大型蒸渗仪的研制与作物根系吸水实验研究

在分析总结国内外土壤蒸渗仪结构性能以及作物根系吸水理论与技术研究成果的基础上,结合黄土丘陵区特点,利用自行设计研制的由计算机自动测控的大型称重式土壤蒸渗仪,对作物(谷子)根系吸水机理、特征和土壤水分有效补给与调节作用等,进行了比较深入系统地研究,并建立了形式简单、使用方便、精度较高的根系吸水简化模拟模型.主要研究内容如下:     

LG-I型称量式蒸渗仪自动监测系统

为了方便有效地测定植物的蒸散,同时也为水分利用研究提供测试精度高、稳定性好的简单易用的仪器,开发研制了LG-Ⅰ大型自动称量式蒸渗仪监测系统。此系统采用自行研制的高精度弹簧、高精度SQC-A500 kg悬臂梁传感器、垂直升降调整支架和计算机软件控制处理程序。该仪器应用结果表明：与国内使用的同类蒸渗仪相比,其具有测试精度高、性能稳定、重复性好的特点,仪器最大绝对误差为±25 g（相当于0.012 mm水柱）,最大相对误差0.7%,完全可以满足实际应用的技术要求。此系统的测定值较好地反映了植物在短时段内的土壤水分蒸散变化情况,是一种比较方便实用的测定盆栽植物蒸散的仪器。     

基于称重式蒸渗仪及多种传感器的作物表型及蒸散监测系统研制

作物蒸散量测量与估算在农业方面有着重要作用,而当前对于作物蒸散量的估算主要以试验的方式进行,有一定局限性,且测量面积小,与实际应用还有一定距离。针对以上问题,该文在已有24座小型称重式蒸渗仪基础上,集成RGB成像传感器、多光谱成像传感器和二维激光扫描仪于一体,配合龙门架进行移动控制,构建称重式蒸渗仪植物表型监测系统,实现18 m~2植物生长过程中的RGB、红(668 nm)、绿(560 nm)、蓝(475 nm)、红边(717 nm)、近红外(840 nm)图像信息和植株高度信息的自动监测。最后通过试验,在已设定好的常用速度下,系统单趟运行用时142 s,可采集28组RGB、多光谱图像及所有植株高度信息,速度相对误差在1.8%～6.0%之间。通过对获取的夏玉米多光谱图像和激光扫描仪数据信息分析,系统能够可靠获取归一化差异植被指数等作物指数及植株高度信息。并结合气象站数据,对冬小麦主要耗水期的RGB图像进行分析,对其蒸散量进行了估计,与蒸渗仪获取的实际蒸散量对比,其平均相对误差为16.62%。该系统为大面积作物蒸散量的实时监测和精确诊断以及作物生长状况研究提供有效技术与装备支撑。     

水稻蒸散特征及日尺度作物系数估算

基于南京2012年水稻生长季蒸渗仪水稻实际蒸散数据及相应生物、气象环境资料,对水稻生长季的参考作物蒸散量、实际蒸散量及作物系数进行分析,并建立作物系数估计模型。结果表明：水稻生长季内逐日参考作物蒸散量呈单峰曲线变化,峰值出现在分蘖-拔节期;逐日实际蒸散量变化则表现为双峰型,耗水双高峰发生于分蘖-抽穗期。日参考作物蒸散量和实际蒸散量均有明显的季节性变化特征。水稻生长季内实际作物系数趋势变化特征与FAO修正作物系数较一致,但二者在数值上具有较大差异,建立的水稻作物系数与其影响因子（叶面积指数、气温、净辐射）的关系模型检验表明,其拟合度为0.887,将模型应用于计算水稻农田蒸散量,其拟合度为0.943,说明模型能较精确地估算稻田日蒸散量。该模型基于日尺度影响因子,在一定程度上简化了水稻作物系数的计算过程,明确了不同类型因子对水稻作物系数的影响程度,可应用于水稻作物系数的连续动态估算。     

