基于作物生长模拟的盐渍农田水肥生产函数研究

Improving the use efficiency of water and fertilization has a great significance to solve the water storage, deterioration of water environment and food security issues in arid and semi-arid regions. There are little studies about water-fertilizer production function in saline soil and the present researches on this topic are almost rely on statistical regression analysis, which are short in mechanism and universality. This project is focus on the background of sunflower growing in saline soil in Hetao Irrigation District, and combining field experiments, isotopic tracer technique and indoor incubation with simulation methods to systematacially study the coupling characteristics and mechanism of water, fertilizer and salinity. analyze the feature of crop growth and soil solute transport The objectives of this project are to (1) analyze the feature of crop growth and soil solute transport in conditons of water, salinity and nitrogen interaction; (2) explore the basic law and quantitative description of nitrogen nitrification and denitrification parameters and crop root water-nitrogen uptake in the coupling effect of water, fertilizer and salinity;(3)develop mechanism model for crop growing in saline soils based on APSIM framework;(4) establish water-fertilizer production function in saline soil which has physicial mechanism and can be used widely. The research productions of this project can demonstrate the theoretical foundation for water-fertilizer management strategy,food security, environment protection and social security in saline district.

本研究针对盐渍农田的水肥高效利用问题，以内蒙古河套灌区为背景，以向日葵为研究对象，通过微区、盆栽和室内培养试验开展作物水肥盐耦合效应和耦合机理研究，分析不同水肥盐条件下作物生理生态和土壤水肥盐迁移转化特征，探索盐分影响氮素转化、氮素影响作物耐盐度的基本规律，建立水肥盐耦合作用下氮素硝化、反硝化参数的定量表达式和根系吸水表达式，发展以APSIM模型为基础、考虑水肥盐联合胁迫的向日葵生长模拟模型，进行水肥盐耦合作用下向日葵的生长模拟，建立基于机理的盐渍农田作物水肥生产函数。研究成果可为我国干旱半干旱地区农田水肥高效利用、粮食增产和水环境保护提供理论依据和实用工具。

我国盐渍农田大多位于北方干旱半干旱地区，这类地区由于降雨少、蒸发强烈，水资源短缺和盐渍化威胁的矛盾十分突出，如何提高水资源利用效率、最大限度地避免盐渍化造成的危害、提高作物产量是该地区最重要的问题之一。要解决这一问题，必须弄清盐渍农田水肥盐耦合作用效应及其机理这一基本的科学问题，并建立作物生长对水肥盐耦合作用的响应关系。本项目针对这一问题，选择内蒙古河套灌区义长灌域作为研究区域，并选定当地种植面积最大的向日葵作为典型作物，通过盆栽、桶栽、微区、野外观测试验及高光谱测试等手段，结合室内实验和数值模拟分析，对盐渍农田水肥盐耦合效应及机理进行了研究，并基于作物生长模拟探讨建立了作物水肥盐生产函数。主要成果包括：（1）初步掌握了盐渍农田的水肥盐耦合作用规律及水肥盐耦合作用对向日葵生长及产量的影响，建立了盐渍农田的根区土壤水分模拟模型；研究了不同盐分条件下向日葵的根系分布，建立了基于根系总吸收面积和根长密度的两种根系分布函数。（2）定量分析了不同生育阶段向日葵生长的耐盐阈值和施氮的缓解效应，结合统计方法和神经网络方法，通过修正Jenson模型，初步建立了考虑土壤盐分和施氮量的向日葵作物水肥盐生产函数。 （3）通过在APSIM（Agricultural Production System siMulator）中引入盐分胁迫系数，分别对模型中作物下限（CLL）、吸水系数（KL）和土壤剖面根系分布（XF）等参数进行修正，实现了盐渍农田的作物生长模拟。（4）提出了盐渍农田的根区土壤水盐的高光谱反演方法，建立了盐渍农田表层土壤盐分的高光谱反演模型 (EPO-PLS)，有效解决了利用遥感技术获取大面积盐渍农田土壤表层及根区含水率与含盐量的方法。按照预期计划完成了本项目的研究任务，取得了较为丰富的研究成果。发表了39篇学术论文，其中SCI论文20篇，获批2项发明专利。