基于水分供需关系的冬小麦夏玉米节水灌溉模式研究

节水灌溉是解决水资源短缺问题的重要途径之一。在长期田间试验的基础上, 运用Hydrus-1D模型对研究区冬小麦 夏玉米轮作条件下的田间水分运移过程进行了模拟分析, 探讨适宜的节水灌溉模式。结果表明, 表征土壤水分实测值与模拟值精度关系的Nash-Suttcliff效率系数Ens为0.652~0.903, 均大于0.5, 模型效果良好; 在灌水量为520 mm的传统灌溉模式下, 1.6 m土层深层土壤水分无效渗漏量为189 mm, 占地表总入渗补给水量的22.3%, 土壤水分无效渗漏大, 且与降雨和灌溉关系密切; 根据作物水分供需状况及土壤水分状况得出夏玉米、冬小麦季的灌溉量分别为50 mm、320 mm, 比传统灌溉模式共节水100 mm。改进后的灌溉模式对于土壤水分渗漏具有良好的控制作用, 土壤水分渗漏峰值明显降低, 根据作物供需与土壤水分状况提出的节水灌溉模式能减少土壤水分渗漏, 提高灌溉水利用效率。     

产芝水库灌区农田水分转化及节水灌溉模式分析

在长期田间试验的基础上,建立了产芝水库灌区典型农田的土壤水分运动模型。结果表明,常规灌溉条件下灌区农田水分的无效渗漏量较大,降水和灌溉与土壤深层渗漏和农田蒸散量之间存在明显的正相关关系。基于作物的土壤水分调节标准,模拟得到灌区不同降水年型的节水灌溉模式,与常规灌溉相比,节水灌溉模式在丰水年可节省水240 mm,平水年140 mm,枯水年为90 mm,并且农田渗漏量显著低于常规灌溉,丰水年、平水年和枯水年的全年平均农田渗漏强度分别减少了0.66、0.35和0.27 mm/d。在作物关键生育期合理控制灌水量,能够保证作物正常需水的同时减少土壤水的无效渗漏,从而提高灌溉水的利用效率。     

石羊河流域农田休闲期耗水规律研究

通过微型蒸渗器和diviner2000土壤水分测定仪测定了不同耕作及储水灌溉条件下农田休闲期土壤水分动态变化规律,并结合气象数据比较不同耕作方式和灌水处理的优越性,分析了休闲期不同耕作方式及储水灌溉措施对土壤水分及降水利用的影响。研究结果表明,春耕可减少农田表层土壤蒸发,保水效果较好;低定额储水灌溉既没有造成深层渗漏,且蒸发损失小;冬季大定额储水灌溉产生43.86 mm的深层渗漏和121.11mm的土壤水分蒸发,形成了水资源的无效流失;而春耕+免储水灌溉只产生54.41 mm水分损失,节水效果显著。土壤蒸发和深层渗漏产生的土壤水分损失大小顺序为:传统冬季储水灌溉>低定额储水灌溉>秋耕+免储水灌溉>春耕+免储水灌溉,低定额储水灌、秋耕+免储水灌溉、春耕+免储水灌溉处理土壤水分损失较对照分别减少53.44 mm、97.52 mm和110.56 mm(土面蒸发+深层渗漏)。石羊河流域春耕+免储水灌溉处理可有效减少休闲期水分损失,提高休闲期水分利用效率。     

