基于介电原位传感方法创新的玉米植株-土壤水系统模型构建、检验与参数辨识

It is of great importance to deeply understand the plant water relation of maize and its interaction with the environment, which not only provides an important scientific basis for breeding high-quality and drought-resistant maize varieties, but also improves the utilization of water resources during corn production. This proposal tries to explore the mechanism of water storage and transport in maize plants and their interaction with soil water based on a technical breakthrough of in-situ determination of stem water content of plant. A mathematical model for describing plant-soil water interaction will be developed and validated in the field under different environmental conditions. Based on this, the hydraulic conductivities of root and stem in the model will be identified using nonlinear parameter optimization algorithm. It is expected that the research results can be used as a new phenotypic parameter to provide theoretical and technical support for the breeding of drought-resistant maize varieties. Meanwhile, the plant-soil water based irrigation strategy will instead of the single soil water based irrigation method during corn production to better guide agricultural water management.

深入开展玉米植株水分关系及其与环境之间相互作用规律的研究不仅能够为选育优质抗旱的玉米品种提供重要科学依据，还能提高玉米生产过程中水资源的利用率，促进农业的可持续性发展。本项目在植物茎秆水分原位观测关键技术取得突破的基础上，深入探究玉米植株水分存储、传输及其与土壤水分之间的相互作用规律，构建玉米植株-土壤水系统相互作用模型，并结合复杂农田环境对模型进行检验与修正。在此基础上，运用非线性系统参数优化算法对模型中的关键参数（水力传导系数）进行辨识。预期研究成果可作为一个新型表型参数评价方法为抗旱玉米品种的选育提供理论补充与技术支撑，同时，在玉米生产中变“因地制宜”为“因地物制宜”，将单一借助土壤水分作为玉米需水依据变为将玉米植株-土壤水分共同作为灌溉依据，更好地指导农业用水管理。

深入开展作物水分关系及其与土壤之间相互作用规律观测与模型研究不仅能够为选育优质抗旱作物品种提供重要科学依据，还能提高作物生产过程中水资源的利用率，促进农业的可持续性发展。为此，本项目陆续开展了植物-土壤系统水信息感知机理与观测方法研究、植物-土壤系统水力学模型模拟与检验研究以及植物-土壤系统水力学模型参数辨识方法研究，取得的研究进展和重要结果如下：.1. 提出了植物-土壤系统茎水分和土壤剖面持水特性的活体原位观测方法，实现了植物亏水胁迫的在线辨识.研制了基于柔性感知与高频介电技术的植物茎水分柔性可穿戴传感器，实现了植物水分活体原位高精度观测与亏水胁迫在线辨识；实现了表层土壤与土壤剖面持水特性曲线的原位测定，验证了土壤质地对土壤水分运移过程及土壤持水特性曲线的影响。.2. 提出了土壤水势传感器精度校正方法，建立、检验并修正了植物-土壤系统水力学模型.建立了考虑植物脆弱性曲线的植物水力学模型，验证了正常浇水和干旱胁迫下模型模拟的准确性；建立了含冰量校正模型对越冬期冻土水势传感器进行校正，检验并修正了适用于越冬期冻融环境下的土壤水动力学模型，提高了该模型对水分相变和水运移模拟的准确性。.3. 实现了基于改进的植物-土壤系统水力学模型的茎水势和土壤水力参数的活体原位在线辨识.实现了基于改进的植物水力学模型的植物茎水势活体辨识；提出了基于离散化土壤水动力学模型的土壤导水率辨识方法，研制了基于高频介电技术的新型土壤水动力学参数复合传感器，实现了土壤水分、水势、水分特征线和导水率的同步测定和在线辨识。.本项目的研究成果能够为提高植物水力学模型的适用性提供理论补充与重要数据支撑，作为应用性成果能够为科学诊断植物亏水胁迫状况和节水灌溉决策提供理论指导与技术支持。