山地枣林蒸腾主要影响因子的时间尺度效应

为揭示时间尺度效应对蒸腾规律的影响,对黄土丘陵区山地枣林蒸腾及其影响因子进行同步监测,并在不同时间尺度上分析蒸腾的主要影响因子。结果表明:不论逐月蒸腾还是全年蒸腾,其主要影响因子均存在明显的时间变异性和时间尺度效应。逐月蒸腾在生育期内时、日和旬尺度上主要影响因子分别是光合有效辐射(R2峰值,Rmax2=0.79),风速(Rmax2=0.81)和相对湿度(Rmax2=0.78),叶面积(Rmax2=0.73)和叶面积指数(Rmax2=0.82)。全年蒸腾在较小时间尺度(时和日尺度)上和除风速外的其他气象因子均呈极显著相关(p<0.01),而在较大尺度(旬和月尺度)上仅和叶面积、叶面积指数以及土壤水分呈极显著相关(p<0.01)。随着研究尺度的提升,气象因子对蒸腾的影响逐渐减弱,作物自身生长状况和土壤水分状况对蒸腾的影响逐渐增强。该研究对于进一步揭示枣树的蒸腾规律,制定科学合理的节水措施具有重要的指导意义。

基于组合模型的辽宁省玉米水分盈亏量时空分布特征研究

根据辽宁省27个气象站1955—2014年逐日气象数据与相关玉米生长资料,对辽宁省不同区域玉米生育期需水量、水分盈亏量的确定方法及其时空分布特征进行深入分析。结果表明,辽宁省玉米生育期需水量以辽西最高(大于380 mm),辽南最低(小于345 mm)。玉米的水分盈亏量从西北至东南依次增加,其中辽西地区亏水现象普遍存在。不同地区年际水分盈亏量均呈逐渐下降趋势,其中辽西、辽北地区下降趋势显著(U_F<U_(0.05/2)=1.96),辽中地区下降极其显著(U_F=-2.89<U_(0.01/2)=-2.58),下降速率达19.465 mm/10 a。大部分研究站点(55.6%~81.5%),典型年法计算的水分盈亏量要高于虚拟年法。不同水文年,2种方法计算结果一致性由好到差依次为:丰水年、干旱年、特旱年和平水年,且对于大部分研究站点(48%~74%),2种方法计算结果的差异小于30 mm。为了提高计算精度,采用组合模型对辽宁省玉米水分盈亏量进行计算,结果表明随着水文频率的增加(水文年型由丰水年变为特旱年),辽宁省出现水分亏缺的区域逐渐增大,在丰水年,仅辽西的朝阳地区出现水分亏缺,而在特旱年,除辽东的本溪、丹东一带,全省大部分区域均存在不同程度的水分亏缺。

辽宁省玉米地水分盈亏时空分布特征及灌溉模式分区研究

根据不同区域农作物需水规律和水资源供需状况,对区域内干旱区域类型、水分盈亏特性与干旱发生频率等进行综合分析和科学区划,对于提高整个地区(流域)农作物水分利用效率和水资源高效利用具有重要意义。该文基于辽宁省27个气象站1955—2014年逐日气象数据和玉米生长发育资料,对辽宁省不同玉米种植区域玉米生育期的需水过程、需水量、灌溉需水量、水分盈亏指数(crop water surplus deficit index,CWSDI)、干旱发生频率等的时空分布特征进行深入研究,得到以下结论:辽宁省不同区域玉米逐月需水量均呈现单峰变化趋势,7月需水量最大,全省生育期总需水量在335~391 mm之间;不同水文年玉米需水亏缺量在0~220 mm之间;CWSDI和干旱发生频率在全省的空间分布规律类似,综合两指标的数值分布特征,将辽宁省玉米灌区划分为干旱区和易旱区2种类型,并结合不同水文年型玉米灌溉制度,将辽宁省玉米种植区划分为7种灌溉模式。该研究成果可以为辽宁省区域农业用水区划与管理提供理论依据。

