径流曲线法模型参数在黄土地区的优化研究

根系吸水的定量模拟是土-根系统水分动力学研究的难点之一.现有根系吸水模拟模型往往是在特定条件下建立的,缺乏对根系吸水机制的了解,因而其应用受到限制.根系吸水的最小能量模型是基于植物为适应生存,用于根系吸收水分消耗的能量最小这一物理概念上提出来,是否能真实反映根系吸水情况值得进一步研究.采用土柱实验,对该模型进行了实验验证.发现正常水分条件下,最小能量模型模拟精度高,而在土壤干旱条件下模拟精度较差,可能与干旱条件下植物体内的生物调节机制有关.     

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。     

盐渍化地区油料向日葵根系吸水模型的建立

在盐渍化地区进行节水灌溉研究，具有一定的难度，其影响因素较多，而盐渍化地区根系吸水量的计算是进行节水灌溉的关键。该文根据带有作物根系吸水项的垂向一维土壤水运动方程，采用有限差分法，应用节水灌溉试验野外实测资料计算了作物根系吸水速率，并检验了所计算根系吸水速率的准确性。在此基础上将人工神经网络技术引入到根系吸水模型的建立中，建立了拓扑结构为15∶12∶5的根系吸水模型。研究表明：油料向日葵根系的主要吸水层集中在距地表0～50 cm土层间，最大吸水峰在20～40 cm之间运移；计算的根系吸水速率精度较高；所建立的BP神经网络根系吸水模型对盐渍化地区油料向日葵根系吸水速率的模拟具有较高的精度。     

水分胁迫条件下绿洲农田冬小麦水分运移规律研究

以干旱区绿洲农田冬小麦水分胁迫试验为基础,研究了不同水分胁迫条件下的冬小麦生长发育、水分利用以及土壤水分运动特征,建立了含有根系吸水项的一维土壤水动力学模型,模拟了不同水分胁迫条件下冬小麦蒸腾、棵间蒸发、根系吸水、根系生长以及田间土壤水分运移过程。结果表明:在冬小麦生育前期、中期根系吸水主要在80cm以上,生育后期根系对下层土壤水分吸收量增加,但所占比例很小。根据实测根系生长资料分析水分胁迫下生育中期根系受到水分胁迫,在生育后期恢复灌水后根系早衰,生长缓慢;从胁迫程度上来说中度胁迫复水后的后效影响要大于重度胁迫处理。     

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。     

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。     

农田墒情动态二区模拟模型

为准确模拟土壤计划湿润层内墒情动态变化,基于土壤-植物-大气连续体物质能量运动及土壤水动力学的基本理论,考虑作物根系伸展和吸水特性,把土壤水分变化土层划分为随作物根系伸展而改变深度的包含主要根系的动态根区和无根系的储水区,构建了变根区墒情动态二区模型。模型根区深度随着作物根系伸展改变,以此准确表达土壤计划湿润层内墒情的动态变化;将储水区的土壤水分作为模型变量,计算根区下界面水分通量,由此间接地考虑了深层土壤水分对作物蒸发蒸腾量的影响。将模型拟合误差作为目标函数,采用自由搜索算法率定模型参数。应用建立的模型进行墒情模拟,模拟相对误差小于±5%和±10%所占的比例分别为49.09%和94.55%;经t检验和回归分析表明预测值和实测值相差不大,具有较好的一致性,决定系数为0.779,模型具有较高的模拟精度,能准确反映计划湿润层内墒情的变化。     

盐分胁迫条件下苜蓿根系吸水特性的模拟与分析

体文借鉴Ｈｏｍａｅｅ有关盐分胁迫的部分试验研究结果及一种新的数值迭代反求方法，对无水分、养分限制条件下，Ｈｏｍａｅｅ苜蓿盐分胁迫试验中苜蓿根系的吸水规律进行了数值模拟与分析，提出了一种计算相对根长密度分布函数的简便计算方法，建立了盐分胁迫条件下苜蓿根系的吸水模型．结果表明：盐分的存在会显著降低苜蓿的根系吸水速率，当土壤溶液的电导率达到约５ｄＳ／ｍ时，将极大地影响苜蓿的根系吸水；本文提出的计算相对根长密度分布函数的计算方法较为简便、可靠；基于相对根长密度分布函数的吸水模型可以较好地模拟根系的吸水规律．     

农田水量平衡模型对作物根系吸水函数及蒸散公式的敏感性

以田间试验资料为基础,建立了一个农田水量平衡模型,探讨了它对作物根系吸水函数和蒸散公式的敏感性.结果表明.不同的根系吸水函数和蒸散公式对农田水量平衡模型的响应程度差异较大,根据与田间土壤水分实测结果比较,认为用Selim根系吸水函数和Penman-Monteith蒸散公式的组合模式能较好地模拟土壤水分变化过程.     

