水分亏缺程度对变量灌溉水分传感器埋设位置预判的影响

基于土壤黏粒含量遴选可代表平均土壤含水率的点位,是确定变量灌溉系统土壤水分传感器网络埋设位置的重要方法。为了评估水分亏缺程度对传感器埋设位置的影响,该研究通过在不同土壤可利用水量管理区内设置不同的水分亏缺灌溉处理,基于土壤含水率时间稳定性原理,分析了水分亏缺程度和土壤性质对冬小麦主要根系层内土壤含水率空间分布结构相似性和直接代表平均土壤含水率点位的影响。结果表明,受土壤性质和水分亏缺程度的影响,在土壤砂粒含量随土层深度增加而增大的1区,土壤含水率空间分布结构相似性仅在2016年的雨养处理达到了显著水平(P0.05),而在土壤剖面质地均匀的2区,2016年的雨养和高、中、低水分亏缺处理和2017年的中、低水分亏缺处理均达到了显著水平(P0.05)。在冬小麦主要根系层内,不同土壤性质管理区直接代表平均土壤含水率点位占总测点数的比例基本相等。受水分亏缺程度的影响,1区直接代表平均土壤含水率的测点比例随水分亏缺程度减小而增加,2区则呈先减小后略有增加趋势。除2016年高水分亏缺处理外,0~0.2、0.2~0.4、0.4~0.6 m土层代表平均土壤含水率点位的黏粒含量与该土层平均黏粒含量之间均存在显著的线性关系(P0.05),2 a拟合系数变化范围为0.66~1.03,且2017年拟合系数随土壤水分亏缺程度增加呈增大趋势。因此,在砂壤土地块变量灌溉管理区内,基于管理区平均土壤黏粒含量进行土壤水分传感器埋设位置遴选时,需根据拟采用的水分亏缺管理模式对拟合系数进行修正。     

大田地下滴灌土壤水分分布均匀度评价方法

灌水均匀度是评价灌水质量的重要指标,灌水后的土壤水分分布均匀度是灌水均匀与否的最终体现。选择最佳的土壤水分取样点数是进行经济、准确评价灌水后土壤水分分布均匀度的基础。在新疆地下滴灌棉田中,灌水后2 d（土壤水分相对稳定）进行取样,实测田间土壤水分分布,抽样分析了样本数与土壤水分分布特征及均匀度之间的关系。结果表明,随样本数的增加,对应的土壤水分布均匀系数（克里斯琴森均匀系数Cu）的变幅缩小,并向其均值集中。从样本数量上分析,样本数在15到60之间,其Cu的均值变化并不明显;在试验条件下,进行大田土壤水分监测评价时,均匀分布的取样点个数应不少于24个。Cu和配水均匀度（Du）之间存在较好的相关性,但用实测结果得出的系数与相关手册的推荐值之间存在一定的偏差,互算时需加以考虑。采用均匀25点取样,对大田棉花地下滴灌的土壤水分分布状况进行了评价。结果表明,地下滴灌条件下,毛管附近的土层土壤含水率变幅最大;与上、下土层相比,灌水前毛管附近（20～40 cm）处的土壤水分均匀度较低,灌水后其均匀度大幅提高。     

