盐分胁迫条件下冬小麦根系吸水模型的构建与验证

为了验证盐分胁迫条件下根系吸水与根氮质量之间的关系,同时对盐分胁迫修正因子的参数进行优化,该研究通过布置田间试验,对冬小麦平均根系吸水速率分布进行了估算,并对其与根氮质量密度之间的关系进行了分析,结果表明,田间试验条件下,冬小麦最大根系吸水速率与根氮质量密度仍呈线性正比关系。在此基础上,建立了盐分胁迫条件下基于根氮质量密度分布的根系吸水模型,并对其中盐分胁迫修正因子中的参数进行了优化,进而对咸水灌溉条件下冬小麦的根系吸水规律进行了模拟,其结果与利用反求方法估算得到平均根系吸水速率分布吻合较好,表明盐分胁迫条件下,冬小麦根系吸水与根氮质量之间的线性正比关系仍然成立,并可用于优化盐分胁迫修正因子,从而建立相关的根系吸水模型。     

应用实测含水率剖面估算冬小麦相对根长密度分布

根长密度是根系研究中不可缺少的一个参数，但其适时准确的测定却存在相当的困难。该文应用平均根系吸水速率反求方法，提出了在已知两个实测含水率剖面的条件下，估算相对根长密度分布的方法，并通过田间实验和土柱实验对该方法进行了检验，结果表明：该方法可以较好地估算相对根长密度的分布，为土壤水分运移的连续模拟提供较为可靠的参数。     

冬小麦生长条件下改进遗传算法在根系水盐运移模型中的应用研究

应用改进遗传算法，优化人工神经网络模型的权值，对盐分存在下的冬小麦根系分布进行定量预报，将获得的根系分布参数与根系吸水模型以及水盐运移模型相结合，进行了水分、盐分分布的数值模拟。结果表明，应用改进遗传算法可以为根系吸水模型提供所需的根系参数，并且可以较好地对土壤中水分、盐分的运移分布情况进行模拟；该方法建模简单、实用，模型对于土壤次生盐渍化的防治与微咸水的灌溉利用等具有参考价值。     

极端干旱地区葡萄根系吸水数值模拟

研究成龄葡萄根系分布与吸水特征及耗水规律,能够为制定成龄葡萄灌溉制度、提出丰产与节水相协调的成龄葡萄田间水分管理模式和创建成龄葡萄水分高效利用技术体系提供技术支撑。该文在分析灌溉条件下葡萄吸水特征的基础上,建立了一维非饱和土壤水分运动的无网格数值模拟模型,并依据实测葡萄根系分布特征,获得了葡萄一维根系分布函数,将其与不同的经验根系分布函数应用于数值模型进行动态模拟。通过模拟值与土壤水分实测值的比较分析,结果表明,不同根系分布模型下土壤水分模拟差别不大,相对误差均在1%以下,但相对于其他根系分布,指数根系数分布模拟值与实测值的误差较大,因此,认为拟合的根系分布函数和无网格数值模型能很好的模拟极端干旱地区葡萄根系吸水和土壤水分运动,且在缺乏实际根长分布数据的条件下,线性根系分布和分段根系分布都可反映葡萄实际根系分布,为利用简单一维根系分布模型分析不同灌溉条件葡萄吸水特征提供参考。     

紫花苜蓿不同根系分布模式的土壤水分模拟和验证

根系分布影响着土壤水分养分吸收,实测根系分布费时费力,经验根系分布函数参数简单,应用方便。该研究在田间采用苜蓿栽培土柱试验,测定根系分布,并将其和不同经验根系分布函数分别应用于Hydrus-1D对土壤水分进行动态模拟,通过土壤水分实测值和模拟值比较,验证分析了经验根系分布函数的适用性以及对土壤水分动态变化的影响。结果表明：拟合的根系分布、Prasad分布、Hoffman和van Genuchten分布3种根系分布函数的根长密度模拟值与36 cm以下的根长密度实测值较为吻合,Raats根系分布模拟值与实测值及其他分布函数则差别较大。不同根系分布下土壤水分模拟差别不大,平均相对均方根误差在3.5%以下。非胁迫生长条件下,Prasad根系分布、Hoffman和van Genuchten根系分布都可描述紫花苜蓿实际根系分布状况。     

