农田水分高效利用理论与管理技术研究

摘要

农业水资源是一个相互配合、彼此依存的耦合系统。只有调节好农业水资源系统内部的土壤—水分—肥料—空气和作物生长之间的关系，使之处于最佳状态，才能最大限度地挖掘资源系统内在的潜力，充分发挥农业水资源的效益，减少外部资源的投入，获得低投入、高产出的效果，最终实现优质、高产、低耗、高效的目标。 土壤—植物—大气连续体(Soil-Plant-AtmosphereContinuum，简称SPAC)中水分运移、转化规律是现代节水农业研究的基本问题，它与节水灌溉技术结合起来构成节水农业系统，是实现农业高效用水调控的基本途径。通过实验研究分析田间作物水分利用受大气和土壤水分能量条件制约的诸多因素、追踪田间水分在各个子系统中的运行过程、探明其驱动因子与节制水分的机理、寻求调控过程的途径和措施，在节水农业的生产实践中具有重要的理论和实践意义，已逐渐成为水利、农业、土壤以及环境等学科共同关心的重要研究方向，越来越受到国内外学者的关注。本文通过田间及模拟试验，着重从下列几个方面，系统地开展农田水分高效利用与管理的相关应用基础和关键技术进行了较为系统深入的研究。 提出了精确灌溉的概念，构建了精确灌溉技术体系及技术支持系统；利用遗传算法，建立了节水灌溉稻田土壤墒情预报的门限自回归确定性模型，克服了现有模型不稳定、精度较低的缺点，为灌溉预报、节水灌溉制度制定奠定了基础；开发了形成“采集—传输—处理—反馈—控制”信息网络的农田水分高效利用管理决策支持系统(FWMDSS)，该系统做到了全自动采集数据、全自动决策分析、全自动调控操作，可实施科学的农田水分管理；依据信息熵原理，进行节水灌溉稻田中土壤大孔隙空间结构分布的不确定性分析，在此基础上建立的农田非饱和土壤水分特征曲线和土壤水力传导度模型模拟和预测精度均得到了显著地改善；通过田间试验，对水稻作物生长特性、产量信息的空间变异性及其相关性进行定量化分析，明确了水稻生长信息的区域化变量特征、空间结构特征以及产量形成的变异规律，为有针对性地调控生理性状进而获得水稻的高产优质提供科学依据；通过田间小区试验、网室盆栽试验以及砂培和水培模拟试验，探讨水肥耦合对水稻地上部分生长与生理性状以及水稻不同生育期根系形态与活力的影响，加深了对根系形态与活力与水肥关系的认识，为水稻生产中的水肥管理提供了理论依据。上述研究具有一定的创新性和生产指导意义。

