水盐胁迫条件下作物根系吸水模型研究进展及展望

提高盐渍化土壤农业生产力已成为边际土壤地力提升的重要组成部分及途径,研究盐分胁迫对根系吸水的影响及其根系吸水模型的建立是该方面的重要研究内容之一。首先介绍了作物根系吸水模型的研究进展,在此基础上,对目前国内外常用的水盐胁迫条件下作物根系吸水模型及其相关研究作了综述,指出由静态向动态方向发展、突出水分胁迫与盐分胁迫对根系吸水耦合、体现作物根系吸水特征空间差异是水盐胁迫条件下作物根系吸水模型研究的重点。     

盐分胁迫条件下制种玉米根系吸水模型参数的推求

为了研究咸水灌溉条件下作物根系吸水与根区土壤盐分运动的关系,在石羊河流域开展咸水灌溉田间试验,引入Feddes提出的根系吸水模型,根据田间试验实际观测数据,对模型系数进行了计算。研究表明,通过计算相对根长密度和潜在蒸腾速率,推算得到最优灌水条件下的最大根系吸水速率;通过计算蒸腾强度与土壤渗透势,推算得到咸水充分灌溉条件下的盐分胁迫修正因子,并对盐分胁迫修正因子的参数p进行了验证,参数p推算和验证过程时的RMSE0.10,MRE10%,在允许的误差范围之内。建立了盐分胁迫条件下制种玉米根系吸水模型,为研究区研究制种玉米生长条件下土壤水盐运动规律奠定基础。     

盐分对土壤蒸发影响的试验及其数值模拟

为了定量研究土壤盐分对土壤蒸发的影响,测定了土壤盐分质量分数在0.2%、0.6%、1.0%和5.0%等4个水平下的水分特征曲线,进行了不同含盐量下的土柱蒸发试验;并考虑盐分对水分特征曲线的影响,采用修改的HYDRUS-1D程序对蒸发规律进行了模拟。结果表明,1不同含盐量下土壤的水分特征曲线不同,且在含水率低于30%时,盐分对水分特征曲线的影响显著;2不同含盐量下土壤的蒸发速率不同,随着土壤土壤含盐量的增加,土壤蒸发速率显著降低;3考虑剖面盐分动态变化对水分特征曲线的影响,修改后的HYDRUS-1D程序能更好地模拟土壤蒸发过程。     

基于HYDRUS-2D/3D的玉米全膜双垄沟水肥运移规律与根系响应

为研究西北旱区玉米全膜双垄沟种植模式下土壤水肥运移规律,通过HYDRUS-2D/3D模型对甘肃省定西市玉米全膜双垄沟土壤水肥运移规律及根系响应进行数值模拟,分析全膜双垄沟播种植模式下土壤含水率及垄沟内种肥浓度的分布规律,在合理播深处设置观测点以表征土壤含水率及膜下氮、磷、钾水肥互作运移变化规律。模拟结果表明,全膜双垄沟膜下渗水孔与种穴位置处土壤水肥发生环状侧渗现象,其中土壤含水率范围为15.20%~17.12%,垄沟内氮肥转化浓度趋于15.38mg/L,磷肥转化浓度趋于5.15mg/L,钾肥转化浓度趋于12.21mg/L,水肥主要集中在垄沟位置,保障了苗期水肥需求;通过施加根系吸水和水肥运移模拟表明全膜双垄沟模式下土壤水肥条件满足玉米出苗需求。研究模型与结果将为玉米全膜双垄沟农艺技术的优化提升提供理论依据。     

基于HYDRUS-3D不同沟灌方式下水盐运移模拟

为了探究不同沟灌方式下田间土壤水分及盐分运移规律,选定甘肃省景泰川电力提灌灌区为研究区,以田间分区试验为基础,运用HYDRUS-3D模型对交替隔沟灌(AFI)、常规沟灌(CFI)及固定隔沟灌(FFI)3种沟灌方式下土壤水盐运移进行模拟,并用田间试验数据对模拟结果进行验证。结果表明:不同沟灌方式下土壤各层含水率变化趋势基本一致,常规沟灌深层含水率约为32%,高于其他两种沟灌方式;土壤含盐量受沟灌方式及灌水量的影响较为显著,灌水量越大,洗盐效果越明显;从长周期来看,土壤盐分均出现不同程度累积,0~20 cm层常规沟灌积盐率为22%,固定隔沟灌为26%,交替隔沟灌为10%,交替隔沟灌对于控制盐分的积累效果最好。     

