[发明专利]一种基于生物炭还田根系与土壤水分互作的光合速率检测方法及其应用

说明书

本发明属于根系‑土壤水分互作检测技术领域，具体涉及一种基于生物炭还田根系与土壤水分互作的光合速率检测方法及其应用。本发明使用负压灌溉的方法确保保水区域边界水分振动周期与植物吸水周期一致；使用频率分析的方法对根系保水区域边界的水分振动特性进行解析；使用弹簧‑质量系统的振动模型建立该水分振动频率与植物光合速率之间的关系。使得光合速率的检测方法操作简单、受环境干扰小、且可以及时估算植物光合速率，预防作物水分胁迫；同时，本发明可以削减根系‑土壤水分互作数据获取难、解析成本高等问题。

技术领域

本发明属于根系-土壤水分互作检测技术领域，具体涉及一种基于生物炭还田根系与土壤水分互作的光合速率检测方法及其应用，尤其涉及一种基于根系-土壤水分互作的光合速率检测方法及其应用。

背景技术

生物炭是通过生物质热解产生的多孔质含碳的固体，将生物炭还田可以增加土壤碳汇，改善土壤保水、保肥能力，是农业与环境可持续发展的重要措施之一。将生物炭应用于节水灌溉技术，可以提高水资源的利用效率，保障干旱地区的粮食生产。在节水灌溉技术中，地下滴灌技术通过毛细管原理将水分缓慢输送到作物根区，在作物根区形成有限的保水区域。在地下灌溉技术中，检测土壤-根系水分互作，解析根系吸水特征及作物的光合作用特征，对地下滴灌技术中的精细水分管理具有重要意义。

由于水分在土壤中具有时空变异性，解析根系吸水活动一直是研究的热点和难点。传统根系吸水解析法通常采用模型反演法，根据单点测量的土壤水分数据反演Richards模型参数，从而估算作物的吸水活动。传统方法的问题是无法实时监测作物吸水活动的时空变异。解析作物吸水需要高时空分辨率的数据，层析成像技术，如：X射线成像、核磁共振成像（MRI）和电阻率成像（ERT）可以获取作物根区的高时空分辨率数据，被广泛用于表征由根系吸水引起的土壤水分变化。然而，目前的图像处理技术难以区分由根系吸水和土壤水分再分布引起的土壤水分变化。并且，层析成像技术很难在实际应用中普及推广。

过往研究也开发了植物生理胁迫的无损检测方法，如：基于热红外图像的光合速率、气孔导度和叶片温度等生理胁迫指标的检测方法；基于植物整体或局部器官的力学特征变化预测植物水分胁迫的检测方法。然而，基于叶片的检测方法易受环境干扰，为后期数据处理带来困难。同时，这类方法需要昂贵的检测设备，且难以及时检测到作物的生理胁迫信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于生物炭还田根系与土壤水分互作的光合速率一种基于生物炭还田根系与土壤水分互作的光合速率检测方法及其应用，所述光合速率检测方法可以及时估算植物光合速率，操作简单，受环境干扰小；且数据获取较容易，成本较低。

本发明提供了一种基于根系-土壤水分互作的光合速率检测方法，包括如下步骤：

1）对植物进行负压灌溉，依据所述负压灌溉的负压，估算获得植物根系的保水区域的大小和湿润峰的位置；

2）对所述保水区域垂直方向的湿润峰位置和植物根系中心位置的土壤水分含量进行监测，分别得到保水区域的湿润区内和干湿边界处的土壤水分含量-时间t变化数据；

3）对所述保水区域的湿润区内和干湿边界处的土壤水分含量-时间t变化数据分别进行快速傅里叶变换，分别得到湿润区内和干湿边界处的土壤水分频谱数据；

4）依据所述干湿边界处的土壤水分频谱数据分析得到由植物吸水活动引起的固有频率ω_n；

对所述湿润区内土壤水分频谱数据中的根系吸水频率进行傅里叶逆变换，恢复植物吸水引起的振动波形，得到振动振幅A；

5）以预定的关系式Ⅰ得到光合速率；

，关系式Ⅰ；其中，和由初始条件决定，在估算某一区间的光合速率时可以取值为0。

优选的，进行所述负压灌溉前还包括，向土壤中施加生物炭。