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．     

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。     

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。     

基于不同水肥组合的春玉米相对根长密度分布模型

根系分布是模拟作物生长与土壤水分和养分运移,以及制定合理的灌溉制度和作物管理不可缺少的参数之一。现有的根系分布模型大多是于单一灌水和施肥条件下建立的,因此研究不同水肥组合下滴灌玉米的根系分布模型更具有实际意义。利用2a的田间小区试验,以春玉米"强盛51号"为试验材料,设置4个灌水水平,2015年和2016年分别为I_(60)(60%ET_c)、I_(75)(75%ET_c)、I_(90)(90%ET_c)、I_(105)(105%ET_c)和I_(60)(60%ET_c)、I_(80)(80%ET_c)、I_(100)(100%ET_c)、I_(120)(120%ET_c),ET_c为玉米需水量;4个N-P_2O_5-K_2O kg/hm~2施肥水平:F60(60-30-30)、F120(120-60-60)、F180(180-90-90)和F240(240-120-120),共16个处理。在春玉米灌浆期对根长密度(root length density,RLD)进行了测定,建立了不同水肥供应条件下相对根长密度(NRLD,normalized root length density)分布模型。结果表明:春玉米NRLD与土壤剖面相对深度呈现显著的三阶多项式函数关系,且三次项参数(R0)与灌水量和施肥量呈现二元二次多项式函数关系,决定系数(R~2)为0.84;验证结果显示,I_(60)、I_(75)、I_(90)和I_(105)灌水水平下NRLD模拟值与实测值均方根误差(RMSE)分别为0.20、0.16、0.16和0.17,标准化均方根误差(n-RMSE)分别为32%、27%、14%和17%,且R~2达0.95以上;基于NRLD分布模型估算各相对深度RLD分布比例,估算结果表明地表至相对根系扎深1/3处根长占总根长比例平均达73.6%,地表至相对根系扎深1/2处根长占总根长比例平均达82.8%。该模型对于指导大田春玉米灌溉施肥管理具有重要的理论意义。     

河套灌区玉米根系对残膜的响应及根系分布模型

为明确土壤中不同残膜量对根系生长和分布的影响，该研究于2019—2020年在河套灌区九庄农业综合节水试验站设置了5个农膜残留量水平，分别为CK（0 kg/hm2）、T1（150 kg/hm2）、T2（300 kg/hm2）、T3（450 kg/hm2）和T4 （600 kg/hm2），研究不同残膜量对玉米根长密度、不同径级根系分配及根系分布等影响，并引入残膜量，建立了适用于农膜残留农田的根系分布模型。结果表明，根系在水平分布时，侧根区的根系受残膜影响显著（P＜0.05），当残膜量为300 kg/hm2（T2）时根长密度出现突降现象，降幅为75.98%；垂直分布时，根系随残膜量增加呈明显下降趋势，特别是在0～30 cm土层，当残膜量达到450 kg/hm2时，根长密度降低50.02%。另外，残膜减小了玉米粗根比例（d﹥2 mm，d为根系直径），降幅为29.25%；增加了细根比例（d≤2 mm），为4.80%。构建考虑残膜量的相对根长密度（Residual Plastic Film-Normalized Root Length Density，RPF-NRLD）分布模型精度较高，其中决定系数（R2）为0.961，均方根误差（RMSE）为0.282，平均相对误差（MRE）为18.87%。同时考虑不同径级根系的RPF-NRLD分布模型模拟显示，玉米极细根和细根的MRE分别为14.91%和14.96%，粗根的MRE为35.41%。基于RPF-NRLD分布模型进行情景分析显示当农田残膜量控制在0～100 kg/hm2范围内，根系能够维持正常生长，特别是极细根和细根，根长密度未出现大幅下降。该研究对于残膜污染区作物生长的数值模拟研究及残膜回收政策的制定具有科学意义。     