水稻蒸散特征及日尺度作物系数估算*5

基于南京2012年水稻生长季蒸渗仪水稻实际蒸散数据及相应生物、气象环境资料,对水稻生长季的参考作物蒸散量、实际蒸散量及作物系数进行分析,并建立作物系数估计模型。结果表明：水稻生长季内逐日参考作物蒸散量呈单峰曲线变化,峰值出现在分蘖-拔节期;逐日实际蒸散量变化则表现为双峰型,耗水双高峰发生于分蘖-抽穗期。日参考作物蒸散量和实际蒸散量均有明显的季节性变化特征。水稻生长季内实际作物系数趋势变化特征与FAO修正作物系数较一致,但二者在数值上具有较大差异,建立的水稻作物系数与其影响因子（叶面积指数、气温、净辐射）的关系模型检验表明,其拟合度为0.887,将模型应用于计算水稻农田蒸散量,其拟合度为0.943,说明模型能较精确地估算稻田日蒸散量。该模型基于日尺度影响因子,在一定程度上简化了水稻作物系数的计算过程,明确了不同类型因子对水稻作物系数的影响程度,可应用于水稻作物系数的连续动态估算。     

称重式蒸渗仪系统改进及在农田蒸散研究中的应用

水分是制约黄土丘陵区农作物正常生长和农业生产的关键因子。该区年平均降水量少且季节多变,研究农田土壤水分平衡对该区旱地农业生产具有重要意义。土壤蒸渗仪（Lysimeter）可测量总蒸散量、渗漏量等有关水量平衡的各个分量,具有其它装置和方法不可比拟的优越性。它为田间蒸散和降水入渗实验研究提供了一种较先进的量测方法和技术手段。它对推动我国实验水文学的发展具有重要作用,并为相关领域的科学研究提供了一种较先进的技术设备和实验环境。中国科学院安塞试验站对原建造的用于测定农田蒸腾蒸发转化的称重式蒸渗仪在2005年对称重感应系统、电源进行改造,主要对主机、采集软件进行了重新更新,使其可直接在Windows界面下工作,数据采集更加方便,将测量出来的模拟量信号转换为数字信号,经处理显示并记录在数据采集器内。改进后蒸渗仪主要有以下特点：（1）土柱重19～26t,蒸渗仪精度为152g（0．05nm）,可测量蒸腾蒸发量和地下水对土壤水的补给量与入渗量;（2）蒸渗仪面积3m^2（1．5m×2m）,深度3m,可充分允许农作物根系发育与吸水,土壤水和地下水转化,地下水位变化等过程进行,蒸渗仪的供排水系统能够在蒸渗仪内模拟实际地下水位变化,可较好代表大田实际情形,并对作物生长过程中水分利用动态变化进行深入研究。     

波文比仪与蒸渗仪测定作物蒸发蒸腾量对比

为了更准确地估算作物蒸发蒸腾量,该文结合波文比仪和大型称重式蒸渗仪,对波文比-能量平衡法估算的冬小麦蒸发蒸腾量（ET_b）和蒸渗仪实测的冬小麦蒸发蒸腾量（ET_l）进行了分析研究。结果表明,波文比计算值（ET_b）和蒸渗仪实测值（ET_l）的变化趋势基本一致,相关性比较好。波文比计算值（ET_b）和蒸渗仪实测值（ET_l）的日变化曲线都呈单峰型,早晚小,中午大,夜间多为负值,波文比计算值的日变化比较稳定,蒸渗仪实测值的日变化比较敏感。风速较大时,蒸渗仪实测值日变化随风速的增大而减小的趋势比较明显,波文比计算值日变化受大的风速影响较小;风速较小时,波文比计算值和蒸渗仪实测值的日变化与风速呈很弱的负相关关系。波文比计算值日变化和太阳净辐射日变化的关系比较密切,蒸渗仪实测值日变化和太阳净辐射日变化的关系不是很明显。波文比计算值更能稳定地反映出冬小麦蒸发蒸腾量的日变化规律。     