修剪对黄土丘陵区枣树蒸腾的调控作用

对枣树树体进行梯度修剪,采用热扩散探针(TDP)液流监测系统和中子水分仪对枣树的蒸腾和土壤水分进行同步动态监测,通过2年连续监测发现:修剪对枣树不同时间尺度上的蒸腾均有显著影响。修剪可以显著降低枣树开花坐果期和果实膨大期的树体蒸腾,降低对土壤水分的消耗。与对照处理相比,轻度、中度和重度修剪的枣树全生育期蒸腾总量分别下降31.7%、52.0%和68.6%。通过线性和非线性的分析方法,分析了蒸腾和树体规格指标之间的关系,构建了自然降水量和修剪目标产量的数学模型。提出适宜的陕北枣林可持续经营的目标产量为1.2×104kg/hm2,适宜的节水型修剪调控树体指标为冠幅体积和新稍长度。

黄土丘陵区枣林土壤水分动态及其对蒸腾的影响

为了探明黄土高原半干旱区山地枣林蒸腾和土壤水分间的关系，对山地枣林的土壤水分和枣树茎液流动态进行了连续 3 年的定位监测，结果表明：土壤水分时空变异性显著，土壤水分垂直方向上随着土层深度的增加，变异系数（Cv）逐渐降低。其自上而下可划分为土壤水分变化层（0-2.6m）、土壤水分干层（2.6-6.0m）和土壤水分恢复层（6.0-10.0m）。枣树液流监测的参数在生育期和休眠期间具有显著性差异，根据这一特征可以对枣树生育期进行较为准确的界定。基于液流参数特征确定的生育期与观察树体萌芽落叶确定的生育期时长基本一致，均约为 160d，但基于液流参数确定的生育期较后者约提前 5d。土壤水分的增加会使枣树液流（瞬时蒸腾）的谷值出现时间提前，峰值出现时间推后，“午休”时间缩短，旺盛蒸腾时间延长，反之亦然。枣树生育前期蒸腾均呈逐日增加趋势，而生育中后期蒸腾和土壤水分呈极显著的正相关关系。

种植年限对黄土丘陵半干旱区山地枣树蒸腾的影响

为了研究山地成年枣树的蒸腾特征以及不同种植年限枣树蒸腾耗水的差异性,运用TDP液流监测系统对山地枣树的蒸腾进行了连续3年的动态监测。通过分析发现：枣树蒸腾日内变化呈单峰变化趋势,而且随着生育期变化呈窄峰-宽峰-窄峰变化。水汽压亏缺（VPD）和光合有效辐射量（PAR）对枣树的蒸腾存在明显的时滞现象和阈值特征,蒸腾对VPD和PAR响应的上限阈值分别为3.5 k Pa和1 000-1 200μmol/（m^2·s）。枣树全生育期逐日蒸腾呈现明显的单峰现象,夜间蒸腾约占全日蒸腾的5%-33%。2012—2014年不同树龄枣树蒸腾量由小到大依次为3 a、5 a、12 a,不同树龄枣树蒸腾耗水之间存在极显著的差异性（p0.01）,而且年际之间的蒸腾波动变化规律不同。由于采取了树体修剪调控措施,12 a生成年枣树年际之间蒸腾差异并不显著（p〉0.05）,各年耗水量基本稳定在293-334 mm之间。由此可见,通过控制树体规模可以调控树体的水分消耗。

基于主成分分析的灌区参考作物蒸发蒸腾量预测模型研究

由于参考作物蒸发蒸腾量的影响因子众多,而且存在信息重叠,首先利用DPS软件对众多因子进行主成分分析,然后建立多元线性回归模型和BP神经网络模型对灌区参考作物蒸发蒸腾量进行预测,并将预测结果与Pen-man-Monteith公式计算值进行比较,结果发现多元线性回归模型预测的平均相对误差为10.05%,而BP神经网络模型预测的平均相对误差仅为2.71%,通过比较,BP神经网络模型能更好地满足灌区参考蒸发蒸腾量的预测要求。

