考虑多种盐氮水平的向日葵动态根系分布模型的构建方法技术

本发明专利技术涉及一种考虑多种盐氮水平的向日葵动态根系分布模型的构建方法，包括：观测生长在多种不同盐分和施氮量水平下的向日葵在生长周期内的根系下扎深度的情况，建立多种盐氮水平下最大根系深度随时间变化的关系函数；获得多种盐氮水平下的向日葵吸水细根根长密度的实测值，建立多种盐氮水平下向日葵在不同生育阶段的吸水细根根长密度分布与根系长度之间的函数关系；对前一步骤中的函数的参数q、p和z*分别进行拟合，再建立形状参数q、p和z*与不同盐氮水平的定量关系，得到形状参数q、p和z*在不同盐氮水平下随时间变化的函数关系，最终得到动态根系分布函数。本发明专利技术的动态根系分布模型能够精确模拟实际的向日葵生长的动态根系分布情况。

Establishment of dynamic root distribution model of sunflower considering various salt and nitrogen levels

【技术实现步骤摘要】
考虑多种盐氮水平的向日葵动态根系分布模型的构建方法
本专利技术涉及向日葵根系生长研究的
，具体涉及一种考虑多种盐氮水平的向日葵动态根系分布模型的构建方法。
技术介绍
土壤盐渍化是威胁全球粮食安全的重要因素之一，并且在干旱区半干旱地区显得尤为严重。我国受土壤盐渍化危害的耕地面积约1.4亿亩，占全国耕地总面积的7％，广泛分布于华北、西北和东北等重要粮食产区。其中，作为亚洲最大一首制灌区的河套灌区，有68.65％的耕地受到不同程度的盐渍化危害。土壤盐渍化已经成为影响该地区农作物生长的重要限制性因素，严重制约了该地区农业的可持续发展。根系是作物对土壤盐渍化危害最敏感的器官。当根系遭受土壤环境中的盐分胁迫时，通常以改变根系形态和分布的方式来适应胁迫。根系分布的改变会在时间和空间上影响根系对水分和养分的吸收过程，并最终影响作物产量。而作物在生产过程中需要施加氮肥，而土壤中的有效施氮量以及初始盐分水平之间存在耦合效应。因此，研究土壤盐分水平以及生长过程中施氮量对作物根系分布的影响有着主要意义。向日葵作为一种直根系深根作物，其根系系统由入土很深的主根、分布较广的侧根和众多的根毛组成发达的根系网络，容易受到土壤中胁迫因素的影响。因此，对向日葵在不同盐分氮素水平耦合作用下的根系生长特征、分布状态及其在不同生育阶段的差异开展研究具有指导意义。目前关于根系分布的研究有多种报道，如Zuo和Ning等人通过采用Wu提出的归一化的根系分布方程方法，得到了小麦和棉花的归一化根长密度分布函数，取得了很好的模拟效果。但是，这一方法忽略了根系分布形态在不同生育阶段的变化，无法反应出作物根系生长随土壤水盐条件的变化而不断变化的情况。其余大部分已有分布函数的基本形状均为“上大下小”，即根系集中在表层生长，无法反应出根系在进入蕾期后在土壤剖面上呈现出在较深土层中集中生长的情况。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种考虑多种盐氮水平的向日葵动态根系分布模型的构建方法，该方法在构建模型时充分考虑在向日葵全生育期内的根系分布受不同盐分和施氮水平影响的情况，构建的模型能精确模拟向日葵实际的根系生长情况，为后续研究向日葵生长过程中的根系吸水量和溶质运移提供较好的研究基础。本专利技术解决上述技术问题所采用的方案是：一种考虑多种盐氮水平的向日葵动态根系分布模型的构建方法，包括如下步骤：S1：连续观测生长在多种不同盐分和施氮量水平下的向日葵在生长周期内的根系下扎深度的变化情况，得到在不同观测时刻识别到的最大根系深度实测值，对得到的各盐分和施氮水平下的不同观测时刻的最大根系深度实测值进行拟合，建立各种盐分和施氮水平下向日葵最大根系深度zm在生长过程中随时间变化的关系函数；S2：将上述步骤中观测获得的多种不同盐分和施氮量水平下的向日葵在生长周期内的吸水细根根长变化情况的实测值转换成吸水细根根长密度的实测值，所述吸水细根为直径不大于2mm的根系；对多种盐分和施氮量水平下生长的向日葵在不同生育阶段的吸水细根根长密度分布的实测值进行拟合，根据拟合曲线建立多种不同盐分和施氮量水平下向日葵在不同生育阶段的吸水细根根长密度分布与吸水细根的根系长度之间的函数关系