覆土浅埋滴灌玉米田双作物系数模型参数全局敏感性分析

为深刻了解双作物系数模型参数对覆土浅埋滴灌玉米田蒸散发耗水结构及水分传输过程的影响,采用拓展傅里叶幅度敏感性检验法对模型参数进行全局敏感性分析,筛选出敏感参数,提高调参校准的效率和精准度。结果表明:参数±10%变化时,全生育期土壤蒸发量、作物蒸腾量、蒸散发耗水量最大值较最小值分别高18.72%、25.37%、19.9%。土壤蒸发是表土水分的消耗过程,总量在最大、最小值条件下1 m土层日贮水量动态接近,而作物蒸腾是消耗整个根系层内土壤水,总量变化对1 m土层水分消耗的影响较大。土壤蒸发总量的敏感参数为土壤表层可蒸发水量、生长中期基础作物系数,其全局敏感性指数为0.662、0.321,是不敏感参数均值的33.6~69.4倍。作物蒸腾总量的敏感参数为根系不受水分胁迫的临界土壤贮水量、生长中期基础作物系数、田间持水量,其敏感性指数为0.569、0.485、0.455,是不敏感参数均值的34.5~43倍。敏感参数与蒸发蒸腾的关系为:表土完全湿润后,其可蒸发水量决定干燥过程土壤蒸发量,二者正相关。中期基础作物系数影响蒸发系数,总蒸发量与其负相关。根系不受水分胁迫的临界土壤贮水量越高,玉米根区易利用的水量区间越窄,根系越早发生水分胁迫,作物蒸腾受限,总蒸腾量与其负相关。中期基础作物系数与总蒸腾量正相关,对其影响程度远高于初期、后期基础作物系数。田间持水量高的土壤能在灌溉、降雨量较大时存贮更多水分用于作物蒸腾,总蒸腾量与其正相关。     

椰糠条栽培番茄的蒸腾反馈智能灌溉系统研制

为满足番茄椰糠条栽培条件下自动精量灌溉的需要,该研究研制了一套蒸腾反馈智能灌溉系统,包括蒸腾检测组件、通信组件、决策组件和灌溉组件。蒸腾检测组件基于压力传感器测定番茄蒸腾量;决策组件基于椰糠条的持水特性和番茄蒸腾量的变化建立了灌溉精量控制模型,精确控制水泵启动和关闭,使灌溉量根据作物蒸腾量的多少变化,并根据回液量及其电导率(Electrical Conductivity,EC)值变化判断调用正常灌溉模式或淋洗模式,使椰糠条始终处于适宜的含水量范围内,保持一定的水气比,以利于番茄根系生长和吸收营养液,解决灌溉不足造成的干旱胁迫和灌溉太多造成的营养液浪费和回液处理量大的问题;通信组件用于各模块间信号的传递。以荷兰RIDDER公司研发的基于光辐射积累量控制的灌溉系统为对照,检验该蒸腾反馈智能灌溉系统的应用效果。结果表明,在番茄盛果期,该系统的灌溉量比对照增加9.4%,回液量减少18%,且回液EC值比较稳定;与定时灌溉相比,减少灌溉量32%,减少回液量57%,有更多的营养液被植物吸收利用。栽培效果显示,使用该系统灌溉的番茄产量、株高、节数与使用荷兰RIDDER公司研制的灌溉系统的没有显著差异,取得了与之相同的灌溉效果;而且,在5 000 m~2温室内设备设计使用年限10 a条件下,该智能灌溉系统年运行成本与之相比还降低了20.8%,并能够满足自动精量灌溉的需求。若根据基质类型不同调整灌溉控制模型参数,该系统也可应用于岩棉条栽培、混合基质盆栽等其他无土栽培的智能精量灌溉。     

