寒地温室多熟蔬菜耗水规律与土壤水热运移规律及模拟研究

摘要

温室能充分调节利用光、热、水、土资源，为作物生长发育提供适宜的环境，在水资源紧缺的大背景下，以滴灌为主的节水灌溉技术被越来越多的应用于温室蔬菜的生产中，并突显出其优越性和重要性。本研究以北方寒冷地区温室广泛种植，且百姓餐桌常见、喜食的番茄和豆角为主要研究对象。于2014-2015年在黑龙江省水利科技试验研究中心国家级灌溉试验中心站的日光温室中进行了多熟蔬菜不同水分处理的耗水及水热运移试验，通过两年较为系统的田间试验及实验室实验获取的大量、详实的温室试验数据资料为基础进行分析，对不同灌水处理下的寒地温室春季番茄和秋季豆角耗水规律、最终产量、水分利用效率、植株根层的土壤水热状况进行研究，并进行了蒸腾蒸发量估算、土壤水热运移规律及模拟研究。
　　本研究主要内容包括：⑴滴灌条件下，多熟蔬菜的耗水量与灌水量有密切的关系。番茄整个生育期耗水呈“M”型曲线变化，豆角整个生育期日耗水呈倒“V”型变化。春番茄在5月中、下旬日耗水量达到最高，即番茄座果中期;番茄全生育期耗水强度整体呈现前期大，后期小的变化规律。豆角全生育期耗水强度整体呈现先升后降的变化规律，且前期日耗水量上升速率比较快，后期下降速率比较缓慢;温室秋季豆角苗期耗水模数最高，结荚期最低，而耗水强度开花期最高，采摘期最低;豆角不同生育阶段耗水量大小主要取决于灌水量大小。蔬菜耗水量与温室气温累积值、表层地温累积值，及10 cm地温累积值之间有良好的线性关系，可以用该相关关系估算蔬菜全生育期的耗水量;蔬菜生育期耗水量累积值与土壤表层地温累积值之间存在良好的二项式函数关系，可以用该函数关系估算蔬菜不同生育时段内的耗水量。⑵利用作物系数法建立了寒地温室多熟蔬菜蒸腾蒸发量估算模型，具有较好的有效性和可靠性，因此，可利用作物系数法来估算寒地温室内滴灌条件下春季番茄和秋季豆角的蒸发蒸腾量。⑶研究了温室内的空气温度、土壤表层地温、土壤根区地温与温室外大气温度相同的变化规律。地温和气温呈现正相关关系，在日内大致呈正弦曲线规律变化。土壤表层温度的波动比较剧烈，土壤根区地温的变化平缓，且出现滞后效应。四个温度的平均温度差别也比较明显，土壤表层温度最高。在春季蔬菜苗期覆膜土壤表层温度比裸地表层温度平均提高1.45℃，土壤根区温度比裸地根区温度平均提高1.42℃，说明地膜覆盖起到了显著的增温效果。⑷根据地表滴灌条件下的土壤水分运动特点，在土壤水分运动的动力学方程和土壤热流基本方程的基础上，建立了寒地温室内地表滴灌条件下的土壤水、热耦合运移数学模型，通过计算机程序利用Hydrus-1D软件对模型进行了求解模拟，在用一年的试验数据进行模拟后，同时又另一年的实测数据进行了对比分析及验证，得出:寒地温室内春、秋两季的土壤水吸力、地温的模拟值和实测值吻合均较好，温度模拟误差小于水分模拟误差，Hydrus-1D软件可以较好地模拟出寒地温室蔬菜作物在地表滴灌条件下的土壤水分、热变化及分布状况。由于温室内气象数据、土壤数据、灌水数据等都是容易获得的数据，因此，通过所建立的数值模拟模型，能够对温室内蔬菜生长所需的土壤水、热环境条件可以适时监测和调控。⑸不同灌水处理对番茄和豆角的产量及水分利用效率影响差异显著，番茄以T4灌水处理为最佳灌水处理，豆角以T5灌水处理为最佳灌水处理，能达到产量和水分利用效率的高效统一。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 立题依据

1．2 研究的目的和意义

1．3 国内外研究动态

1．3．1 温室蔬菜耗水规律

1．3．2 温室蔬菜蒸发蒸腾量估算方法

1．3．3 土壤水分运移及数值模拟

1．3．4 土壤水热与作物生长的关系

1．4 主要研究内容及技术路线

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 技术路线

2 材料与方法

2．1 试验区概况

2．2 供试材料与试验设计

2．3 观测项目与方法

2．3．1 测定方法

2．3．2 测定标准

2．4 数据处理

3 多熟蔬菜耗水规律

3．1 春季番茄耗水规律

3．1．1 覆膜对春季番茄全生育期日耗水量的影响

3．1．2 不同水分处理对春季番茄不同阶段日耗水量的影响

3．2 秋季豆角耗水规律

3．2．1 秋季豆角全生育期日耗水量变化

3．2．2 不同水分处理对秋季豆角耗水量的影响

3．3 多熟蔬菜耗水量与温度累积的关系

3．4 小结

4 多熟蔬菜蒸发蒸腾量模型构建

4．1．2 秋季豆角生育期内ET0日变化规律

4．2 寒地温室内常规气象因子与ET0关系分析

4．2．1 ET0对气象因子变化的敏感性分析

4．2．2 温室内日气温与每日ET0的关系分析

4．2．3 温室内日相对湿度与日ET0的关系分析

4．2．4 温室内日照时数与每日ET0的关系分析

4．2．5 温室内累积温度与累积ET0的关系分析

4．3 寒地温室多熟蔬菜的作物系数

4．4 作物系数法估算作物蒸发蒸腾量模型验证

4．4．1 模型验证结果及分析

4．4．2 需水量估算模型的有效性分析

4．5 小结

5 多熟蔬菜土壤水热变化规律

5．1 温室内外热变化特征

5．1．1 北方气候特点

5．1．2 地温变化

5．2 蔬菜根区土壤水分变化特征

5．2．1 覆膜对土壤水动态变化的影响

5．2．2 不同灌水处理土壤水动态变化

5．2．3 不同灌水量灌水后土壤水分变化过程

5．2．4 前一生育阶段灌水量对后一生育阶段土壤水分变化的影响

5．2．5 作物根区土壤水热动态变化

5．3 小结

6 多熟蔬菜滴灌水热耦合运移规律模拟

6．1 非饱和土壤水分运动基本方程

6．2 非饱和土壤热流运动基本方程

6．3 方程数值解条件

6．3．1 温室内土壤水分和温度模拟的初始条件

6．3．2 土壤边界条件

6．4 模型参数与模型模拟

6．4．1 HYDRUS模型介绍

6．4．2 模型参数

6．5 水热耦合迁移模拟值与实测值验证分析

6．5．1 地表滴灌蔬菜根区土壤水分运动数值模拟与验证

6．5．2 地表滴灌温度变化数值模拟与验证

6．6 小结

7 不同水分处理对蔬菜产量和水分利用效率的影响

7．1 不同灌水处理对春季番茄产量和水分利用效率的影响

7．1．1 不同灌水处理对春季番茄产量的影响

7．1．2 不同灌水处理对春季番茄水分利用效率的影响

7．2 不同灌水处理对秋季豆角产量和水分利用效率的影响

7．2．1 不同生育期不同灌水水平对豆角产量的影响

7．2．2 豆角产量和水分利用效率

7．3 小结

8 主要研究结论及创新点

8．1 主要研究结论

8．2 主要创新点

8．3 存在的不足与展望

8．3．1 存在的不足

8．3．2 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文