度在播种前，在降雨过后材料所能维持较为稳定的含水率，单位为%，表示第个实验小区、土壤第层深度的土壤田间持水量，单位为%，表示第个实验小区、土壤第层深度在播种前的有机碳平均含量，单位为%，和分别表示第个实验小区、土壤第层深度播种前的多孔材料和土壤中有机碳含量，单位为%，表示第个实验小区、土壤第层深度在播种前的氮的平均含量，单位为%，和分别表示第个实验小区、土壤第层深度播种前的多孔材料和土壤中氮含量，单位为%，表示第个实验小区、土壤第层深度在播种前的磷的平均含量，单位为%，和分别表示第个实验小区、土壤第层深度播种前的多孔材料和土壤中磷含量，单位为%，表示土壤有效深度内的分层层数；

S702、基于气象观测数据、作物管理措施和作物参数输入文件模拟作物生长过程，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；

S703、利用所述作物水分利用效率对比DSSAT模型所需的土壤输入文件、气象数据输入文件和作物管理输入文件，对DSSAT模型参数进行率定处理；

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；

所述步骤S9包括以下步骤：

S901、利用已率定好参数的DSSAT模型，根据输入的多孔材料埋设量和埋设布局模拟不同土壤初始环境，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；

S902、以目标函数为目标，确定决策变量为多孔材料的埋设体积和埋设布局，设定约定条件，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，并从模拟得到的作物水分利用率中筛选出最优方案，其中，所述目标优化函数的表达式如下：

所述约束条件的表达式如下：

其中，表示土壤的有效深度，单位为m，和分别表示实验小区的长边和短边长度，单位为m，表示以多孔材料的埋设体积和埋设布局为自变量、作物水分利用效率为因变量构建的函数从中优选的最大水分利用效率；

S903、确定遗传算法的编码方法、解码方法以及适应度，其中，所述解码方法的表达式如下：

其中，表示解码过后得到的结果，表示经过交叉、变异后得到的编码，表示二进制编码串的长度；

S904、确定遗传算法的运行参数；

S905、利用遗传算法求解单目标优化函数，得到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。