玉米根系在土壤剖面中的分布研究

玉米根系在土壤剖面中的分布是准确量化植被与气候相互作用不可缺少的参数,也是玉米生产科学管理和节水农业发展的重要科学依据.在中国气象科学研究院固城生态环境与农业气象实验站内的大型根系观测系统中,采用地下室玻璃窗观测法和方形整段标本法,观测了"屯玉46号"玉米的根深、根宽、根长和根重,分析了玉米根长、根长密度、根重密度和根系粗度等在土壤剖面中的分布状况.结果表明,玉米根长、根干重均随土壤深度的增加基本呈递减类型.吐丝期0～40 cm土层根长占整层根长51.5%,0～80 cm土层占76.2%,0～120 cm土层占90.5%.乳熟后期其分布趋势与吐丝期相似.玉米根系粗度随着土壤深度增加,在上层呈减少分布型,在下层呈增加分布型.乳熟后期,玉米最大根深可达230 cm,根长总量达8.288 km·m-2,显示出该玉米品种有较发达的根系.通过玻璃窗观测的根深大于远离玻璃窗处的根深.     

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。     

青海共和盆地典型固沙植物根系分布特征

为了解共和地区典型固沙植物的根系分布特征,为该地区人工植被恢复的物种选择提供依据,本文选取当地典型荒漠化防治植物种中间锦鸡儿、柠条锦鸡儿、沙柳、小叶杨、小穗柳和乌柳6种植物,进行根系分布特性研究.采用整株挖掘法获取植物根系样本,使用WinRHIZO Pro 2500a根系分析系统,计算根系生物量密度、根长密度、比根长、根系消弱系数.所研究的6种植物根系主要集中在0 ～ 40 cm深度范围内,根系生物量密度与根长密度沿土层深度波动下降.小穗柳细根比根长显著大于其他植物种,说明其细根根系活性最强,对环境的适应性最好.沙柳与中间锦鸡儿的根系生物量消弱系数显著大于其他植物种,沙柳的根长密度显著大于其他植物有助于增加土壤抗性,具有较强的固土能力.柠条锦鸡儿的生物量密度显著大于其他植物种,获取能量的能力较强.在共和盆地人工植被恢复宜选用适应性较强的小穗柳,或固土能力较强的沙柳与中间锦鸡儿.     

基于微根管技术的盐胁迫下小麦根系生长原位监测方法

常用的作物根系生长监测一般采用破坏性采样方法,如土钻法和挖掘法等,虽然精度较高,但很难实现对作物根系生长的原位重复观测。采用桶栽法,利用微根管技术对分蘖期、返青期、拔节期和孕穗期的小麦根系进行了连续观测和采样,获取不同盐胁迫下小麦根长密度和根长等参数,研究不同生长时期小麦根系生长参数随土壤深度分布的规律。结果显示,微根管法获得的小麦根长密度与土钻法所得到的结果呈极显著正相关(r=0.91),且在拔节期和孕穗期二者的相关性最好。通过不同时期根系图像对比及根系参数分析发现,小麦根系在0～10 cm土层分布最多,并随深度增加而减少。此外,随着土壤盐含量的增加,各生长期根长变短;在分蘖期,土壤盐分含量最高(S5,盐分含量6.61 g·kg–1)的小麦根系长度不足对照处理的1/2,至孕穗期,其根系长度甚至低至对照处理的1/3,说明小麦根系受盐分胁迫影响较大,且以孕穗期受胁迫程度最严重,尤其当土壤盐含量超过3 g·kg–1时影响最明显。由此可见,与传统破坏性取样方法相比,微根管技术结合图像处理技术可更好地快速、无损获取小麦根系生长的相关参数,为盐渍化区域作物根系的原位观测研究提供了新的方法。     

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。     

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。     

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。     

微根管法监测膜下滴灌棉花根系生长动态

为了精细监测膜下滴灌条件下棉花(Gossypium hirsutum L.)细根生长形态,于2014年在巴州灌溉试验站开展大田试验,采用微根管法原位监测棉花根系生长,并与传统网格法作对比。分析棉花根系生长动态,构建微根管法测定的形态参数与网格法所测定形态参数的回归模型。结果表明:花期到吐絮期,利用微根管监测10~20 cm处根系生长得到的棉花根长更新速率为1.844 mm/d,期间棉花老根不断死亡和分解。微根管法与网格法测得的根系深度为50 cm,根长密度随着深度增加先增大后减少,根长密度在20~30 cm处最大。两种方法监测得的根长密度具有较好的线性相关,由微根管法测得的剖面根长密度,可通过线性回归方程换算得到实际的体积根长密度。利用微根管法能可靠地监测棉花根系的生长动态变化,今后的研究可进一步加大微根管监测范围和频率,精细监测细根生长全过程,通过构建根系生长模型分析膜下滴灌条件下棉花根系生长时空动态。     

