土壤—作物系统水分的运移过程模拟、利用效率及其优化调控
文献类型：学位论文
| 作者 | 刘文兆 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2000 |
| 授予单位 | 中国科学院、水利部水土保持研究所 |
| 授予地点 | 陕西 |
| 导师 | 李玉山 ; 梁一民 |
| 学位专业 | 土壤学 |
| 中文摘要 | 水资源短缺、用水效率较低是我国农业，特别是北方农业面临的主要问题。如何有效地利用有限的农田水资源是人们长期致力于探讨的课题。本文通过理论推导、田间实验及分析，就土壤—作物系统水分的运移过程模拟、利用效率及其优化调控进行了研究。取得了如下的主要结果： 1. 把土壤—植物系统水分运移作为一維水流运动由阻容电路进行模拟，在于将Darcy-Richards方程从对单点的描述扩展到对一段流路的描述。由此出发，由于水流的非稳态性，某一流路的水阻应以其水势差与平均流量之比求得，水容以其贮水量对平均水势的导数求之。与Darcy-Richards方程相对应，水阻、时间常数分别为导水度、水分扩散的倒数，相应地单位化的水阻率、比时间常数分别为导水率、水分扩散率的倒数。把SP系统沿水流通道分为若干部分，则其水流过程的基本特征为：(a)每一局部的水阻与其水容相并联，各局部间相串联；(b)总体的储水量的变化等于各局部的储水量变化的和；(c)总水势差等于各局部的水势差之和；(d)前一部分的出流通量即为该部分的入流通量。 2. 土壤—植物系统水流通式、总水容与分水容间的关系及总水阻与分水阻间的关系分别为…… 3. 在对水分消耗与产量(或同化物生产)关系剖析的基础上，引入边际水分利用效率与水分生产弹性系数概念，探讨具有动态特征的作物生产、水分消耗与水分利用效率间的内在联系。就作物产量层次上的水分利用效率而论，当Y=f(ET)表现为线性时，WUE随ET的变化趋势直接受常数项的取值条件的影响：当Y=f(ET)表现为二次抛物线时，随着ET的增加，WUE的最大值要先于Y的最大值而提前达到，使WUE达到最大值的ET值等于常数项与二次项系数之比的算术平方根，在其之前WUE渐增，在其之后WUE渐降。 4. 依据在安塞试验站和长武试验站由“米”字型设计所做的田间小区试验结果，建立了水肥供应双因素下玉米产量、耗水量的关系模型。从空间均势看，产量为二次抛物面，而耗水量为一平面。据此模型，文章给出了水肥优化耦合区域。在水肥坐标面上，取两种方向：(a) 与产量达到最大的点的连线方向；（b）产量曲面的梯度方向，分别使水分生产弹性系数等于1和等于0的点所形成的区域均呈椭圆形，称为第一类椭圆和第二类椭圆。第二类椭圆与第一类椭圆相比，短轴缩小，长轴没有变化，Ymax与WUEmax处于长轴的两个端点上。由此椭圆并考虑节肥要求等条件，便得到水肥优化耦合区域，可在此区域内决策水肥的优化投入。 5. 由水肥供应双因素下玉米产量、耗水量的关系模型。推求出养分优化管理下的水分生产函数，作为理想水分生产函数的近似表达；以通过EWP分析Y-ET-WUE关系的思想为基础，提出以EWP作为土壤水分适宜性判定指标，在建立土壤含水量—蒸腾速率(或蒸散，或根系吸水)—光合速率关系的基础上，由后者两者关系构成EWP表示式，以其等于1所对应的土壤含水量值， 表示适宜土壤水分含量的下限。文章给出了相应的实验结果。 6. 旱地作物雨水利用效率(PUE) 的统一性表达式，从作物利用雨水的过程的角度上，阐释了制约PUE大小的若干比率及效率间的内在联系。PUE=SW/P×ETC/SW×T/ETC×Y/T.一定作物品种条件下，降水量、作物降水生产潜力及作物潜在水分利用效率是互相对应的。以水分利用效率值作为衡量雨水生产潜力的指标是不完善的，合适的指标应当绝对产量。在黄土高原，就多年均值而言，PUE通常小于WUEET(即Y/ETc)，只有当无地表径流和无休闲时，二者才能相等；与合理的轮作制度相适应，PUE的提高首先在于强化降雨就近入渗拦蓄与抑制土壤物理蒸发；其次在于优化的包括养分供应在内的栽培措施。从长远看，抗旱高产品种的选育则是进一步提高PUE的潜力所在。 7. 就计划灌溉面积而论，当水源相对充沛时，应用边际均等原理确定纯收益最大的田间水量投入的条件是水的价格Pw与产量的价格Py的比率等于边际产量dy/dx,其中x只能唯一地限定为灌溉量，而不能取为农田耗水量。作物产量与灌溉定额间的关系Y=Y(M)一般表现为二次抛物线型。当水源有限，整个灌区不能施行充分灌溉时，Y=Y(M)中的常数项a的正负性对作物合理灌溉定额的推求有决定性的影响。分别以整个灌区的总净收益和总产量最大为目标，在假定仅种植单一作物，且地力及其它因素一致的条件下，给出了与Y=Y(M)中的常数项a大于或小于零以及灌溉水利用系数随灌溉面积变化与否相对应的作物合理灌溉定额的计算式。8. 追求产量、灌水生产效率和其生产弹性系数的最大值是确定农田灌溉定额的三类目标。本文针对灌水量与作物产量间所经常表现出的二次抛物线的情况，就三类目标的判定结果进行了比较。研究表明，使灌水生产效率达到最大的灌溉定额只有当作物在雨养条件下无产量形成时才存在，而使生产弹性系数达到最大的灌溉定额只有当作物在雨养条件下有产量形成时才存在。考虑经济因素后的结果与此类似，区别在于此时不仅与雨养条件下能否形成产量有关，还与除灌水以外的单位面积固定费用、单位产量及单位灌水量的综合价格有关。文章同时认为，对于线性的产量与灌水量关系而论，在灌水量的取值区间内，三种优化目标的解是不存在的。合理灌溉定额的选取，其上限可由产量类优化灌溉定额确定，其下限则由相应考虑因素时所存在的或生产效率类优化灌溉定额或弹性系数类优化灌溉定额确定。 |
| 公开日期 | 2011-06-30 ; 2011-07-14 |
| 源URL | [http://ir.iswc.ac.cn/handle/361005/3996]  |
| 专题 | 水土保持研究所_水保所知识产出(1956-2013) |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘文兆. 土壤—作物系统水分的运移过程模拟、利用效率及其优化调控[D]. 陕西. 中国科学院、水利部水土保持研究所. 2000. |
入库方式： OAI收割
来源：水土保持研究所
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