塔克拉玛干沙漠公路防护林棵间土壤蒸发及蒸发量估算

通过田间试验,建立了实用性膜下滴灌棉花根系吸水模型,研究了在作物生长条件下的土壤水分运动,以揭示膜下滴灌棉花根系吸水规律。调查了不同生育期膜下滴灌棉花根系的分布,在棉花宽行及窄行采用根钻取样,将土样冲洗后,测定棉花根长参数,进而建立了棉花根长密度分布函数。根据理论分析和计算,考虑根长密度、土壤含水率及植株蒸腾量,建立了棉花根系一维吸水模型,其形式简单,涉及的参数较少。建立的棉花根系一维吸水模型能够反映棉花根系吸水的实际情况,应用方便,具有实际应用价值。     

基于遗传算法的人工神经网络模型在冬小麦根系吸水模型中的应用

基于土壤水分与冠部数据,应用遗传算法优化人工神经网络模型的权值,将获得的冬小麦根长密度分布应用于根系吸水模型中,并进行了水分数值模拟,水分模拟效果整体较好,表明应用该方法可以为根系吸水模型提供准确的根系参数,并且较为方便,这对于根系吸水模型的建立及应用有着重要的意义。     

喷灌和地面灌条件下冬小麦根系分布特点的研究

根据喷灌水分在土壤中的分布特点,并参照地面常规灌水,研究了2种灌水方式的不同灌水定额下冬小麦根系生长规律和分布状况,提出了相应的冬小麦根系生长和分布的数学模型,较深入地分析了在喷灌和地面灌条件下根质量密度剖面相对分布的异同,从而为更加准确地建立根系吸水模型,模拟土壤水分运移规律提供参考     

反求根系吸水速率方法的探讨

植物生长条件下土壤水分运动方程的逆问题具有强烈的非线性性与不适定性，该文探讨分析了两种现有的模拟根系吸水速率的反求方法，并提出了一种新的数值迭代反求方法。数值实验结果表明：含水率（或基质势）剖面实测值与模拟值的对比不足以论证根系吸水模型的正确与否；当初始剖面土壤水分变化较为剧烈时，提出的新的数值迭代反求方法可以较好地模拟根系吸水速率在土壤剖面上的分布，在任意两次“实测”时间间隔内，当根系吸水速率变化不大时，选用时间间隔分别为1、2、5、10和15 d的“实测”土壤水分剖面均可以获得与理论吸水分布较为一致的结果，模拟所得的“实际”蒸腾强度与理论值的相对误差均在3%以内。     

反求根系吸水速率方法的检验与应用

土壤含水率剖面实测时间间隔T与实测点间距SI是影响平均根系吸水速率反求方法的2个主要因子。通过数值实验，首先探讨分析了T和SI的不同取值条件下，平均根系吸水速率模拟值的误差效应，从实际应用角度出发，若设定平均根系吸水速率的最大绝对误差≤0.0015 d^-1，总体相对误差≤15%，则T和SI的选取最好能限制在如下范围之内：5 d≤T<15 d，SI<20 cm。应用上述检验分析结果，对两种水分胁迫条件下土柱实验中苗期冬小麦的根系吸水进行了模拟分析，结果表明：持续的水分胁迫将显著地降低冬小麦根系的吸水速率，抑制其根系的生长；当上部土层水分供应不足时，小麦的自我调节功能可导致根系扩大其吸水范围，向下部土层生长。     

膜下滴灌棉花根系吸水模型的建立

黄土高原是世界上土壤侵蚀最为严重的地区之一,沟谷侵蚀是其最重要的研究课题。为了从地理学角度估算沟谷侵蚀量,以5m×5m分辨率的DEM为实验数据,运用传统地图制图学领域的等高线图形简化技术,结合现代GIS三维分析与数据挖掘方法,对陕西省安塞县马家沟流域典型样区进行了实验研究。结果表明,对构成沟谷部位的等高线几何图形实施简化,即相当于在实验条件下对沟谷实行了"虚拟填充",这种地形还原手法可用于模拟沟谷系统的形成和发展过程,对于探索单一沟谷或流域沟谷系统的长期演变过程,准确估算沟谷系统的侵蚀总量具有广泛的参考价值。     