干支渠渠系水利用系数的确定与预测

通过对灌区1989～2008年20年的干支渠配水资料分析,确定历年渠首、斗口水量,并用GM(1,1)灰色预测模型对2种流量进行拟合,从而确定出干支渠系水利用系数。另外,还对灌区历年干支渠渠系水利用系数进行模拟,结果发现2种拟合模型平均相对误差分别为1.849%和1.036%,均能满足模型误差要求,并分别用这2种拟合模型对灌区未来5年的干支渠渠系水利用系数进行预测,确定灌区未来5年的干支渠渠系水利用系数在0.706～0.680变动。

Shuttleworth-Wallace模型模拟陕北枣林蒸散适用性分析

在生态脆弱的陕北黄土丘陵区,林地耗水是生态学者长期关注的热点问题,准确测算植物耗水量是环境水分研究的关键。根据陕北山地枣林的立地条件和蒸散过程特点,结合2012年的实测资料,确定了相关模型参数,实现了Shuttleworth-Wallace(SW)和Penman-Monteith(PM)模型对枣林蒸散量的模拟,并利用2013年茎流计监测的蒸腾量和水量平衡原理推求的蒸散量,对这2个模型进行了比较和检验。结果表明:就整个枣树生育期10 d尺度蒸散量而言,SW模型模拟精度优于PM模型。此外,2模型精度随枣树生育期变化而变化,且萌芽展叶期精度均最低。SW模型日蒸腾量模拟精度满足要求,但易受到天气状况影响,晴天模型精度优于雨天。SW模型精度在陕北山地枣林里得到验证,是半干旱区山地枣林耗水规律研究的有效工具。

不同生育期灌水和施氮对夏玉米生长、产量和水分利用效率的影响

【目的】研究不同生育期灌水和施氮对玉米各生育期生长、产量和水分利用效率的影响。【方法】以夏玉米蠡玉16号为试验材料,设置了7个水分处理(全生育期灌水、苗期+拔节期灌水、苗期+抽穗期灌水、苗期+灌浆期灌水、拔节期+抽穗期灌水、拔节期+灌浆期灌水、抽穗期+灌浆期灌水)和3个氮素水平(不施氮肥、低氮(60kg/hm2)、高氮(180 kg/hm2)),研究不同生育期灌水和施氮对夏玉米生长、产量及水分利用效率的影响。【结果】不同生育期灌水和施氮对夏玉米的株高、叶面积、地上部干物质、产量及水分利用效率均有一定的影响。与全生育期灌水相比,在平均氮肥(各指标3个氮素处理的平均值)水平下,苗期+灌浆期灌水处理及抽穗期+灌浆期灌水处理的株高、叶面积、地上部干物质累积量和籽粒产量显著降低,且后者的水分利用效率最低。相比较而言,苗期+拔节期灌水、苗期+抽穗期灌水及拔节期+抽穗期灌水处理玉米产量的下降幅度不大,而灌溉水利用效率却有较大提高。【结论】在试验地区,与全生育期灌水相比,苗期+拔节期灌水、苗期+抽穗期灌水以及拔节期+抽穗期灌水处理有利于维持玉米产量并提高水分利用效率,而施氮也可以显著增加玉米的产量和水分利用效率。在本试验条件下,以高氮全生育期灌水处理的产量最高。

两种新的旱作管理技术对山地梨枣树生长及结果的影响

以9 a生梨枣树(Ziziphus jujubaMill.)为试材,在无灌溉条件下,研究节水型修剪技术和竹节式聚水沟技术及常规矮化修剪技术(CK)对梨枣营养生长及生殖生长的影响。结果表明:节水型修剪与竹节式聚水沟技术的单独及联合应用,能有效提高叶面积增长量、梨枣单叶面积和叶绿素含量,有效提高枣吊个数和着花数量;与对照相比,节水型修剪技术可提高产量83.1%,竹节式聚水沟技术可提高产量38.4%,节水型修剪技术+竹节式聚水沟技术效果更好,产量可提高155%。综合分析认为在旱地无灌溉条件下的陕北黄土丘陵区,以节水型修剪树体管理为主,在林下采用聚水沟措施结合,能显著提高梨枣的结果性能和产量。

