考虑季节性冻融的井渠结合灌区地下水位动态模拟及预测

该文以季节性冻融灌区内蒙古河套灌区为研究对象,建立灌区冻融期地下水补排模型,与三维地下水数值模型相结合,构建适用于季节性冻融灌区的生育期-冻融期全周年地下水动态模拟模型。采用河套灌区2006—2013年灌区实测地下水埋深对模型进行了率定和验证,并针对河套灌区不同地下水矿化度可开采区(分别为2.0、2.5及3.0g/L)、不同渠井结合比设置了18种井渠结合节水情景,对其地下水动态进行了预测。结果表明,该文构建的冻融期模型能准确反映其地下水动态过程;井渠结合后地下水埋深变化与井渠结合区地下水开采利用的矿化度上限和渠井结合比有关,井渠结合区地下水矿化度上限越大,渠井结合比越小,地下水埋深增加越多;实施井渠结合后,灌区生育期平均地下水埋深增加0.103~0.445 m,秋浇期增加0.076~0.243 m,冻融期增加0.096~0.216 m;从空间上看,全灌区年均地下水埋深增加0.096~0.316 m,井渠结合区增加0.346~0.635 m,非井渠结合区变化较少,一般不足7 cm。该文为季节性冻融灌区开展大规模井渠结合灌溉提供参考。     

不同灌溉制度下河套灌区玉米膜下滴灌水热盐运移规律

为探明干旱地区膜下滴灌玉米土壤水热盐效应及秋浇洗盐灌溉的效果,该文根据2014—2015年进行的田间试验,分析膜下滴灌不同灌溉制度下生育期土壤水分盐分剖面分布特性、土壤温度变化及对玉米产量品质的影响和非生育期洗盐灌溉(秋浇)效果。结果表明,不同滴灌制度下土壤剖面水分、盐分剖面分布极不均匀,盐分均由膜内向膜外地表裸露区定向迁移,趋于膜外地表积累。膜下滴灌土壤温度受气温、玉米叶面积指数、灌水及土壤含水率共同作用。灌水后各处理土壤温度均剧烈下降,2~3 d后恢复,玉米营养生长阶段控制灌水下限为-30 k Pa最有利于土壤温度积累。玉米生育期各处理膜内0~40 cm不积盐,控制灌水下限为-10 k Pa可有效淋滤0~100 cm土壤盐分,而其他处理对0~100 cm土层盐分的影响差异性短期内不明显,需对不同处理长期膜下滴灌的盐分进一步观测。非生育期洗盐灌溉效果显著,秋浇灌黄河水180 mm后,次年春播前0~100 cm土壤盐分平均下降10.86%~26.14%,剖面分布较均匀。河套灌区膜下滴灌土壤盐分调控建议为生育期滴灌灌溉制度和非生育期洗盐灌溉双重调控。玉米生育期灌水下限建议控制为-30 k Pa,非生育期洗盐灌溉由于河套灌区冻融影响及特殊的水文地质条件,膜下滴灌盐分累积到何种程度洗盐灌溉及具体合理的洗盐灌溉制度还需进一步深入研究。     

河套灌区土壤水盐和作物生长的HYDRUS-EPIC模型分布式模拟

土壤水盐是影响干旱灌区作物产量的主要因素。分布式模型可综合考虑土壤、水文和气象因子在灌区的时空变异特征,为评估区域尺度土壤水盐与作物生长状况提供有效工具。该文以河套灌区解放闸灌域为研究区,根据气象-土壤-作物-灌溉等因子的空间分布特征进行均质单元划分,建立基于一维农业水文模型HYDRUS-EPIC的灌区尺度分布式模型。利用2012年和2013年定点观测数据(土壤水分、盐分、叶面积指数和作物产量)进行模型率定与验证;进一步应用模型以求探明现状灌溉条件下研究区土壤水盐与作物生长状况及存在的问题。结果表明:生育期内灌区根区土壤(0~100 cm)有效饱和度为0.44~0.90,基本满足作物耗水需求;根区土壤溶液平均盐分浓度为3.1~13.5 g/L,相应地作物的相对产量为0.35~1.33,土壤盐分过高成为限制研究区作物产量的主因。为调控根区土壤水盐状况,对地下水深埋区(东北部)需进行灌水量的适宜补充,宜将浅埋区(西北、西南等)地下水平均埋深控制在1.3 m以下。     

