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温室滴灌条件下土壤—作物系统水热传输与模拟

龚雪文  
【摘要】:本文针对华北地区日光温室由于灌溉不科学带来的水资源浪费、产量和品质下降等问题,以优化温室滴灌作物灌溉制度、提高水分利用效率、改善温室生态环境和实现控水、提质、增效为目标,探索温室内水热通量变化规律、灌溉对作物生理生态以及产量品质的综合影响,明确不同尺度蒸发蒸腾变化特性以及温室作物蒸发蒸腾估算模型,为发展成为健康型温室产业体系提供理论支撑与技术储备。以日光温室滴灌番茄为研究对象,参考20 cm标准蒸发皿的累积蒸发量(E_p),设置3种蒸发皿系数0.9、0.7和0.5(0.9E_p,0.7E_p,0.5E_p),采用称重式蒸渗仪、茎流计系统、LI-6400光合仪、全自动气象监测系统等先进仪器,于2015~2016年在中国农业科学院新乡综合试验基地,对日光温室滴灌番茄水热通量进行了系统研究与定量模拟,取得成果如下:(1)系统分析了不同生育期温室内外环境特征、水热通量变化规律及其对环境因子的响应。温室内外太阳辐射、温湿度和水汽压差具有较好的相关性,利用通风口的通风量可建立温室内外风速的关系式。净辐射(R_n)和潜热通量(λET)在幼苗期最小,盛果期最大,λET/R_n在盛果期最大,幼苗期最小,而感热通量(H)/R_n和土壤热通量(G)/R_n则相反。影响温室番茄小时和日尺度λET的环境因子依次为净辐射、水汽压差、风速、气温、相对湿度、地表温度和表层含水率。(2)定量研究了不同空间尺度蒸散发变化规律及其主控因子,得到了温室番茄不同阶段的作物系数。不同水分处理叶片蒸腾(T_r)、单株茎流(T_p)和群体蒸散量(ET)均表现为:0.9E_p0.7E_p0.5E_p,净辐射在叶片、单株和群体尺度上的影响均显著,估算T_p和ET时,需考虑风速的影响;水分胁迫条件下,考虑变量叶温可提高T_p和ET的估算精度。在群体尺度以下的蒸散量转换中,LAI和水汽压差是实现ET尺度转换的关键参量。全生育期土壤蒸发(E)占总ET的25%,E/E_(pan)与LAI和0~5 cm含水率的关系均表现为e指数函数。0.9E_p和0.5E_p的作物系数在幼苗期和花果期均为0.45和0.89,盛果期和采摘期0.9E_p分别为1.06和0.93,0.5E_p分别为0.87和0.41。(3)探讨了Penman-Monteith(PM)模型、Shuttleworth-Wallace(SW)模型和双作物系数法(DK)估算温室番茄ET的适用条件和不足,并对PM和SW模型进行了改进。PM模型结合本文建立的表面阻力模型和混合对流条件下的空气动力学阻力参数可准确估算温室ET;当0.5LAI2.7时,SW模型具有较高的模拟精度,通过引入水分胁迫参数后,可提高SW模型在幼苗期的估算精度;DK模型的模拟精度优于PM和SW模型,尤其在土壤湿润和水分胁迫条件下。基于室外气象资料估算了室内番茄的蒸腾量,其中室内外气象关联法和能量平衡法均低估了中午12:00-16:00的蒸腾量,全生育期内,气象关联法低估了总蒸腾量的1.7%,而能量平衡法低估了6.3%。(4)结合温室滴灌番茄根系实际吸水特性,采用UZFLOW-2D软件对滴灌番茄根区土壤水热动态进行了模拟。番茄一维和二维根系均符合e指数衰减规律,拟合得到了根系二维根长密度函数,决定系数R~2为0.77。UZFLOW-2D软件可准确模拟根区0~70 cm棵间和行间的土壤水热动态变化,并能够准确反映灌水后不同土层的水分衰减情况。采用UZFLOW-2D软件预测了不同蒸发皿系数条件下的灌水量和日均耗水量,预测结果与2016年蒸渗仪实测结果吻合度较高。


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