华北典型区域农田耗水与节水灌溉研究

本文总结了中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心围绕华北典型地区冬小麦-夏玉米一年两熟开展的节水灌溉研究。在位于华北中北部的中国科学院栾城农业生态系统试验站的定点试验结果显示,从1980年到2017年,在充分灌溉条件下冬小麦产量增加55.7%、夏玉米产量增加59.7%。冬小麦生育期耗水(ET)从400 mm增加到465 mm;玉米耗水年平均稳定在375 mm左右;年耗水量从777.0 mm增加到834.4 mm;满足冬小麦、夏玉米生育期耗水条件下,年灌溉需水量平均300 mm,必须减少灌溉用水和田间耗水,才能解决区域地下水超采问题。研究发现在限水灌溉条件下,冬小麦拔节期1次灌溉可显著促进作物营养生长和根系生长,利于后期土壤水分高效利用,在维持作物稳产基础上,比充分灌溉年节水165.2 mm。研究发现进一步利用小定额灌溉技术,通过增加灌水频率、缩减次灌水量,可增加有限水对作物的有效性,实现作物根系、土壤水分和养分在空间上的耦合,进一步提升有限灌溉对作物的增产作用。只考虑维持播种时良好土壤水分条件、生育期不进行灌溉的最小灌溉模式,与充分灌溉模式相比,产量减少28%,但可节约灌溉水69%,田间耗水减少43%,水分利用效率提高13%,年耗水量维持在560 mm左右。相对于减熟制节约灌溉水措施,冬小麦-夏玉米一年两季最小灌溉模式总产量高于两年3作5.5%~12.0%,年耗水量低于两年3作10%~13%,可显著消减减熟制带来的休闲期土壤蒸发损失。因此,实施冬小麦、夏玉米生育期节水灌溉,如最小灌溉、关键期灌溉,可大幅度降低灌水量和作物生育期耗水量,同时又能维持一定的生产能力,是华北实施地下水限采措施下应优先考虑的技术选择。     

深蓄灌溉对夏玉米农田水分动态的影响

为探究深蓄灌溉利用汛期雨洪资源补充土壤水和地下水的可行性,于2020年6—10月在玉米田间小区开展试验研究,监测不同计划储水深度(T1:H_p=60 cm; T2:H_p=90 cm; T3:H_p=120 cm; T4:H_p=150 cm; T5:H_p=180 cm)且以饱和含水率为灌水上限的一次深蓄灌溉条件下土壤水分动态变化特征,研究量化补充土壤水的农田水分动态,为制定有效补给土壤储水的深蓄灌溉制度提供依据。结果表明：深蓄灌溉可有效补充农田土壤水分,灌溉10天后不同处理0—200 cm土层平均含水率增幅范围为11.90%～40.85%,T5处理含水率增幅最高;随着计划储水深度的增加,夏玉米农田蒸散量先增加后降低最后上升至最高水平,在计划储水深度为90 cm的处理达到最大;计划储水深度为60,90 cm时,补充水量主要用于补给浅层土壤和农田蒸散,不利于进行土壤储水;计划储水深度为120 cm以上时,灌水及降雨对深层土壤水分补给量达243.39 mm以上,占总供水比重27.29%以上...     

农田墒情动态二区模拟模型

为准确模拟土壤计划湿润层内墒情动态变化,基于土壤-植物-大气连续体物质能量运动及土壤水动力学的基本理论,考虑作物根系伸展和吸水特性,把土壤水分变化土层划分为随作物根系伸展而改变深度的包含主要根系的动态根区和无根系的储水区,构建了变根区墒情动态二区模型。模型根区深度随着作物根系伸展改变,以此准确表达土壤计划湿润层内墒情的动态变化;将储水区的土壤水分作为模型变量,计算根区下界面水分通量,由此间接地考虑了深层土壤水分对作物蒸发蒸腾量的影响。将模型拟合误差作为目标函数,采用自由搜索算法率定模型参数。应用建立的模型进行墒情模拟,模拟相对误差小于±5%和±10%所占的比例分别为49.09%和94.55%;经t检验和回归分析表明预测值和实测值相差不大,具有较好的一致性,决定系数为0.779,模型具有较高的模拟精度,能准确反映计划湿润层内墒情的变化。     

农田黑土水分调节能力分析

农田黑土区土壤水分对作物生育期间水分需求起到调节作用,农田黑水分调节能力的大小取决于大气降水和作物生育阶段对水分的需求,土壤水分调节主要在作物生育前期。土壤水分调节量占作物耗水量的70%,而0-100cm土层占总土壤水分调节量的80%,春小麦、大豆耗水高峰期在生育中期和后期,其生育后期水分来源主要靠大气降水;玉米耗水高峰期在生育中期,其水分来源也主要靠大气降水。     

