负压灌溉对土壤水分分布与油菜水分利用的影响

摘要

水资源短缺严重制约着我国农业发展，随着劳动力资源减少、能源紧张局势的加剧，我国节水灌溉的重点应放在提高机械化、自动化水平，推广低压节能输水上。负压灌溉是将灌水器埋入地下，其供水水头为负值无需动力加压设备，是一种自动补给的新型节水灌溉系统，实现了作物主动式土壤水分供应。其灌水器采用高性能的负压渗水材料，节水的同时减少能耗，由于其具有显著的技术优点和巨大的节水潜力，因而具有良好的发展前景。国内外关于负压灌溉的研究目前仍然处于初步的探讨阶段，有关负压灌溉技术的应用理论、管理参数都有待进一步研究和探讨。本论文采用中国农业科学院农业资源与区划研究所研发的一种新型负压灌溉系统，研究了不同负压水头控制条件下系统的供水特征、土壤水分入渗与分布特点、水分运移规律，系统供水量与土壤含水量及作物耗水量之间的互相关系、以及不同供水负压水头对油菜、奶白菜生长与水分生理特性的影响。通过研究，初步明确了新型负压灌溉系统的供水性能、土壤水分分布和变化规律，提出了油菜和奶白菜适宜的供水吸力控制范围，可为负压灌溉管理提供参考依据。主要研究结论如下:
　　(1)通过研究初步明确了新型负压灌溉系统供水特征与主动供水机制。负压灌溉系统是以土壤水势（土壤吸力）作为水分进入根际土壤的动力，作物生长期间由于作物叶片蒸腾吸水和土壤水分蒸发耗水，引起土壤水势下降，当土水势低于系统供水负压时，产生了水势差，系统开始供水;当土水势和系统供水负压平衡时，系统停止供水保持水势平衡。这样通过控制系统的供水负压，在作物整个生长期间，随着作物生长发育，水分不断被吸收利用，土壤水势可以保持与供水负压相平衡，实现了作物对水分的连续自动获取，是一种主动式供水过程，新型负压灌溉系统在设定的负压供水水头(-20～0kPa)控制下，可以保持平稳供水，实现主动供水。
　　(2)采用室内土柱实验初步探明了新型负压灌溉系统供水条件下，水分入渗过程，土体湿润锋运移、最大湿润距离、累计入渗量等随时间的变化关系。研究结果表明，负压条件下，土壤的水分累积入渗量、最大水平和垂直湿润距离随时间的变化呈幂函数变化，变化关系式分别为y=57.65x0.391、y=7.808x0.185、y=4.27x0.912。湿润锋开始时运移较快，等时间线较稀疏，而后运移变慢，等时间线变密，湿润体都近似为椭球体，累计入渗量、最大水平和垂直湿润距离都随时间的增加而增大，入渗率随时间的增加而减小。本试验以土壤水动力学为基础，通过室内试验验证了负压灌溉系统的可行性，为开展田间试验和负压灌溉关键技术提供了不同负压值控制下的供水量、入渗速度、累计入渗量、湿润距离等实验参数。
　　(3)初步明确了新型负压灌溉系统供水条件下盆栽土壤水分分布特点。盆栽试验土壤水分空间分布研究表明，传统灌水处理土壤水分含量变化波动较大，而负压灌溉条件下土壤含水量波动很小，说明负压供水系统能够保持作物生长过程中自动控制与平稳供水。在-5kPa负压控制水分供应下，土体中土壤水分含量随着与陶瓷头距离的增大而降低，最高含水量均出现在盆钵（长42cm，宽26cm，高26cm）内陶瓷头安放位置，含水量总体分布为中间高四周低，最低含水量均出现在远离陶瓷头的盆钵边缘，土壤不同层次的平均含水量在15.7％-16.0％之间，最高为17.7％，最低为14.6％，水分在土体内空间变异较小。
　　(4)同一负压下，灌溉系统通过自动调控，土壤含水量可以保持相对恒定，而不同供水负压处理间土壤含水量有显著的差异。新型负压灌溉系统在不同负压控制处理下土壤含水量有显著的差异。当系统负压设定在-20～-5kPa，土壤含水量可以控制在3.6％～29.5％之间，随着供水水势增大，系统供水量增加，土壤含水量呈上升趋势，土壤含水量随系统供水量增加呈指数式增加，y=6.2519e00464(R2=0.8694**)，供水水势在较高范围内时，负压变化对土壤质量含水量变化的影响较大。说明本负压灌溉系统通过作物主动式土壤水分平衡供应机制，在作物不同生长阶段通过调控负压，可以自动控制土壤水分在适宜的范围内，为作物生长创造良好的土壤和水分环境。
　　(5)采用新型负压灌溉系统灌水，系统供水量与作物耗水量、土壤含水量与作物耗水量之间的关系均符合指数函数变化曲线。变化关系式为y=0.9849x+0.3865(R2=0.9987**)和y=1.2512x-3.1677(R2=0.9669**)。土壤含水量与作物耗水量的关系为极显著线性相关说明随着土壤含水量提高，作物耗水量呈直线增大;随着系统供水量增大，作物耗水量也增加，作物耗水是系统供水的主动力。
　　(6)在适宜的负压供水水头控制下，采用新型负压灌溉系统灌水可以显著促进根系生长、提高叶片蒸腾速率和光合速率。由于不同负压处理下土壤水分供应有显著的差异，从而显著影响到油菜和奶白菜的生长和光合特性。5个处理中以-5、-10kPa处理的水分供应充足，根长、根体积、根系表面积等较高、根系生长良好，而-15kPa处理土壤水分含量过低，根系生长不良。无压和-5kPa处理总根长较对照分别增加了69.9％和44.6％，根系表面积较对照分别增加了69.5％和55.6％，根系总体积较对照分别增大了68.8％和68.0％。-5kPa和-10kPa处理的叶片净光合速率和蒸腾速率都较高，显著高于其他3个处理。从不同因素之间相关性分析看，-5kPa处理对光合速率的影响因素丰要是胞间CO2浓度(Ci)，二者呈显著负相关，相关系数达90％以上，光合速率大小主要决定于CO2的供应;而-15kPa处理光合速率的主要限制因素是气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)，说明-15kPa处理土壤水分供应不足，水分已经严重影响到叶片的蒸腾速率和气孔导度，从而导致光合速率下降。
　　(7)采用新型负压灌溉系统可以显著提高油菜和奶白菜的产量、改善蔬菜品质。不同负压处理以-5kPa、-10kPa两个处理产量较高，而负压过高(-20kPa)不利于产量的形成。-5kPa、-10kPa两个处理与传统灌溉相比，油菜产量提高30％、108％，水分利用效率提高了55.5％、35.3％，维生素C含量提高了4.63％、61.3％，硝酸盐含量降低了17.9％、21.4％，可溶性糖含量变化无明显规律。
　　综合考虑土壤水分供应、蔬菜生长状况、产量、品质以及水分利用效率等因素，推荐本试验条件下，-5kPa～-10kPa为油菜和奶白菜的适宜负压控制范围。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及依据