基于温室环境和作物生长的番茄基质栽培灌溉模型

为解决涵盖土壤蒸发和作物冠层蒸腾的土培作物蒸散模型不能直接应用于稻壳炭基质栽培番茄灌溉的问题,该研究首先通过修改Penman-Monteith模型的原始表达式来去除土壤蒸发部分,并引入TOMGRO模型来模拟番茄冠层生长,给出了阻抗参数的修正计算,得到了新的番茄基质栽培蒸腾模型。考虑到蒸腾模型中净辐射项削弱了室外太阳辐射对冠层及以下部整株植株的耗水影响,进而将新的蒸腾模型与太阳辐射线性比例供水模型结合建立蒸腾-辐射综合灌溉模型。结果表明,蒸腾-辐射综合灌溉模型对上海崇明A8温室番茄灌溉量的模拟结果与实际结果之间的相关系数高于0.95,平均相对误差小于20%。这说明蒸腾-辐射综合灌溉模型能够较好地估算温室稻壳炭基质栽培番茄的灌溉需水量,对深入研究温室灌溉实施具有参考价值。     

基于能量平衡的喷灌作物冠层净截留损失估算

为了定量评价喷灌作物冠层截留损失，以地面灌为对照，利用热平衡茎流计对喷灌冬小麦和夏玉米冠层截留水量蒸发产生的蒸腾抑制效应进行了连续两年的田间观测，结果表明：各次灌水，喷灌冠层截留水量的蒸发明显影响田间小气候进而抑制作物蒸腾。喷灌冬小麦和夏玉米蒸腾抑制量变化范围分别为1.65～4.09 mm和0.50～2.75 mm。在此基础上，基于能量平衡原理，结合波文比能量平衡系统,计算出的冬小麦冠层净截留损失不足0.1 mm；夏玉米净截留损失变化范围在1～2 mm之间，占灌水量的4.3%～6.5%。     

控制性交替隔沟灌溉对甜椒农田蒸散特征的影响

在张掖地区进行甜椒田间试验,利用农田水量平衡方法计算农田蒸散量,用微型棵间蒸发器测定不同沟灌方式的农田土壤棵间蒸发,在此基础上分析了不同沟灌方式下甜椒农田蒸散、土壤棵间蒸发、蒸发占蒸散的比例及其随叶面积指数和表层土壤含水量的变化关系、灌溉后土壤蒸发的变化过程.结果表明:交替隔沟灌溉在不影响作物蒸腾的条件下减少了表层土壤的湿润面积、减少了棵间土壤蒸发、提高了作物水分利用效率.     

长江中下游Venlo型温室番茄蒸腾模拟研究

该文针对目前国际上计算作物蒸腾速率的通用Penman-Monteith方程(P-M方程)存在的所需参数即作物叶片气孔阻抗不易获取的问题，首先通过春季和冬季Venlo型温室小气候和番茄(Lycopersicon esculentum Mill.)叶片气孔阻抗以及植株蒸腾量的实验观测，分析并量化番茄叶片气孔阻抗与温室小气候因子之间的关系。然后将其与P-M方程结合，模拟计算了春冬两季温室内番茄作物的累积蒸腾量，并用实测植株蒸腾量检验了模拟的效果。结果表明，在长江中下游地区的春季，两个供试番茄品种叶片气孔阻抗r_s与光合有效辐射PAR的关系为11205/(5.28+PAR)。将该函数关系与P-M方程相结合模拟计算的春冬两季温室内番茄的蒸腾量与实测值的吻合度较高。春季番茄蒸腾量模拟值与实测值之间的决定系数为0.97，标准误为5.50 mm，冬季番茄蒸腾量的模拟值与实测值之间的决定系数为0.99，标准误为1.21 mm。本研究建立的番茄叶片气孔阻抗与太阳辐射的定量关系，解决了在长江中下游地区用P-M方程计算番茄蒸腾速率时所需模型参数(叶片气孔阻抗值)难以获取的困难，为P-M方程在温室番茄水分管理中的实际应用奠定了基础。     

