温室栽培土壤硝酸盐累积的水、热、氮耦合效应及其神经网络预测

摘要

设施栽培中的土壤次生盐渍化、硝酸盐累积、土壤酸化等问题同益突出，已成为阻碍我国设施农业可持续性发展的瓶颈。针对这种现状，本文围绕着温室栽培中土壤硝酸盐累积这一主线，通过试验研究了温室栽培中水、热、氮对盐渍化土壤氮转化、硝酸盐运移和累积、作物生长发育以及作物氮吸收的影响。主要研究成果包括以下几个方面： 1.温室栽培中土壤盐分状况调查及其理化特性分析武汉地区长年温室栽培中土壤的硝酸盐累积量、盐分含量和电导率均高于相邻露地土壤，0～20cm表层土的盐分累积量明显高于20～40cm深层土壤，并且其累积量随温室使用年限的增加而提高；各盐分离子的含量均较露地土壤有大幅度增加，其中以NO3-、Cl-.和Ca2+的相对富集为主要特征。半年盖棚半年揭棚的塑料大棚中土壤由于在多雨季节受到雨水的淋溶作用，盐分累积量不十分明显，但仍高于相邻露地土壤。 对土壤浸提液电导率和盐分化学性质进行了相关性分析。结果表明，土壤浸提液总盐含量(SSC)、Cl-和Ca2+是影响土壤浸提液电导率的主要因素，NO3-、K+和Na+对土壤浸提液电导率直接效应并不明显，而其主要是通过对其它各化学性质的影响对土壤浸提液电导率产生间接效应，这种关系的相关性显著；土壤浸提液离子强度与其电导率亦显著相关，并可表示为I=0.0176EC。 2.温室栽培中土壤水、热基本特性利用混合法研究了土壤水分和土壤温度对土壤比热容的影响，结果表明：在不同温度条件下，土壤比热容均随土壤含水率的增加而增加，且在低含水率下比热容增加的速率高于高含水率的情况；土壤比热容亦是温度的函数，且低温时比热容增加速率低于高温时的增加速率。土壤水分和温度的一次项对土壤比热容的影响达极显著水平，但它们之间交互作用的影响并不明显。 利用探针法研究了土壤含水率以及土壤初始温度对土壤导热系数的影响，结果表明：在试验因子设定的范围内，土壤导热系数随土壤含水率和土壤初始温度的增加而增加。土壤含水率和土壤初始温度的一次项对土壤导热系数的影响达极显著水平，含水率的二次项对土壤导热系数的影响达显著水平，但土壤初始温度的二次项对土壤导热系数以及它们之间交互作用的影响并不明显。 利用压力膜仪测定了温室栽培中土壤的水力特性曲线，结果表明：在0～100kPa吸力范围内，土壤水分含量变化较大；在100～1500kPa吸力范围内，土壤水分特征曲线变化平缓；单位吸力变化引起的含水率变化小，土壤水分的移动能力、导水能力较弱，但土壤持水能力增强，在此基础上建立了水力特征曲线回归模型。 3.水、热、氮耦合对温室栽培中土壤水、氮运移特性影响蒸发温度和土壤初始含水量明显影响NO3--N向土壤表层的迁移，并随蒸发温度和土壤初始含水量的增加而加强：通过正交回归分析得出影响NO3--N迁移速率的因素依次为初始含水量、蒸发温度以及温度与含水量的交互作用；土壤初始NO3--N含量以及它与蒸发温度、土壤初始含水量的交互作用对NO3--N迁移速率的影响不显著，但它影响土壤中各层的NO3--N绝对含量。经过5天蒸发后，NO3--N沿垂直剖面分布出现上高下低，并出现一小的回升后逐渐趋于稳定。 在不同条件下，温室栽培中土壤垂直剖面的水分分布均表现为上低下高，表层土壤水分梯度变化大。随着蒸发温度的升高，表层土壤含水量逐渐降低，而水分梯度变化涉及到的土层深度越深；随着土壤初始含水量的增加，蒸发结束后表层土壤含水量也逐渐增加，表层土壤水分梯度却随土壤初始含水量的增加而减少；而土壤中的含水量则随土壤初始NO3--N含量的增加而增加。 4.水、热、氮耦合对温室栽培中土壤硝态氮累积影响通过培养试验研究了温度、水分、施氮量及其耦合效应对温室土壤硝化作用和硝态氮累积的影响。