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。     

滴灌灌水均匀系数与灌水量对土壤水分分布及温室番茄产量的影响

为探索灌水均匀系数与灌水量对温室番茄产量和土壤水分变化的影响,确定合理的滴灌灌水均匀系数,本研究设置65%、75%和85%3个灌水均匀度水平, 190 mm、220 mm和250 mm 3个灌水量水平,测量番茄生育期内土壤含水率及番茄产量,计算土壤含水率均匀系数和番茄灌溉水利用效率。结果表明,当灌水均匀系数为65%～85%时,土壤水分均匀系数均值(82.57%～93.76%)接近或高于设置的滴灌灌水均匀系数的最大值(85%)。滴灌灌水均匀系数对土壤含水率均匀系数影响权重最大,灌水量、灌水均匀系数、土壤初始含水率均值3个影响因素与土壤含水率均匀系数均值之间呈线性关系(P0.05),决定系数为0.918。当土壤初始含水率占田间持水量比重60%,灌水量低于15mm时,灌水均匀系数与灌水量二者的交互作用与土壤含水率均匀系数为显著线性关系(P0.05),其他情况下均无显著性关系。灌水量对产量为显著影响(P0.05),灌水均匀系数及二者的交互作用对番茄产量无显著影响,考虑产量及灌溉水分利用效率,灌水量220 mm、灌水均匀系数75%组合为最优组合。因此在西北地区,综合考虑经济性和系统的可靠性,建议下调现行滴灌灌水均匀系数标准。     

温室土壤含水率与导热率空间分布及相关性

为探究土壤含水率与导热率的空间分布特征和相关性,选取温室中8 m×8 m供试地块,以1 m×1 m网格间距布设采样点,测定0～40 cm土壤含水率,并同步获取0～20 cm土层的导热率。基于经典统计学、地统计学、回归分析和谱分析等理论,对土壤含水率与导热率的空间分布特征和相关性进行研究。结果表明,土壤含水率在0～40 cm土层呈现先升高后降低的趋势,且在20～30 cm土层均值最大。10～20 cm土层土壤导热率比0～10 cm土层高15.60%。各深度土层中土壤含水率及导热率存在着较强的空间相关性（块金系数<0.192）,而试验中随机因素引起的空间变异程度较低（块金值<0.540）,最小变程大于采样间距,说明网格布设满足空间分析要求。在供水均匀条件下,不同深度土层的蒸发强度与邻域地块的土壤水分含量亦会影响含水率空间分布。在含水率范围为17%～28%时,0～20 cm土层土壤含水率与导热率呈线性正相关（R2=0.837）,谱分析结果显示导热率在含水率序列上呈现长程负相关。     

间歇和连续喷灌下土壤水分运动特征COMSOL数值模拟与验证

为探明间歇喷灌和连续喷灌条件下的土壤水分运动规律,建立喷灌随时间变化的非均匀灌水边界下的土壤水分二维运动模型,借助COMSOL数值模拟软件,实现模型的求解,并通过土箱试验对模型进行验证,分析不同喷灌模式下土壤水分运动特征,评估喷灌均匀性和喷灌模式对土壤含水率均匀性的影响。结果表明,土壤含水率和土壤湿润峰模拟值与实测值之间的一致性较好。喷灌模式对土壤水分运动过程和含水率均匀度影响不大。随着间歇次数和间歇时长的增加,喷灌结束时表层土壤含水率减小、水分入渗深度增加。喷灌条件下,土壤含水率均匀度高于地表测得的喷灌均匀度。当喷灌均匀度为39.77%～80.15%时,土壤含水率均匀度为88.57%～94.47%。当喷灌均匀度较低、点喷灌强度较高、总灌水量较大时,采用间歇喷灌、增加间隙次数和总间歇时长,可以一定程度降低地表径流和深层渗漏风险、改善土壤含水率均匀性。研究可为喷灌系统设计均匀度合理取值和高效运行提供理论基础。     

干旱区滴灌均匀系数和灌水量对土壤水氮分布的影响

研究新疆干旱区滴灌均匀系数和灌水量对土壤水氮分布的影响,为滴灌均匀系数设计与评价标准的修订和完善提供依据。供试作物为棉花,试验中滴灌均匀系数(Cu)设置0.65(C1)、0.78(C2)和0.94(C3)3个水平,灌水量设置充分灌水量的50%、75%和100%3个水平。结果表明,棉花生育期内根系层0～60cm土层含水率均匀系数保持在较高水平(0.80～0.97),滴灌均匀系数和灌水量及其交互作用的影响均未达到显著水平。土壤NO3--N含量均匀系数随时间和空间表现出较强的变化特征,在生育期内的变化范围为-0.27～0.92,且低于土壤含水率均匀系数;滴灌均匀系数和灌水量及其交互作用对NO3--N含量均匀系数的影响不显著。干旱区作物生育期降水量难以弥补灌水不均匀对水分分布造成的负面影响,滴灌均匀系数对棉花生育期内根系层土壤含水率均匀系数的影响强于初始含水率均匀性和灌水量。上述结果可供制定干旱区滴灌均匀系数标准时参考。     