分根区交替灌溉对土壤水分养分条件及作物生长的影响

分根区交替灌溉技术可充分利用生物学特性,调节作物自身生理活动,降低作物耗水量,达到节约灌水量和提高水分利用效率的目的。综合国内外研究成果,从土壤水分、土壤养分(氮素)、作物生长、产量、品质等方面,论述了分根区交替灌溉提高农田水肥利用效率的机理及其对作物生长的影响,并对将来需要重点研究的方向作了展望,以期为进一步发展和丰富分根区交替灌溉理论和技术提供科学支撑。     

冬小麦水分利用效率与最优灌溉制度的研究

针对不同水分处理对冬小麦产量和耗水特性的影响，在大田生产条件下对冬小麦进行了非充分灌溉试验，以冬小麦大田试验数据为基础，采用最小二乘法拟合了冬小麦水分生产函数；通过耗水资料的分析整理，揭示了冬小麦的水分效应及耗水规律；依据动态规划原理，建立了冬小麦最优灌溉制度动态模型，提出了两种水文年型(50%和75%)的冬小麦节水灌溉模式，对北方冬麦区田间管理具有一定的指导意义。     

咸水非充分灌溉条件下土壤水盐运动SWAP模型模拟

为了研究咸水非充分灌溉条件下土壤水盐动态变化规律,该文在2013年田间试验的基础上,利用试验观测数据,对SWAP模型进行了率定和验证,并对咸水非充分灌溉条件下土壤剖面水分和盐分通量变化过程进行了模拟和分析。研究结果表明:SWAP模型模拟值较好地反映了实测值的变化趋势,经过率定和验证后的SWAP模型能够较好地模拟土壤水盐的动态变化规律以及制种玉米的产量情况。在制种玉米苗期阶段,3种灌水处理40 cm以上土壤剖面的水分通量主要以向上为主;在灌水和降雨阶段,各处理土壤剖面的水分通量主要向下,且灌水量越大的处理,向下的水分通量越大;在土壤蒸发阶段,各处理60 cm以下土壤剖面的水分通量向下,且向下的水分通量逐渐减小。土壤盐分通量模拟结果与土壤水分通量具有类似的规律,60 cm以下土壤剖面的盐分通量主要向下,表明土壤盐分主要向深层土壤运移。研究结果可为该研究区域咸水非充分灌溉制度的制定提供理论依据。     

膜下滴灌玉米番茄间作农田土壤水分分布特征模拟

间作种植和覆膜滴灌是实现高产和节水的重要技术,已被广泛应用,而掌握覆膜滴灌条件下间作种植农田土壤水分分布特征对于提高水分利用效率以及增产增收都具有重要意义。该文通过2a田间试验设置高(T1)、中(T2)、低(T3)3个灌水定额处理,并通过HYDRUS2D模型模拟了间作滴灌农田不同位置土壤水分的差异性、水平水量交换以及土壤水分二维分布特征。结果表明:基于HYDRUS2D构建的间作种植滴灌农田土壤水分模型精度较高,平均相对误差为5.72%～8.14%,决定系数在0.85～0.90,均方根误差在0.017～0.023 cm~3/cm~3。对于3个灌水处理皆表现为0～40 cm土层含水率出现差异,且在0～20 cm土层含水率差异显著,2014年番茄侧和玉米侧土壤含水率在3个灌水处理下的平均土壤含水率分别较裸地高20.17%和17.83%,2015年为16.02%和12.99%。间作滴灌农田土壤水平水量交换强烈,生育期水流主要由作物侧流入裸地侧,其中对于3个灌水处理在番茄侧0～40 cm土层净流入裸地的平均水量是玉米侧的1.3倍,约为60mm/a,并且0～40cm土层由作物侧流入裸地的水量是40～100cm土层的2.5倍。二维土壤水分分布显示,滴灌湿润体与作物根系分布匹配性较好,灌水后1d湿润饱和区主要集中在0～30cm土层,其中T1、T2、T3处理的饱和区面积分别为559.14,288.61和109.78 cm~2。灌水2 d后,低灌水处理(T3)存在较明显的水分亏缺,缺水区面积是充分灌溉(T1)的30倍。研究结果可为间作滴灌农田制定灌溉制度提供参考。     