番茄盛果期根系层土壤水分变化规律研究

为了解温室番茄根系层土壤水分变化规律与根系之间的关系,采用TREME水分传感器测定了番茄盛果期根系层距植株不同水平距离不同土层的土壤含水率,同时测定了番茄盛果期不同阶段根的长度及数量,研究了土壤含水率在水平方向及竖直方向随时间的变化规律。同时根据番茄根系层土壤含水率等值线分布图及根系层土壤含水率低值区,分析了根系层土壤含水率变化规律与番茄根系分布间的关系。结果表明:番茄盛果期由于耗水量较大,根系得到较大发展,总根数及最长根长度均呈递增趋势,根系吸水范围扩大,主根系长度主要集中在5~20cm。盛果期0~30cm土层土壤含水率变化明显,地表以下15~25cm距植株0~10cm范围内最易出现土壤水分低值区,且随时间的推移,土壤水分低值区向外逐渐扩展。根系密集分布区易形成土壤水分低值区,根系的分布范围与土壤水分的明显变化区域具有较好的一致性,番茄根系附近的土壤水分状况可作为确定灌水量和灌水时间的依据。     

水、盐和施氮量交互作用对向日葵水分利用的影响

水分、盐分和施氮量是影响作物生长的主要因素,基于在内蒙古河套灌区开展的盆栽实验,对水、盐、氮交互作用下向日葵对水分的吸收和利用进行了初步探讨。具体而言,土壤水分、盐分和施氮量各设置两个水平,分别为:轻度盐分胁迫(S0:0.2%~0.45%)和中度盐分胁迫(S1:0.45%~0.7%);水分胁迫处理(W0:田间持水量的35%~55%)和充分灌溉处理(W1:田间持水量的75%~100%);全生育期不施用氮肥的氮素胁迫处理(N0)和播种前按135kg/hm2(以纯N计)的施氮的无胁迫处理(N1)。实验结果表明:中度盐分胁迫(S1)在蕾期对根系储水量有明显的抑制作用,并降低了向日葵蕾期和花期的水分利用率,此外,S1处理还降低了向日葵花期和成熟期的腾发量;水分胁迫(W0)处理降低了向日葵根系储水量,在开花时充分灌溉会显著提高向日葵的腾发量和水分利用率;与土壤盐分和水分相比,施氮量对向日葵水分利用的影响较小,但氮素胁迫(N0)在实验中对根系吸水量、腾发量和水分利用率也有一定的抑制作用。     

小麦中后期田间微喷灌土壤水分运移模拟分析

针对小麦中后期微喷灌湿润区域分布特点,探讨了小麦专用微喷带在不同灌溉影响因素下小麦中后期根区土壤水分运移与分布规律。通过试验测量了微喷带在不同灌溉压力下灌水强度,将有效湿润区域划分为4个子区域,得出不同灌水强度作为灌溉边界条件。考虑小麦根系吸水情况下,建立微喷灌土壤水分运动方程及求解条件。利用HYDRUS-2D模型进行微喷灌数值模拟,通过对比分析模拟结果和试验数据,证明数值模拟能够有效反应土壤含水率分布情况。对微喷带在不同灌溉压力、不同灌水下限和不同铺设间距影响因素下进行模拟分析,结果表明:在灌溉压力0.15 MPa时,有效湿润区域大且水分分布满足小麦根系需求;以田间持水量的60%作为小麦灌水下限,有利于降低微喷带铺设成本、节约灌溉水量和提高灌水利用率;在铺设间距440 cm时,根部土壤水分分布呈一条均匀带状且均匀度都在90%左右。本研究可为小麦专用微喷带铺设与运行提供合理作业参数,同时为小麦节水灌溉提供理论参考。      

