【摘要】：如何高效利用日益短缺的水資源以達(dá)到節(jié)本提質(zhì)增效的目的,是現(xiàn)代果園可持續(xù)發(fā)展亟待解決的問題。隨著蓄水坑灌技術(shù)在我國北方果林中的應(yīng)用,深入研究蓄水坑灌下蘋果樹水分遷移機(jī)制,進(jìn)一步揭示蓄水坑灌的節(jié)水機(jī)理,對指導(dǎo)蓄水坑灌下果園的合理灌溉具有重要意義。本論文將室內(nèi)與田間試驗(yàn)相結(jié)合,探究利用穩(wěn)定同位素這一新技術(shù)研究矮砧蘋果樹水分遷移的適用性。在此基礎(chǔ)上,以5年生矮砧蘋果樹為研究對象,設(shè)置灌水量相同的地面灌溉和蓄水坑灌以及灌水量減半的蓄水坑灌共3個處理,基于穩(wěn)定同位素技術(shù),系統(tǒng)闡釋蓄水坑灌下水分在蘋果樹土壤-根系-果樹地上部各環(huán)節(jié)中的相互作用機(jī)制。取得以下結(jié)論:(1)確定了利用穩(wěn)定同位素技術(shù)研究矮砧蘋果樹根系吸水的可行性。為獲取準(zhǔn)確的土壤水和枝條水穩(wěn)定同位素信息,通過對抽提和測試過程中的潛在分餾研究,提出了土壤水最佳抽提策略(加熱溫度為90℃、填充物為海綿、抽提時間為90min)以及為提高樣品測試效率的測序優(yōu)化方案,發(fā)現(xiàn)了蘋果樹非生育期的枝條水存在分餾效應(yīng),得出了土壤水貢獻(xiàn)率與根長占比、土壤耗水量占比兩者均呈正相關(guān)。(2)闡明了蓄水坑灌下根區(qū)水分運(yùn)移和傳輸機(jī)制。通過水平土柱入滲的物理模型模擬,掌握了土壤水在水平遷移過程中的分餾機(jī)制;基于蓄水坑灌的田間試驗(yàn),明確了土壤水穩(wěn)定同位素的時空分布特征,發(fā)現(xiàn)在單株樹冠下可不考慮同位素徑向的異質(zhì)性,進(jìn)而用聚類分析法對果園土壤剖面水分進(jìn)行了合理劃分,為量化根系吸水層位提供依據(jù);得出蓄水坑灌下土壤水蒸發(fā)線的斜率和截距均小于地面灌溉,表明蓄水坑灌下土壤蒸發(fā)強(qiáng)度較小,體現(xiàn)出蓄水坑灌的節(jié)水優(yōu)勢。(3)圍繞根-土界面的水分遷移,基于根系生長和根區(qū)土壤微環(huán)境變化揭示了蓄水坑灌的節(jié)水抗旱機(jī)制,利用穩(wěn)定同位素技術(shù)量化了蓄水坑灌下根系吸水層位。與地面灌溉相比,蓄水坑灌提升了40cm以下土壤水分含量,提高了表層溫度并增加了表層真菌含量,使蘋果根系在0-100cm范圍內(nèi)均有所分布,并誘導(dǎo)根系深扎,將根系生長峰值區(qū)從20-40cm下移至40-60cm;評價了5種同位素模型輸出結(jié)果的差異性和精確性,得出了基于δ~(18)O和Romero-Saltos、IsoSource模型為本試驗(yàn)下的最優(yōu)分析方法,并結(jié)合模型計算和氘同位素(D_2O)注射的結(jié)果,量化了地面灌溉下蘋果樹根系的主要吸水深度為0-60cm,且0-40cm土層為主要的土壤水貢獻(xiàn)率區(qū)域;而蓄水坑灌下根系的主要吸水深度為20-100cm,根區(qū)40-100cm土層的土壤水貢獻(xiàn)率顯著提高。(4)闡釋了蓄水坑灌下果樹地上部水分遷移機(jī)制。利用D_2O注射和熱擴(kuò)散技術(shù)研究樹干水分遷移情況,結(jié)果表明,蓄水坑灌能夠提升蘋果樹液流速率;提出了利用莖流計探針間的最大溫差(dTm)指示蘋果樹干水分含量的新方法;采用樹干直徑微變化表征果樹水分狀況,得出相同灌水量的蓄水坑灌較地面灌溉提高了樹干日生長速率,降低了樹干直徑日最大收縮量(MDS),而灌水量減半的蓄水坑灌能與地面灌溉保持相近的樹干直徑變化;且蓄水坑灌下MDS與液流速率呈正相關(guān),與40-80cm土壤含水率負(fù)相關(guān);構(gòu)建了基于日均大氣溫度和日均參考作物蒸散量的蓄水坑灌下MDS多元回歸模型和徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型,預(yù)測模型的平均相對誤差為4.53%;通過研究葉片水勢和氣孔導(dǎo)度變化闡明了不同灌溉方式對葉片用水耗水的影響,較地面灌溉,蓄水坑灌顯著提高了葉片水勢,增大了氣孔導(dǎo)度,并建立了基于葉片氣象因素的蓄水坑灌下的氣孔導(dǎo)度模型,平均相對誤差為1.89-8.93%;擬合了蓄水坑灌下葉片水的蒸騰線,分析了利用葉片氧穩(wěn)定同位素指示氣孔導(dǎo)度的可行性。(5)明確了基于葉片光合機(jī)理的蓄水坑灌增產(chǎn)機(jī)制,定量了不同尺度的水分利用效率。蓄水坑灌通過改善葉片水分狀況,促進(jìn)葉片氣孔開放,增加葉綠素含量,提升葉片光能利用效率并延緩葉片衰老,以增強(qiáng)葉片光合作用,增加蘋果樹單果重和可溶性固形物含量,最終提升果樹的產(chǎn)量和品質(zhì)。相同灌水量下,蓄水坑灌較地面灌溉增產(chǎn)25%,但在灌水量減半的情況下,兩者的產(chǎn)量無顯著差異;與地面灌溉相比,蓄水坑灌不同處理下蘋果樹的瞬時水分利用效率提高了13-19%,產(chǎn)量水平的水分利用效率提高了26.5-28.6%,葉片碳穩(wěn)定同位素指示的長效水分利用效率顯著增加。本研究成果對指導(dǎo)蓄水坑灌下蘋果園合理灌溉,提高水分利用效率,實(shí)現(xiàn)果園節(jié)水增產(chǎn)具有重要意義。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S661.1
【圖文】：

技術(shù)路線圖

圖 2-1 試驗(yàn)期內(nèi)逐日大氣溫度、降雨量和參考作物蒸散量(ET0)ig. 2-1 Reference crop evapotranspiration (ET0), temperature and rainfall during the experime驗(yàn)方案設(shè)計

(b)相關(guān)測點(diǎn)平面圖布置圖圖 2-2 微根管安裝和相關(guān)測點(diǎn)布置圖. 2-2 The sites of the minirhizotron tube and related monitoring sam管的安裝可能對根系造成潛在擾動，故在試驗(yàn)前的 20

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2806209