交替沟灌夏玉米水分亏缺诊断与蒸腾估算研究

发布时间：2020-04-08 09:58

【摘要】：水资源短缺是限制我国农业生产的主要因素。交替灌溉技术可以提高灌溉水利用效率,改善作物水分环境。但节水的同时作物水分亏缺及时诊断对于作物生长发育非常关键,特别是交替灌溉条件下作物对水分胁迫具有适应机制,可通过补偿效应和气孔开闭实现生理节水,以往研究得出的作物水分亏缺诊断指标可能不再适用。而交替沟灌条件下水分亏缺指标以及蒸腾量估算方面的研究还较少。基于以上问题,本研究于2016年在西北农林科技大学节水灌溉试验站遮雨棚内进行了交替沟灌玉米试验,试验设置常规灌溉处理(conventional furrow irrigation treatment,CFI)、交替沟灌高水处理(alternate furrow irrigation high water treatment,AFIH)和交替沟灌低水处理(alternate furrow irrigation low water treatment,AFIL)处理,CFI处理保持充分灌溉,AFIH和AFIL处理灌水量分别为CFI处理灌水量的2/3和1/2。本文分析了玉米叶温、茎流和茎秆直径的变化规律及影响因素,探讨了交替沟灌玉米水分亏缺诊断的方法,并基于玉米茎流速率建立了交替沟灌玉米蒸腾估算模型,主要取得了以下结果:(1)不同灌水处理对玉米茎秆直径、叶温和茎流有不同程度的影响,交替灌溉条件下,AFIH与AFIL处理茎秆直径日最大收缩量均大于CFI处理。而从茎秆直径增长总量来看,AFIH处理CFI处理AFIL处理。成熟期玉米耗水较少,茎秆直径自然生长已基本停滞,处理间差异较小。玉米冠层叶温晴天时最高值均出现在14:00左右,最大值AFIL处理AFIH处理CFI处理。阴天时玉米冠层叶温整体低于晴天,AFIL、AFIH处理玉米冠层叶温大于空气温度,CFI处理玉米冠层叶温略低于空气温度。玉米茎流速率晴天时日变化呈双峰曲线,阴天时茎流速率出现多个峰值。晴天时茎流积累量明显大于阴天,CFI累计茎流量最高,AFIH次之,AFIL最低。(2)不同灌水处理的玉米茎秆直径日最大收缩量(maximum daily shrinkage,MDS)和日增长量(daily increase,DI)容易受到气象因素干扰,直接应用于玉米水分状况诊断可能会引起较大误差。MDS信号值(SignalMDS,SI_(MDS))与DI信号值(Signal DI,SI_(DI))可以很好地区分不同土壤水分条件下玉米茎秆指标差异,能排除气象因子的干扰,且与土壤水分相关性较好,可以应用于玉米水分诊断。不同生育期内SI_(MDS)与SI_(DI)诊断效果存在差异,通过信噪比理论筛选得到,拔节期内SI_(DI)更适宜作为玉米水分诊断指标,抽穗期、成熟期内SI_(MDS)是更适宜的诊断指标。(3)玉米冠层叶气温差(canopy-air temperature difference,T_c-T_a)晴天时日变化呈抛物线型,14:00左右T_c-T_a达到最小值,作物需水情况最为敏感,可作为玉米冠层叶气温差的最佳测定时间。在不同时间段内T_c-T_a与土壤水分的响应规律不同,一天内CFI处理玉米冠层叶气温差与30-40 cm土层含水率表现出显著相关性。交替沟灌条件下,大部分时段内,AFIH处理T_c-T_a与湿润侧20-30cm的土壤含水量表现出显著相关性,AFIL处理T_c-T_a与湿润侧0-10cm和10-20cm处的土壤含水量密切相关。CFI、AFIH和AFIL处理玉米抽穗期内T_c-T_a灌水临界值分别为-0.27、0.76和0.90。基于冠层叶气温差建立CWSI经验模型和理论模型发现,观测经验模型CWSI的最佳时间应选择在晴朗天气14:00左右;而理论模型在不同天气条件下表现稳定,10:00-16:00任意时刻CWSI均能用于在日尺度上诊断作物的水分状况。理论模型CWSI与交替沟灌玉米干湿侧根系土壤相对含水量均表现出显著相关关系,根据AFIH、AFIL处理灌水特点,以湿润侧相对土壤含水量为基准,提出了交替沟灌处理灌水阈值:AFIH处理拔节期和抽穗期CWSI0.37,成熟期CWSI0.48;AFIL处理拔节期CWSI0.44,抽穗期和成熟期分别为CWSI0.66和CWSI0.68。(4)不同灌水处理玉米茎流对环境因子的响应有所差异,本研究表明影响CFI、AFIH处理茎流的主要因素是气象因子,影响AFIL处理玉米茎流的主要因素为土壤水分。基于主成分回归分析和人工神经网络建立了茎流预测模型,根据模型误差分析与模型不确定性分析,神经网络模型RMSE、d-factor值较小,R~2值达到了0.9以上,神经网络模型预测精度更高,模型更稳定。利用不确定性分析找到了影响茎流的最敏感土层:CFI处理和AFIH处理茎流变化与20-30cm土层关系最密切;AFIL处理茎流变化关系最敏感的是10-20cm土层。
【图文】：

示意图,示意图,试验设计,土壤水分传感器

8 交替沟灌夏玉米水分亏缺诊断与蒸腾估算研究2.3 试验设计及测定项目2.3.1 试验设计试验在 6 个规格为 60 cm 80 cm 100 cm 的测坑中进行。试验布置如图 2-2 所示，每隔 10 cm 在每个测坑中间塑料薄膜两侧分别埋设 1 套土壤水分传感器 ECH2O（Decagon，USA），两边各垂直布设 5 个，探头间距 10 cm，每个测坑共设置 10 个探头。装土完成后，在测坑内起垄，垄宽为 10 cm，2 垄间形成顶宽度为 15 cm 的沟，沟深 10 cm。

日变化规律,茎流,气象因子

b.茎流日积累量b. The diurnal accumulation of Stem flow图 3-6 玉米茎流日变化规律Fig. 3-6 Daily change rules of stem sap flow in different treatments速与气象因子的关关系条件下玉米茎流速率的峰值和茎流日累积量的大小明显受射波动，玉米茎流速率也呈现出规律变化。因此，，玉米茎流子的影响。图 3-7 为玉米瞬时茎流速率与 Ra、VPD、RH 和a、Ra、VPD 呈显著正相关（P＜0.01），与 RH 呈显著负相决定系数来看，气象因子对茎流速率影响程度大小H。但茎流速率与气象因子间关系较离散，这是因为气象因在遮雨棚内，太阳辐射直接影响相对湿度和空气温度，而饱对湿度的综合指标，环境因子对茎流影响十分复杂，仅利用归模型（表 3-4），如何提高其模型精度还需要进一步研究
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S513

【参考文献】