东北寒区日光温室葡萄液流特征及其主要环境影响因子研究

为了探明东北冷寒区设施环境下,葡萄液流特征及其与温室内环境因子之间的响应特征,对葡萄液流速率以及环境因子进行连续监测和系统分析,结果表明:葡萄日内液流和全生育期逐日蒸腾均呈现单峰变化趋势,日内液流峰值出现在10:30-13:00之间,在液流最为旺盛的8月,其峰值达406.32g/h。葡萄全生育期日蒸腾量在8月变化相对最为剧烈,日均蒸腾量超过4 mm/d。液流速率与光合有效辐射(photosynthetically active radiation,PAR),气温、水汽压亏缺(vapor pressuredeficit,VPD)及实际水汽压均表现为显著正相关(P<0.01),与相对湿度表现为显著负相关(P<0.01)。瞬时液流速率与日蒸腾最主要的影响因子是PAR与VPD,月尺度液流最主要影响因子在PAR与蒸腾整合变量(variableof transpiration,VT)之间变化。全生育期液流最主要的影响因子是PAR与VT,但其决定系数随研究时间尺度的增加而降低。不同气象因子与液流之间存在明显的时滞效应,PAR的启动时间及停止时间均提前于液流,到达高峰时间滞后于液流,时滞时间最长为1.5 h。VPD整体滞后于液流。

基于主成分分析的参考作物腾发量预测研究

为准确估算作物需水量,提高水分利用效率,采用RBF神经网络预测参考作物腾发量,由于参考作物蒸发蒸腾量的影响因子很多,且各影响因子间的相关性很大,运用主成分分析的原理,将影响参考作物蒸发蒸腾量的因子降低维数。以山西省某灌区的参考作物腾发量为例,运用DPS软件找出了3个综合因子来代表众多因子并作为RBF人工神经网络的输入,运用Matlab7.0进行编程,对参考作物腾发量进行预测。结果发现其预测结果与用Pen-man-Monteith公式算得的值具有很高的一致性,与BP神经网络相比,RBF神经网络具有学习速度快等优点,将此方法用于参考作物腾发量的预测可以收到理想的效果。

微观时间尺度气象因子影响露水量的通径分析

露水量对微观尺度气象因子的敏感性是决定露水能否形成及露水量大小的关键。为研究半干旱区气象因子对梨枣树结露的影响,以黄土半干旱区2年生梨枣树为试验材料,对梨枣树冠层内的露水量以及影响因子:距地表2m高处风速μ、冠层相对湿度RH、冠层温度T、冠层温度露点差DPD、冠层饱和差VPD、土壤5cm处的温度T5进行了同步监测,并利用通径分析法在分和小时尺度上对相关因素进行了敏感性分析。结果表明,不同时间尺度条件下,不同因子对露水量敏感性存在差异。在分尺度上,敏感性显著的气象因子有4个,敏感性大小次序为:T>VPD>DPD>RH。在时尺度上,敏感性显著的气象因子有5个,敏感性大小次序为:RH>VPD>μ>DPD>T。无论在分还是时尺度上VPD对露水量具有较强的敏感性,其敏感性不会随时间尺度的变化而发生变化,其他因子的尺度效应会因时间尺度的变化而发生变化。

