干旱区膜下滴灌条件下立体种植农田水分迁移机理及模拟

立体种植是我国北方干旱区的主要种植模式，但仍以传统地面灌溉为主，水分利用效率低。本项目主要针对其灌溉过程中作物间用水不协调、水分高耗低效等问题，将具有明显节水效应的膜下滴灌技术与具有显著增产效应的立体种植模式相结合，以实现立体种植与先进节水灌溉技术相协调，提高立体种植农田水分利用效率为目标，对膜下滴灌条件下立体种植农田水分迁移进行机理研究和模拟。通过探讨不同膜下滴灌模式及不同立体种植模式对典型作物根冠发育、生理生态等指标的影响效应，明确作物对膜下滴灌及立体种植耦合作用的响应特征；利用茎流计、波纹比连续监测蒸腾、蒸散耗水过程，考虑局部湿润、局部覆膜和局部遮阴基于能量平衡和空气动力学理论构建膜下滴灌条件下立体种植农田蒸散机理模型；针对膜下滴灌及立体种植耦合的复杂下垫面条件进行土壤水分迁移二维数值模拟；提出双重效应作用下的作物水分生产函数及最优灌溉制度，为膜下滴灌及立体种植的进一步发展奠定基础。

我国北方干旱区立体种植重要种植模式，但灌溉主要以地面灌溉为主，水分利用效率低下。本项目将具有明显节水的膜下滴灌技术与具有显著增产的立体种植模式相结合，以实现立体种植与先进节水灌溉技术相协调，提高立体种植农田水分利用效率为目标。本研究通过设置不同灌溉处理和不同套种处理，分析其对番茄、玉米生长和产量的影响，探索不同生育期根系二维分布规律，研究立体种植农田中土壤水分、温度的分布规律，并构建了该复杂条件下的土壤水分运移二维水分模型。结果显示：在相同水分处理条件下4-2套种（4行番茄2行玉米）模式玉米、番茄株高、叶面积大于2-2套种（2行番茄2行玉米）模式，而相同套种模式条件下，总体上番茄、玉米株高大小顺序依次为：高水＞控水＞亏水，其中高水处理作物株高、叶面积则依次增加9%~20%。不同生育期立体种植农田根系具有明显的交叉，分离变化想象，两作物根系在生育期呈现“不交叉—轻度交叉—完全交叉—轻度交叉”变化，总体上玉米侧根量大于番茄侧根量。在0~5cm土层，不同位置及不同水分条件下地温差异显著，覆膜区地温明显高于未覆膜区，平均高约0.7 ℃，而未覆膜区域在垂向地温差异最大。基于综合系数方法的蒸散技术，利用Hydrus模型构建立体种植农田滴灌条件下立体种植水分运移模型，经验证后，显示构建的模型模拟精度较高，各位置各深度平均误差均小于20%，模拟显示在主根区（0-40cm）不同处理含水率大小顺利依次为番茄膜上>玉米膜上>裸地，并达到极显著差异，在非主根区（40-100cm）不同处理不同位置含水率均无明显差异，土壤水分二维分布图显示中水与低水处理易于在30~40cm产生缺水想象。总体上高水处理产量相对较高，套种的玉米产量均高于其相应单作玉米，土地当量比均＞1.0，说明套种可显著提高土地利用率；套种的水分利用效率均为中水＞高水＞低水，说明有效控制水量可提高套种农田的水分利用效率。通过3年的研究，完成了任务书规定的内容和目标，并且发表论文6篇，其中SCI 1篇，EI 2篇。