基于SWAP模型的耕地-盐荒地-沙丘-海子水盐动态分析

为探讨盐荒地、沙丘和海子对耕地排盐的作用和机理,于2013—2016年在内蒙古河套灌区张连生研究区展开试验,利用土壤水分、盐分以及地下水盐分、埋深变化的观测数据,经SWAP模型率定和验证,对试验区水盐动态变化进行模拟和分析。结果表明,SWAP模型能够较好地反映试验区各地土壤水盐的垂直动态变化规律。模型验证结果显示,土壤水分的均方根误差均小于0.03 cm~3·cm~(-3),土壤盐分均方根误差均小于0.12 g·kg~(-1),且二者平均相对误差均小于16%。地下水动态分析表明试验区地下水走向基本为从西北流向东南。研究表明,耕地含水量受灌水影响较大,水分逐渐向深层渗漏并侧向补给盐荒地和沙丘。沙丘表层含水量低,而深层水分可侧向补给耕地、盐荒地。耕地盐分在灌溉期向盐荒地和沙丘运移,最终汇集到海子,盐荒地在作物的生育期积累盐分,而盐分在秋浇期流失。耕地和盐荒地的地下水在灌溉期侧向补给沙丘和海子,非灌溉期由沙丘的地下水侧向补给耕地、盐荒地及海子。     

河套灌区盐渍化土壤下玉米多水源灌溉模式研究

为合理有效利用河套灌区水资源,本研究采用井水(地下水)、渠水(地表水)2种水源联合灌溉,研究较适宜的多水源灌溉模式对玉米生长特性及土壤水盐动态的响应机制。试验设置8个多水源灌溉模式:井井井(JJJ)、井井渠(JJQ)、井渠井(JQJ)、渠井井(QJJ)、井渠渠(JQQ)、渠渠井(QQJ)、渠井渠(QJQ)、渠渠渠(QQQ)及空白对照处理。结果表明:随着灌溉井水次数的增加,对玉米株高和茎粗抑制作用明显,抑制程度依次为拔节期灌浆期抽雄期;生育期内各处理均呈现出不同程度的积盐现象,耕层积盐程度大于深层;井水灌溉次数增加,土壤积盐程度明显,QJQ处理的土壤盐分变化量在玉米耕层均低于其他井灌参与的处理,且与QQQ处理差异较小;拔节期灌溉渠水能有效淋洗土壤盐分;灌溉两次及以上井水比灌溉一次及不灌井水的水分利用效率减少25.77%～31.61%;QJQ处理水分利用效率高于井灌参与的其他处理;收获指数和氮肥偏生产力均呈现出QQQ处理最高,其次为QJQ处理,JJJ处理最低的现象,且QQQ与QJQ处理无显著差异。综合土壤水盐动态和作物指标等因素的分析,QJQ处理为适合当地玉米的较优多水源联合灌溉方案。     