基于SIMDualKc模型估算非充分灌水条件下温室番茄蒸发蒸腾量

为了探讨SIMDual Kc模型在西北地区温室环境不同水分处理的适用性,以番茄为材料,于2013-2015年在陕西省杨凌区温室内进行亏水处理试验,设置全生育期充分灌水处理、仅发育期亏水50%处理、发育期中期连续亏水50%和全部亏水50%共4种水分处理,通过2013-2014年试验数据对SIMDual Kc模型进行率定,采用2014-2015年试验数据对模型进行验证,并通过模型将土壤蒸发量和番茄蒸腾量分开,利用模拟结果分析不同水分处理对土壤蒸发量和番茄蒸腾量的影响。结果表明:模型模拟不同水分处理蒸发蒸腾量与实测值有较好的一致性,其绝对误差为0.22~0.33 mm/d,均方根误差为0.26~0.48 mm/d、决定系数为0.51~0.81。该模型可以准确的将不同水分处理土壤蒸发量和作物蒸腾量分开,且土壤蒸发量模拟值与实测值有较好的一致性,其绝对误差为0.016~0.024 mm/d,均方根误差为0.013~0.034 mm/d和决定系数为0.63~0.84;通过模拟得到的番茄蒸腾量计算不同水分处理的水分亏缺系数,研究表明水分亏缺系数随亏水时间的增加而降低,复水后水分亏缺系数有不同程度的增加,且发育期、中期和后期连续亏水50%时,后期时水分亏缺系数降到最低,为0.63。因此该模型在西北地区温室环境下非充分灌溉条件下有一定的适用性。除此之外,研究通过模拟结果分析非充分灌水下番茄的响应及复水后的补偿机制,为非充分灌水条件下番茄栽培提供理论依据。     

基于Penman-Monteith方程的温室番茄蒸腾量估算模型

作物的蒸腾是作物生命过程中十分重要的组成部分。为寻求适合于温室栽培条件下番茄植株蒸腾量的计算模型,本文以Penman-Monteith方程为基础,针对温室特定的小气候环境,对番茄冠层整体气孔阻力、空气动力学阻力等参数进行合理修正,建立了包含气象数据、番茄叶面积指数和冠层高度为主要参数的温室番茄蒸腾量估算模型。分别采用2009年5月2-13日（开花坐果期）和2009年6月9-20日（成熟采摘期）2个时段内的实测蒸腾量对模型模拟结果进行验证,2个时段内模型模拟结果的平均相对误差分别为8.48%和9.20%,表明所建模型可以较好地的计算温室番茄的蒸腾量。本研究提出的蒸腾量估算模型对温室番茄作物水分关系的深入研究具有重要参考价值。     

基于模糊控制的精确灌溉系统

设计了基于模糊控制的节水灌溉系统,由作物蒸腾量和土壤水势为输入,以作物需水量为输出,通过对输入变量的模糊化、模糊推理和反模糊化,获得了作物的需水量,采用三星单片机为核心,由作物蒸腾和水势变送器分别测量作物蒸腾量和土壤水势,使用分段模糊控制策略构成灌溉系统。试验结果表明：该系统能快速准确地计算出作物的需水量,有效地实现了节水灌溉。     

基于修正双作物系数模型估算温室黄瓜不同季节腾发量

为估算温室黄瓜植株蒸腾与土面蒸发,该研究基于FAO-56推荐的双作物系数模型,应用温室内实测微气象、叶面积指数(LAI)及土壤水分数据,对模型中基础作物系数(Kcb)和土面蒸发系数(Ke)进行修正,并基于修正后FAO-56Penman-Monteith(P-M)模型,确定温室参考作物蒸发蒸腾量(ET0),进而估算温室黄瓜蒸发蒸腾量(ETc)和植株蒸腾(Tr)。基于Venlo型温室内黄瓜不同种植季节(春夏季和秋冬季)Lysimeter和茎流计观测的黄瓜ETc和Tr,对修正后的双作物系数模型预测结果进行验证。结果表明,应用修正后的双作物系数模型估算的温室黄瓜ETc和Tr与实测值具有较好地一致性,春夏季温室黄瓜全生育期ETc估算值与实测值的日均值分别为3.05和2.94 mm/d,秋冬季分别为2.53和2.76 mm/d。修正后的双作物系数模型估算春夏季温室黄瓜日ETc的决定系数(R2)、均方根误差(RMSE)和模型效率系数(Ens)分别为0.95、0.41 mm/d和0.93;估算秋冬季ETc的误差计算结果依次为0.91(R2)、0.48 mm/d(RMSE)和0.90(Ens)。修正后的双作物系数模型估算春夏季日平均Tr与实测值分别为2.37和2.19mm/d,秋冬季分别为1.43和1.34 mm/d。研究结果还显示,不同种植季节温室黄瓜全生育期日平均Tr占ETc的比例分别为64.62%(春夏季)和68.59%(秋冬季)。该研究成果不仅为制定准确的温室黄瓜灌溉制度提供了理论依据,而且对实现温室环境智能化控制及减少温室内无效的土面蒸发具有重要意义。     

