极端干旱区垂直线源灌条件下葡萄耗水特征与数值模拟

摘要

垂直线源灌是针对果树提出的新型的灌水技术，它是通过埋入土壤中的灌水器将水分直接供给作物，减少土面蒸发，提高了水分利用效率，本文在阅读大量国内外有关渗灌的文献的基础上，在国家科技支撑项目和新疆自治区重大专项的支持下，在新疆吐鲁番鄯善进行了垂直线源灌下葡萄生长和耗水的田间试验，并利用Hydrus软件进行了垂直线源入渗下水分分布和根系吸水的数值模拟，得到如下结论：
　　 (1)生育期总的土面蒸发表现为：三管浅埋＞两管浅埋＞两管深埋，三管浅埋较其它各处理依次增加9.4％、15.2％和60.5％，而各个生育期总的土面蒸发表现为：果粒膨大期＞果实成熟期＞花期；由于水面蒸发测量简单易行，且其和土面蒸发和参考作物腾发量ET0之间的累积量变化的相关系数可达0.98，在气象资料和土面蒸发资料不全的情况下，可用水面蒸发量来计算；灌水后浅埋处理的含水量在20-60cm含水量均较高，深埋的处理在20cm土层的含水量低于其他各个处理，80-100cm土层土壤体积含水量差异较小，得到垂直线源灌可以减少深层渗漏；灌水后的土壤含水量相对于灌水前，浅埋处理在20cm处的含水量增加百分比最高,40-80cm深度各处理的含水量增加相差不大；灌后各处理主根区的含水量基本上为田间持水量的90％以上，可以满足作物需水的要求。
　　 (2)各处理的耗水强度最大值均出现在果粒膨大期，其次是果实成熟期和花期；各处理的总的耗水量表现为：两管小于三管处理；在耗水模数最大的生育阶段是果粒膨大期，耗水量约占葡萄主要生育期耗水总量的60％左右，其次是果实成熟期，耗水量约占葡萄主要生育期耗水总量的30％-40％左右，耗水模数最小的是花期，耗水量仅占葡萄主要生育期耗水量的3％-5％左右。
　　 (3)垂直线源灌的不同布设方式对葡萄的生长特性有明显的影响，各处理的节间、叶片中脉、叶面积指数等的生长呈现慢-快-慢变化趋势的，可以采用Logistic模型或其修正形式表示，精度较高；叶片光合作用主要因素之间均存在二次曲线的关系。各处理的产量表现为：两管浅埋＞传统沟灌＞三管浅埋＞两管深埋，两管浅埋中，两管浅埋（处理2和处理3)的亩产分别比传统沟灌增加6.34％、2.75％；在相同的灌水量情况下，两管浅埋处理2的水分利用效率和灌溉水利用效率分别较三管布置和两管深埋提高21.52％，13.78％和24.13％，18.93％;对鄯善点葡萄园垂直线源灌的管道投入费用进行分析，发现采用两管浅埋具有一定的经济可行性，但由于目前的技术还不成熟，没有投入规模化的使用，使得造价过高。
　　 (4)利用Hydrus-2D软件建立了垂直线源入渗土壤水分分布模型，进行了数值模拟，并根据室内和田间试验反推出土壤水力参数，与试验结果对比表明，所建模型可反映垂直线源入渗土壤水分分布规律；利用Hydrus-1D模拟了根系吸水情况下垂直线源灌水分分布，发现实测值和模拟值的相对误差的绝对值在25％之内的占91.4％，精度尚可，可以基本反映根系吸水情况下垂直线源灌的水分分布；通过田间4种管道布设的模拟计算，结合垂直线源不同布设方式下葡萄生理指标的影响和经济性分析，对照田间的土壤水分分布，可知在鄯善的砂砾石土壤中，管长20cm，埋深10cm.，管距60cm为田间最适布置；利用Hydrus-2D软件模拟研究不同土质单点和交汇情况下垂直线源入渗的水分分布情况，得到垂直线源适合应用于偏砂性土中的根系较深的作物，对于根系较浅的作物则会造成土壤水分的浪费；在质地较细的土壤中则适合根系较浅的作物。