长期滴灌棉田土壤盐分演变趋势预测研究

膜下滴灌节水增产高效的表现使其成为我国西北干旱区绿洲农田普遍使用的灌溉方式.然而,长期滴灌下土壤盐分的变化趋势亟待研究.于2010年在新疆玛纳斯河绿洲进行微成水灌溉试验,校验Hydrus 2D模型,并模拟预测长期滴灌下土壤盐分积累的变化特征.结果显示:Hydrus 2D模型可以有效模拟滴灌土壤盐分分布与积累特征;滴灌根区土壤盐分主要受灌溉输入土壤盐分与深层淋洗作用影响,随着滴灌年份的增加,根区盐分逐步增加,作物蒸腾受限,下渗淋洗量加大,最终根区的输入盐量与淋洗盐量相当,根区盐分处于相对平衡状态.以矿化度分别为4.8,3.2,1.6,0.8 g/L的灌溉水质为例,在420 mm灌溉水量下,分别在10,15,20,35 a后土壤盐达到平衡,根区盐分分别稳定在4.2,3.8,3.2,2.8 mg/cm3,作物的蒸腾满足率分别为72％,80％,85％,91％,为保证研究区内作物的正常生长,需要的灌溉量至少应分别为495,470,425,395 mm.     

考虑可动-不动水体假设的河套灌区适宜秋灌定额UBMOD模拟

针对土壤盐分物理非平衡运移定量描述的问题,为了探究内蒙古河套灌区根系层盐分累积与淋洗规律及适宜秋灌定额,该研究考虑可动-不动水体假设,构建UBMOD水盐运移模型,模拟分析了河套灌区永联试验区根系层土壤盐分累积与淋洗规律,探究不同水文年型、不同灌溉定额、不同灌溉水矿化度与不同秋灌定额条件下永联试验区根系层土壤盐分的淋洗规...     

基于DRAINMOD模型估算灌区浅层地下水利用量及盐分累积

在灌溉季节,尤其是下游灌区,农田地下水位较高,作物可就地利用部分浅层地下水,从而减少灌溉需水量,达到节水减排的双重目的。大田作物对浅层地下水利用量的估算是合理制定灌溉淋洗制度及控制土壤盐碱化的前提,但其估算存在一定困难。该文假设当农田灌溉、排水等水文气象条件一致时,某一作物对浅层地下水的利用量等于该田块有、无作物(即裸地)2种情况下造成地下水位差异的水量。据此,首先建立了浅层地下水利用量的计算模型,并以某一半干旱灌区为例,利用田间水文模型-DRAINMOD模拟出有、无作物2种条件下农田地下水位变化过程,然后,计算了棉花、小麦轮作期内对浅层地下水的利用量;在此基础上,进一步分析了浅层地下水利用条件下土壤剖面的盐分平衡。结果显示,该文提出的计算模型能够较好的反映大田实际情况;研究时段内,田间地下水埋深平均值为2.1 m,单位面积上作物利用浅层地下水量为305.8 mm,主要发生在作物生长阶段,其中棉花生长季内地下水利用量约为160 mm。盐分平衡计算结果显示,浅层地下水的利用使得水位以上土壤剖面盐分含量增加,但1 m以内根区土壤盐分在降雨和灌溉作用下得到一定的淋洗,未超出作物耐盐极限,不会对产量造成显著影响。研究成果可为相关灌区制定合理的灌溉制度及提高水资源利用效率提供科学依据。     

干旱区咸水滴灌土壤盐分的分布与积累特征

通过三年咸水灌溉田间试验,探讨了新疆干旱区膜下滴灌条件下,咸水灌溉后土壤中盐分的分布及积累特征。研究结果表明:膜下滴灌棉田持续利用咸水进行灌溉,土壤中盐分逐年增加,积盐程度随灌溉水盐度的增加而加重。地表滴灌土壤盐分的表聚明显;而地下滴灌在滴灌管上部土层盐分含量较高。与地表滴灌相比,地下滴灌的盐分会被淋洗到更深的土层。两种滴灌方式下,0￣100cm土壤平均盐度均逐年增加,且积累程度随灌溉水盐度增加而加重。在干旱区连续进行咸水灌溉,盐分的累积效应非常明显,如果不采取必要的洗盐措施,土壤中盐分最终会累积到危害作物生长的程度。     

