旱地土根系统水分运移对化学调控的响应机制及模拟研究

发布时间：2017-06-12 13:14

  本文关键词：旱地土根系统水分运移对化学调控的响应机制及模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：化学调控技术是基于水分调控的一项重要旱地农业技术,具有易实施、投入小且见效快等优点。化学制剂通过自身独特的作用效应(比如：减轻土表结皮,增强土壤持水性能,抑制叶面气孔开度等)来调控水分在土壤和作物系统内的运移,促进水分的高效利用。相较于单种化控制剂的调控而言,多种化控制剂联合调控的作用效果更加全面,能在更大程度上提高水分利用效率,对缓解旱地农业区水资源压力有重要的指导意义。本文通过田间栽培试验、土壤培养试验和土柱试验等方法,研究了基于玉米产量最优的多种化控制剂联合应用模式,并深入探讨了土根系统中水分运移的化学联合调控机制,构建了化控制剂应用条件下基于Richards方程水力参数为时变函数的土壤水分运移模型及根系吸水模型,并在田间化控制剂应用条件下对模型进行了应用和验证。主要结论如下：(1)对雨养控肥条件下土壤改良剂PAM、保水剂SAP和叶面蒸腾抑制剂FA三种典型化控制剂的应用组合模式进行了连续3年(2012年～2014年)的田间栽培试验,发现PAM对玉米产量的影响并不显著,而SAP、FA和氮肥的施用均对玉米产量有极显著的影响,且SAP和FA,SAP和氮肥之间还存在显著的交互作用；建立的回归模型表明,当SAP施用量为93.38kg/km2,FA施用量为23.03 kg/km2,施肥量为376.88 kg/km2时,预期可得到最大玉米产量为1.36 kg/m2。(2)SAP对土壤水力参数和持水特性产生时变性影响,本文提出了在水力参数D(θ)剀和K(θ)中引入时间项t的思路以体现化控制剂带来的这种影响,并将化控制剂施入土壤中的时间和试验进行时间视为同一时间t,建立了基于Richards方程水力参数为时变函数(D(θ,t)和K(θ,t))的土壤水分运移模型,本文提出的模型构建思路和数值求解方法也为进一步实现构建化控制剂应用条件下考虑作物根系吸水的水分运移模型提供了可行条件。(3)提出了基于Richards方程水力参数为时变函数的土壤水分运移模型根系吸水源汇项的反求估算方法,并设置了数值试验对该反求方法的稳定性进行了检验,结果发现吸水间隔、水力参数、测试误差和仪器精度对该反求方法稳定性的影响较大,时间步长、层状土壤及边界条件对模型稳定性的影响较小；时间间隔5-17d,步长1000～10000,误差控制在0.9以内,仪器精度控制在0.03以内,土面蒸发控制在0.6以内为该反求方法的适宜条件。(4)SAP的应用可以增强根系吸水性能,FA则可以通过减小叶面气孔导度而在一定程度上抑制根系吸水,比较分析化控制剂对根长密度和根氮质量密度的影响效应后发现,化控制剂对玉米前期根长密度的增加起到了很大的作用,但随着玉米的生长这种提升作用逐渐减弱,而化控制剂对根氮质量密度的作用效应与根长密度相反,表现为逐渐提升根氮质量密度,且作用效应更为稳定,其更符合根系吸水反求值在土壤剖面的分布规律。(5)SAP和FA的联合应用有效减轻了作物的“光合午休”现象,其增强玉米光合速率的同时一定程度上抑制了蒸腾；综合分析玉米根系发育、叶面气孔导度和内源激素之间的关系可以发现,玉米根长密度、根氮质量密度和气孔导度不仅仅受单一激素的影响,还受多种激素的共同影响,SAP和FA主要通过调控ABA、ABA/(ZR+GA+IAA)在作物中的分布,进而实现对根系功能的调控,另一方面则通过调控ZR、ZR/ABA在作物中的分布来实现对叶面气孔导度的调控。(6)分别基于根长密度和根氮质量密度来构建模型对根系吸水情况进行模拟,结果表明基于根氮质量密度构建的模型更能体现化控制剂应用条件下的根系吸水规律,与本文机理探讨的结论一致；基于根长密度的吸水模型在SAP施入层的模拟值与“实测值”有较大出入,主要是由于SAP抑制了该土层中根系长度增加而出现的模拟失真；在田间条件下的模拟结果表明,本文构建的考虑根系吸水的水分运移模型可以较好地反映化学调控对土根系统中水分运移的作用效应。
【关键词】：化学调控 保水剂 黄腐酸 土壤水分运移 根系吸水
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S152.7;S513
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 研究的背景和意义11-12
• 1.2 国内外研究进展12-22
• 1.3 研究目标与研究内容22-23
• 第二章 研究方法与试验方案23-32
• 2.1 研究方法23
• 2.2 技术路线23-25
• 2.3 试验方案25-32
• 第三章 基于产量最优的化学联合调控模式32-45
• 3.1 化学联合调控概念32-33
• 3.2 化学联合调控优化模式定性筛选试验结果分析33-37
• 3.3 化学联合调控优化模式定量筛选试验结果分析37-42
• 3.4 化学联合调控优化模式验证试验结果分析42
• 3.5 讨论与分析42-43
• 3.6 小结43-45
• 第四章 土壤持水特性及水力参数对化学调控的响应45-60
• 4.1 对非饱和扩散率的影响45-51
• 4.2 对水分特征曲线的影响51-54
• 4.3 对非饱和导水率的影响54-58
• 4.4 讨论与分析58-59
• 4.5 小结59-60
• 第五章 化控条件下土壤水分运移模型构建及根系吸水项的反求估算方法60-78
• 5.1 水力参数为时变函数的土壤水分运移模型的构建及求解60-64
• 5.2 玉米根系吸水项反求估算方法64-65
• 5.3 反求估算方法稳定性分析65-76
• 5.4 讨论与分析76-77
• 5.5 小结77-78
• 第六章 玉米生理功能及根系发育对化学调控的响应78-101
• 6.1 土壤剖面含水率分布的响应78-80
• 6.2 根系吸水的响应80-83
• 6.3 根长密度的响应83-85
• 6.4 根氮质量密度的响应85-87
• 6.5 光合生理性能的响应87-91
• 6.6 内源激素的响应91-96
• 6.7 讨论与分析96-99
• 6.8 小结99-101
• 第七章 化学调控作用下玉米根系吸水模型的构建及应用101-116
• 7.1 根系吸水模型的构建思路102-103
• 7.2 基于根长密度的根系吸水模型构建103-105
• 7.3 基于根氮密度的根系吸水模型构建105-107
• 7.4 适应性检验107-110
• 7.5 考虑根系吸水的水分运移模型在田间条件下的应用及验证110-114
• 7.6 讨论与分析114-115
• 7.7 小结115-116
• 第八章 结论与建议116-119
• 8.1 主要结论116-118
• 8.2 进一步研究的建议118-119
• 参考文献119-130
• 致谢130-131
• 作者简介131-132

【参考文献】

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本文编号：444152