黄土丘陵区不同树龄旱作枣园土壤水分动态

采用Trime-IPH管式TDR系统,对黄土丘陵区2龄、6龄、10龄、15龄旱作红枣林(Ziziphus jujube cv.Junzao)生育期内土壤剖面含水率进行连续监测,以探讨旱作枣林土壤含水率随树龄的变化特征。结果表明:2014年0.4 m以下土层、2015年0.6 m以下土层土壤含水率随红枣林树龄增加,呈减少趋势。2014年常态年红枣林土壤水分随生育期变化整体呈上升趋势;2015年干旱年红枣林土壤水分随生育期变化整体呈下降趋势。各树龄红枣林0~0.6 m土层土壤水分波动较大;0.6~1.8 m土层干旱年时形成季节性低湿层;1.8~3.0 m土层土壤水分呈常年低湿状态。持续干旱条件下,2龄、6龄红枣林雨后7 d土壤水分损失率分别为20%和19%,显著高于10龄、15龄红枣林土壤水分损失率(13%和18%),而雨后18 d,2龄、6龄红枣林土壤水分损失率增速缓和,10龄、15龄红枣林土壤水分损失率呈显著上升趋势。干旱年时红枣林在开花坐果期和果实膨大期需增加水分管理措施以有效降低枣树自身奢侈性耗水和非生产性耗水,实现红枣林可持续发展。     

冬小麦节水高产的土壤水分阈值及其动态

明确影响作物产量的土壤水分阈值,对作物水分亏缺诊断及非充分灌溉实施具有重要意义。本文通过设置不同灌水次数形成土壤供水差异,在河北省衡水试验站开展2011/2012年度冬小麦田间试验,探讨冬小麦产量与7个生育期不同深度土层的土壤水分之间的关系,分析影响冬小麦产量的土壤水分阈值及其动态。结果表明,6个亏水处理与充分供水对照在土壤浅层的水分差异最大,且差异随着土层深度的增加而减小,在0.4、0.8、1.2m土层深度的差异分别为19.7%~36.5%、9.3%~21.7%和2.9%~9.7%。6个亏水处理与对照之间不同土层土壤水分的变异程度随着土层深度增加而减小。不同生育期、不同深度土壤水分含量与小麦籽粒产量之间为二项式函数关系,且呈开口向下的抛物线形式,其显著程度随生育期推进及土层深度而变化。其中0.4m土层深度水分含量与产量关系最密切。影响小麦产量的土壤水分阈值随着生育期推进总体呈下降趋势。自拔节孕穗期至乳熟期,0.4、0.6、0.8、1.0、1.2以及1.6m土层深度的水分阈值由田持的83.1%~95%降至72.3%~90.0%。依据对照与亏水处理之间的土壤水分动态差异、全生育期平均土壤水分差异、不同土层土壤水分变异程度、土壤水分与小麦产量动态关系显著性程度4个方面的分析,提出0.4m为适宜的水分亏缺诊断深度,相应地拔节孕穗、抽穗、开花、灌浆初期、灌浆中期、灌浆后期、乳熟期的土壤水分阈值分别为95.0%、98.4%、79.9%、73.7%、88.6%、79.6%和75.7%。     