膜下滴灌棉田土壤水盐运移简化模型

滴灌农田土壤盐分积累是关系到这一方式是否可持续的重要问题,数值模拟是研究这一问题的重要手段,然而目前缺乏针对这一问题的可用模型。该文构建了一个滴灌土壤水盐运移简化模型,通过将膜下滴灌土体划分为若干单元格,通过滴灌入渗饱和湿润体形成、毛管扩散运移2个过程实现滴灌土壤水盐运移模拟,该模型包含有降水再分配、根系吸水、土壤蒸发等水文过程。于2010年在新疆石河子大学灌溉试验站微咸水滴灌试验,对构建的模型进行校正和验证,结果显示,该模型较好地模拟了膜下滴灌土壤水分与盐分运移过程以及土壤盐分积累特征,研究结果可为膜下滴灌条件下棉田土壤盐分积累及其影响因子研究提供基础。     

河套灌区不同覆膜方式膜下滴灌土壤盐分运移研究

随着灌溉面积的增加和引黄水量的减少,河套灌区土壤盐渍化和水资源紧缺的问题日益突出,为保持农田水土环境的良性发展,以内蒙古河套灌区曙光试验站为研究对象,开展不同覆膜方式膜下滴灌土壤水盐运移规律研究。试验设置全膜覆盖(PQ)和半膜覆盖(PB)2个处理,采用5TE土壤水盐监测探头测定剖面土壤含水率和电导率。结果表明:膜下滴灌过程中剖面土壤盐分发生再分布,滴头下方30cm附近形成主要脱盐区,盐分逐渐向湿润区外缘积聚。半膜覆盖处理土壤盐分在膜间表层聚集,全膜覆盖处理保水抑蒸效果明显,起到了较好的压盐效果。表层土壤电导率值具有距滴头水平位移50cm20cm0cm的特点,膜间电导率值波动较大。不同水平位置处土壤电导率曲线变化规律相同,随土层深度增加振幅变小。全生育期内0—70cm深度土层不同覆盖方式均起到了一定的脱盐效果,半膜覆盖2个生长季内盐分变化(SA)分别为4.71mg/hm~2和9.24mg/hm~2,全膜覆盖处理SA分别为12.22mg/hm~2和21.55mg/hm~2。全膜覆盖处理可以有效抑制土壤水分蒸发,减弱盐分随水向上运动趋势,创造适宜作物生长的淡盐环境。可为河套灌区膜下滴灌种植模式下田间水盐管理提供理论依据。     

基于SaltMod模型的河套灌区解放闸灌域土壤盐分综合调控措施

为了探究河套灌区解放闸灌域土壤盐分的综合调控措施,以河套灌区解放闸灌域为例,基于SaltMod模型研究了灌溉水矿化度、咸淡水混合比例、排水沟深度以及渠道衬砌水平对作物根层土壤盐分的影响。结果表明:根层土壤盐分随着灌溉水矿化度的增大而增加,1.0 g/L的地表微咸水较适合本研究区灌溉;淡水(黄河水)和地下微咸水(矿化度为2.2 g/L)混合灌溉比为1∶1时,既增加了地下微咸水的利用且地下水埋深下降到2 m左右的相对稳定平衡状态;当排水深度在1.5~2.0 m,渠系利用系数达到0.7时,根层盐分显著降低,适当提高排水深度和渠系水利用系数可以有效减少高矿化度灌溉水对土壤盐分累积的影响。研究结果为河套灌区解放闸灌域制定合理的土壤盐分综合调控措施提供了科学的理论依据。     