结果表明：温室土壤硝态氮累积量可用“S”曲线△(NO3-)=e(a+b/τ)进行定量描述，其硝化过程最大硝化速率、延迟期和最大可能累积量是参数a、b的函数；通过正交回归分析得出影响最大硝化速率的因素依次为温度、含水率、温度与含水率的交互作用、水肥的耦合作用以及施氮量；影响延迟期的因素依次为土壤水分、土壤温度、施氮量以及水肥耦合作用；最大可能累积量与温度、含水率及施氮量的关系呈指数变化，其中施氮量影响最大，温度次之，而这3因素之间的交互作用对最大可能累积量没有明显影响。利用回归模型，可为不同环境及水肥条件下硝态氮累积量及氮利用的有效性预测提供依据。 5.水、热、氮耦合对温室栽培中土壤pH和EC影响通过培养试验，研究温度(T)、水分(W)、施氮量(N)及其耦合效应对温室土壤pH及EC的影响。结果表明：随着培养时间延长，温室土壤pH逐渐下降，下降速率可用一级反应模型进行定量描述，N、W、WxN以及TxW对其速度常数的影响大小依次为N>W>WxN>TxW；EC在培养的第1周内快速上升到最大值后略有下降，并在培养后期逐渐趋于稳态值(ECsty)，ECsty受N、W、TxW、T以及WxN的影响，其中N、W、TxW和T的影响达到极显著水平，WxN的影响达到显著水平；通过减小施氮量及适当调亏灌溉可有效延缓温室土壤酸化和EC升高。建立的pH下降速率常数及ECsty回归模型可为不同环境及水肥条件下土壤酸化及EC变化预测提供依据。 6.硝酸盐累积、pH及EC对水、热、氮影响的敏感性选取同种土质的温室栽培土壤和露地耕作土壤进行培养试验，比较分析2种土壤在培养期土壤硝酸盐累积、pH和EC值变化对土壤水分和施氮量影响的敏感性差异。结果表明：在相同水肥条件下，温室土壤硝酸盐累积、pH下降速率及EC增量明显高于露地耕作土壤；温室土壤硝酸盐累积速率和，pH下降速率随土壤水分含量和施氮量的增加而增加，当土壤水分含量为90％FC时2者的变化速率达最大值，而露地耕作土壤硝酸盐累积速率和pH下降速率随土壤水分含量增加先升高后降低，在70％FC处达最大值；温室栽培中土壤硝酸盐累积速率和pH下降速率对施氮量影响的敏感性高于露地土壤；2种土壤EC值均随土壤水分含量和施氮量的增加而增加，露地耕作土壤EC值增量对土壤水分和施氮量影响的敏感性高于温室土壤，但温室土壤在培养期EC绝对增量远高于露地耕作土壤，这种增加使温室土壤盐渍化日趋严重。 7.水、氮耦合对温室作物氮吸收影响利用硝酸盐累积较为严重的温室栽培土壤进行番茄栽培试验。灌水量为100％FC、施氮量为150mg/kg的条件最有利番茄植株生长、发育，其植株体内硝酸还原酶活性(NRA)明显高于其它处理而累积的硝酸盐含量却低于其它各处理，且在作物收获后，该处理土壤中残留的硝酸盐及铵态氮含量也明显低于其它各处理。当灌水量为80％FC、施氮量为300mg/kg时，番茄植株生长发育迟缓，枯萎，死亡现象较为严重，其植株体内的NRA相比其它处理为最低，不论是土壤表层还是深层，作物收获后的硝酸盐和铵态氮残留量均处于一个较高水平。对于硝酸盐累积严重的土壤，足量灌溉比调亏灌溉更有利于番茄作物生长发育和氮的吸收。 8.温室栽培中土壤硝酸盐积累积的BP神经网络模型采用引入附加动量和自适应学习率的BP神经网络构建了温室栽培中土壤硝酸盐累积的水、热、氮耦合作用模型；利用Matlab6.5对该模型进行了设计，并将设计好的模型对检验样本进行仿真，对BP网络模型仿真结果与回归方程拟合结果进行了比较。结果表明BP网络模型收敛速度快，拟合效果好，泛化能力(网络推广能力)强，预测精度高，完全可以用于温室栽培中土壤硝酸盐累积的水、热、氮耦合作用预测。