不同灌溉制度对玉米根系生长及水分利用效率的影响

为了探讨不同灌溉制度对玉米根系生长和水分利用效率的影响及基因型间差异,在大型活动防雨棚和棚外田间条件下,利用一组玉米遗传材料杂交种户单四号、父本803和母本天四进行了研究。结果发现玉米杂交种在根系生长、分布和水分利用效率上表现出显著的杂种优势。在充分灌溉条件下,玉米杂交种在浅层的根长密度大于亲本,但在水分亏缺条件下,玉米杂交种根长密度在整个剖面上都显著大于亲本;同一玉米基因型在不同的灌溉制度下根长密度在土壤剖面的分布也不同,拔节期不灌溉条件下玉米根系在深层土壤中的分布较充分灌溉条件下大,保证了玉米对深层土壤水分的充分吸收,而后期灌水延缓了表层根系生长的衰退,产生明显的补偿效应;拔节期干旱而抽雄期和灌浆期灌水显著提高了3种基因型玉米的水分利用效率。通过合理灌溉优化玉米根系分布特性以提高玉米吸水能力和水分利用效率,是节水栽培上的可行途径。     

再生水分根交替滴灌对马铃薯根-土系统环境因子的影响研究

分根交替（PRD）滴灌技术是很有节水潜力的灌水技术。利用再生水,采用分根交替滴灌技术对马铃薯根长密度、根重密度及土壤水盐的空间分布影响进行了研究。结果表明,马铃薯根系主要分布在0-60 cm的土层内,以植株为中心,呈放射状沿不同方向减小。通过研究所建马铃薯根长密度的空间分布函数能较好地反映根系的三维分布趋势。PRD灌溉可以刺激马铃薯根系生长,水分利用效率提高39%。进行PRD灌溉时应重点考虑滴头位置处及垄坡上的水盐变化,最好能起到节水控盐的双重作用。再生水PRD地下滴灌是对传统地表滴灌的优化和提升。     

基于Hydrus-1D模型的玉米根系吸水影响因素分析

为探索土壤质地、植物生长状况和气象条件对不同土壤水分条件下根系吸水速率的影响机理,该文以相对根吸水速率与土壤含水率的关系衡量土壤水分有效性,利用Hydrus-1D模型模拟了3种土壤（壤黏土、黏壤土和砂壤土）中不同玉米生长状况（包括叶面积指数、根系深度和根系剖面分布）或蒸发力条件下根系吸水速率随含水率的动态变化,确定了不同条件下根系吸水速率开始降低的临界含水率。结果表明：土壤质地、植物的叶面积指数和根系分布及大气蒸发力都对根系吸水动态曲线的临界含水率有一定影响,其中根系深度和根系分布形状还影响根系吸水速率与含水率关系曲线的形状,但在3种土壤中,根系吸水速率的动态变化对植物生长和大气蒸发力的响应不同。总体而言,3种土壤临界含水率的大小是壤黏土＞黏壤土＞砂壤土;临界含水率随大气蒸发力的升高而升高,随根系深度和深层根系分布的增加而降低;各因子对玉米根系吸水影响程度的大小是土壤质地＞根系分布形状＞根系深度＞大气蒸发力＞叶面积指数。     

Fine root growth and water use efficiency in alfalfa (Medicago sativa L. cv. Gongong No. 1) planted along a salinity gradient in coastal area of Dalian,Northeast China

The response of plant growth to a geographical salinity gradient under the current scenario from inland to seaside implies the possible future trend of plant development in response to sea-level rise driven by global warming. In the present study, alfalfa (Medicago sativa L. cv. Gongnong No. 1) was planted in sites along a salinity gradient in Dalian City, Northeast China. Fine root growth was investigated at three depths of 0–10 cm, 10–20 cm and 20–30 cm. Meanwhile, another control experiment was conducted using potted alfalfa exposed to gradual levels of salinity at the same levels as the salinity gradients in the field to confirm the unique impact of soil salinity on alfalfa physiology. Results from both field and pot experiments indicated that the parameters of net photosynthesis rate (P_N), foliar transpiration (T_r) and water use efficiency (WUE) all decreased with the increase of gradient from inland to seaside. Root surface area also showed a general decline for all three soil depths, but differences among the three soil depths were not significant. Root diameter was greatest in soils at a depth of 0–10 cm, while root tip number was greatest in soils at a depth of 10–20 cm. All root morphological parameters decreased with salinity level along the geographical gradient from inland to coastal seaside, while both root surface area and root tip number positively correlated with soil ammonium and nitrate contents, respectively. Our results predicted that, driven by seawater intrusion from sea-level rise under global warming, future performance of inland alfalfa may suffer from severe soil salinity through constricting new root egress and elongation. This trend would be mainly driven by soil salinity which reduces photosynthesis by stimulating water loss in alfalfa.     