土壤含水率监测位置对温室滴灌番茄耗水量估算的影响

土壤水分传感器埋设位置的选择是局部灌溉条件下获得作物根区代表性土壤含水率数据,从而制定滴灌灌溉制度的关键。本文以日光温室滴灌番茄为对象,研究滴灌线源土壤湿润体内含水率分布状况,通过对比距滴灌带不同位置处土壤含水率监测结果估算番茄耗水量的差异,探讨土壤含水率监测的合理位置。结果表明,番茄生育期内14~25 mm的灌水定额主要用于增加0~40 cm土层的土壤含水率,湿润体内日平均土壤含水率分布在75%~100%田间持水率。作物生育期内连续多次滴灌条件下,沿滴灌带单个灌水器形成的湿润土体会充分叠加,形成近似均匀的土壤含水率带状分布,且作物生育期内沿深度方向0~40 cm土层土壤含水率均值无显著性差异,距滴灌带不同水平距离的土壤含水率随时间的变化趋势具有同步特点,无明显的滞后性。以集中80%总根量的土壤深度作为滴灌番茄水分渗漏下界面时,14~25 mm的灌水定额会导致深层渗漏,且深层渗漏量表现出一定的空间变异性。番茄生育期内深层渗漏量约占灌水量的13%。距滴灌带不同位置处的番茄耗水量除在番茄苗期和开花座果期有较大差异外,其余生育阶段的差异均在10%以内。对温室滴灌番茄来说,滴灌高频少量的灌溉特征有利于维持作物根系层适宜的土壤水分状态,监测1个含水率剖面即可满足估算作物耗水量的要求。     

秸秆覆盖条件下水分亏缺对春青稞水分利用和产量的影响

提高水分利用效率对发展西藏高海拔地区节水农业至关重要。该文通过小区试验,研究了秸秆覆盖条件下春青稞不同生育期对水分亏缺程度的响应。试验处理包括全生育期充分灌溉处理(对照)以及苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期水分亏缺处理。结果表明,水分亏缺处理显著降低了春青稞耗水量和耗水强度(P0.05),且其减小程度随着亏缺程度的增加而增大。灌浆期水分亏缺对全生育期作物耗水量的影响最大,其轻、重度水分亏缺处理分别减少全生育期耗水量19.6%和24.2%;在水分亏缺处理下春青稞产量差异不显著。在试验条件下,不同水分亏缺没有导致减产,而水分利用效率提高4.64%~21.85%,节水4.96%~24.24%。当土壤水分下限控制在55%田间持水率时,对春青稞产量及构成没有产生显著不良影响且获得了较高的节水率,表明在西藏高海拔半干旱寒区,可以通过秸秆覆盖农田管理措施,使春青稞获得更大的节水空间。     

北疆膜下滴灌棉花产量及水分生产率对灌水量响应的模拟

膜下滴灌技术是一种节水高产的灌溉技术,在新疆棉花种植中得到了广泛的应用。灌溉是影响新疆棉花产量的重要因素。为研究棉花产量和水分生产率对灌水量的响应,该文首先采用2010年和2011年新疆棉花膜下滴灌田间试验数据验证二维土壤水与作物生长耦合模型模拟棉花产量和耗水量可靠性。结果表明,二维土壤水与作物生长耦合模型能够可靠地模拟土壤含水率、叶面积指数、地上部分干物质量、籽棉产量和耗水量。土壤含水率模拟值与实测值的标准均方根误差(normalized root mean square error,n RMSE)为4.6%~23.4%,一致性指数为0.677~0.974;叶面积指数和地上部分干物质量n RMSE分别为6.3%~15.7%和7.2%~14.1%;籽棉产量和耗水量的模拟值与实测值之间相对误差分别仅为1.1%~6.7%和0.3%~9.2%。利用率定和验证后的模型参数进一步模拟10种灌水量情景下的棉花籽棉产量和水分生产率,结果表明籽棉产量随着灌水量的增加而增加,二者呈抛物线关系,而水分生产率则随着灌水量的增加而减小。综合考虑产量和水分生产率,北疆地区膜下滴灌棉花优化灌水量为280~307 mm。该研究可为北疆地区棉花灌水实践提供科学依据。     

