土壤水分亏缺对作物蒸腾耗水的胁迫影响及其定量表征

土壤水分亏缺对作物蒸腾耗水的胁迫影响及其定量表征

随着农业水资源供需矛盾日益突出、温室效应加剧以及极端气候频发,土壤水分亏缺已成为我国农业生产面临的常态,并将日趋严重。因此,探明土壤水分亏缺对作物根系吸水和耗水过程的影响及其定量表征方法对于准确评估作物水分胁迫程度、合理制定灌溉制度以及提高农业水资源利用率具有重要理论价值和实际意义。

基于土壤水分状况评估作物水分胁迫程度的方法在农业灌溉实践中应用广泛,但该方法所涉及的非线性土壤水分胁迫修正系数具有一些未知参数需要确定,而已有的参数确定方法都存在一定的缺陷,此外,前期水分胁迫的滞后效应在作物水分胁迫评估过程中仍未被考虑。因此,本研究基于冬小麦室内土柱试验和田间蒸渗仪试验,旨在改进目前基于土壤-植物水分关系优化土壤水分胁迫修正系数参数的方法,定量表征水分胁迫滞后效应,改进传统根系吸水模型,优化基于土壤水分状况评估作物水分胁迫程度的方法并评估其实际灌溉应用效果。

主要研究内容与成果如下:第一,通过合理考虑三方面因素:①土壤水分与根系之间的相对分布关系对蒸腾的影响;②不同水分处理条件下作物生长差异对潜在蒸腾的影响;③前期水分胁迫对复水后蒸腾的滞后影响,改进了非线性土壤水分胁迫修正系数中未知参数的优化方法。改进方法获得的参数显著提高了冬小麦蒸腾耗水估算精度。

上述三个因素对于提高相对蒸腾估算精度的贡献率分别为38.3%,23.3%和38.4%。第二,通过系统分析前期水分胁迫经历对作物蒸腾耗水的滞后影响,提出了水分胁迫滞后效应的定量表征形式,并据此改进了根系吸水模型与植物水分亏缺指数估算模型,显著提高了作物蒸腾耗水动态估算精度与土壤水分运移动态模

拟精度。

考虑滞后效应的根系吸水模型的优势在灌溉后恢复阶段体现得尤为明显。第三,对比分析了三种植物水分亏缺指数(PWDI)估算方法:①算术平均法:基于根区算术平均土壤土壤水基质势估算;②根系加权法:基于根区加权平均土壤水基质势(以相对根长密度为权重)估算;③综合法:综合考虑土壤水分与根系之间的相对分布关系以及水分胁迫滞后效应估算。

在估算精度方面:综合法最高,根系加权法次之,算术平均法最低;在灌溉效应方面:根系加权法和综合法差别甚微,与算术平均法相比,前二者更加及时精准的灌溉控制增加了灌溉频率和数量,从而显著提高了作物(冬小麦和春玉米)地上部生物量、叶面积指数、籽粒产量以及蒸腾耗水量,而水分利用效率并未出现显著降低。