土壤水氮动态及作物生长耦合EPIC-Nitrogen2D模型

为计算农业区不同作物生长条件下土壤水氮迁移转化过程,该文基于Erosion/Productivity Impact Calculator(EPIC)作物模型建立了作物根系生长子模块,将其进行有限元数值离散,与土壤氮素迁移转化模型Nitrogen2D耦合,使模型能计算作物生长条件下土壤水氮迁移转化过程。该作物生长模块可计算多种胁迫下作物根系对土壤水分和氮素的动态吸收速率,及作物收获时的生物量和吸氮量。采用武汉大学灌溉排水试验场冬小麦生长条件下土壤水氮试验数据对模型进行了率定,并用于土壤水氮分布和作物生物量预测,土壤含水率、氮素的模拟值与实测值的一致性系数分别为0.86~0.97、0.52~0.98,Nash效率系数为0.59~0.90(含水率)、0.44~0.93(土壤氮素),说明模拟结果与实测值吻合度较高。同时,分别采用该文的作物生长模块和简单根系吸收模块计算根系吸氮过程,结果显示,简单根系吸收模型会显著高估作物吸氮量,而作物生长模型则由于考虑了根系生长和各环境因子的胁迫作用,计算结果更符合作物实际吸氮过程,计算的根系吸氮量相对均方根误差为3.4%~46%。     

改进WHCNS模型模拟耕作方式对作物生长和水分利用效率的影响

耕作改变了土壤物理特性,进而影响了作物生长和水分利用,定量研究不同耕作方式下的农田土壤水分动态与作物生长过程是制定合理耕作制度的基础。该研究在土壤水热碳氮模拟模型（Soil Water Heat Carbon Nitrogen Simulator,WHCNS）的基础上耦合了EPIC模型的土壤耕作模块,构建了适用于不同耕作方式的土壤水热碳氮过程模拟模型。利用华北平原南部河南商丘试验站2015-2017年实测的不同耕作方式下（深耕、免耕和轮耕）的土体储水量、叶面积指数、地上部干物质质量和产量数据对改进后的WHCNS模型进行了校验和模拟效果评价,并模拟分析了不同耕作方式对冬小麦和夏玉米农田蒸散量、作物产量和水分利用效率的影响。结果表明,所有处理的土体储水量、叶面积指数和地上部干物质质量模拟值与实测值的相对均方根误差均小于30%,一致性指数均大于等于0.90,纳什系数均大于等于0.58,决定系数均大于等于0.90,作物产量模拟值与实测值的决定系数达到0.99。两季冬小麦,与深耕和免耕相比,轮耕的蒸散量分别降低了8.8%～10.8%和13.8%～21.0%,水分利用效率分别提高了6.7%～9.4%和15.7%～24.9%。两季夏玉米,与深耕和轮耕相比,免耕的蒸散量分别降低了12.5%～12.9%和20.7%～22.2%,水分利用效率分别提高了13.4%～15.2%和29.1%～31.3%。耕作方式对产量的影响并不明显。总体而言,改进后的WHCNS模型可以较好地模拟华北平原不同耕作方式下土壤水分与作物生长的动态过程。     

土壤-作物-大气系统水热碳氮过程耦合模型构建

定量描述农田生态系统中土壤水分动态、碳氮循环过程和作物生长发育规律,对水氮资源高效利用、作物生产决策和环境保护具有十分重要的意义。该文在总结前人研究成果的基础上,引用了联合国粮食及农业组织的气象模块、荷兰的PS123作物模型和丹麦的Daisy模型的碳氮循环模块;借鉴了RZWQM和Hydrus-1D的水分溶质运移模块的相关理论,并在其基础上进行了修改与完善,构建了土壤-作物-大气系统水热碳氮耦合模拟模型WHCNS(soil water heat carbon and nitrogen simulation)。该模型以天为步长,考虑了气象条件、作物生物学特性和田间管理驱动。土壤水分入渗和再分布过程分别采用Green-Ampt模型和Richards方程来描述。土壤氮素运移使用对流-弥散方程来描述,源汇项中考虑碳氮循环的各个过程(有机质矿化、生物固持、尿素水解、氨挥发、硝化、反硝化和作物吸收等),在根系吸水吸氮源汇项中引入了补偿性吸收机制。有机质模块完全来自Daisy模型,将有机质库划分为3个快库和3个慢库。利用改进的荷兰PS123模型实现了作物生长发育进程、干物质生产、干物质分配及作物产量的模拟,通过水氮胁迫校准因子来实现水氮限制下作物产量的模拟。最后应用华北地区(山东泰安)冬小麦-夏玉米轮作体系2 a的田间观测数据对该模型进行了校验。结果表明,剖面土壤水分和硝态氮浓度、叶面积指数、作物产量与实测值均吻合良好,模拟误差均在合理范围之内,特别是对产量的模拟较好,均方根误差为206~319 kg/hm2,相关系数为0.90,模型效率值均大于0.75,一致性指数值均大于0.9。WHCNS模型能够较好地模拟土壤水分动态、氮素运移及去向、作物生长发育等过程,表明该模型适用于中国华北地区高度集约化的农田生产系统。     