基于HYDRUS-2D的负压微润灌土壤水分运动模拟

为研究负压微润灌不同技术参数组合下的土壤水分运动过程,以土箱试验实测含水率为依据,构建并验证了基于HYDRUS-2D的负压微润灌土壤水分运动反演模型,并结合反演模型对负压微润灌多种组合情景的土壤湿润体模拟结果和典型设施作物根系分布特征及需水规律,探究适宜于不同设施作物的负压微润灌技术参数组合。结果表明：采用HYDRUS-2D反演模型能够较好地模拟负压微润灌不同供水水头条件下的土壤湿润体特征,土壤湿润距离（水平距离、垂直向上距离和垂直向下距离）、含水率及累积入渗量模拟值与实测结果之间的决定系数和NSE分别达到0.98和0.77以上。试验及模拟结果均表明,负压微润灌条件下供水水头与土壤含水率、累积入渗量及不同方向的湿润距离均呈负相关关系。此外,基于反演模型对负压微润灌不同湿润体的情景模拟结果和典型设施作物根系分布特征及需水规律,拟定了不同设施作物适宜的负压微润灌技术参数范围。本研究对农业生产中负压微润灌技术参数的选择及新型节水微润灌技术的推广具有指导意义。     

膜下滴灌下土壤水盐动态对棉花根系时空分布特征的影响

为讨论在膜滴灌条件下水分和盐分的运移对棉花根系时空分布的影响,选择淡水和成水2个处理,在其3个不同生育期(蕾期、花铃期和吐絮期)采集距滴头不同距离和深度上的根系,并监测各剖面的水分、盐分及地上植株的农艺性状.对其根长密度与地上部分、水分和盐分的运移进行分析,研究表明根系对水分和盐分的胁迫表现明显,当土壤体积含水率在20...     

沙封膜孔对盐碱地土壤及向日葵幼苗生长的影响

为了提高河套灌区盐碱地向日葵的出苗率和存活率,试验采用了沙封膜孔,土封膜孔和常规种植三种种植方式。在向日葵的播种前、出苗期和幼苗期分别监测不同处理0～100cm的土壤水分、盐分及向日葵出苗率和幼苗生长状况。结果表明：在向日葵播种前,不同处理土壤含水率、土壤盐分均无差异,在出苗期和幼苗期出现差异且幼苗期差异更显著。在幼苗期沙封膜孔较常规种植在0～10 cm 土层土壤含水率降低了15.79%,土壤盐分降低了23.13%,在10～20 cm 土层土壤含水率降低了14.51%,土壤盐分降低了26.19%,沙封膜孔较土封膜孔在0～10 cm 土层土壤含水率降低了9.1%,土壤盐分降低了6.61%,在10～20 cm 土层土壤含水率降低了6.78%,土壤盐分降低了11.43%,在大于40 cm土层以下的土壤含水率和盐分基本保持一致,没有差异。沙封膜孔的出苗率和存活率较常规种植,分别提高了23.42%和20.96%。沙封膜孔促进向日葵幼苗的生长,株高、茎粗、根系深度和幅度都有不同程度的增加,地上部分和地下部分的生物量显著增加。河套灌区盐碱地地膜采用沙封膜孔种植,可降低土壤含水率,阻碍土壤盐分表聚,提高了向日葵出苗率和存活率。     

土壤盐分垂向非均匀分布下的番茄盐分生产函数研究

利用番茄盆栽试验,在土表以下17cm处布设秸秆隔层,有效隔断土壤毛管连续性,再结合灌溉水的淋洗作用,促使土壤盐分向下运移,盆栽土壤在垂直方向上趋于“上低下高”的非均匀分布状态,探究该盐分状态下番茄产量和作物不同生育阶段根系及盐分分布特征间的内在联系。结果表明,在土壤盐分垂向非均匀分布处理中,隔层以下土壤中过高的盐分含量抑制了番茄根系的生长与分布,而上层低盐区土壤中根系则呈现出补偿性生长。在盆栽土壤盐分含量一定时,盐分垂向非均匀分布处理的根系干物质量及果实产量均显著高于盐分均匀分布处理（P<0.05）,盐分“上低下高”的差异性分布缓解了作物整体所受盐分胁迫。在参照传统水分生产函数Stewart模型和Jensen模型的基础上,分别利用表层盐分因子、平均盐分因子及根系加权平均盐分因子构建作物盐分生产函数,经函数精度评估后发现,利用根系加权平均盐分因子结合Jensen函数构建的作物分阶段生产函数对番茄产量的预测精度最高,而不同生育阶段中,番茄坐果期土壤含盐量及根系分布状况对最终产量的影响最大。     