蒸渗仪控制下烤烟土壤水分的时空动态研究

采用蒸渗仪试验,研究了不同水分处理下烤烟土壤水分时空动态变化。结果表明,全生育期0～20cm土层水分含量变化最为活跃,20～40cm土层次之,40～60cm土层较为稳定;建立了不同土层土壤含水量随时间变化的数学模型,以此来推测烤烟土壤水分随时间的变化动态;烤烟伸根、旺长、成熟期的计划湿润层深度分别以20～30cm,50～60cm,30～40cm较佳;各时期适宜土壤相对含水量水分处理组合以60%-80%-70%或60%-80%-60%优于其它组合。     

基于称重式蒸渗仪的喷灌条件下冬小麦和糯玉米作物系数估算方法

利用位于北京的称重式蒸渗仪,对喷灌条件下的冬小麦和糯玉米需水规律进行了测定,进而计算了两种作物的作物系数。结果表明,冬小麦和糯玉米的作物系数与播种后天数之间的关系均可以用四次多项式来表征。根据FAO-56推荐的作物系数计算方法,计算了两种作物的分段单值作物系数和双作物系数,发现华北平原喷灌条件下冬小麦和糯玉米的作物系数在生育期内的变化可以用FAO-56推荐的模式来描述,但实测值一般大于FAO-56的建议值。为了能利用FAO-56推荐的模式较好地描述喷灌作物系数变化规律,依据实测资料对FAO-56建议的单值作物系数和基础作物系数进行调整后,模拟了两种作物需水量的变化,模拟的作物阶段需水量与实测值吻合良好。     

基于LabVIEW和ARM处理器的大型称重式蒸渗仪测控系统

针对大型称重式蒸渗仪测控系统常见的缺乏通用性、扩展性不足和可靠性差等问题,该文提出了一种基于LabVIEW和ARM处理器的分布式大型称重式蒸渗仪测控系统。底层测控单元全部采用ARM处理器LPC1768开发设计,所有单元均通过RS485方式MODBUS协议与上位机进行通信,上位机测控软件采用LabVIEW设计开发,支持对除称重参数以外的其它测量参数的选择。同时采取了中值滤波和滑动窗口平均滤波等信号处理算法,提高称重测量精度。运行试验表明,在称重分辨率达到0.1 g,杠杆系数为277.7时,蒸发量或降雨量的分辨率达到了0.0072 mm水深。     

不同冠层阻力模型对冬小麦返青-成熟期蒸散量估算的影响

蒸散量是农田水循环的重要组成部分,其准确估算对精准灌溉及农业节水具有重要意义。PenmanMonteith(P-M)模型是常用的估算方法之一,但冠层阻力/表面阻力的准确表达一直是应用中的难点。选取常用的7种冠层阻力模型,根据北京市顺义区2a(2020年和2021年)的波文比实测结果,对不同模型模拟的小麦冠层阻力及P-M估算的小麦蒸散量进行比较,并进一步分析影响小麦冠层阻力的主要因子。结果表明,7种模型均低估了小麦冠层阻力,同时高估了蒸散量。总体而言,Todorovic模型（TD）模拟效果最好,其模拟的冠层阻力和蒸散量的R2均大于0.605,平均偏差（MBE）分别为-82.8s·m-1和10.4W·m-2,相应的均方根误差（RMSE）分别为254.4s·m-1和33.5W·m-2;其余6种模型表现均较差,所模拟的冠层阻力R2仅0.113～0.241,MBE和RMSE在-236.4～-61.3s·m-1、277.2～373.8s·m-1;基于6种模型模拟阻力得到的小麦蒸散量与实测值的R2在0.046～0.184,MBE和RMSE分别在44.5～97.4W·m-2、81.4～147.9W·m...     