长期膜下滴灌农田土壤盐分时空变化

为了探讨长期膜下滴灌对农田土壤盐分演变的影响,该文以一块采用膜下滴灌技术13a的农田为例,对其土壤盐分的时空变化进行比较,分析了该农田土壤盐分演变特征。膜下滴灌技术使用初期,田间土壤盐分含量明显下降,随后其下降幅度减小;随着膜下滴灌年限的延长,田间土壤盐分含量稳定在某一水平范围内。观测结果表明,经过13a的膜下滴灌,田间0～100cm土层盐分质量分数由原来的20～30g/kg降到了5g/kg以下;地头裸地20cm深度以下的土壤盐分质量分数稳定在5～10g/kg,大于田间的相应值;但是地头裸表层土壤盐分质量分数大于20g/kg,存在盐分表聚现象。研究表明,土壤湿润锋处的盐分积累现象不会造成整个土层的盐分含量增高。该文研究结果可为膜下滴灌技术的科学利用提供参考。     

膜下滴灌水源矿化度对棉花生长的影响及AquaCrop模拟

利用微咸水灌溉是缓解干旱区灌溉淡水资源短缺的有效途径。为探讨膜下滴灌水源矿化度对棉花植株体内盐分累积、生长及产量的影响，该研究开展了2 a（2020－2021年）测坑试验，共设置 6个灌溉水矿化度，分别为1、2、3、4、5和6 g/L，分析了棉花生育期内不同土层盐分累积规律，构建了不同矿化度水源膜下滴灌棉花的AquaCrop作物生长模型。结果表明：1）不同矿化度水源膜下滴灌棉花土壤盐分在40～60 cm土层积累量达到峰值，80～100 cm土层盐分积累较少。不同矿化度水源膜下滴灌棉花2 a末40～60 cm土层盐分分别累积44.29%、42.68%、43.40%、34.92%、35.69%、39.32%。2）灌溉水源矿化度为3～4 g/L时棉花生长指标和产量优于其他处理，且从盐分积累看也不会造成盐分过高，灌溉水源矿化度为4 g/L与1 g/L相比棉花各生长指标和产量受到影响较小，综合考虑棉花适宜灌溉水源为3～4 g/L之间。3）通过构建AquaCrop作物生长模型模拟冠层覆盖度、地上干物质量模拟值与实测值的决定系数大于等于0.812，标准均方根误差不大于24.1，一致性指数不小于0.984，模拟效果较好。棉花产量模拟值与实测值的相对误差RE小于9.28%，可见AquaCrop作物生长模型能较好地模拟不同矿化度水源膜下滴灌棉花生长发育过程，可用于产量预测和农业水资源优化管理。研究结果可为干旱区咸水资源膜下滴灌技术可持续利用提供依据。     

微咸水灌溉对土壤水盐动态与春小麦产量的影响

为了探究合理的微咸水灌溉利用模式,分别于2007年和2008年在宁夏银北惠农引黄灌区开展微咸水灌溉试验,研究了该地区微咸水灌溉对土壤水盐动态、春小麦产量的影响。研究结果表明：表层（0～30 cm）土壤含水率和含盐量变化较大,而30 cm以下土层的含水率和含盐量变化相对较小。渠灌条件下,春小麦全生育期内土壤根区（0～90 cm）处于明显的脱盐状态,而井渠混灌处理即使在相对干旱的年份也可保持根区土壤的盐分平衡,但井灌处理根区则出现明显积盐现象。春小麦耗水量和水分利用效率均随着灌水矿化度的增加而降低。与渠灌相比,井渠混灌模式的春小麦减产较小,而井灌处理的减产为20%～30%。在银北惠农地区,采用井渠1︰1的混灌模式是春小麦的适宜微咸水灌溉利用 模式。     

