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SPAC理论及其在川中丘陵区节水农业中的应用研究

门宝辉  
【摘要】:水资源短缺已经成为21世纪全球经济、社会发展的主要影响因素,作为用水部门大户的农业,占总用水量的70%,如何节水,发展节水型农业,已成为世界各国发展农业的主攻方向。SPAC理论(土壤—植物—大气连续体,Soil-Plant-Atmosphere Continuum,简称SPAC)就是把植物和它生长的环境看成一个系统,来研究水分在这个连续体系统中的运移规律,从而达到植物节水的目的。SPAC理论自上个世纪60年代提出以来,无论在理论和应用上都得到了迅速的发展。 目前SPAC理论在我国西北干旱地区应用的较多,主要侧重土壤—植物—大气整个连续体水分运移规律的研究。对这连续体的各个组成部分中的水分变化规律没有进行过较为系统的探索性研究。 本文主要针对南方(川中)丘陵区近年来易发生季节性干旱的特点,应用SPAC理论,对土壤、植物、大气中的水分变化规律进行了较为系统的探索,为川中丘陵区节水农业实行取得了以下具有创新意义的研究成果。 第一,关于土壤方面,利用随机理论建立了预测土壤含水量的非平稳时序模型,同时运用MATLAB人工神经网络工具箱建立了土壤含水量预测的BP网络模型,取得了较为满意的效果。 第二,关于植物方面,利用考虑气压修正的彭曼(Penman)公式计 WP=5 算了川中丘陵区1999~2003年的逐日蒸散量并分析了它的变化规律;探讨了夏玉米茎液流的日变化规律以及它于太阳辐射能的相关关系;建立了玉米叶水势的偏最小二乘回归预测模型。 第三,关于大气方面,利用分形理论中R/S分析法对川中丘陵区的枯水年进行了预测;利用混沌理论的重构相空间技术,确定了农业气象因子(旬平均气温、最高气温、最低气温、地表温度、蒸发量、降水量、相对湿度、日照时数)的延时、关联维数、最小嵌入维数、Lyapunov(李雅普诺夫)指数、Kolmogrov(柯尔莫奇诺夫)熵,从而证明了以上各农业气象因子的时间序列具有混沌特性,为利用混沌理论预测各气象因子提供了科学依据;利用田间自动气象站的数据计算了大气水势并探讨了大气水势的日变化规律以及大气水势与太阳辐射的关系。 第四,根据田间试验数据建立了川中丘陵区的水稻水分生产函数(Stewart模型),并讨论了敏感系数的变化规律;最后以水分生产函数为目标函数,采用遗传算法优化了水稻非充分灌溉的灌溉制度。 总之,本文在研究土壤、植物、大气中水分变化规律的基础上,最后通过田间试验确定了川中丘陵区水稻的水分生产函数,优化了水稻非充分灌溉制度,为川中丘陵区SPAC理论的应用做了尝试性的探索,同时也为该地区实行节水农业提供了较为科学的依据。


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