西北旱区压砂地土壤水分的时空分布特征

以西北旱区有着300多年历史的压砂地为研究对象,利用平均相对偏差、统计回归等方法研究土壤水分的时空稳定性特征。结果表明,表层土壤水分变异性最强,随着土层深度的增大,变异性减弱。0～10 cm土壤水分高低值区差异较明显,图形破碎化程度较大,随着土层深度的增大,土壤水分等值线由密变疏,逐渐趋于平滑,图形的破碎化程度相对减弱,斑块的空间连续性增强。土壤水分在干旱条件下斑块的空间破碎化程度高于湿润条件下,时间稳定性随土层厚度的增加而增强,平均相对偏差及标准差变化范围较小,可以选择代表性测点代表0～10、＞10～20、＞20～30、＞30～50 cm土壤水分平均值的估计值。利用2013年数据建立的统计回归模型对2014年不同土层代表性测点土壤水分进行预测,预测精度较高（相对误差最大为15.42%）,表明代表性测点可表征整个研究区土壤水分的均值。以期为该区域合理布设土壤水分监测点和墒情的准确预测提供理论依据。     

考虑滴头堵塞位置的灌水均匀系数模型优化

为准确评价堵塞对滴灌工程灌水均匀性的影响,从确定采样点布置方式入手,利用HYDRUS-2D模拟不同堵塞情况下的土壤水分状况,首先分析灌水均匀性与土壤水分分布均匀性之间的关系,然后以土壤水分分布均匀系数为依据,在考虑滴头堵塞位置的基础上对灌水均匀系数模型进行优化,最后通过温室灌溉试验进行验证。结果表明,取样点布置方式对土壤水分分布均匀系数影响显著,适宜的取样间距和深度分别为60 cm及地表下20 cm。土壤水分分布均匀系数与不同灌水均匀系数之间存在良好的线性关系,且随着堵塞滴头数量的增加,堵塞滴头位置分布情况对土壤水分分布均匀性的影响增大。小区灌溉试验结果表明,当堵塞滴头数量较多时,土壤水分分布均匀系数与考虑滴头堵塞位置的优化灌水均匀系数具有较高的相关性,优于原指标,可较好反映由堵塞滴头位置改变引起的土壤水分分布均匀性变化,故在评价滴灌系统灌水均匀性时宜使用优化均匀系数。     

华北地区滴灌灌水频率对春玉米生长和农田土壤水热分布的影响

针对华北地区春玉米田间灌溉和降雨相结合的灌溉模式,以北京为典型试验区,在保证作物最优土壤水分下限和灌溉定额相同的基础上,研究了滴灌灌水频率对土壤水、热分布及春玉米根系分布和产量的影响.试验结果表明:在春玉米抽雄期以前阶段实施的滴灌各处理中,高频滴灌下土壤平均含水率和不同深度处的土壤基质势波动幅度较小,高频滴灌下土壤水分能保持在一个比较稳定的范围;土壤温度受灌水过程、土壤含水率及作物生育阶段的影响较明显,滴灌能显著延迟气温对土壤温度的影响:灌水频率对春玉米根系分布存在一定影响,高频灌溉能显著促进春玉米根系在上层土壤(0～40 cm)中的分布;此外,在这种典型的灌溉和降雨相结合灌溉模式下,不同灌水频率下玉米产量差异不显著.因此,建议华北地区春玉米滴灌模式采用低频滴灌.     

地下滴灌毛管水头偏差率特性及与土壤水分均匀度的关系

毛管水头偏差率是确定毛管长度的主要技术指标。以正在运行的新疆棉田地下滴灌系统为试验对象,选取代表性毛管,实测正常灌溉过程中毛管首尾压力、流量和沿程土壤水分,研究地下滴灌毛管水头偏差率特性及其与土壤水分均匀度的关系。结果表明:在毛管设计工作水头为10 m条件下,测试毛管水头偏差率在0.58%~12.80%之间。同一管网中,不同毛管的水头偏差率各不相同且具有波动性,但同一支管位置处树状毛管与环状毛管之间的相对趋势稳定;在毛管设计工作水头为10 m条件下,支管入口压力对毛管水头偏差率的影响不显著(P0.05);毛管水头偏差率和毛管埋深层土壤水分均匀系数之间有强的负相关关系(P0.001),建立了水头偏差率和土壤水分均匀度之间的数学模型,经验证,85%毛管的绝对误差小于5%。研究可以为地下滴灌毛管长度设计与毛管工作状况评价提供参考。     