基于ET和水量平衡的日光温室实时精准灌溉决策及控制系统

为提高日光温室的灌溉水利用效率,充分发挥现有灌溉决策理论的指导作用,该文构建了基于ET和水量平衡方法的实时精准灌溉决策及控制系统。以句容布戴庄村樱桃番茄温室为试验对象,给出了利用ET和水量平衡方法的灌溉决策实施过程,即当田间蒸发蒸腾总量大于土壤中可供作物利用水分时触发灌溉,灌水量等于自上一次灌溉起蒸散量的总和。采用Java语言开发了灌溉决策软件ETSch,可实现以温室内气象数据为基础对不同地点的灌溉决策项目进行管理;设计了温室精准滴灌系统并研制了基于单片机的灌溉控制器软硬件,通过ETSch软件与控制器的连接,建立了从田间气象信息获取到灌溉决策软件运行,再到灌溉及控制系统的集成化自动精准灌溉模式。试验结果表明,该实时精准灌溉决策及控制系统的平均灌水总量控制平均误差为1.1%,系统运行稳定,节约人工;尽管采用ET和水量平衡方法低估了实际土壤含水率,但总体趋势一致,能实现合理有效的灌溉决策。该研究可为实现灌溉决策和控制系统的集成提供参考,为进一步提高灌溉效果和用水效率提供借鉴。     

滴灌和施用秸秆降低日光温室番茄地氮素淋溶损失

以一年两季设施番茄为对象,利用渗漏池收集渗漏液,研究了设施菜地不同灌溉模式(滴灌、漫灌)和施用有机物料(单施鸡粪M、鸡粪配施玉米秸秆M+C、鸡粪配施小麦秸秆M+W)对土壤矿质态氮、可溶性有机氮淋溶损失的影响。结果表明,日光温室栽培条件下,氮素的淋溶损失主要发生于秋冬季,滴灌和漫灌模式下,该季可溶性总氮淋失量占全年淋失量的56.8%和71.1%。漫灌模式下,冬春季和秋冬季可溶性总氮淋失量分别为114.3和281.1kg/hm~2,占单季氮投入量的12.5%和29.3%。与漫灌相比,滴灌使全年番茄产量和氮素吸收量分别显著提高15.6%和21.4%,氮素利用率(氮素吸收量/氮素投入量)显著提高47.5%,同时使全年矿质态氮(铵态氮+硝态氮)和可溶性有机氮淋失量分别降低68.6和47.4 kg/hm~2,降幅分别为33.1%和39.6%。与单施鸡粪相比,鸡粪配施秸秆(玉米或小麦)对番茄产量无影响,但显著降低灌溉水渗漏量和氮素淋溶损失量,使全年灌溉水渗漏损失量平均降低24.3%,全年矿质态氮和可溶性有机氮淋失量分别平均降低26.6%和33.7%。综上,可溶性有机氮在氮素淋溶损失中不可忽视,滴灌模式通过降低渗漏液中氮的浓度,配施秸秆通过减少灌溉水的渗漏损失,进而降低可溶性氮的淋溶损失。     