目录

文摘

英文文摘

前言

论文说明：资助

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第一章绪论

1.1农业水资源高效利用研究的目的和意义

1.1.1农业水资源利用现状及存在问题

1.1.2农业水资源高效利用的概念及内涵

1.1.3农业水资源高效利用的条件和实现途径

1.2农田水分循环转化系统及高效利用与管理

1.2.1农田水分循环转化系统

1.2.2农田水分高效利用技术体系

1.3农田水分高效利用管理的研究现状及发展趋势

1.3.1农田水分高效利用管理研究现状

1.3.2农田水分高效利用与管理研究发展趋势

1.4本文主要研究内容

1.5本章小结

第二章材料与方法

2.1节水灌溉稻田土壤墒情预报模型研究材料与方法

2.1.1经验预报模型研究材料与方法

2.1.2节水灌溉稻田水分人工神经网络预报模型研究材料与方法

2.1.3基于遗传算法的稻田土壤水分门限自回归预报研究材料与方法

2.1.4节水灌溉稻田水分的土壤水动力学预报模型研究材料与方法

2.2土壤大孔隙流模型研究材料与方法

2.2.1土样制备

2.2.2图像分析

2.3土壤及作物特性空间变异性研究材料与方法

2.3.1试验概况

2.3.2研究方法

2.4水稻水肥耦合技术研究材料与方法

2.4.1供试材料

2.4.2试验设计

2.4.3测定项目及方法

2.5本章小结

第三章农田水分高效利用的精确灌溉理论及技术

3.1精确灌溉思想的产生

3.1.1精确灌溉理论的产生背景

3.1.2精确灌溉的理论内涵

3.2精确灌溉技术

3.2.1精确灌溉技术体系

3.2.2精确灌溉技术支持系统

3.3本章小结

第四章农田土壤水分预报理论与模型技术

4.1节水灌溉稻田土壤墒情预报的经验模型

4.1.1模型建立

4.1.2模型检验

4.2节水灌溉稻田水分人工神经网络预报模型

4.2.1模型建立

4.2.2网络训练及预报结果

4.2.3模型检验

4.3基于遗传算法的稻田土壤水分门限自回归预报模型

4.3.1模型建立

4.3.2结果分析

4.4节水灌溉稻田水分的土壤水动力学预报模型

4.4.1节水灌溉条件下水稻根系分布特征分析

4.4.2水稻根系吸水模型建立

4.4.3节水灌溉稻田土壤水分预报模型

4.5本章小结

第五章节水灌溉稻田土壤大孔隙流模型研究

5.1土壤大孔隙流研究进展

5.1.1土壤大孔隙的形成机理

5.1.2土壤大孔隙流的大小、分布等特征参数

5.1.3土壤大孔隙流数学模型

5.2大孔隙数字图像分析

5.2.1孔隙数目、孔隙度、孔隙半径和孔隙成圆率

5.2.2孔隙复杂度

5.2.3孔隙5 mm间距孔隙变异度

5.2.4孔隙重叠度

5.3基于孔隙分形维数的土壤大孔隙流水力特征参数研究

5.3.1分形模型建立

5.3.2试验结果分析

5.4基于信息熵理论的土壤大孔隙流运动模型参数修正

5.4.1信息熵的基本概念

5.4.2土壤大孔隙的熵值及其特征

5.4.3土壤水分特征曲线分形模型的信息熵修正

5.4.4土壤水力传导度分形模型的信息熵修正

5.5本章小结

第六章节水灌溉稻田作物信息时空变异性分析

6.1土壤及作物空间变异性研究进展

6.1.1土壤特性空间变异性研究

6.1.2作物信息空间变异性研究

6.1.3土壤特性与作物信息空间变异性的联合研究

6.2农田作物信息空间结构分析

6.2.1统计值分析

6.2.2空间结构性分析

6.2.3空间分布图分析

6.2.4相关性分析

6.3本章小结

第七章农田水分高效利用的水稻水肥耦合技术

7.1水肥耦合对水稻地上部分生长与生理性状的影响

7.1.1水肥耦合对水稻株高的影响

7.1.2水肥耦合对水稻茎蘖消长的影响

7.1.3水肥耦合对水稻地上部分植株干重的影响

7.1.4水肥耦合对叶片水势的影响

7.1.5水肥耦合对水稻叶面积指数的影响

7.1.6水肥耦合对水稻籽粒产量及产量构成的影响

7.2水肥耦合对水稻根系形态与活力的影响

7.2.1水肥耦合对水稻根系形态的影响

7.2.2水肥耦合对水稻根系重量与体积的影响

7.2.3水肥耦合对根系重量空间分布的影响

7.2.4水稻有效吸水根量密度分布函数

7.2.5水肥耦合对根系吸收面积和氧化活力的影响

7.3本章小结

第八章农田水分高效利用管理决策支持系统

8.1系统开发目标、原则和特点

8.1.1系统开发目标

8.1.2系统开发原则

8.1.3系统开发特点

8.2系统总体设计

8.2.1系统逻辑结构

8.2.2系统组成结构

8.2.3总控系统设计

8.2.4系统接口设计

8.3子系统设计

8.3.1信息查询子系统

8.3.2信息采集和处理子系统

8.3.3数据库子系统

8.3.4知识库子系统

8.3.5决策管理子系统

8.3.6工程控制子系统

8.4系统界面设计

8.4.1系统总体界面

8.4.2信息参数设置

8.4.3数据通讯

8.4.4数据库管理

8.4.5信息查询

8.4.6决策管理

8.4.7模型管理

8.4.8知识支持

8.4.9工程控制

8.5系统的实现与应用

8.5.1系统的实现

8.5.2系统的应用

8.6本章小结

第九章结论与展望

9.1结论

9.2展望

参考文献

附录

致谢