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。     

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。     

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。     

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．     

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。     

植物根系吸水对非饱和土边坡稳定性影响的分析

为了量化植物根系吸水对非饱和土边坡稳定性的影响及为植被护坡的植物种类选择提供参考,采用COMSOL Multiphysics建立二维边坡,模拟不同根系形态、根长及降雨条件下的根系吸水引起的非饱和土边坡孔隙水压力的分布变化,并采用极限平衡理论对边坡稳定系数进行定量计算.结果表明:指数形根系吸水产生的吸力最大,比裸坡增大4...     

反求根系吸水速率方法的探讨

植物生长条件下土壤水分运动方程的逆问题具有强烈的非线性性与不适定性，该文探讨分析了两种现有的模拟根系吸水速率的反求方法，并提出了一种新的数值迭代反求方法。数值实验结果表明：含水率（或基质势）剖面实测值与模拟值的对比不足以论证根系吸水模型的正确与否；当初始剖面土壤水分变化较为剧烈时，提出的新的数值迭代反求方法可以较好地模拟根系吸水速率在土壤剖面上的分布，在任意两次“实测”时间间隔内，当根系吸水速率变化不大时，选用时间间隔分别为1、2、5、10和15 d的“实测”土壤水分剖面均可以获得与理论吸水分布较为一致的结果，模拟所得的“实际”蒸腾强度与理论值的相对误差均在3%以内。     

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。     

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。     

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.     

Phosphorus application affects root length distribution and water uptake of upland rice in a column experiment

Abstract

Clay mineralogy of thirteen spodic horizon samples from seven Cryorthods developed on diverse materials (peridotite, andesite, lapilli, volcanic ash, slate, granite and granodiorite) in Chubu and Kanto, Japan was determined by successive chemical dissolutions with dithionitecitrate and 0.5 m NaOH-differential infrared spectroscopy in combination with chemical, X-ray diffraction, electron microscopic and thermogravimetric analyses. Thc major part of the soluble iron was found to be crystalline goethite. Presence of allophane (and imogolite) in the lower parts of the spodic horizons, but not in the upper parts, was interpreted as indicating a relatively limited supply of complexing fulvic acid from the overlying organic-rich horizons. The well-developed Al interlayers in the 2 : 1 type minerals associated with gibbsite suggest that the environment of the lower sub-horizons is rich in active aluminium,     

Effect of superabsorbent polymer on root water uptake and quantification of water uptake from soil profile in dry land

Few reports focus on the source of water used in crop uptake from the soil profile following superabsorbent polymer (SAP) application, particularly the quantification of crop water uptake from SAP‐treated soil and non‐SAP‐treated soil. Using column experiments, we investigated the effect of SAP on root water uptake of maize over two years and researched in depth the utilization of water from different soil layers under SAP application by employing stable isotope D/¹⁸O. The results suggest that SAP can increase root water uptake by 16.3–27.8% in SAP‐treated soil layers. The water used by the crop mainly originated in the 0‐ to 20‐cm soil layer at the jointing stage, 20‐ to 40‐cm at heading stage and 0‐ to 20‐ cm during grain filling.     

Root water uptake of pepper plants (Capsicum annuum L.) under deficit irrigation system

Root water uptake is a component of water balance that has not been clearly understood. This study was carried out in a completely randomized design with three replications under the greenhouse condition at Shahrekord University, Shahrekord, Iran. In this study, the root water uptake (RWU) by pepper plant under various irrigation water levels was investigated. Irrigation treatments included control (full irrigation level, FI) and three deficit irrigation levels, 80%, 60% and 40% of the plant's water requirement called DI₈₀, DI₆₀ and DI₄₀, respectively. A no-plant cover treatment with three replications was also used to measure evaporation from the soil surface. Daily measurements of volumetric soil moisture (VSM) were made at 10 cm intervals of the soil column. The differences between the measured VSM and the VSM in the next day, and evaporation rate at the soil surface at the same layer of the no-plant cover treatment were calculated and, eventually, the RWU in each layer per day was estimated. The results showed that the maximum and minimum RWUs were found in the FI and DI₄₀ treatments, respectively. The averages of root water uptakes in the DI₈₀, DI₆₀, and DI₄₀ treatments were reduced by 17.08%, 48.72% and 68.25%, respectively. Furthermore, in the DI₈₀ treatment, the reduced rate of water uptake was less than the reduced rate of water applied to the plants.     

冬小麦根层土壤水量平衡的系统动力学模型

为获取冬小麦根系层水量转化情况,该文采用系统动力学的建模思想和Vensim软件构建了冬小麦一维逐日土壤水量平衡模型。模型将2m土层概化为十个串联的水箱,计算了灌溉降雨后的土壤水分下渗、土壤蒸发、作物蒸腾、毛管上升补给和水分重分配等物理过程。利用河北省石津灌区军齐干渠北二支一斗渠2007－2009年两季冬小麦的田间试验资料对模型进行了率定和验证,结果显示率定期和验证期的平均残差比例和分散均方根比例均在15%以内。三种极端条件测试和六种参数的敏感性测试以及与Hydrus-1模型的比较表明模型假定合理,没有发生结构性错误。对灌区两季冬小麦生育期的土壤水分转化进行模拟,结果表明降雨和灌溉是主要供水水源,毛管水上升量很小,底部渗漏较大,而土壤储水量变化很小。     