，该函数关系为：其中，式中，z为所研究节点距土壤表面的深度(cm)；FRLD(z)为z深度处的吸水细根根长密度(cm/cm3)；zm为最大根系深度(cm)；q、p和z*均为根系分布函数的形状参数，无量纲；S3：将观测得到的各种盐分和施氮水平下的向日葵在各生长周期内的吸水细根根长密度和根系长度的实测值分布代入到步骤S1中建立的最大根系深度zm在生长过程中随时间变化的关系函数和步骤S2中建立的吸水细根根长密度分布函数关系中从而对形状参数q、p和z*分别进行拟合，再建立形状参数q、p和z*与不同盐分、施氮量水平的定量关系，得到形状参数q、p和z*在不同盐分和施氮水平下随时间变化的函数关系，最终得到用于描述不同盐分和施氮量水平下向日葵FRLD在全生育期内不同土壤深度处的动态生长过程的根系分布函数，该根系分布函数为：式中，FRLD(z,SN,DAS)为在考虑氮素耦合效应的初始盐分水平为SN的土壤中播种后第DAS天的z深度处的吸水细根根长密度(cm/cm3)，q(SN,DAS)为在考虑氮素耦合效应的初始盐分水平为SN的土壤中播种后第DAS天的q参数，p(SN,DAS)为在考虑氮素耦合效应的初始盐分水平为SN的土壤中播种后第DAS天的p参数，z*(SN,DAS)为在考虑氮素耦合效应的初始盐分水平为SN的土壤中播种后第DAS天的z*参数。进一步地，步骤S1中，采用微根管法观测观测到向日葵根系在0-100cm的深度内的根长变化情况。进一步地，步骤S1中，最大根系深度zm在生长过程中随时间变化的关系函数为：式中，DAS为播种后天数，Zm(DAS)为第DAS天的最大根系深度(cm)；a、b、c为拟合参数，无量纲；100代表只考虑0-100cm土层深度内的向日葵根系。进一步地，步骤S3中对形状参数q、p和z*分别进行拟合时，根据形状参数q、p和z*曲线呈现的先上升后下降的趋势，将曲线分为上升的第一阶段和下降的第二阶段并找出第一阶段和第二阶段的转折天数TP，采用线性函数、以常数e为底的指数函数或将自然对数与线性函数相结合的方程对形状参数q、p和z*在第一阶段和第二阶段与时间变化的关系分别进行拟合，得到形状参数q、p和z*与时间的函数关系。进一步地，在建立形状参数q、p和z*与不同盐分、施氮量水平的关系时，将第一阶段和第二阶段的形状参数q、p和z*拟合曲线分别与考虑氮素耦合效应后的初始盐分胁迫水平和不考虑氮素耦合效应后的初始盐分胁迫水平进行相关性分析，建立形状参数q、p和z*在不同生长时间的变化与盐分和施氮量的定量关系。进一步地，考虑氮素耦合效应后的初始盐分胁迫水平(SN)：SN＝S×f(ENA)式中，S为不考虑氮素耦合效应的初始盐分水平，即播种前土壤盐分水平；f(ENA)为有效施氮量与盐分胁迫之间的耦合效应。进一步地，有效施氮量与盐分胁迫之间的耦合效应f(ENA)于有效施氮量的函数关系为：f(ENA)＝-0.0367ENA2+0.3447ENA+0.246盐渍化农田的有效氮肥施用量(ENA)与施氮量(N)的关系为：k＝0.089e(-S/59.101)-0.039ENA＝kN式中，k为尿素水解为铵态氮过程的一阶动力学反应系数，无量纲；S为播种前土壤盐分水平，即土壤深度范围内的平均土壤饱和浸提液电导率ECe0-60cm(dSm-1)；ENA为有效施氮量，kgNha-1；N为每个实验小区全生育期内的氮肥施用量，kgNha-1。进一步地，向日葵根系动态分布模型为：式中，各参数意义同之前所述，其中q、p和z*的表达式分别如下式所示：与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术通过观测多种盐分和施氮量水平的向日葵最大根系深度随本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑多种盐氮水平的向日葵动态根系分布模型的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：连续观测生长在多种不同盐分和施氮量水平下的向日葵在生长周期内的根系下扎深度的变化情况，得到在不同观测时刻识别到的最大根系深度实测值，对得到的各盐分和施氮水平下的不同观测时刻的最大根系深度实测值进行拟合，建立各种盐分和施氮水平下向日葵最大根系深度z

