西北地区覆膜春小麦田间水热传输机制与模拟研究

摘要

石羊河流域位于我国西北旱区,域内水资源的极度紧缺己成为制约当地农业经济发展的主要限制因素。透明薄膜覆盖具有增温保墒的作用,改变农田SPAC(soi1-p1ant-atmospherecontinunm-土壤-植物-大气连续体)系统的水热环境。因此进行覆膜条件下的SPAC系统水热传输的模拟研究,对理清覆膜SPAC系统中水热传输与作物生长的互馈关系,揭示覆膜灌溉的节水机理,优化灌溉制度和保证作物稳产实现农业水资源高效利用具有重要的理论指导和实际生产意义。本研究以石羊河流域为研究区,以春小麦为试验材料,以畦灌的方式进行不同水分供应条件下的覆膜和不覆膜田间试验,通过监测土壤水热动态、地表净辐射和作物生理等指标,系统分析地膜覆盖对地表能量分配、水热传输阻力和作物生长的作用机理,建立能够描述地膜覆盖对春小麦农田水热传输及作物生长影响的耦合模型CropSMPAC,实现了不同水分供应条件下覆膜SPAC系统水热变化和春小麦生产的动态模拟。研究取得以下成果和结论:(1)通过开展两年田间试验,系统研究了透明薄膜覆盖和不同水分供应条件下土壤水热变化规律及其对春小麦生产的影响,结果表明:透明薄膜覆盖的地表反照率为0.2-0.28大于不覆膜处理的0.16-0.25,地膜覆盖减少地表获得的短波辐射。地膜覆盖能够增加土壤表层温度。在2014年,覆膜条件下W1和W5处理10cm深处土壤累积温度分别为1890.1℃和1886.2℃,20cm深处土壤累积温度分别为1835.4℃和1813.1℃,比不覆膜相同水分处理分别高98.8℃和118.3℃,102.7℃和154.3℃,2015年试验也得到相似结论。地膜覆盖处理的表层土壤含水率略高于不覆膜处理,说明地膜覆盖能有效抑制蒸发。覆膜使春小麦的最大叶面积指数提高0.42-1.57,使春小麦水分利用效率提高3.2-27.3%。(2)基于覆膜对地表能量分配、水热传输阻力和作物生长的作用机理,以SPAC系统为原型,建立了能够描述地膜覆盖对春小麦农田水热传输及作物生长影响的耦合模型。在土壤蒸发阻力函数的基础上引入地膜的覆盖阻力参数rm和覆膜比例fm 对该函数进行改进,提出了覆膜条件下由覆膜比和覆盖阻力表示的覆膜土壤蒸发阻力函数,并将描述春小麦生育进程的空气温度积温改为地表土壤温度积温,结果表明CropSMPAC能够更好反映地膜覆盖对春小麦耗水、生育期加速和增产的影响。(3)利用两年重复性田间实测数据,对CropSMPAC模型进行了率定和验证。结果表明:模型既能有效模拟不同水分供应条件下覆膜/不覆膜农田土壤水热的动态变化过程又能模拟土壤水热动态变化与春小麦生长的互馈关系。模型对1米土层储水量的模拟值决定系数R2在0.68到0.95之间,模型土壤温度模拟的R2在0.79到1之间,表明模型模拟精度较高可进一步用于情景模拟。(4)针对当地目前的灌溉制度,对灌溉制度调整和未来气候变化情景进行模拟,分析不同情景对农田水分动态、作物生产以及水分生产效率的影响。量化未来气候变化条件下春小麦减产的演变特征,确定了灌溉时间的不同对春小麦需耗水影响的机理,提出了合理的灌溉策略。得出以下结论:在现阶段气候条件下播种日期不变的前提下覆膜春小麦应采用的灌溉制度为:每年的5月1日、5月21日、6月13日和7月1日进行60mm、90mm、90mm和60mm灌溉。该灌溉制度比现有灌溉制度全生育期节省60mm灌水量,能在减少灌溉用水量的同时,达到较高的水分生产效率。

目录

摘要

Abctract

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究进展及发展动态

1.3 本文研究目标与内容

1.4 技术路线

第二章 试验方案与方法

2.1 试验区概况

2.2 试验材料与设计

2.3 灌溉及田间管理措施

2.4 试验观测项目及方法

2.5 数据分析方法

2.6 模型评价指标

第三章 覆膜春小麦田间水热传输规律及其对春小麦生长的影响

3.1 引言

3.2 春小麦生育期气象条件

3.3 地膜覆盖对净辐射的影响

3.4 地膜覆盖对土壤温度的影响

3.5 地膜覆盖对土壤水分的影响

3.6 地膜覆盖对春小麦生长的影响

3.7 地膜覆盖对春小麦产量与ET的影响

3.8 地膜覆盖对WUE的影响

3.9 小结

第四章 考虑覆膜的春小麦水热运移模型CropSMPAC构建

4.1 引言

4.2 覆膜春小麦水热运移模型CropSMPAC构建

4.3 模型初始及边界条件

4.4 程序的输入及输出

4.5 小结

第五章 覆膜及不同水分条件下CropSMPAC模型模拟研究

5.1 引言

5.2 土壤水分动态变化

5.3 土壤温度动态变化

5.4 春小麦生长指标模拟

5.5 覆膜春小麦田间蒸散发模拟

5.6 小结

第六章 基于灌溉制度调整和未来气候变化情况下的模型应用

6.1 引言

6.2 灌溉制度调整对春小麦生产的模拟预测

6.3 未来气候变化对春小麦生产的模拟预测

6.4 小结

第七章 结论与建议

7.1 主要研究结论

7.2 本文创新点

7.3 不足与展望

参考文献

附录

致谢

个人简介