气候变暖对小麦蒸散和产量的可能影响

利用水分与小麦生长关系的模拟模式，估算了气候变暖后小麦不同发育阶段农田蒸散量的可能变化及其对产量的影响。结果表明，温度升高时小麦生长中后期实际蒸腾量和总蒸散量明显减少，将导致干物质下降，产量减少，产值降低，并需额外增加灌溉，从而使农业生产费用增加。     

基于能量平衡的华北平原农田蒸散量的估算

通过测定冬小麦主要生育期农田冠层能量平衡的各分量、少风晴天时冠层温度和气温日变化及每周叶面积指数,分析了农田冠层能量平衡日变化规律、各分量季节变化特征,并以波文比系统实测蒸散值为相对标准,基于遥感冠层表面温度和能量平衡原理,采用Brown-Rosenberg公式对农田蒸散进行了估算和验证。结果表明：考虑夜间能量平衡各分量变化时,土壤热通量只占净辐射的3%左右,且夜间潜热交换值均很小,都在零左右波动;采用Brown-Rosenberg公式引入遥感冠层温度后估算的蒸散量较波文比系统实测值稍大,但忽略土壤热通量和考虑土壤热通量相比,二者相对平均偏差分别为16%和10%左右,差别不大,说明拔节-灌浆期（LAI≥3）估算蒸散时可近似忽略土壤热通量和夜间农田蒸散量,利用Brown-Rosenberg公式估算区域蒸散可行,该方法适用于华北平原农田蒸散计算。研究结果为将Brown-Rosenberg公式引入作物模型、基于热红外遥感冠层表面温度计算区域蒸散和水分胁迫系数进行区域估产提供了地面试验依据。     

大田条件下水稻锌营养强化方法探究及效果评估

通过田间试验,在水稻(华粳7号)分蘖期及扬花期进行施锌处理,研究在高施锌水平下水稻各器官锌含量的变化。结果表明,水稻各器官锌含量随施锌量的增加而增加,其中茎的增幅最大,叶次之。茎、叶、穗锌含量最高可分别达到666.7、461.6、185.5mg/kg。分蘖期施锌最多可使水稻糙米锌含量提高28.7%,而扬花期施锌最多可提高142.6%。由重复试验得出,扬花期施锌可稳定提高糙米锌含量,在水稻锌营养强化能力及稳定性上,扬花期施锌优于分蘖期。通过食用经强化后的大米,居民每日锌膳食摄入量可达到中国营养学会推荐的12.5mg。本研究结果对通过土施锌肥实现水稻籽粒锌水平的提升及解决我国居民普遍存在的锌营养摄入不足的现状具有理论和实际的指导意义。     

河北省冬小麦生育期蒸降差的时空变化及其原因分析

冬小麦生育期蒸降差是制定灌溉计划的重要依据,了解其时空变化及影响因素,可以为水资源高效利用提供参考。利用河北省冬麦区1965-2007年48个地面气象站资料,根据FAO推荐的Penman-Monteith公式,分析了河北省冬小麦生育期蒸降差的时空变化及其与气象要素的关系。结果表明:河北省冬小麦生育前、中、后期各站蒸降差均为正值,表明全生育期水分亏缺;生育中期的水分亏缺最严重,且变率较小;水分亏缺最大的区域位于河北省东南部地区。随着气候变化,各生育期蒸降差均为减少趋势,其中全生育期和后期的减少趋势明显(P0.01),前期和中期的减少趋势不显著;全生育期蒸降差的变率较小。相关分析表明:引起冬小麦全生育期蒸降差减少的气象原因主要是日照时数减少和风速下降,最低气温对其有一定影响,但不起决定作用。     

休闲期不同耕作方式对洛阳冬小麦农田土壤水分的影响

采用连续5a的田间定位试验资料，研究了洛阳地区休闲期4种不同耕作方式对冬小麦农田土壤水分变化、水分利用效率及作物产量的影响。结果表明：休闲期不同耕作方式对冬小麦播种前底墒具有明显的影响，与传统耕作方式相比，免耕和深松覆盖处理可以显著增加土壤含水率，具有良好的保墒作用；各处理以深松覆盖作物产量和水分利用效率最高，其次为免耕处理，深翻处理效果较差。因此，洛阳地区采用深松覆盖保护性耕作方式比较有利。     