覆土浅埋滴灌玉米田双作物系数模型参数全局敏感性分析

为深刻了解双作物系数模型参数对覆土浅埋滴灌玉米田蒸散发耗水结构及水分传输过程的影响,采用拓展傅里叶幅度敏感性检验法对模型参数进行全局敏感性分析,筛选出敏感参数,提高调参校准的效率和精准度。结果表明:参数±10%变化时,全生育期土壤蒸发量、作物蒸腾量、蒸散发耗水量最大值较最小值分别高18.72%、25.37%、19.9%。土壤蒸发是表土水分的消耗过程,总量在最大、最小值条件下1 m土层日贮水量动态接近,而作物蒸腾是消耗整个根系层内土壤水,总量变化对1 m土层水分消耗的影响较大。土壤蒸发总量的敏感参数为土壤表层可蒸发水量、生长中期基础作物系数,其全局敏感性指数为0.662、0.321,是不敏感参数均值的33.6~69.4倍。作物蒸腾总量的敏感参数为根系不受水分胁迫的临界土壤贮水量、生长中期基础作物系数、田间持水量,其敏感性指数为0.569、0.485、0.455,是不敏感参数均值的34.5~43倍。敏感参数与蒸发蒸腾的关系为:表土完全湿润后,其可蒸发水量决定干燥过程土壤蒸发量,二者正相关。中期基础作物系数影响蒸发系数,总蒸发量与其负相关。根系不受水分胁迫的临界土壤贮水量越高,玉米根区易利用的水量区间越窄,根系越早发生水分胁迫,作物蒸腾受限,总蒸腾量与其负相关。中期基础作物系数与总蒸腾量正相关,对其影响程度远高于初期、后期基础作物系数。田间持水量高的土壤能在灌溉、降雨量较大时存贮更多水分用于作物蒸腾,总蒸腾量与其正相关。     

不同降水年型水氮运筹对冬小麦耗水和产量的影响

灌水和施氮是影响农田生态系统粮食生产的2个主要因素,但其增产效应和资源利用效率会受降水年型的影响。该研究基于2011—2014在陕西关中平原进行的3 a冬小麦水氮耦合试验,分析了不同降水年型下水氮管理对土壤含水率、籽粒产量、耗水量(water consumption,ETa)及产量与耗水量关系的影响。结果表明:7—9月总降水量每增加1 mm,小麦播前0~180 cm土壤底墒增加0.47 mm。随着灌水量增加,产量和ETa均增加,但仅在降水较少的2012—2013年增产显著,对水分利用效率(water use efficiency,WUE)的影响不显著;随着施氮量增加,ETa变化不显著,但其增产效果显著,使WUE显著提高,表明施氮增加了作物蒸腾占农田耗水量的比例。根据3 a各处理冬小麦产量和ETa数据,进一步探讨了在一定水分消耗下能达到的最大(边界)产量和WUE,建立了关中平原冬小麦的产量-耗水量边界方程;当ETa超过388 mm时,产量稳定在8 184 kg/hm2,WUE的最大值为2.52 kg/m3。研究可为制订合理的冬小麦水肥管理措施提供科学依据。     

