人工牧草生理生态过程模拟及高效用水灌溉制度研究

论文摘要

内蒙古草原由于超载放牧和不合理垦植,绿草逐渐稀疏,沙漠开始蔓延,草原生态日益恶化,农牧业发展受到严重影响,为维持生态平衡,保护生态环境,缓解草原放牧的压力,发展牧草的人工种植已成为当前农牧业结构调整与建设的重要内容。牧草的需水量决定牧草的生长发育态势,当前有关植物需水的研究越来越多地涉及到植物生理生态学的有关内容。本文在浑善达克沙地选择典型区域建立灌溉试验场,以老芒麦、披碱草、蒙古冰草和紫花苜蓿作为典型牧草,进行人工牧草生理生态过程模拟、需水量计算、高效用水灌溉制度制定及有效根系层的土壤含水率阈值与无效需水量等内容的研究,主要成果如下:（1）通过人工牧草蒸腾速率和光合速率与环境因子的相关分析、偏相关分析、通径分析和决策系数分析,从不同角度说明了人工牧草蒸腾速率和光合速率与环境因子的关系。人工牧草的蒸腾作用和光合作用主要受光合有效辐射（PAR）的影响,其次是其它环境要素不同程度的直接影响和间接影响。（2）基于AGA求解的非直角双曲线模型、直角双曲线模型和直角双曲线修正模型,建立了人工牧草的光响应模型,三种模型对于人工牧草的光合速率和蒸腾速率的光响应模拟效果很好,差异性不大;分别建立了人工牧草蒸腾速率对于空气温度和湿度响应的指数模型。（3）在分析人工牧草气孔导度与环境因子关系的基础上,考虑到经典气孔导度模型（Jarvis类模型和BWB模型）的适用性和局限性,提出了模拟人工牧草气孔导度与环境变量关系的复合S曲线模型,并以AGA进行求解,研究表明复合S曲线模型可以很好的反映环境变量与人工牧草气孔导度之间的复杂的非线性函数关系。（4）以能量平衡为基础,将气孔导度模型与能量平衡模型相耦合,用湍流扩散理论建立了冠层尺度上的双涌源模型,并提出从不同角度识别模型参数的方法,进而实现了人工牧草冠层潜热通量和作物蒸腾量的模拟,取得了较好的模拟效果。（5）利用AGA优化找出残差平方和最小时牧草的基本作物系数,进而提出了适用于本地区牧草需水量计算的基本作物系数修正值,基于此,以双作物系数法逐日计算了2004、2005年不同灌溉处理下老芒麦、披碱草、蒙古冰草和紫花苜蓿全生育期的需水量,计算结果很好地反映了各生育期蒸腾蒸发的变化规律。（6）利用拟合相关图法、残差估计误差指示法和相关分析法,以定性、定量相结合的方法分析了人工牧草蒸腾量、株间土壤蒸发量和有效根系层土壤含水率的有效性。（7）确定了人工牧草的高效用水灌溉制度,提出典型优质人工牧草合理灌溉的指导方法。实施高效用水灌溉制度后人工牧草水分利用效率均有不同程度的提高,老芒麦、披碱草、蒙古冰草和紫花苜蓿的水分利用效率分别提高0.19、0.1、0.09和0.17 kg·m-3。（8）以作物有无水分胁迫作为分析土壤含水率阈值的出发点,从耗水角度提出灌溉制度的设计应该满足Dr小于RAW或DP等于零的条件,并认为有效根系层土壤含水率阈值是光合利用率较高的土壤含水率的下界值,其上界值不宜超过阈值过多。以作物是否发生无效蒸腾作为分析土壤含水率阈值的出发点,从作物产量与需水量、光合作用与根系层土壤含水率的关系角度出发,估算出人工牧草的含水率阈值,并根据试验结果认为:生育期内土壤含水率维持在田间持水率的55%-70%时无效蒸腾较少、产量较高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 叶片水平的生理过程模拟
• 1.2.2 冠层水平的生理生态模型
• 1.2.3 灌溉制度
• 1.3 研究内容
• 2 研究区概况及试验观测项目
• 2.1 研究区概况
• 2.2 试验场概况
• 2.3 试验设计
• 2.4 试验观测项目
• 3 环境对人工牧草蒸腾、光合作用的影响
• 3.1 影响蒸腾作用和光合作用的环境因子
• 3.1.1 影响蒸腾作用的环境因子
• 3.1.2 影响光合作用的环境因子
• 3.2 环境因子的日变化
• 3.3 环境因子对人工牧草蒸腾、光合作用的影响分析
