农田水分高效利用理论与管理技术研究
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摘要
农业水资源是一个相互配合、彼此依存的耦合系统。只有调节好农业水资源系统内部的土壤—水分—肥料—空气和作物生长之间的关系，使之处于最佳状态，才能最大限度地挖掘资源系统内在的潜力，充分发挥农业水资源的效益，减少外部资源的投入，获得低投入、高产出的效果，最终实现优质、高产、低耗、高效的目标。
土壤—植物—大气连续体(Soil-Plant-Atmosphere Continuum，简称SPAC)中水分运移、转化规律是现代节水农业研究的基本问题，它与节水灌溉技术结合起来构成节水农业系统，是实现农业高效用水调控的基本途径。通过实验研究分析田间作物水分利用受大气和土壤水分能量条件制约的诸多因素、追踪田间水分在各个子系统中的运行过程、探明其驱动因子与节制水分的机理、寻求调控过程的途径和措施，在节水农业的生产实践中具有重要的理论和实践意义，已逐渐成为水利、农业、土壤以及环境等学科共同关心的重要研究方向，越来越受到国内外学者的关注。本文通过田间及模拟试验，着重从下列几个方面，系统地开展农田水分高效利用与管理的相关应用基础和关键技术进行了较为系统深入的研究。
提出了精确灌溉的概念，构建了精确灌溉技术体系及技术支持系统；利用遗传算法，建立了节水灌溉稻田土壤墒情预报的门限自回归确定性模型，克服了现有模型不稳定、精度较低的缺点，为灌溉预报、节水灌溉制度制定奠定了基础；开发了形成“采集—传输—处理—反馈—控制”信息网络的农田水分高效利用管理决策支持系统(FWMDSS)，该系统做到了全自动采集数据、全自动决策分析、全自动调控操作，可实施科学的农田水分管理；依据信息熵原理，进行节水灌溉稻田中土壤大孔隙空间结构分布的不确定性分析，在此基础上建立的农田非饱和土壤水分特征曲线和土壤水力传导度模型模拟和预测精度均得到了显著地改善；通过田间试验，对水稻作物生长特性、产量信息的空间变异性及其相关性进行定量化分析，明确了水稻生长信息的区域化变量特征、空间结构特征以及产量形成的变异规律，为有针对性地调控生理性状进而获得水稻的高产优质提供科学依据；通过田间小区试验、网室盆栽试验以及砂培和水培模拟试验，探讨水肥耦合对水稻地上部分生长与生理性状以及水稻不同生育期根系形态与活力的影响，加深了对根系形态与活力与水肥关系的认识，为水稻生产中的水肥管理提供了理论依据。上述研究具有一定的创新性和生产指导意义。
Agricultural water resource is a coupling system that the internal moisture depends on and cooperates with each other. Only adjusting the relations between soil- water-fertilizer-atmosphere and growth of crops to the optimum state can we tap the maximum inherent potentials of the resource system, exploit the agriculture water resources fully, reduce the input of outside resources and ultimately attain the objective of high grade, high yield, low consumption and high-effect.
The moving and transformation rule of moisture in Soil-Plant-Atmosphere Continuum (SPAC) is the fundamental problem of modern agriculture research. And water-saving agriculture system is combined of that and water-saving irrigation, which is the basic way to achieve regulation of high-efficiency agriculture water use.
It is of theoretical and practical significance in the production practice of water-saving agriculture to analyze the factors of atmospheric and soil moisture energy which restrict the use of field crop-water, to trace the field water movement process in each subsystem, to prove up the driving factor and water-saving mechanism and to seek the measures to regulate the process. It has gradually become the important researching direction in subjects of water conservation, agriculture, oil and environment and receives more and more attention from the domestic and foreign scholars.