植物生长调节剂对梨枣节水增产效益的影响

【目的】针对旱作条件下梨枣坐果率低的特点,研究植物生长调节剂对梨枣节水增产效益的影响,为进一步提高山地红枣的水分利用效率和产量提供指导。【方法】以梨枣为试验对象,以喷施清水为对照,在陕北米脂县研究了植物生长调节剂赤霉素(GA3)、赤霉素+多效唑(GA3+PP333)、萘乙酸(NAA)和芸薹素内酯(BR-481)在旱作(雨养)条件下对梨枣产量、品质及水分利用效率的影响。【结果】与对照相比,植物生长调节剂赤霉素、芸薹素内酯、赤霉素+多效唑处理能显著提高梨枣的坐果率、产量和水分利用效率,其坐果率、产量和水分利用效率分别较对照提高64.9%,77.6%,111.8%;122%,120%,118%;89%,94%,96%。3个处理的"效率型"真实节水量分别为2 546.4,2 523.9和2 498.3m3/hm2;萘乙酸处理使梨枣的坐果率、产量、耗水量和"效率型"真实节水量均较对照有所降低。【结论】陕北旱作条件下,喷施赤霉素、芸薹素内脂及赤霉素与多效唑混合剂等植物生长调节剂,均可以通过提高梨枣果量和坐果率实现化控节水作用,是一种十分有效的节水增产技术措施。

滴灌下限对日光温室葡萄生长、产量及根系分布的影响

【目的】探究自动控制灌溉条件下灌水水平对葡萄生长发育与水分消耗的影响,为温室自动灌溉条件下葡萄水分管理提供决策依据。【方法】以3年生‘玫瑰香’为研究对象,利用CR1000数据采集器、土壤水分传感器和电磁阀联合自动控制灌水,设置8个不同的灌水下限(分别为田间持水率的50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%和85%),灌水上限均为田间持水率的90%,研究不同灌水下限对温室葡萄地上部和地下部生物量、产量、水分利用等的影响。【结果】当灌水下限低于田间持水率的75%时,随着灌水下限的提高,新梢长度、新梢茎粗以及叶面积指数均显著增加,当灌水下限超过田间持水率的75%时,新梢的生长受到不同程度地抑制;葡萄根系在0—60 cm土层中均有分布,但主要分布在0—30 cm土层中,该层的根体积以及根系表面积分别占总根系的75%—89%、77%—83%。在葡萄根系分布最为集中的0—10 cm和10—20 cm土层中,各根系指标均随着灌水下限的提高呈先增加后减少的趋势,其中当灌水下限为田间持水率的75%时,各根系指标均最大。当灌水量低于6000 m3·hm^-2时,各根系指标均随着灌水量的增加而增大,当灌水量达到7000 m^3·hm^-2时,各根系指标均出现下降或增长缓慢的趋势;当灌水下限是田间持水率的75%时,葡萄的产量和水分利用效率均为最高,分别达到32270.31 kg·hm^-2、4.85 kg·m^-3。【结论】综合考虑葡萄新梢生长、根系分布、产量和水分利用等因素,滴灌条件下葡萄水分管理的最佳土壤水分区间为田间持水率的75%—90%,可以作为该种植模式下适宜的灌溉控制指标的推荐值。

东北地区春玉米作物系数时空分布特征研究

基于东北地区1951-2018年107个气象站点的气象资料和春玉米观测资料,利用不同作物系数修正公式,对作物系数模型计算的春玉米作物系数进行了验证,并利用空间插值法对全生育期及各生长阶段作物系数年际变化趋势和空间分布特征进行了分析。结果表明:考虑风速、湿度影响的单作物系数法对春玉米生育初期作物系数的模拟效果最好(R2=0.65)。东北地区全生育期春玉米作物系数在0.756~0.815范围内变化,在空间分布上,高值区主要分布在东北地区西部,低值区主要分布于黑龙江省北部的局部地区和辽宁省的东南部。不同生育阶段的作物系数,在生育中期最大,快速生长期次之,生育初期和末期总体较小。近70年东北地区春玉米全生育期作物系数年际变化呈显著下降趋势(R2=0.38),作物系数倾向率达到-0.004/(10 a)。在各个生育阶段,作物系数年际变化均呈下降趋势,黑龙江省下降最为明显,吉林省和内蒙古自治区东部次之,辽宁省变化不明显。东北地区绝大部分站点作物系数基本呈下降趋势,呈下降趋势和显著下降趋势的站点占比分别达到92.5%、64.5%。就不同生育阶段而言,快速生长期下降趋势最为明显(呈显著下降趋势站点占比为46.7%);在生育中期及末期,下降趋势也较为明显(呈显著下降趋势站点占比分别为41.1%和34.6%),在生育初期下降趋势不显著。