【技术特征摘要】
1.一种考虑多种盐氮水平的向日葵动态根系分布模型的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：连续观测生长在多种不同盐分和施氮量水平下的向日葵在生长周期内的根系下扎深度的变化情况，得到在不同观测时刻识别到的最大根系深度实测值，对得到的各盐分和施氮水平下的不同观测时刻的最大根系深度实测值进行拟合，建立各种盐分和施氮水平下向日葵最大根系深度zm在生长过程中随时间变化的关系函数；
S2：将上述步骤中观测获得的多种不同盐分和施氮量水平下的向日葵在生长周期内的吸水细根根长变化情况的实测值转换成吸水细根根长密度的实测值，所述吸水细根为直径不大于2mm的根系；对多种盐分和施氮量水平下生长的向日葵在不同生育阶段的吸水细根根长密度分布的实测值进行拟合，根据拟合曲线建立多种不同盐分和施氮量水平下向日葵在不同生育阶段的吸水细根根长密度分布与吸水细根的根系长度之间的函数关系，该函数关系为：其中，式中，z为所研究节点距土壤表面的深度(cm)；FRLD(z)为z深度处的吸水细根根长密度(cm/cm3)；zm为最大根系深度(cm)；q、p和z*均为根系分布函数的形状参数，无量纲；
S3：将观测得到的各种盐分和施氮水平下的向日葵在各生长周期内的吸水细根根长密度和根系长度的实测值分布代入到步骤S1中建立的最大根系深度zm在生长过程中随时间变化的关系函数和步骤S2中建立的吸水细根根长密度分布函数关系中从而对形状参数q、p和z*分别进行拟合，再建立形状参数q、p和z*与不同盐分、施氮量水平的定量关系，得到形状参数q、p和z*在不同盐分和施氮水平下随时间变化的函数关系，最终得到用于描述不同盐分和施氮量水平下向日葵FRLD在全生育期内不同土壤深度处的动态生长过程的根系分布函数，该根系分布函数为：



式中，FRLD(z,SN,DAS)为在考虑氮素耦合效应的初始盐分水平为SN的土壤中播种后第DAS天的z深度处的吸水细根根长密度(cm/cm3)，q(SN,DAS)为在考虑氮素耦合效应的初始盐分水平为SN的土壤中播种后第DAS天的q参数，p(SN,DAS)为在考虑氮素耦合效应的初始盐分水平为SN的土壤中播种后第DAS天的p参数，z*(SN,DAS)为在考虑氮素耦合效应的初始盐分水平为SN的土壤中播种后第DAS天的z*参数。


2.如权利要求1所述的考虑多种盐氮水平的向日葵动态根系分布模型的构建方法，其特征在于，步骤S1中，采用微根管法观测观测到向日葵根系在0-100cm的深度内的根长变化情况。


3.如权利要求2所述的考虑多种盐氮水平的向日葵动态根系分布模型的构建方法，其特征在于，步骤S1中，最大根系深度zm在生长过...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾文治，马韬，伍靖伟，黄介生，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42