水盐胁迫下根系提水作用对土壤盐分与番茄产量的影响

为探究水盐胁迫下番茄根系发生提水作用的可能性及其对土壤盐分分布和番茄产量的影响,利用上下桶分根装置,设定上桶不同水分(W1、W2、W3表示土壤含水率为田间持水率的60%～70%、50%～60%、40%～50%)和盐分条件(S0、S1、S2表示Na Cl添加量分别为干土质量的0、0.2%、0.4%),监测分析了水盐胁迫下根系提水量、上桶盐分分布及番茄产量。结果表明:随着生育期的推进,根系提水量呈现先增加后减小的趋势,其中盐分对番茄根系提水量影响显著,在相同水分处理条件下,盐分含量越高,根系提水量越大;水盐胁迫下,上桶盐分含量与根系提水量呈线性正相关,除W1S0处理外,上桶土壤电导率在提水量达到最大时有所增加;与对照处理W1S0相比,水盐抑制了根系生长,使根系活性显著下降,同一水分处理下,随着盐分的增加,根长、根表面积及根体积减小;盐分对番茄水分生产率有显著影响,在相同水分条件下,盐分越大,水分生产率越大,7种处理中W2S2水分生产率达到最大,而其产量较对照并未显著减小,生育期提水量占需水量的17.73%。本研究对进一步理解作物在"上干下湿"的土壤水盐胁迫下充分利用土壤剖面深层水分来维持上层根系生存和提高水分生产率具有科学价值。     

微咸水膜下滴灌棉花根区土壤水盐运移规律研究

研究了微咸水膜下滴灌条件下,不同矿化度的微咸水灌溉对棉花根区土壤水分、盐分变化的影响。结果表明,在相同灌水定额条件下,棉花根系对高配比微咸水混灌后的土壤水分消耗小,土壤盐分对棉花根系耗水具有抑制作用。当微咸水灌水定额小于25 mm时,易导致土壤盐分的表聚现象。根据土壤含水率与土壤电导率之间的相关关系,建立了宽行土壤电导率计算模型。通过实测值验证,试验地宽行深度为0～30 cm时,土壤电导率计算值与实测值误差率不大于5%,故在此土壤深度范围内可通过模型预测土壤电导率值。     

咸水非充分灌溉对土壤盐分分布的影响及SWAP模型模拟

通过2010年4月15日至8月23日在中国农业大学石羊河流域农业与生态节水试验站进行的春小麦灌溉试验,研究了咸水非充分灌溉对土壤剖面盐分盈亏的影响,并用SWAP模型对土壤盐分动态分布进行模拟。结果表明:不论是咸水灌溉,还是淡水灌溉,都造成积盐现象,盐分累积量随着灌水矿化度的增大而增大,随着灌水量的增大盐分累积深度逐步加深。SWAP模型模拟结果表明,无论充分灌溉还是非充分灌溉盐分都会主要累积在根区土层(50cm深度),而对深层土壤(100cm深度)影响较小。不同时段影响土壤剖面盐分分布因素不同,前期受土壤蒸发、根系吸水影响较大,后期受水分下渗影响较大。     