微咸水膜下滴灌不同灌水下限对盐碱地土壤水盐运移及玉米产量的影响

为了研究盐碱地上微咸水膜下滴灌不同灌水下限对土壤水盐运移和玉米产量的影响,在长胜试验站开展了微咸水膜下滴灌玉米的大田试验。试验采用负压计指导灌溉,控制滴头下20cm深处的土壤基质势下限分别为-10,-20,-30,-40kPa,每个处理重复3次,按随机区组布置。结果表明:膜下滴灌湿润体形状在垂直于滴灌带的滴头所在竖直剖面上近似为半椭圆形,随着灌水下限的增大,湿润层土体含水率增大;玉米根部附近均出现盐分低值区,膜外表层均出现盐分高值区;-20kPa和-30kPa灌水下限适中,既能较充分淋洗膜内表层土壤盐分,又不会造成微咸水中的盐分滞留累积;在玉米生育期内,膜内、膜外地下100cm土体均积盐;-10kPa和-20kPa下限处理对应的湿润体垂直深度约为60cm;玉米收获后,地下100cm土体均积盐,需要进行秋浇或春汇,大量淋洗土壤盐分,保证耕地盐分不逐年累积;试验条件下,玉米产量随着灌水下限的降低而减少。     

河套灌区年内地下水埋深与矿化度的时空变化

该文以内蒙古河套灌区为研究区域,应用统计学方法、普通Kriging、Arc GIS9.0和GS+等工具,分析2003年3个不同特征季节的地下水位埋深和矿化度的时空分布规律。分析表明：在3月份灌区浅层地下水埋深平均为2.5 m,且绝大部分区域地下水矿化度＜4 000 mg/L;随着夏灌、秋灌、秋浇后,在11月时浅层地下水埋深减小为1.0 m,且大部分区域地下水矿化度＞5 000 mg/L。灌区浅层地下水埋深由灌区西南向东逐渐递减,且自南向北逐渐递增。灌区西北和东南部的地下水矿化度相对较高,中间部分相对较低。浅层地下水埋深与矿化度之间线性关系不明显,但是在特定地区浅层地下水埋深的时空分布规律能够定性地反映出矿化度的时空分布规律,即浅层地下水埋深较大时,相应的矿化度较小;浅层地下水埋深较浅时,相应的矿化度较大。     

干旱区长期膜下滴灌农田耕层土壤盐分变化

新疆地处干旱地区,水资源短缺,膜下滴灌作为有效的节水灌溉技术在新疆农业生产中广泛使用。但新疆同时是盐碱化普遍发生的地区,采用滴灌技术后,传统灌溉的灌溉洗盐过程随之消失,且该地区灌溉水矿化度较高,对土壤盐分有一定的补充作用,因此滴灌技术虽然节水增产效果明显,但长期滴灌可能导致土壤盐分积累,降低土壤质量。通过监测一个长期膜下滴灌、面积约为224 km2的农场15a农田土壤盐分含量,对长期膜下滴灌土壤盐分含量的变化进行研究,研究结果可为膜下滴灌土壤盐分管理提供科学依据。以位于新疆北部玛纳斯河流域的新疆生产建设兵团第八师147团农田为研究对象,通过收集该团场自1996年至2010年记录的农田耕层盐分和养分指标的分析数据,利用统计学知识及地理信息系统技术,对不同滴灌年限下土壤耕层盐分变异特征及土壤耕层盐分与其他土壤指标的相关性进行研究。研究表明:(1)在滴灌的第一个3年周期内,土壤耕层盐分平均含量从3.13 g kg-1降低至3.00 g kg-1,降幅达4.2%,但经12年滴灌年限,土壤耕层盐分从3.13 g kg-1升高至4.81 g kg-1,升高了53.7%;(2)在五个监测周期(15 a)内,土壤盐分含量明显上升,研究区土壤耕层盐分含量集中分布在4~10 g kg-1,土壤耕层多为中度盐化土和重度盐化土;(3)长期膜下滴灌导致土壤耕层盐分发生重新分配,全团范围内农田盐分含量分布接近正态分布。本研究条件下,长期膜下滴灌会造成土壤耕层盐分积累,滴灌水携带的盐分对土壤盐分有一定的补充作用;采用2~3年进行一次大水洗盐以及培肥土壤、提高土壤有机质含量对防止滴灌土壤积盐具有重要作用。