膜下滴灌不同灌水定额对玉米根系生长的影响

玉米根系的分布特征受多种因素的制约,其中影响最大的有土壤水分和生育期阶段等,通过分析不同灌水处理条件下,不同生育期,土壤深度与根长密度和根重密度的关系,研究膜下滴灌玉米各生育期根系在不同灌水定额处理下的分布规律,利用大田代表植株挖根试验得到的实测数据进行根长密度和根重密度计算。结果表明:根长在表层土壤中,随着水分的胁迫减轻,呈现增大趋势,深层反之,而且最大根深出现在80 cm处,在大喇叭期,处理1在20 cm土层根长密度最小（77.27 mm/cm³）,处理9最大（143.31 mm/cm³）,在40 cm土层,处理8的根长密度最小（16.11 mm/cm³）,处理1最大（24.89 mm/cm³）。根重密度与根长密度的规律基本一致,水分胁迫能促进根系向下伸长,在玉米拔节期,处理1在20 cm以上土层根干重仅占总根干重的67.9%,而处理9在20 cm则达到了90.2%。随着生育期的推进,表层根重密度随灌水量增大而增大,在大喇叭期,处理1的根重密度为8.16×10^-4 g/cm³,处理7为2.358×10^-3 g/cm³ 。水分胁迫使得根系深扎吸取水分来补偿亏缺,并且根变得较细较小,这说明根系自身会做出水分适应性环境调整,以达到重要机制的平衡。     

不同秸秆还田方式对春玉米产量、水分利用和根系生长的影响

为探究耕作方式和秸秆还田对春玉米产量、土壤水肥及根系分布的影响,通过连续两年设置耕作方式(旋耕、翻耕)与秸秆还田方式(秸秆还田、秸秆不还田)两因素田间定位试验,研究了春玉米产量和水分利用效率、根系及土壤水肥分布的特性。结果表明:旋耕和翻耕处理春玉米产量和水分利用效率差异不显著,但前者显著增加了干旱年份(2015年)0—30cm土层的根长密度、根表面积密度和根干重密度,而后者显著降低了10—30cm土层的土壤容重和紧实度,降低了0—40cm土层的土壤含水量、有效磷和速效钾含量,提高了干旱年份30—60cm和湿润年份(2016年)0—60cm土层的根长密度、根表面积密度和根干重密度;秸秆还田较秸秆不还田处理显著增加了春玉米产量和水分利用效率,增加幅度分别为9.5%和7.3%,促进了干旱年份0—60cm土层的根长密度和湿润年份30—60cm土层的根长密度、根表面积密度和根干重密度的增加,还提高了0—60cm土层的土壤含水量、硝态氮、有效磷和速效钾含量。因此,实施旋耕秸秆还田和翻耕秸秆还田可以改善土壤水肥分布,促进深层根系发育,提高春玉米的产量和水分利用效率。     

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。     

Determination of Potassium Delivery to the Roots of Cereal Plants

Potassium (K) delivery to the roots of cereal plants in soils is determined by both soil and plant factors, root growth and root length density in particular, being of major importance. In Part A of this paper an evaluative framework is shown for sandy and loamy-silty soils for determination of root length density based on available field capacity, soil depth in 10 cm steps and the climatic water balance. A good correlation (r² = 0.86) was found when the root length densities were determined at ear emergence. With the help of correction functions root length densities can be subsequently estimated for the other phenological stages (stem elongation, flowering and yellow ripeness). The method described is suited for determining root length densities in water and nutrient transport simulation models. In Part B exchange resins were used to simulate the K delivery from the soil to the root. Measurements were made for different soils and water contents. The depletion zone near the exchange resin was 6 mm thick after 4 days. This corresponds to results obtained from root measurements. Comparisons between a sandy and a loamy-silty soil show, that K delivery by diffusion for equal concentrations depends primarily on soil moisture and pore tortuosity. This leads to the conclusion, that soil physical properties must be taken into consideration when evaluating chemical soil analysis and recommendating fertilizer applications.