不同灌水深度条件下南疆枣树根系吸水模型研究

为探究不同灌水深度条件下,南疆枣树根系分布特征及吸水机理。以枣树为研究对象,试验导水装置设置3个深埋水平,分别为20 cm (T1)、35 cm (T2)和55 cm (T3),以地表滴灌（T0）为对照组;结合土壤水分运动基本方程建立枣树根系一维吸水模型,并利用实测数据对吸水模型进行验证。研究结果表明,各处理下枣树根系随土层的增加呈负指数趋势分布,相比于T0,T1、T2和T3处理下出水口范围内枣树有效根长分别增长18.2%、15.3%和10.9%,即深层灌水处理促进了枣树深层扎根;不同灌水深度处理下,各土层含水率大小为T2>T3>T1>T0,同一灌水深度处理下,各土层土壤含水率随土壤深度的增加呈现先变大后变小的趋势;通过建立的根系吸水模型模拟土壤含水率,计算值和测量值差异性在允许范围内,满足枣树根系吸水模型对土壤含水率预测的精度要求。综上可得,当灌水深度设置为35 cm左右时,利于枣树根系充分吸收水分和提高水分利用效率。     

基于HYDRUS-2D的地下滴灌下水分运移数值模拟研究

利用HYDRUS-2D软件模拟了地下滴灌条件下滴头周围黏壤土的土壤水分动态,并与田间观测进行对比;通过分析不同滴头流量对试验地土壤湿润模式的影响,明确了最佳灌水技术参数。结果表明,HYDRUS-2D软件模拟结果与观测值一致,体积含水率均方根误差为1.2%~4.5%,湿润范围均方根误差变化范围为2.1~3.87cm。     

根系吸水模型参数的混合遗传算法估算方

构建了遗传算法与Levenberg-Marquardt算法相结合的混合遗传算法,用于求解根系吸水模型参数。分别进行数值试验和棉花根系吸水试验对混合遗传算法求解精度进行验证。数值试验表明,采用混合遗传算法优化求解根系吸水模型参数的优化值具有较高的精度,含水率资料的时间步长和空间步长对根系吸水模型参数的优化精度有较大影响,在实际中时间步长可取值5～10d,空间步长取值5～10cm。对室内棉花根系吸水进行模拟分析,结果表明混合遗传算法求解的根系吸水模型可以很好地模拟根系吸水。该方法可用于求解根系吸水参数。     

立体种植农田不同生育期及土壤水分的根系分布特征

在立体种植农田中,作物根系分布是影响作物间水肥竞争及利用效率的首要因素。针对滴灌条件下番茄套种玉米立体种植农田设置高(T1)、中(T2)、低(T3)3个土壤水分处理,研究不同水分处理对立体种植农田不同位置土壤含水率、作物根系分布的影响,探讨立体种植农田根系在不同生育期生长发育特征。结果显示:立体种植农田番茄侧土壤含水率平均值显著低于玉米侧,膜内土壤含水率明显高于膜外土壤含水率,膜内不同位置土壤含水率无明显差异;随着生育期的推进作物间根系呈"不交叉—轻度交叉—完全交叉—轻度交叉"规律;随着土壤含水率的增加根系总量呈增长趋势,在0~30 cm的滴灌湿润区,作物根系分布最密集,约占总根系的60%~70%,且高水分处理根量显著大于低水分处理,根长密度、根表面积密度、根体积密度以及根重密度均呈现T1T2T3的趋势,而在非滴灌主要湿润区则正好相反;累积根系分布曲线分析显示随着土壤含水率增加根系向土壤下层生长,随着生育期推进根系向作物中间发展。立体种植农田作物在不同生育期根系分布变化明显,同时土壤水分对根系分布影响较大。     

根系吸水模型参数的混合遗传算法估算方法

构建了遗传算法与Levenberg-Marquardt算法相结合的混合遗传算法,用于求解根系吸水模型参数.分别进行数值试验和棉花根系吸水试验对混合遗传算法求解精度进行验证.数值试验表明,采用混合遗传算法优化求解根系吸水模型参数的优化值具有较高的精度,含水率资料的时间步长和空间步长对根系吸水模型参数的优化精度有较大影响,在实际中时间步长可取值5～10 d,空间步长取值5～10 cm.对室内棉花根系吸水进行模拟分析,结果表明混合遗传算法求解的根系吸水模型可以很好地模拟根系吸水.该方法可用于求解根系吸水参数.