苗期冬小麥水氮吸收與根氮含量的關(guān)系及土壤水氮運移的模擬.pdf

1、近年來，隨著全球水資源短缺與污染問題的日益突出，在不影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)上盡可能地減少資源(水分與養(yǎng)分)消耗已成為國內(nèi)外專家學者致力研究的核心課題。本研究擬通過探索植物根系吸收功能(吸水與吸氮)與根系自身特性之間的關(guān)系從而建立切實可行的根系吸水、吸氮模型，以便能基于一些比較容易獲取的資料模擬預(yù)報土壤水分與氮素運移，為指導農(nóng)田灌溉施肥提供參考依據(jù)。 為了探索根系吸收功能與根氮含量之間的關(guān)系，本研究設(shè)置了苗期冬小麥室內(nèi)水培實驗，為不同

2、處理提供不同氮素濃度的營養(yǎng)液與不同的光照條件。實驗結(jié)果表明：在實驗設(shè)置的各種營養(yǎng)液氮素濃度條件下，苗期冬小麥各生長階段的日蒸騰量與根氮含量之間都表現(xiàn)為顯著的線性正比關(guān)系，兩者之間的比值即單位質(zhì)量根氮潛在根系吸水系數(shù)既不受營養(yǎng)液氮素濃度的影響也不受冬小麥生長以及根齡的影響，但受大氣條件的影響比較大，并且隨著水面蒸發(fā)強度的增大而線性增大；另一方面，在苗期冬小麥各生長階段，當根氮濃度高于某一臨界值時，單位質(zhì)量根干物重的潛在根系吸氮系數(shù)與根氮濃

3、度之間也表現(xiàn)為比較顯著的線性關(guān)系，不受營養(yǎng)液氮素濃度與根齡的影響，但是，當根氮濃度低于該臨界值時根系不再吸收氮素；相比之下，苗期冬小麥日蒸騰量以及日吸氮量與根長之間的線性關(guān)系比較差，單位根長潛在根系吸水系數(shù)與單位根長潛在根系吸氮系數(shù)既受到營養(yǎng)液氮素濃度的嚴重影響，又隨著冬小麥根齡的增大而逐漸降低。為了進一步驗證水培實驗中的上述研究成果，本文還布置了一個苗期冬小麥室內(nèi)砂培實驗，實驗結(jié)果表明：在水分供應(yīng)比較充足的條件下，無論冬小麥是否受到氮

4、素脅迫，苗期冬小麥生長各階段的日蒸騰量以及根區(qū)各土層的根系吸水速率分別與根氮總量以及根氮密度之間呈比較顯著的線性正比關(guān)系。 根據(jù)上述實驗研究成果，本文基于根氮密度建立了根系吸水模型，并將根系吸氮模型通過根系吸水項間接地建立在根氮密度的基礎(chǔ)之上。為了獲得根系吸氮模型中的參數(shù)即根系吸氮因子，本文提出了一種根據(jù)兩個連續(xù)測定的土壤硝態(tài)氮(NO<'-><,3>-N)濃度剖面迭代求解硝態(tài)氮運移方程(對流彌散方程，即CDE方程)從而估算CDE

5、方程源匯項的反求方法，并且通過設(shè)置不同條件下的數(shù)值實驗對該反求方法的準確性、穩(wěn)定性與適應(yīng)性進行了探討，考慮的影響因素主要有：觀測資料在土壤剖面上的空間間距，硝態(tài)氮濃度測量的時間間隔、土壤水力參數(shù)、NO<'-><,3>-N濃度測量誤差、邊界條件的差異、非均質(zhì)土壤等。數(shù)值實驗結(jié)果表明，所提出的反求方法可以較為可靠地估算CDE方程中的源匯項平均分布。在此基礎(chǔ)上，本文應(yīng)用所估算的源匯項平均分布進一步優(yōu)化獲得根系吸氮模型中的參數(shù)即根系吸氮因子。另

6、外，本文又借鑒已有根系生長分布模型中有關(guān)碳素在植物根冠之間的分配規(guī)律，先將植物根系所吸收的氮素在根冠之間進行分配，然后又根據(jù)根系吸水與根氮含量之間的互反饋關(guān)系，將分配到根區(qū)的氮素在根區(qū)各土層之間進行再分配，從而建立根氮密度分布模型。 為了驗證所建立的根系吸水、吸氮模型以及根氮密度分布模型并展示其應(yīng)用，本文將其組合成一個聯(lián)合模型，并根據(jù)冬小麥砂培試驗各處理條件下冬小麥各生長階段土壤含水量、土壤硝態(tài)氮濃度以及根氮密度的初始分布狀況，