多路数据采集与处理模型的设计及水分传感器埋设位置优化

为优化土壤水分传感器的埋设位置,该文针对宁夏日光温室滴灌黄瓜田间的土壤水分传感器埋设位置进行优化试验,确定出最佳埋设深度和宽度。利用最小二乘法对澳大利亚生产的MP406土壤水分传感器进行标定,得到水分利用效率的拟合值与实测值的相关性系数为0.9906。设计了多路数据自动采集监测与灌溉系统,可同时获取不同处理的18个水分传感器数据,通过远程客户端实时下载和监控水分数据并实现自动灌溉,通过远程手机短信监控功能,进行手机短信命令控制一个或多个处理的实时灌溉,系统可同时测量不同处理的灌水量。计算水分利用效率和产量,分析传感器水分数据的差异和相关系数,确定出土壤水分传感器在宁夏日光温室滴灌黄瓜田间的最佳埋设深度和宽度位置,该研究方法为确定土壤水分传感器的埋设深度及宽度提供可行的参考方案。     

滴灌均匀系数对土壤水分和氮素分布的影响

为了确定滴灌均匀系数的设计与评价标准,在日光温室内研究了滴灌施肥灌溉均匀性和施氮量对土壤水氮分布特性的影响。试验中滴灌均匀系数（Cu）设置0.62、0.80和0.96 3个水平,施氮量设置150和300 kg/hm2 2个水平。土壤含水率和电导率采用沿毛管均匀布置的TDR探头（Hydra Probe）连续监测,并定期取土样测试土壤硝态氮和铵态氮含量。结果表明,在作物生育期内3种滴灌均匀系数处理的土壤含水率一直保持很高的均匀系数,滴灌均匀系数和施氮量对土壤含水率均值及其均匀系数的影响均不显著（α=0.05）。土壤电导率及硝态氮含量的均匀性在很大程度上取决于土壤初始氮素含量的均匀性,其均匀系数低于土壤含水率的均匀系数,滴灌均匀系数的影响也不显著。从获得均匀的土壤水氮分布的角度出发,现行滴灌均匀系数标准尚有降低的空间。     

自适应滴灌灌水器的水力性能试验

为检验自适应滴灌灌水器的流量自动调节效果,根据自适应滴灌灌水器的工作原理,利用负压吸气泵模拟土壤负压,进行了AD-1型自适应滴灌灌水器在流量补偿、流量自适应2种工作模式的流量均匀性、供水压力-流量关系、模拟土壤负压-流量关系等水力性能试验与研究,并分析了其适宜的工作压力。结果表明:AD-1型自适应滴灌灌水器增添的滴水状态控制结构,不仅保留了常规滴灌灌水器的流量补偿特点,还增添了感知土壤水分含量、智能化控制灌溉和流量自动调节的多重使用功效。在流量补偿模式下,灌水器在额定供水压力100kPa时的平均流量为14.71L/h,且流量均匀度高,流量偏差系数为9.79%;在流量自适应模式下,灌水器的流量均匀度基本不变,在供水压力30kPa和土壤负压最小值20kPa的共同作用时即可开始正常工作,并确定出最小、最大的适宜供水压力分别为30、50kPa。在适宜供水压力30～50kPa范围内,灌水器能根据土壤实际水分状况在0～11.22L/h之间实时、自动调节滴水流量,改变了常规灌水器被动出水的工作方式,真正实现作物、土壤的按需主动连续取水,明显地提高了节水灌溉设备的精准灌溉水平,既保证了作物正常生长的适宜土壤水分,又促进了灌溉系统应用模式向智能化、自动化方向的进一步发展。