根区局部控水无压地下灌溉技术对黄瓜和番茄产量及其品质影响的研究

根区局部控水无压低下灌溉技术（简称无压灌溉）是把带有出水器的毛管埋在作物根区,利用土壤吸力对作物进行“主动灌溉”,满足生育期需水要求.其适宜压力变化范围-4～8 cm,埋深10～30 cm,出水器孔径3～8 mm.通过2 a的温室大棚种植黄瓜、番茄,采用无压灌溉和沟灌对比试验,研究了黄瓜、番茄生育期内根区土壤水分运动和变化规律、作物耗水量及其规律、作物产量和水分生产率关系以及不同灌溉方式对作物品质影响的机理.研究表明无压灌溉改善了设施内作物的生存环境,为作物根系提供了充足的氧气,使根系与大气很好地进行能量交换,让根系生存在一个更加适宜的环境中,从而影响光合同化产物向不同组织器官的分配,调节了作物的生长发育,改善产品品质.与沟灌相比,无压灌溉并不降低作物产量,且能够提高作物水分利用率和水分生产率,使黄瓜、番茄的维生素C、可溶性糖、总糖和无机磷含量明显提高,具有以水调质功效.     

适宜的毛管埋深提高温室番茄品质及产量

为探索地下滴灌条件下,毛管埋深对作物"地上部分-地下部分-产量和品质"相互作用的影响,合理配置滴灌措施,提高水分管理能力,该文研究了4种不同毛管埋深0、10、20和30 cm(CK、S10、S20和S30)对番茄植株生长、根系生长、光合产物分配、果实产量、品质和水分利用效率的影响,结果表明:与地面滴灌(CK)相比,毛管埋深为10 cm的番茄根系分叉数显著增加85.16%,但根长、根面积、番茄产量未显著提高,且番茄红素显著降低18.85%(P0.05);毛管埋深为20 cm,盛果期I番茄叶面积指数显著增加23.37%,根长、根面积、根系分叉数分别显著提高43.22%、20.82%、176.61%,番茄产量提高22.35%,番茄果实品质显著改善,如可溶性固形物、可溶性蛋白、维生素C、番茄红素含量和糖酸比分别提高10.86%、32.34%、35.66%、33.97%和53.01%,水分利用效率显著提高35.91%(P0.05);毛管埋深为30 cm,番茄根长、根系分叉数显著提高46.10%、122.37%,番茄产量显著提高19.53%,水分利用效率显著36.93%,但番茄红素显著降低34.02%。综合考虑番茄品质和产量,地下滴灌毛管埋深20 cm是较为适宜的布设方式。     

土壤含水率监测位置对温室滴灌番茄耗水量估算的影响

土壤水分传感器埋设位置的选择是局部灌溉条件下获得作物根区代表性土壤含水率数据,从而制定滴灌灌溉制度的关键。本文以日光温室滴灌番茄为对象,研究滴灌线源土壤湿润体内含水率分布状况,通过对比距滴灌带不同位置处土壤含水率监测结果估算番茄耗水量的差异,探讨土壤含水率监测的合理位置。结果表明,番茄生育期内14~25 mm的灌水定额主要用于增加0~40 cm土层的土壤含水率,湿润体内日平均土壤含水率分布在75%~100%田间持水率。作物生育期内连续多次滴灌条件下,沿滴灌带单个灌水器形成的湿润土体会充分叠加,形成近似均匀的土壤含水率带状分布,且作物生育期内沿深度方向0~40 cm土层土壤含水率均值无显著性差异,距滴灌带不同水平距离的土壤含水率随时间的变化趋势具有同步特点,无明显的滞后性。以集中80%总根量的土壤深度作为滴灌番茄水分渗漏下界面时,14~25 mm的灌水定额会导致深层渗漏,且深层渗漏量表现出一定的空间变异性。番茄生育期内深层渗漏量约占灌水量的13%。距滴灌带不同位置处的番茄耗水量除在番茄苗期和开花座果期有较大差异外,其余生育阶段的差异均在10%以内。对温室滴灌番茄来说,滴灌高频少量的灌溉特征有利于维持作物根系层适宜的土壤水分状态,监测1个含水率剖面即可满足估算作物耗水量的要求。     