In this paper, researches on relevant theories and technology of high-efficiency utilization and management of field water were carried out systematically and creative achievement in the field of basic theory and applied techniques were made. The chief points are as follows:
In this paper, through field experiments and indoor simulation experiments, the application foundation and technical issues of efficient use and management of field water were carried out systematically and thoroughly. The theoretical connotation of precise irrigation was set forth and precise irrigation technique system and its supporting system were constructed. Threshold auto-regressive model based on genetic algorithm for current paddy soil moisture forecast was put forward which conquered the instability and lower precision of the existing model and laid the foundation of irrigation forecast and the water-saving irrigation system. Field water management decision support system (FWDSS) integrated with data collection-transmission-processing-engineering controls was established which made scientific water management available through automatic data collection, analysis of automatic decision-making and automatic control operation. By the information entropy principle, space uncertainty analysis of soil macropore structure in the paddy field of water-saving irrigation were carried and the simulation and forecast accuracy of soil moisture characteristic curve and the
土壤—植物—大气连续体(Soil-Plant-Atmosphere Continuum，简称SPAC)中水分运移、转化规律是现代节水农业研究的基本问题，它与节水灌溉技术结合起来构成节水农业系统，是实现农业高效用水调控的基本途径。通过实验研究分析田间作物水分利用受大气和土壤水分能量条件制约的诸多因素、追踪田间水分在各个子系统中的运行过程、探明其驱动因子与节制水分的机理、寻求调控过程的途径和措施，在节水农业的生产实践中具有重要的理论和实践意义，已逐渐成为水利、农业、土壤以及环境等学科共同关心的重要研究方向，越来越受到国内外学者的关注。本文通过田间及模拟试验，着重从下列几个方面，系统地开展农田水分高效利用与管理的相关应用基础和关键技术进行了较为系统深入的研究。
提出了精确灌溉的概念，构建了精确灌溉技术体系及技术支持系统；利用遗传算法，建立了节水灌溉稻田土壤墒情预报的门限自回归确定性模型，克服了现有模型不稳定、精度较低的缺点，为灌溉预报、节水灌溉制度制定奠定了基础；开发了形成“采集—传输—处理—反馈—控制”信息网络的农田水分高效利用管理决策支持系统(FWMDSS)，该系统做到了全自动采集数据、全自动决策分析、全自动调控操作，可实施科学的农田水分管理；依据信息熵原理，进行节水灌溉稻田中土壤大孔隙空间结构分布的不确定性分析，在此基础上建立的农田非饱和土壤水分特征曲线和土壤水力传导度模型模拟和预测精度均得到了显著地改善；通过田间试验，对水稻作物生长特性、产量信息的空间变异性及其相关性进行定量化分析，明确了水稻生长信息的区域化变量特征、空间结构特征以及产量形成的变异规律，为有针对性地调控生理性状进而获得水稻的高产优质提供科学依据；通过田间小区试验、网室盆栽试验以及砂培和水培模拟试验，探讨水肥耦合对水稻地上部分生长与生理性状以及水稻不同生育期根系形态与活力的影响，加深了对根系形态与活力与水肥关系的认识，为水稻生产中的水肥管理提供了理论依据。上述研究具有一定的创新性和生产指导意义。
Agricultural water resource is a coupling system that the internal moisture depends on and cooperates with each other. Only adjusting the relations between soil- water-fertilizer-atmosphere and growth of crops to the optimum state can we tap the maximum inherent potentials of the resource system, exploit the agriculture water resources fully, reduce the input of outside resources and ultimately attain the objective of high grade, high yield, low consumption and high-effect.
The moving and transformation rule of moisture in Soil-Plant-Atmosphere Continuum (SPAC) is the fundamental problem of modern agriculture research. And water-saving agriculture system is combined of that and water-saving irrigation, which is the basic way to achieve regulation of high-efficiency agriculture water use.
It is of theoretical and practical significance in the production practice of water-saving agriculture to analyze the factors of atmospheric and soil moisture energy which restrict the use of field crop-water, to trace the field water movement process in each subsystem, to prove up the driving factor and water-saving mechanism and to seek the measures to regulate the process. It has gradually become the important researching direction in subjects of water conservation, agriculture, oil and environment and receives more and more attention from the domestic and foreign scholars.
In this paper, researches on relevant theories and technology of high-efficiency utilization and management of field water were carried out systematically and creative achievement in the field of basic theory and applied techniques were made. The chief points are as follows:
In this paper, through field experiments and indoor simulation experiments, the application foundation and technical issues of efficient use and management of field water were carried out systematically and thoroughly. The theoretical connotation of precise irrigation was set forth and precise irrigation technique system and its supporting system were constructed. Threshold auto-regressive model based on genetic algorithm for current paddy soil moisture forecast was put forward which conquered the instability and lower precision of the existing model and laid the foundation of irrigation forecast and the water-saving irrigation system. Field water management decision support system (FWDSS) integrated with data collection-transmission-processing-engineering controls was established which made scientific water management available through automatic data collection, analysis of automatic decision-making and automatic control operation. By the information entropy principle, space uncertainty analysis of soil macropore structure in the paddy field of water-saving irrigation were carried and the simulation and forecast accuracy of soil moisture characteristic curve and the
引文
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