不同灌水处理下CROPGRO-Tomato模型全局敏感性和不确定性分析

作物品种参数和土壤参数是作物生长过程模拟和产量预测过程中的基本输入参数,输出变量对输入参数的敏感性分析对提高作物模型的模拟精度具有重要作用。依据辽宁地区的温室番茄田间试验资料,进行了不同灌水水平下CROPGRO-Tomato模型的全局敏感性分析。在4个灌水处理(50%θf、60%θf、70%θf和80%θf为灌水下限,θf为田间持水率)条件下,利用SimLab软件,采用Morris法和EFAST法分析了CROPGRO-Tomato模型的5个输出变量(番茄的开花期、成熟期、产量、地上干物质量和最大叶面积指数)对作物品种参数和土壤参数的全局敏感性,并对两种方法的分析结果进行了比较,同时对EFAST法分析结果进行了不确定性分析。结果表明:两种方法分析得到的开花期天数、成熟期天数、地上干物质量和最大叶面积指数的分析结果相关性较高;产量方面,两种方法得到的XFRT(每日分配给果实的干物质量的最大比例)、EMFL(出苗到第一朵花出现的光热时间)、LFMAX(最适条件下叶片最大光和速率)等作物品种参数的敏感度排序基本一致。其中最敏感参数为XFRT,在EFAST法和Morris法中其值分别为0.505和1305;两种方法得到开花期、成熟期、地上干物质量和叶面积指数等输出变量的最敏感参数均为EMFL。其中EFAST法得到的上述各参数依次为0.999,0.615,0.463,0.690;Morris法得到的各参数依次为19.9,18.2,2450,5.13;不确定性分析结果表明:当土壤水分在70%θf和80%θf条件下,CROPGRO-Tomato模型对番茄生育期划分和地上干物质量的模拟精度比在50%θf和60%θf水分条件下平均高7.25%。研究结果为利用DSSAT-CROPGRO-Tomato模型模拟辽宁地区温室番茄生长过程中参数的优化和适用性的提高提供理论依据。

滴灌施肥条件下不同施氮模式对玉米生长和产量的影响

为了深入了解滴灌施肥技术在粮食生产中的作用,进一步探寻合理的施氮模式,以玉米为研究对象,在滴灌施肥的条件下,研究了辽宁棕壤土区不同施氮量和施氮次数对玉米生长和产量的影响。试验结果表明:施氮量在75~225 kg/hm^2时,玉米株高、叶面积指数、干物质积累以及产量随施氮量的增加呈增加趋势,施氮量为175和225 kg/hm^2时,产量差异不显著;施氮次数对玉米生长、产量和氮肥农学效率影响显著。1次施氮处理显著提高了玉米生育前期的株高、叶面积指数和干物质积累量;3次施氮处理显著提高了使玉米生育后期的干物质积累量和氮肥农学效率显著提高,能在整个生育期为玉米提供养分,增产效果显著。从高产、高效、经济的角度综合考虑,建议采用3次施氮,施氮量175~225 kg/hm^2的施氮模式。

基于组合模型的石羊河流域农业用水量预测

为了提高农业用水量模型的精度,以1997—2004年农业用水量数据为依据,建立了石羊河流域农业用水量的灰色GM(1,1)预测模型、三次指数平滑预测模型以及组合模型,并用2005—2007年的农业用水量数据进行检验。结果表明:组合模型的平均误差仅为0.27%,而单一的灰色GM(1,1)预测模型和三次指数平滑预测模型的平均误差分别为1.50%和0.54%。采用组合预测模型,对石羊河流域2008—2010年的农业用水量进行预测,结果分别为23.552亿、23.639亿、23.738亿m3。