• 3.3.1 老芒麦蒸腾、光合作用与环境因子的关系
• 3.3.2 披碱草蒸腾、光合作用与环境因子的关系
• 3.3.3 蒙古冰草蒸腾、光合作用与环境因子的关系
• 3.3.4 紫花苜蓿蒸腾、光合作用与环境因子的关系
• 3.4 小结
• 4 人工牧草蒸腾、光合作用对环境因子的响应
• 4.1 人工牧草蒸腾、光合作用对光强的响应
• 4.1.1 植物的光响应模型
• 4.1.2 人工牧草净光合速率的光响应模型分析
• 4.1.3 人工牧草蒸腾速率的光响应模型分析
• 4.2 人工牧草蒸腾速率对空气温度、湿度的响应
• 4.2.1 人工牧草蒸腾速率对空气温度的响应分析
• 4.2.2 人工牧草蒸腾速率对空气湿度的响应分析
• 4.3 小结
• 5 人工牧草气孔导度模拟及冠层尺度上的蒸散计算
• 5.1 气孔导度对环境的响应模拟
• 5.1.1 气孔导度的主要环境影响因子
• 5.1.2 人工牧草叶片气孔导度的数值模拟
• 5.2 气孔导度-双涌源耦合模型
• 5.2.1 双涌源模型
• 5.2.2 阻力系数的计算
• 5.2.3 模拟计算结果
• 5.3 小结
• 6 计算人工牧草需水量的双作物系数法
• 6.1 参考作物蒸散量
• 6.1.1 净辐射
• 6.1.2 饱和水汽压曲线斜率
• 6.1.3 研究区参考作物蒸散量
• 6.2 生长阶段的确定
• 6.2.1 生长初期
• 6.2.2 生长发育期
• 6.2.3 生长中期
• 6.2.4 生长后期
• 6.3 各生长阶段的基本作物系数
• 6.3.1 生长初期基本作物系数
• 6.3.2 生长中期基本作物系数
• 6.3.3 生长发育、生长后期阶段基本作物系数
• 6.4 各生长阶段蒸发系数
• 6.4.1 生长初期蒸发系数
• 6.4.2 生长发育、中期和后期蒸发系数
• 6.5 水分胁迫系数
• 6.5.1 水分胁迫系数
• 6.5.2 有效根系层中的总有效水量
• 6.5.3 有效根系层中的易吸收有效水量
• 6.5.4 有效根系层日水量平衡
• 6.6 有效根系层土壤含水率
• 6.7 计算结果
• 6.8 小结
• 7 人工牧草需水量模拟结果有效性检验
• 7.1 有效性检验方法
• 7.1.1 拟合相关图法
• 7.1.2 残差估计误差指示法
• 7.1.3 相关分析法
• 7.2 有效性检验
• 7.2.1 老芒麦模拟需水量的有效性检验
• 7.2.2 披碱草模拟需水量的有效性检验
• 7.2.3 蒙古冰草模拟需水量的有效性检验
• 7.2.4 紫花苜蓿模拟需水量的有效性检验
• 7.3 小结
• 8 人工牧草高效用水灌溉制度
• 8.1 人工牧草产量、水分利用效率和边际产量与需水量关系分析
• 8.1.1 人工牧草产量与需水量关系
• 8.1.2 人工牧草水分利用效率与需水量的关系
• 8.1.3 人工牧草边际产量与需水量的关系
• 8.2 水分利用效率最大的全生育期需水量的确定
• 8.3 水分利用效率最大的全生育期需水量的再分配
• 8.3.1 水分敏感系数的确定
• 8.3.2 各生长阶段水分利用效率最大的需水量
• 8.4 灌水定额的确定
• 8.4.1 物候生长阶段有效降雨量的确定
• 8.4.2 生长阶段地下水补给量的确定
• 8.4.3 生长阶段有效根系层土壤水变化量的确定
• 8.5 人工牧草高效节水灌溉制度
• 8.5.1 高效节水灌溉定额
• 8.5.2 灌水时间
• 8.6 人工牧草高效用水灌溉制度的水分利用效率的提高
• 8.7 小结
• 9 有效根系层土壤含水率阈值与无效蒸腾量的初步研究
• 9.1 有效根系层土壤含水率阈值
• 9.2 无效蒸腾量
• 9.2.1 光饱和现象
• 9.2.2 无效蒸腾量
• 9.2.3 无效蒸腾量与土壤含水率的关系
• 9.3 小结
• 10 结论与建议
• 10.1 结论
• 10.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介