干旱胁迫对花生生育中后期根系生长特征的影响

花生是较耐旱的经济和油料作物, 长期少雨或季节性干旱是限制花生产量提高的重要环境因子, 也是花生收获前黄曲霉素感染的重要因素。根系是植物吸水的主要器官, 不同土壤水分状况下植物的根系构型可能会表现出显著差异, 进而影响植物根系吸收养分和水分的能力。研究不同土壤水分状况下花生根系形态的发育特征与抗旱性的关系对进一步理解花生的水分吸收、运输、利用和散失机制以及培育抗旱性花生具有非常重要的作用。为明确不同抗旱性花生品种的根系形态发育特征, 探讨其根系形态发育特征对不同土壤水分状况的响应机制, 在防雨棚旱池内进行土柱栽培试验, 研究抗旱型花生品种"花育22号"和干旱敏感型花生品种"花育23号"生育中后期根系生长特征及其对干旱胁迫的响应。设置正常供水和中度干旱胁迫(分别控制土壤含水量为田间持水量的80%~85%和45%~50%)2个水分处理, 分别在花针期、结荚期和饱果期进行取样,根长、根表面积和体积扫描后通过WinRhizo Pro Vision 5.0a程序进行分析; 收获时测定产量和抗旱系数(干旱胁迫处理与正常供水处理下产量之比)。结果表明, "花育22号"具有较高的产量和抗旱系数, "花育23号"对干旱胁迫的适应性小于"花育22号"。抗旱型品种"花育22号"具有较大的根系生物量、总根长和根系表面积, 且深层土壤内根系表面积和体积大于"花育23号"。与正常供水处理相比, 干旱胁迫显著降低2个品种花针期的根系总根长、根系总表面积和总体积, 对结荚期和饱果期根系性状无显著影响; 干旱胁迫增加2个品种生育中后期40 cm以下土层内的根长密度分布比例、根系表面积和体积, 但"花育23号"各根系性状增加幅度小于"花育22号"。干旱胁迫处理下20~40 cm和40 cm以下土层内根系表面积和体积分别与总根长、总表面积和总体积呈显著或极显著正相关, 而正常供水处理下0~20 cm土层内根系表面积和体积与整体根系性状表现极显著正相关。总体而言, 具有较大根系和深层土壤内较多的根系分布是抗旱型花生的主要根系分布特征; 土壤水分亏缺条件下, 花生主要通过增加深层土壤内根长、根系表面积和体积等形态特性调节植株对水分的利用。     

根系吸水模型模拟覆膜旱作水稻气孔导度

为构建覆膜旱作水稻根系吸水模型,进一步改进气孔导度模型,该文在湖北十堰开展包含3个水分处理(淹水、覆膜湿润和覆膜旱作栽培)的田间试验,分析覆膜旱作水稻蒸腾(根系吸水)与根长之间的关系,在此基础上建立覆膜旱作水稻根系吸水模型,并将其代替彭曼(Penman-Monteith,PM)方程来估算蒸腾强度,进而与脱落酸(abscisic acid,ABA)参与调控的气孔导度模型耦合,模拟覆膜旱作条件下水稻气孔导度的日变化过程。结果表明,水稻蒸腾与根长呈线性正比关系(R~2=0.96,P0.05),据此建立的根系吸水模型可以较好地模拟覆膜旱作水稻的蒸腾(根系吸水)规律,使蒸腾强度模拟值和实测值间的相对误差基本控制在15%以内;经改进后的Tardieu-Davies气孔导度模型(TD模型)可有效描述不同土层根系吸水流中的ABA浓度及不同根系层ABA的合成对木质部蒸腾流中总ABA含量的贡献,可较好地模拟气孔导度的日变化过程。改进TD模型大大提高了模拟精度,使相对误差不超过7.0%。该研究可为覆膜旱作水稻生理节水机理和水分利用效率评估提供一定的理论依据。