交替隔沟灌溉制度对制种玉米耗水规律和产量的影响

该文研究交替隔沟灌溉下不同灌溉制度对制种玉米耗水规律和产量的影响。以制种玉米"金西北22号"为供试材料,2014年在大田条件下采用垄植沟灌技术,设置7种灌溉制度:全生育期充分供水(CK)、仅苗期中度亏水(T1)、仅苗期重度亏水(T2)、仅穗期中度亏水(T3)、仅穗期重度亏水(T4)、仅花粒期中度亏水(T5)和仅花粒期重度亏水(T6),分析灌溉制度对玉米耗水强度、作物系数、籽粒产量和水分利用效率(wateruseefficiency,WUE)的影响。结果表明:CK下制种玉米生长期内的耗水量、平均作物系数和籽粒产量均最大,分别是494mm、0.86和6478kg/hm~2。与CK相比,任一亏水处理均降低制种玉米全生育期的平均耗水强度,且T6处理下全生育期的平均耗水强度较T5处理的相应值明显减少(P0.05);任一生育期亏水均降低该生育阶段的作物系数。T2、T3、T4、T5和T6处理的籽粒产量较CK明显降低,降幅分别是13.29%、15.48%、28.13%、14.06%和19.87%(P0.05);而T1处理的籽粒产量较CK差异不显著(P0.05),与此同时,T1处理下玉米的耗水量较CK下降20.44%,使其WUE最大(1.55 kg/m~3)、灌溉水WUE最大(2.54kg/m~3)。可见,交替隔沟灌溉下采用苗期中度亏水、其他生育期内充分供水的灌溉制度可明显提高制种玉米的水分利用效率,同时不显著降低产量。该研究结果对河西走廊地区制种玉米灌溉管理具有重要指导意义。     

新疆干旱区成龄核桃滴灌制度优化

科学合理的灌溉制度是提高灌水利用效率的主要因素。该研究采用HYDRUS-2D模型结合寻优模型相结合的方法,研究新疆核桃滴灌优化制度。利用2018年和2019年定点观测土壤水分数据进行模型率定与验证;利用模型设定128种情景进行模拟研究,分析南疆干旱区滴灌成龄核桃不同灌溉制度下的深层渗漏和水分胁迫。应用模型结合灌溉制度寻优函数探求滴灌条件下成龄核桃各灌溉制度土壤水分通量。结果表明:HYDRUS-2D模型模拟土壤含水率精度较高,R2为83.03%～83.73%,均方根误差在0.016～0.017cm~3/cm~3范围。根据模型模拟结果,推荐新疆干旱区核桃滴灌制度为灌水定额35 mm,灌溉11次,灌水周期9 d,灌溉定额385 mm或者灌水定额50 mm,灌溉7次,灌水周期14 d,灌溉定额350 mm,在以上滴灌制度下,可最大限度减少农田水分损失和提高灌水利用效率。该研究可为制定南疆滴灌条件下成龄核桃适宜灌溉制度提供参考。     

基于SIMDualKc模型估算非充分灌水条件下温室番茄蒸发蒸腾量

为了探讨SIMDual Kc模型在西北地区温室环境不同水分处理的适用性,以番茄为材料,于2013-2015年在陕西省杨凌区温室内进行亏水处理试验,设置全生育期充分灌水处理、仅发育期亏水50%处理、发育期中期连续亏水50%和全部亏水50%共4种水分处理,通过2013-2014年试验数据对SIMDual Kc模型进行率定,采用2014-2015年试验数据对模型进行验证,并通过模型将土壤蒸发量和番茄蒸腾量分开,利用模拟结果分析不同水分处理对土壤蒸发量和番茄蒸腾量的影响。结果表明:模型模拟不同水分处理蒸发蒸腾量与实测值有较好的一致性,其绝对误差为0.22~0.33 mm/d,均方根误差为0.26~0.48 mm/d、决定系数为0.51~0.81。该模型可以准确的将不同水分处理土壤蒸发量和作物蒸腾量分开,且土壤蒸发量模拟值与实测值有较好的一致性,其绝对误差为0.016~0.024 mm/d,均方根误差为0.013~0.034 mm/d和决定系数为0.63~0.84;通过模拟得到的番茄蒸腾量计算不同水分处理的水分亏缺系数,研究表明水分亏缺系数随亏水时间的增加而降低,复水后水分亏缺系数有不同程度的增加,且发育期、中期和后期连续亏水50%时,后期时水分亏缺系数降到最低,为0.63。因此该模型在西北地区温室环境下非充分灌溉条件下有一定的适用性。除此之外,研究通过模拟结果分析非充分灌水下番茄的响应及复水后的补偿机制,为非充分灌水条件下番茄栽培提供理论依据。