1．2 国内外研究进展

1．2．1 负压灌溉概念与系统运行原理

1．2．2 负压灌溉统研发进展

1．2．3 负压灌溉对土壤水分入渗的影响

1．2．4 负压灌溉对作物生长的影响

1．2．5 负压灌溉的优势

1．2．6 负压灌溉存在的缺点

1．3 研究的目的和意义

1．4 研究内容与技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究技术路线

第二章 试验设计与研究方法

2．1 负压灌溉系统装置

2．2 试验地概况

2．3 试验设计方案

2．4 取样与分析方法

2．4．1 取样方法

2．4．2 测定方法

2．5 数据处理与统计分析

2．5．1 作物耗水量计算

2．5．2 作物水分利用效率计算

2．5．3 统计分析

第三章 负压灌溉条件下土壤水分入渗运移与分布特点

3．1 负压灌溉下土壤水分入渗特点

3．2 负压灌溉下水分运移规律

3．3 不同深度土壤水分分布比较

3．4 相同深度土壤水分分布比较

3．5 讨论

3．6 小结

第四章 负压灌溉条件下供水量、土壤含水量及作物耗水量关系分析

4．1 负压灌溉系统供水量

4．2 负压灌溉对土壤含水量的影响

4．3 负压灌溉对蔬菜耗水量的影响

4．4 供水负压与土壤含水量的关系

4．5 讨论

4．6 小结

第五章 负压灌溉对油菜和奶白菜生长及水分生理特性的影响

5．1 负压灌溉对油菜和奶白菜根系生长的影响

5．2 负压灌溉对油菜地上部生长性状的影响

5．3 负压灌溉对奶白菜光合速率与蒸腾速率的影响

5．3．1 负压灌溉奶白菜光合速率分析

5．3．2 供水负压值、供水量、土壤含水量、蔬菜耗水量与光合速率的关系

5．4 讨论

5．5 小结

第六章 负压灌溉对油菜和奶白菜产量品质与水分利用效率的影响

6．1 负压灌溉对油菜和奶白菜产量的影响

6．2 负压灌溉对奶白菜水分利用效率的影响

6．3 负压处理对油菜和奶白菜品质的影响

6．4 供水量、土壤含水量、奶白菜耗水量与其产量和水分利用效率的关系

6．5 讨论

6．6 小结

第七章 全文结论与展望

7．1 全文结论

7．2 展望

参考文献

致谢

作者简历