目录

文摘

英文文摘

声明

1.引言

1.1温室栽培中土壤硝酸盐累积研究现状

1.1.1温室栽培中土壤硝酸盐累积的基本特征

1.1.2温室栽培中土壤硝态氮含量对作物生长发育的影响

1.1.3温室栽培中土壤硝酸盐累积对作物品质的影响

1.1.4温室栽培中土壤硝酸盐累积对环境的影响

1.2水、热、氮对土壤硝酸盐累积影响的研究现状

1.2.1施氮对土壤硝酸盐累积的影响

1.2.2土壤水分对土壤硝酸盐累积的影响

1.2.3土壤温度对土壤硝酸盐累积的影响

1.2.4土壤水、热、氮交互作用对土壤硝酸盐累积的影响

1.2.5土壤水、热作用下土壤氮迁移和转化模型

1.3人工神经网络在土壤学科中的应用

1.3.1人神经网络简介

1.3.2人工神经网络特征

1.3.3人工神经网络在土壤学科中的应用

1.4选题意义

1.5本课题研究内容

2.温室栽培中土壤盐分状况调查及其理化特性分析

2.1武汉地区温室栽培中土壤硝酸盐累积及盐分状况

2.1.1材料与方法

2.1.2结果与分析

2.1.3结论

2.2次生盐渍化土壤理化特性的相关性

2.2.1材料与方法

2.2.2结果与分析

2.2.3结论

3.温室栽培中土壤水、热基本特性

3.1温室栽培中土壤热容特性

3.1.1材料与方法

3.1.2结果与分析

3.1.3结论

3.2温室栽培中土壤导热性能

3.2.1探针法测定原理

3.2.2材料与方法

3.2.3结果与分析

3.2.4结论

3.3温室栽培中土壤水力特性

3.3.1材料与方法

3.3.2结果与分析

3.3.3结论

4.水、热、氮耦合对温室栽培中土壤水、氮运移特性影响

4.1试验材料与方法

4.1.1供试土壤

4.1.2试验方法

4.2结果与分析

4.2.1不同因素对温室表层土壤NO3--N的影响

4.2.2不同因素对温室不同深度土壤水分分布的影响

4.2.3不同因素对温室不同深度土壤NO3--N含量的影响

4.3结论与讨论

5.水、热、氮耦合对温室栽培中土壤硝态氮累积影响

5.1材料与方法

5.1.1供试土壤

5.1.2土壤基本理化性质的测定

5.1.3试验方法

5.2结果与讨论

5.2.1供试温室栽培中土壤的基本性质

5.2.2温室栽培中土壤铵态氮硝化特征及动力学模型拟合

5.2.3建立动力学模型参数及特征值回归方程

5.2.4温室栽培中土壤最大硝化速率Kmax的水、温、肥耦合效应

5.2.5温室栽培中土壤硝化作用延迟期τd的水、温、肥耦合效应

5.2.6温室栽培中土壤NO3--N最大累积量Areax的水、温、肥耦合效应

5.3结论和讨论

6.水、热、氮耦合对温室栽培中土壤pH和EC影响

6.1试验材料与方法

6.1.1供试土壤

6.1.2试验方法

6.2结果与分析

6.2.1温度、水分和施氮量对温室栽培中土壤pH影响

6.2.2温度、水分和施氮量对温室栽培中土壤EC影响

6.3结论和讨论

7.硝酸盐累积、pH及EC对水、热、氮影响的敏感性

7.1材料与方法

7.1.1供试土壤

7.1.2土壤基本理化性质的测定

7.1.3试验方法

7.2结果与讨论

7.2.1温室与露地土壤基本理化性状差异分析

7.2.2水分和施氮量对温室与露地土壤硝酸盐累积影响的敏感性分析

7.2.3水分和施氮量对温室与露地土壤pH影响的敏感性分析

7.2.4水分和施氮量对温室与露地土壤EC值影响的敏感性分析

7.3结论

8.水、氮耦合对温室作物氮吸收影响

8.1试验材料与方法

8.1.1供试材料

8.1.2试验方法

8.2结果与讨论

8.2.1水氮耦合对作物生长发育的影响

8.2.2水氮耦合对作物生物量的影响

8.2.3水氮耦合对作物体内硝酸盐含量及硝酸还原酶活性的影响

8.2.4水氮耦合对硝酸盐在土壤中残留的影响

8.2.5水氮耦合对铵态氮在土壤中残留的影响

8.3结论和讨论

9.温室中土壤硝酸盐积累的BP神经网络模型

9.1 BP神经网络及改进算法

9.1.1 BP网络的原理

9.1.2神经网络的学习算法

9.2 Matlab神经网络工具箱

9.3 BP神经网络预测模型

9.3.1模型总体结构

9.3.2网络结构的确定

9.3.3数据样本的准备

9.3.4节点激励函数的选择

9.3.5数据的归一化处理

9.3.6隐含层神经元数目的确定

9.3.6训练算法的确定

9.3.7学习速率

9.4 BP神经网络模型程序设计

9.4.1 BP网络的程序设计

9.4.2程序关键代码

9.5模型预测结果与分析

9.5.1.温室栽培中土壤硝态氮累积的BP神经网络预测

9.5.2温室栽培中土壤表层硝酸盐含量变化的BP神经网络预测

9.6结论与讨论

10.结语

10.1研究小结

10.1.1温室栽培中土壤盐分状况调查及其理化特性分析

10.1.2温室栽培中土壤水、热基本特性

10.1.3水、热、氮耦合对温室栽培中土壤水、氮运移特性影响

10.1.4水、热、氮耦合对温室栽培中土壤硝态氮累积影响

10.1.5水、热、氮耦合对温室栽培中土壤pH和EC影响

10.1.6硝酸盐累积、pH及EC对水、热、氮影响的敏感性

10.1.7水、氮耦合对温室作物氮吸收影响

10.1.8温室中土壤硝酸盐积累积的BP神经网络模型

10.2本研究的创新点

10.3本研究存在的问题及进一步研究的思路

10.3.1存在的问题

10.3.2进一步研究的思路

参考文献

博士在读期间发表的与本课题相关的论文

致谢