覆盖条件下玉米根际调控机理研究及根系吸水模型构建

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水是农业命脉,也是整个国民经济和人类生活的本源。我国农业水资源供需矛盾日益突出,大力发展现代农业高效节水技术势在必行。实时了解田间土壤墒情空间动态变化是发展节水农业精准农业的必要条件。植物根系吸水是植物耗水的主要途径,准确掌握作物根系分布特征及耕层土壤水分消耗动态规律,是研究SPAC系统土壤水分传输特性不可或缺的资料,对于进一步以此为基础确定根区水分最优节水耕作模式具有十分重要的指导意义。本文结合黑龙江省研究生创新科研项目“覆盖条件下玉米根际调控机理研究及根系吸水模型构建”(YJSCX2012-022HLJ)及国家自然科学基金青年科学基金项目“松嫩平原黑土区不同覆盖耕作模式保墒固土机理及墒情预报系统研究”(51109037),于2011年3月-2012年11月在黑龙江省东北农业大学香坊试验基地进行试验研究,采用田间试验与数值模拟相结合的技术手段对不同覆盖耕作模式下玉米植株生长发育状况、玉米根系空间分布特点以及根系调控机理等方面进行研究,并建立相应不同覆盖模式下采用根重密度、根长密度及根表面积密度为响应指标的二维根系吸水模型,运用田间实测土壤墒情资料验证了模型的准确性。研究成果能够对玉米根系吸水及覆盖条件下SPAC水分传输模拟提供有力的试验依据和理论支持。主要研究内容及成果如下:(1)玉米植株生长发育及产量状况研究。通过对覆膜与覆秸秆两种不同节水措施条件下玉米生长发育过程及产量影响因子研究表明:各处理玉米叶面积指数、株高、径粗等生长指标长势基本一致,均呈单峰曲线变化。覆膜处理集热抑蒸效果好生育前期长势佳,覆秸秆处理集雨增墒培肥能力优后期生长潜力大,二者长势及产量均高于传统耕作。此外秸秆覆盖模式不同也存在显著差异,其中浅松碎杆压实覆盖措施各项生长指标及产量最高,高于对照1.84%~9.32%,增产16.14%。但整杆覆盖措施在该地区无显著优势。(2)玉米根系时空分布规律研究。玉米有效吸水根系主要分布在地表以下40cm,径向20cm空间土层范围内,其根重、根表面积及根长度在空间分布呈现出一定规律性,表现为不同耕作模式下根系各项指标均随水平距离和纵向深度增加呈指数递减趋势。秸秆覆盖措施有利于促进旱地玉米根系下扎,而覆膜种植有利于根系表层发育。其中浅松碎秆压实处理根重及根表面积居首,并易于深层根系延展;免耕覆盖及条带覆盖有利于径向根系延展。此外采用指数函数对玉米根系指标分别进行拟合得到二维根系密度分布函数R (r,z,t),该函数能较好反映玉米根系动态二维空间分布动态变化。(3)玉米根系吸水速率模型的建立与验证。构建了基于根重密度、根长密度、根表面积密度为响应指标的改进Feddes二维玉米根系吸水模型,并应用该模型采用ADI法对覆盖条件下土壤水分运动数值模型求解,模拟值与实测值相对误差均低于10%,满足模拟计算精度,其中根表面积密度修正模型计算效果较为理想。
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