温室负压地下灌溉条件下土壤水分运移规律的研究

负压地下节水灌溉技术是用于盆栽作物的新型节水灌溉技术。该灌溉技术在保证作物产量的前提下，能够大幅提高作物水分利用率并提高果实品质。掌握土壤水分运移规律是建立最优负压地下节水灌溉系统的重要理论基础。土壤水分运移规律主要包括土壤水分渗入和作物吸水两部分。本项目针对负压地下灌溉条件下，研究土壤水分渗入规律，及不同供水压力、灌水器埋深和出水口大小对土壤水分渗入的影响，建立土壤水分渗入模型并确定最优负压地下灌溉系统参数；利用破坏性试验连续测量番茄生长全过程中根系变化规律，结合番茄根系发育图像，建立番茄根长密度动态模型。将番茄根长密度动态模型与土壤水分分布、温室环境参数、番茄长势参数和蒸腾速率相结合，以Feddes 模型为基础建立番茄根系吸水模型。最终揭示基于负压地下灌溉的温室土壤水分运移规律，初步建立描述设施内土壤水分运移规律的理论体系。

本项目实验主要是在北京农林科学研究院日光温室内进行，以负压地下灌溉条件下盆栽番茄为对象,通过测定整个生长期内栽培土箱中土壤水分含量、番茄地上部分的长势情况，同时还分阶段的测定番茄根系在栽培土箱中空间分布、根系外形参数。项目第一年做基础实验，第二年修订试验、第三年验证试验。完成：一、土壤水力参数优化算法研究。提出利用一种改进的tabu算法来优化土壤水力参数。通过多种方法对比验证，结果表明该算法较以往的优化算法在优化速度和优化精度上均有较大提高。二、土壤水分运移规律研究。依据土壤水动力学理论，结合负压灌溉条件下土壤水分运动特征，建立了土壤水分入渗模型。利用HYDRUS-2D对所建模型求解，并模拟在负压地下灌溉下，水分在土壤垂直剖面随时间的入渗变化规律。将模拟结果与试验测量结果进行对比验证，结果表明，两者相对误差为2%~4%，模拟结果与试验测量结果相对误差较小，因此所建模型可以有效描述负压地下灌溉条件下土壤水分入渗规律。利用该模型模拟研究了不同灌水器半径（8、10、12cm）和不同土质（北京地区土壤和基质）下土壤水分的入渗情况。结果表明：灌水器半径是影响土壤水分入渗的显著性因素。灌水器半径越大，水分入渗速率越快。灌水器尺寸对入渗起始时的入渗延迟有较大影响，灌水器半径越大，延迟越小。土壤水分入渗速率与灌水器半径呈正相关。三、盆栽番茄根系分布规律研究。通过试验测定不同生长时期的盆栽番茄根系三维空间坐标和生长参数。统计分析所测实验数据，明确了番茄各级根长生长函数、分根点分布及其侧生概率和侧生方向。在研究过程中，针对根系的自相似性，采用分形算法进行建模。基于番茄根系拓扑结构和实际生长规律，提出利用微分L系统构建番茄根系三维生长模型用以描述盆栽番茄根系生长规律及其边界条件。由于本研究的对象，番茄的生长条件与以往研究不同，是在栽培土箱中，且是负压地下灌溉，使得本建模更为复杂，主要体现在边界条件和生长规律更为复杂多变。以所构建的盆栽番茄根系三维生长模型为算法基础，利用OpenGL技术实现盆栽番茄根系三维生长可视化模拟系统，直观地再现了负压地下灌溉条件下盆栽番茄根系在不同生长时期的空间分布和生长情况。通过与实验数据对比分析，对于幼苗期的盆栽番茄根尖位置分布平均模拟误差约为83%，而对于结果期的根尖位置分布平均模拟误差约为71%。因此所建模型能够有效模拟盆栽番茄的根系生长情况。