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。     

不同灌溉策略下冬小麦根系的分布与水分养分的空间有效性

通过田间试验研究了少量多次和少次多量的灌溉方式下冬小麦根系的分布与水分养分的空间有效性。结果表明 :少量多次的灌溉方式降低了冬小麦返青后表层根系的生长 ,减少了拔节后该层根系的衰退。在少次多量的灌溉方式下返青期不灌水促进了表层根系的生长 ,然而拔节后该层根系衰退较多 ,但中层 ( 3 0～ 60cm)根系生长高于少量多次的灌溉方式。不同灌溉策略下根系分布的差异并不影响冬小麦对土壤水分和养分的吸收 ,由于播前土体内蓄水不足 ,三种灌溉方式下 0～ 90cm土壤可用水在收获后均消耗殆尽。灌溉促进了表层硝态氮的吸收和向下迁移 ,但两种灌溉方式下硝态氮在土体内的迁移均未超出 60cm土体 ,仍在根层之内。而不同的灌溉方式对冬小麦全生育期内土体速效磷钾的分布没有影响。扬花前两种灌溉方式下冬小麦的生长发育和养分的吸收并无差异 ,扬花后少次多量的灌溉方式由于水分供应不足 ,影响了灌浆 ,降低了千粒重 ,进而影响了产量 ,同时土壤水分缺乏也减少了该时期养分的吸收。而在少量多次的灌溉方式下 ,扬花后灌水不仅可以促进冬小麦灌浆 ,提高千粒重 ,而且增加了对养分的吸收。     

基于动态规划理论的棉花根长生长模拟方法

作物根系生长不仅取决于生理因素,还取决于生态环境因素,而土壤水分环境与作物根系生长之间的关系则是局部灌溉技术设计的理论依据之一。为了进一步探索影响棉花根系生长的主要因素,本文在根?冠水量平衡的基础上,结合作物系数与叶面积的关系模型、根长密度分布函数以及根系吸水效率函数,应用动态规划理论,建立了棉花根系生长模型,并以桶栽棉花试验结果进行验证。结果表明,该模型纳入了土壤水分环境、大气蒸腾力和叶面积等影响根系生长的因子,具有揭示根系生长耗水机理的作用。该模型模拟出的棉花总根长变化趋势与实测结果基本一致,当以多年月平均参考蒸散量(ET0)作为输入条件时,模拟结果总体误差为15.41%,可以用于工程设计。对模型敏感性分析结果表明,所建模型能够反映棉花根?叶生长的同步性,以及进入生殖生长期以后根—叶之间的水量平衡关系。棉花根系生长对土壤水分环境变化的敏感性高于对叶面积变化的敏感性,体现了棉花根系生长的机理,建模方法可行。本文研究成果对完善局部灌溉技术中灌溉制度的设计理论具有重要意义。     

Yearly variation of root distribution with depth in relation to nutrient uptake and corn yield

Abstract

Root length and root distribution in the soil profile is important in determining the amount of nutrients and water taken up by the plant. Data about year to year variation of corn (Zea mays L.) root growth and its relation to nutrient uptake are limited. An evaluation of the importance of root system size and distribution on P and K uptake and corn yield was made from samples taken annually from a long‐term fertility experiment on Raub silt loam, fine silty, mixed, mesic Aquic Argiudolls. Root density varied with soil depth among years, whereas P and K fertilizer treatment had no measureable influence on total root length. Ear leaf P concentration was highly correlated with the amount of roots in the 0 to 15 cm layer which contained most of the available P. Since P was not appreciably limiting corn yield, no significant relation was found between yield and P content of the ear leaf. Yields on K deficient plots were positively correlated with root density in the topsoil. Correlations of root densities in the deeper soil layers with both yield and ear leaf nutrient concentration became increasingly smaller with depth in the soil profile. The results indicate that root length plus root distribution in the soil may influence year to year variation in yield particularily on soils having low available nutrient levels. This variation in root growth may be responsible for differences among years in the response of crops to applied P and/or K.     

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。     

Does transport of water to roots limit water uptake of field crops?