日光温室覆膜滴灌条件下樱桃西红柿耗水规律

为了给温室膜下滴灌灌溉制度的制定提供参考,通过大型称重式蒸渗仪实测覆膜滴灌条件下樱桃西红柿蒸腾量,分析了温室微环境气象条件及水面蒸发量的变化规律,计算了日光温室春夏茬樱桃西红柿在覆膜滴灌条件下不同生育阶段的耗水强度、作物系数及蒸发皿系数。结果表明：日光温室覆膜滴灌条件下,樱桃西红柿在不同生育阶段的耗水强度、作物系数和蒸发皿系数分别为：苗期0.22 mm/d、0.09、0.10;开花坐果期1.65 mm/d、0.48、0.65;盛果期2.56 mm/d、1.56、1.76;盛果后期1.90 mm/d、1.12、2.06;该研究建立了温室樱桃西红柿累计耗水量与水面蒸发量累积值、温室温度累计值之间函数关系,为合理地制定温室作物灌溉制度提供了一定依据。     

不同水氮管理对日光温室番茄产量及土壤无机氮的影响

以传统水氮管理为对照,分别采用氮素实时监控技术对保护地番茄主要生育期进行氮素追施优化管理,同时结合小管出流的灌溉方式及夏季休闲季添加小麦秸秆-氰氨化钙的优化水氮管理处理并根据课题组同一地区多年的番茄氮素优化管理经验得出的推荐水氮管理处理,即将氮素追施量定为N 300 kg/hm2,在番茄第一、三、五穗果实膨大期各追施N100 kg/hm2,比较研究了不同水氮管理措施对保护地番茄产量及土壤无机氮的影响。结果表明:与传统水氮管理相比,在保证番茄产量的前提下,优化水氮管理和推荐水氮管理两季番茄分别减少了63.5%和50%的氮肥追施量,优化水氮管理处理两季番茄分别减少了44%和39%的灌溉用水。此外,优化水氮管理处理还显著提高了番茄全年的总产量,增产约10%。传统的氮素投入使番茄生育期内的土壤无机氮含量保持较高水平,试验结束时,传统水氮管理处理在0-180 cm各土层无机氮残留量均在N 200 kg/hm2以上,其0-180 cm土层无机氮残留总量已超过N 1 500 kg/hm2;而优化水氮管理和推荐水氮管理处理在改进水氮管理措施后,0-180 cm各土层无机氮残留量显著降低,仅为传统水氮管理的1/2,大幅度降低了土壤氮素的淋洗风险,减轻了由于不合理的水氮管理而对环境造成的影响。     

微润管埋深与间距对日光温室番茄土壤水盐运移的影响

为探求微润灌溉对于日光温室次生盐渍化土壤的影响,设置3种毛管埋深(10、20和30 cm)和3种毛管间距不同的布置(1管2行、2管2行、3管2行,2行指番茄行),以膜下滴灌(CK)为对照,分析日光温室土壤水盐分布的变化.结果表明,日光温室耕层土壤(0~20 cm)平均含盐量达2.745 g/kg,接近阻碍作物生长的临界点(2.75 g/kg),发生了轻度次生盐渍化.与CK比较,微润灌溉具有较高的脱盐效果,0~60 cm土层平均相对脱盐率较CK提高了32.49%,0~30 cm主根区较CK提高了76.30%(P<0.05).可用幂函数较好地描述微润灌溉日光温室番茄主根区土壤盐分随定植后天数的动态变化过程.微润管埋深是影响土壤水盐分布的重要因素,在微润管埋深处土壤形成一个高水低盐区,毛管浅埋有利于主根区土壤(0~30 cm)盐分的淋洗,深埋有利于次根区土壤(>30~60 cm)盐分的淋洗,埋深30 cm,1管2行组合番茄生育末期土壤含盐量有升高趋势,可能会加剧土壤次生盐渍化.结合日光温室盐分累积及番茄根系分布特征,埋深10 cm,3管2行为轻度次生盐渍化土壤适宜的应用模式(该组合综合脱盐效果最好,0~60 cm土层平均相对脱盐率为22.27%,主根区相对脱盐率为29.86%,比CK提高1倍以上).该研究为微润灌溉在日光温室的应用提供参考.