坡面水蚀比尺模型室内外相似性试验研究

对野外和室内在25°陡坡、人工降雨条件下的侵蚀产沙试验进行了对比分析,结果表明:在降雨强度相同或相近时,室内外降雨侵蚀力非常接近,但是土壤可蚀性却相差4倍左右;当其它影响因素如土壤容重、土壤前期含水量等相同或相近时,仅要达到累计侵蚀产沙量的相似,室内坡面模型可以采用2∶1的几何比尺,该比尺下室内外侵蚀产沙量的误差小于10%;从侵蚀产沙速率来看,室内外试验侵蚀产沙的过程差异较大;室内外试验都是降雨强度越大,坡面产生的细沟数量越多,并且细沟的平均长度、宽度、深度也越大;但要做到室内外坡面形态发育的相似还存在较大难度。     

麦套春棉小麦株高对生态环境的影响

通过对不同株高小麦套种下棉行生态环境的研究表明：套种棉行的土壤温度和光照度，与小麦遮荫程度和遮荫时间有明显关系。小麦对套种棉行的遮荫程度，随着小麦株高的增加而加重；小麦对套种棉行的遮荫时间，随着小麦成熟期的推迟而延长。而套种棉苗的生长量，与小麦株高和成熟期有密切关系，小麦植株越高，成熟期越晚，棉苗生长越慢。因此，麦套春棉的小麦应选用高产、植株较矮的中早熟品种，使之既有利于小麦产量的提高，又有利于棉花的生长发育。     

Crop Nutrient Status and Nitrogen,Phosphorus, and Potassium Balances Obtained in Field Trials Evaluating Different Fertilizer Recommendation Systems on Various Soils and Crops in Hungary

Based on correlations calculated from the database of long-term fertilization experiments carried out in Hungary between 1960 and 2000, a new, cost-saving, and environmentally friendly fertilizer recommendation system was developed. The aim of the new system is to apply the lowest possible nitrogen (N)–phosphorus (P)–potassium (K) rates required to achieve good yields and maximum income per unit area. The World Phosphorus Institute (IMPHOS) agreed to finance a 3-year program to test various Hungarian fertilizer recommendation systems (the new RISSAC-RIA [Research for Soil Science and Agricultural Chemistry‐Research Institute for Agriculture] system, the Talajer?gazdálkodás integrated soil fertility management system, and the intensive MÉM NAK [Department of Plant Protection and Agricultural Chemistry of the Ministry of Food and Agriculture] system) when applied to three major crops grown on three characteristic Hungarian soils. The first five treatments in the experiment represented a classical deficiency experiment, aimed at checking the correctness of the NPK supply categories determined by the various systems. On all three soils and for all three crops the IMPHOS experiments confirmed the basic principles of the new cost-saving, environmentally friendly fertilizer recommendation system and the correctness of the methods used for calculating fertilizer rates. In this article, diagnostic plant analysis, soil analysis data, and NPK balances obtained in the different recommendations are discussed. In most cases the plant NPK contents of all the recommendations exceeded the lower limits of the good NPK supply category for wheat and barley shoot as well as for corn leaf. Crop NPK contents in Talajer?gazdálkodás and MÉM NAK treatments (with greater recommended NPK doses) were most cases better than in the RISSAC-RIA treatments; however, the better crop NPK status did not result in extra grain yield in the former treatments. Taking into account that similarly high yields were obtained using the RISSAC-RIA system and the Talajer?gazdálkodás integrated system with much smaller NPK doses than those recommended by the intensive MÉM NAK system, it was more advantageous from agronomic, environmental protection, and economic points of view. Differences in PK balances correlated well with the differences in the measured soil ammonium lactate (AL)–PK contents after the third year of the experiment.