目录

声明

摘要

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 渗灌技术研究现状

1.2.2 渗灌灌水技术指标研究进展

1.2.3 渗灌对作物需水量、节水增产及环境效应影响方面的研究进展

1.2.4 土壤水分运动研究发展概况

1.2.5 葡萄需水规律研究进展

1.2.6 葡萄灌溉方法研究进展

1.3 垂直线源灌研究成果及问题

1.4 主要研究内容

1.4.1 垂直型线源灌条件下葡萄的生长特性及耗水特征研究

1.4.2 垂直线源灌系统优化布置研究

1.5 研究方案

2 试验地基本情况与试验方法

2.1 试验地基本情况

2.1.1 试验地基本气象资料

2.1.2 土壤物理特性

2.1.3 葡萄种植情况与根系分布

2.2 试验内容与方法

2.2.1 试验内容

2.2.2 垂直线源灌葡萄试验的实施方法

2.2.3 田间观测指标与测定方法

3 垂直线源灌布设方式对大田葡萄蒸散及耗水规律的影响

3.1 参考作物蒸散量(ET0)的计算

3.1.1 ET0计算结果

3.1.2 参考作物腾发量的计算模式及评价

3.2 土壤棵间蒸发与水面蒸发变化特征

3.2.1 土壤棵间蒸发

3.2.2 水面蒸发

3.3.3 水面蒸发参考作物腾发量的关系

3.3 垂直线源灌不同布设方式土壤水分动态变化规律

3.3.1 垂直线源灌不同布设方式土壤剖面不同深度处含水量随时间变化

3.3.2 垂直线源灌布设方式对土壤剖面水分随深度变化的影响

3.3.3 垂直线源灌布设方式灌水前后土壤水分分布

3.4 作物耗水量的计算

3.4.1 葡萄各生育期耗水特征研究

3.4.2 葡萄耗水量中各量的转化分析

3.5 本章小结

4 垂直线源灌布设方式对葡萄生理指标和产量的影响

4.1 垂直线源灌布设方式对葡萄生长发育的影响

4.1.1 线源布设方式对葡萄枝条第三节间的影响

4.1.2 线源布设方式对葡萄叶片中脉长的影响

4.1.3 线源布设方式对葡萄叶面积指数的影响

4.1.4 线源布设方式对葡萄果粒性状的影响

4.1.5 线源布设方式对葡萄含糖量变化的影响

4.1.6 线源布设方式对大田葡萄叶片水分状况的影响

4.2 大田葡萄叶片光合、蒸腾、气孔导度、胞间二氧化碳浓度与WUE的日变化特征

4.2.1 光强日变化特征

4.2.2 大田葡萄叶片光合速率的日变化特征

4.2.3 大田葡萄叶片蒸腾速率的日变化特征

4.2.4 大田叶片葡萄气孔导度的日变化特征

4.2.5 大田葡萄叶片胞间CO2浓度的日变化特征

4.2.6 大田葡萄叶片温度的日变化特征

4.2.7 大田葡萄叶片水分利用效率的日变化特征

4.3 部分因素对光合作用的影响

4.3.1 叶片光合速率与蒸腾速率间关系

4.3.2 叶片光合速率、蒸腾与气孔导度间关系

4.3.3 光合有效辐射对作物生理过程的影响

4.4 布设方式对葡萄叶片水分利用的影响

4.5 垂直线源灌布设方式对大田葡萄产量、品质及水分利用效率的影响

4.5.1 垂直线源灌布设方式对葡萄产量构成要素的影响

4.5.2 垂直线源灌布设方式对葡萄产量和水分利用效率的影响

4.5.3 垂直线源布设方式对鲜食葡萄品质的影响

4.5.4 垂直线源灌布置方式的管道经济性分析

4.6 本章小结

5 垂直线源入渗下土壤水分运动和根系吸水的数值模拟

5.1 垂直线源入渗下土壤水分运动的数学模型

5.1.1 垂直线源单点入渗土壤水分运动的数学模型

5.1.2 垂直线源交汇入渗土壤水分运动的数学模型

5.2 垂直线源单点入渗下的试验方法与模型的验证

5.2.1 垂直线源扰动土单点入渗下的试验方法与模型验证

5.2.2 垂直线源原状土单点入渗下的试验方法与模型验证

5.3 垂直线源交汇入渗下的试验方法与模型的验证

5.3.1 垂直线源扰动土交汇入渗的试验材料与试验方法

5.3.2 模型参数的确定

5.3.3 模拟精度分析

5.4 根系吸水的数值模拟

5.4.1 土壤水动力学模型

5.4.2 Hydrus-1D的数值模型定界条件

5.4.3 模型模拟结果及分析

5.5 垂直线源灌的田间优化布设

5.5.1 鄯善田间管道布设的模拟

5.5.2 田间管道布置的优化

5.5.3 典型土质田间管道布设的优化

5.6 本章小结

6 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

致谢

参考文献

附录