PROSAIL模型和水云模型耦合反演农田土壤水分

土壤水分的实时、动态监测对农业生产及作物估产有着非常重要的意义。该文提出一种光学和雷达遥感半经验耦合模型,该模型通过引入植被覆盖度将作物覆盖下的散射贡献与裸露地表的直接散射贡献区分开,结合水云模型和PROSAIL模型对农田区域土壤水分进行反演研究。结果表明：该耦合模型模拟得到的后向散射系数与实测值之间具有较好的线性关系,在HH和VV极化下决定系数R2分别为0.792和0.723,RMSE分别为0.600和0.837 dB。同时该模型对农田区域土壤水分的反演精度也较高,其R2为0.809,RMSE为0.043 cm3/cm3。因此该模型可以有效分离农田作物及裸露土壤对雷达信号的影响,准确建立地表直接后向散射贡献与土壤水分的关系,为大面积复杂地表类型覆盖区域的土壤水分反演提供研究思路和理论支持。     

A sensitivity analysis for assessing the relevance of fine‐root turnover for P and K uptake

Plant fine roots are subject to continual turnover, i.e., old roots die during the plant life cycle and are quickly replaced by new roots. New roots grow partly into undepleted soil areas and can take up nutrients at a higher rate than old roots. This is one possible advantage of root turnover. It has been shown that root turnover of several plant species increases when P and/or K supply is limited, indicating an efficiency mechanism. The objective of this study was to assess the maximum benefit for nutrient uptake by root turnover and to determine which soil or plant properties influence this process. Based on a data set of field‐grown faba beans, a sensitivity analysis with a transport and uptake model was performed, i.e., several input parameters were systematically varied to assess their importance for nutrient uptake of a root system with and without fine‐root turnover. The calculations were based on the assumptions that all new roots grow into undepleted soil areas and that no inter‐root competition occurs. Model calculations indicated that a root system with a high but realistic turnover rate can take up twice the amount of P or K compared to a stable root system without any turnover. This benefit on uptake is higher at low concentrations of these nutrients in soil solution, low soil water content, or high maximum inflow. However, measured uptake under poor conditions of nutrient supply is often higher than calculated uptake, even when root turnover is taken into account. This indicates that root turnover might be an efficiency mechanism, but not the only one.     

水分对切花百合叶面积影响的预测模型研究

叶面积既是重要的花卉作物外观品质指标,又是作物生长和蒸腾模型中所必需的作物参数。为建立水分对叶面积影响的预测模型,该研究以切花百合品种’索邦’(Lilium’Sorbonne’)为试验材料,于2009年3月至2010年1月在南京市农科所温室内进行了不同定植期和不同水分处理的栽培试验。首先根据试验数据,确定了切花百合正常生长的临界基质水势。然后定量分析了不同定植期和不同水分处理切花百合叶面积的变化规律,以及基质水势对百合最大叶长、最大叶长伸长速率和到达最大叶长累积的光温指数动态的影响。在此基础上,进一步建立基质水势对切花百合叶面积指数影响的动态预测模型,并采用与建模数据相独立的试验数据对模型进行了检验。结果表明,模型对百合展叶数、单叶叶长和叶面积指数预测效果较好,预测值与实测值之间基于1∶1线的决定系数(r2)分别为0.96、0.82、0.97,相对回归估计标准误差(rRMSE)分别为6.32%、8.78%、7.12%。该模型能较好地预测水分对切花百合叶面积的动态影响,可为进一步优化切花百合生产的水分管理提供决策支持。     

Hydrus-1D模型在田间水循环规律分析中的应用及改进

为分析农田水分运移规律,以华北平原位山引黄灌区典型田间为研究对象,应用Hydrus-1D模型连续模拟了 2006－2009年的田间水分运移过程。对模型中表面阻抗的计算方法进行了改进,从而改善了蒸散发的模拟结果,与涡度相关系统的实测蒸散发数据对比表明了改进的合理性。对蒸散发的分析表明,对于种植季节性作物的农田,叶面积指数（leaf area index,LAI）是影响蒸散发季节变化过程的重要因素,而气象条件主要决定其在较短时间尺度（如一周）内的波动。与时域反射仪（time domain reflectometry,TDR）实测土壤含水率的对比表明,模型对土壤含水率的模拟精度较高。水量平衡分析结果表明,降雨和灌溉的80%由蒸散发消耗,在汛期农田通过排水发生田间渗漏损失。     

不同水分条件下分层施磷对冬小麦根系分布及产量的影响

研究不同水分条件下分层施磷对冬小麦根长分布、水分利用效率(water use efficiency,WUE)及产量的影响,旨在找出旱地农业最佳水肥处理方式。试验设不施磷(CK)、表施磷(surface P,SP)、深施磷(deep P,DP)和侧深施磷(deep-band P,DBP)4种处理,每个施磷水平下设补充灌溉(W1)和干旱(整个生育期无补充灌溉)(W2)2种水分处理。结果表明,施磷位置及补充灌溉显著(P0.05)影响冬小麦孕穗期根长分布、WUE及产量,同时会改变根系空间分布。干旱胁迫使冬小麦0~30 cm土层根长密度下降,降低17.5%,却促进了30 cm以下土层根长发育,增加13.3%,促进对土壤水分和磷素的吸收,从而提高产量。无论灌溉与否,施磷处理0~30 cm土层根长密度、吸磷量、WUE及产量均显著高于CK(P0.05)。施磷位置对冬小麦WUE和产量的影响随土壤水分而异,无补充灌溉时,与磷肥表施相比,磷肥深施显著增加WUE和产量(P0.05),分别平均增加28.5%和16.0%,且深层根长(30~100 cm)与吸磷量、WUE和产量的变化趋势一致;而在补充灌溉时,与磷肥表施相比,磷肥深施却显著降低WUE(P0.05),平均降低13.3%,且深层根长与WUE、产量的关系缺乏规律性。该试验结果表明,土壤水分供应不足时,磷肥深施有利于促进冬小麦深层土壤根系生长发育,提高对土壤水分吸收利用能力,从而利于形成高产。该研究可为理解作物生长及产量对水分养分空间耦合的响应提供理论依据。