The question was examined under which conditions the water extraction rate of plant roots in the field can be limited by water transport to the roots. For this purpose we used a numerical solution of the single root model. Scenario calculations were carried out in order to investigate the general model behaviour. A sensitivity analysis showed that initial volumetric water content and root length density are of greater importance than root diameter in determining the maximum water transport rate to the roots. Data from a field experiment were taken, describing root length density, volumetric water content and water uptake rates under oats (Avena saliva L.) and faba beans (Vicia faba L.) as model input parameters. With this data the model calculated the water content difference between the bulk soil and the root surface which is necessary to induce a water flow to the roots matching the observed water uptake rate. Root length densities below the grain legume crop faba beans are one order of magnitude lower compared to that of the cereal crop oats. The therefore higher specific water influx rates of faba beans roots resulted in a higher decrease in water content near the root surface. However, water uptake by faba beans was controlled by the water flow towards the roots probably only in deeper soil layers with very low root length density. For the given conditions no transport limitation of water uptake was calculated, when rooting densities were higher than about 0.1 cm.cm^?3.     

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。     

秸秆覆盖对滴灌棉花土壤水盐运移及根系分布的影响

干旱区棉田残膜污染日益严重, 秸秆覆盖能从根本上杜绝农田残膜增量。为探索秸秆覆盖代替塑料薄膜与滴灌结合的可行性, 需了解秸秆覆盖对滴灌棉田土壤水盐分布及棉花根系的影响特点, 同时探索耕作层以下30 cm处埋设一层秸秆进行深层秸秆覆盖与滴灌结合的效果。本文采用测坑试验研究了3种秸秆覆盖方式(表层覆盖、30 cm深层覆盖和无覆盖)与滴灌结合在2种土壤条件下(非盐碱土和盐碱土), 棉花根系分布稳定后的絮期土壤水盐运移及棉花根系分布特征。结果表明: 表层覆盖对于土壤整体保水性较好, 能有效抑制耕层水分散失和盐分聚集; 30 cm深层覆盖整体保水性优于无覆盖, 相对表层覆盖仅在秸秆层以下靠近滴灌带的有限范围内具有优势, 并显著提高耕层以下土壤水分含量, 但在棉花絮期对于盐分抑制作用不明显。秸秆覆盖通过对水盐运动的影响而显著影响棉花根系分布, 尤其对深层根系分布影响更大。非盐碱土条件下, 0~28 cm土层, 无覆盖处理根长密度、根重密度、根长密度比重均最大, 表层覆盖根长密度最小, 但根重比重最大, 30 cm深层覆盖根重密度最小; 在28~70 cm土层, 30 cm深层覆盖根长密度最大, 表层覆盖根长密度最小, 但根长密度比重最大, 无覆盖根长密度比重最小, 其中在28~56 cm土层30 cm深层覆盖根重密度和根重比重均最大。盐碱土条件下, 0~28 cm土层, 表层覆盖与30 cm深层覆盖根长密度和根长比重均高于无覆盖处理, 同时表层覆盖根重密度最高, 30 cm深层覆盖根重密度和根重比重均最低; 在28~70 cm土层情况相反, 30 cm深层覆盖处理根重比重最大, 但根重密度最小。说明表层覆盖可促进非盐碱土及盐碱土耕作层根系发育, 30 cm深层覆盖限制上层根系发育, 但促进30 cm以下土层根系发育, 在盐碱逆境下秸秆覆盖可促进根系向更细更长方面发育。秸秆覆盖与滴灌结合在干旱区具有良好应用前景。     

Critical soil bulk density and strength for pea seedling root growth as related to other soil factors

Bulk density and soil strength are two major soil physical factors affecting root growth of pea seedlings. This study was conducted to determine the influence of soil texture, organic carbon content and water content on critical bulk density and strength. Soil from the plough layer (PL) and beneath the sub-soil (SUB) was used. By soil packing and adjusting the water content between 30% and 100% of field water capacity (FWC) a wide range of bulk density (1.3–1.7 Mg m⁻³) and strength (0.24–6.66 MPa) were obtained. Pea (Pisum sativum L.) was grown in the packed cores of 100 cm³ for 72 h at 20°C. Regression models were developed to explain root growth in terms of bulk density, soil strength, silt and clay (<60 μm) content, organic carbon, and water content. The regression curve of root growth as a function of soil strength showed that 40% of maximum root length can be regarded as an indicator of very poor root growth. By substituting this value into the root growth equations we calculated a critical bulk density and strength in terms of fraction<60 μm, organic carbon percentage and water content. The values of critical bulk density in both layers and of critical soil strength in the sub-soil increased with a decreasing content of fraction<60 μm. Irrespective of fraction<60 μm content, the critical bulk density and strength decreased as soil water content decreased. Critical soil strength was more sensitive than critical bulk density to changes in fraction<60 μm content and water content. This study provides data and a method for predicting critical bulk density and soil strength in relation to other soil properties for pea seedling root growth.