农田水盐运移与作物生长模型耦合及验证

合理定量描述土壤水盐动态及作物生长过程对于干旱灌区制定适宜的农业用水措施具有重要意义。该文以SWAP(soil water atmosphere plant)模型为基础,采用变活动节点法实现了对土壤融化期的水盐运移模拟,并在根系吸水计算中引入了基于S形函数的水盐胁迫计算方法,以修正原SWAP模型对根系吸水的模拟。进一步嵌入了参数与输入数据较少且可以模拟作物生长过程及实际产量的EPIC(environmental policy integrated calculator)作物生长模型,构建了改进的农田尺度土壤水盐动态与作物生长耦合模拟模型-SWAP-EPIC。分别采用宁夏惠农灌区春小麦和春玉米田间试验数据,对SWAP-EPIC模型田间适用性进行了检验。对比分析各层土壤水分与盐分浓度、作物生长指标(叶面积指数、地上部生物量)的模拟值与实测值,结果表明:春小麦和春玉米试验中土壤水分的平均相对误差MRE和均方根误差RMSE均接近于0且模型Nash效率系数NSE值趋近于1,水分模块模拟精度较高,盐分浓度模拟存在略微差异但总体上一致性较好,并且作物生长指标匹配良好;同时,模拟的产量和蒸散发均较为接近实际值,春小麦和春玉米产量模拟相对误差分别为4.9%和3.3%。综上,该文改进的SWAP-EPIC模型可良好地应用于寒旱区农田尺度土壤水盐运移与作物生长耦合模拟。     

根区水质模型在黄土高原旱区冬小麦氮肥管理中的适用性分析

为利用作物模型模拟寻找田间尺度上合理的氮肥管理措施,该研究利用黄土高原旱区多年冬小麦-春玉米轮作试验(2004-2011)和两年冬小麦施肥试验(2010-2012)对根区水质模型(root zone water quality model-version 2,RZWQM2)进行率定和验证,验证该模型在当地的适用性;并结合当地56 a历史气象数据,利用模型模拟研究旱区冬小麦在不同降水年型下最佳氮肥管理模式。结果表明RZWQM2在不同降水年型下均可以较好地模拟黄土高原旱区作物生长发育、产量指标和土壤水分的动态变化,并且能够较好地模拟不同施肥方式下冬小麦的产量和氮素指标;黄土高原旱区120~150 kg/hm~2(以N计)的底肥基本可以满足不同降雨年型下冬小麦稳产高产的需要;冬小麦单次追肥的最佳追肥时期为返青期至拔节期;在90 kg/hm~2底施氮肥的基础上,丰水年54~72 kg/hm~2的追氮量,平水年36~54 kg/hm~2的追氮量,干旱年18~36 kg/hm~2的追氮量,不但可以满足冬小麦高产的要求,并且维持氮素收获指数在较高水平。     

非充分灌溉条件下农田水分转化SWAP模拟

非充分灌溉改变了农田水分转化过程,以往的研究较少讨论作物根系层以下的土壤水分转化动态及其对作物耗水的影响。该文在北京市典型农田开展了冬小麦-夏玉米非充分灌溉试验,在对SWAP模型率定与验证基础上,模拟分析了非充分灌溉农田耗水规律与水分转化过程,并应用模型得到了研究区不同降水年型的最优非充分灌溉模式。结果表明:非充分灌溉的实施促使作物消耗大量土壤贮水,当降雨或灌溉量较小时,土壤水可占作物耗水量的46.1%;根区和储水区之间土壤水分交换明显,转化通量变化范围为-2.67～0.45mm/d,而储水区底部水分通量较小且无明显变化,根区土壤水分渗漏出现在灌溉或较大的降雨之后,储水区水分向上补给主要发生在作物需水关键期;与常规灌溉相比,最优非充分灌溉模式在丰水年、平水年和枯水年分别节水375、225和225mm,储水区底部深层水分渗漏量分别减少了89%、17%和2%。     

土壤水氮资源的利用与管理 Ⅱ-土壤水氮资源的利用、损失和周年利用效率模拟

本文以北京地区冬小麦夏玉米种植制度为背景,应用作物土壤联合模型,模拟了不同水氮管理措施和降雨年型下的周年相对产量、土壤水氮资源利用、损失和周年利用效率,分析了水氮管理措施对它们的影响,以期为合理进行水氮管理,提高周年的产量和土壤水氮资源利用效率服务。     

分布式水文模型在陕西省冬小麦产量模拟中的应用

利用分布式水文模型和作物模型模拟了不同深度的土壤含水量,以及在连接分布式水文模型和不连接分布式水文模型两种方式下,利用作物模型分别对冬小麦叶面积指数、干物重增量和产量进行了模拟,最后采用连接分布式水文模型的作物模型模拟了全流域内冬小麦产量的空间分布。模拟结果经对比检验表明,分布式水文模型在土壤水分模拟方面准确性高于作物模型;连接分布式水文模型的作物模型对冬小麦生长过程和产量的模拟结果准确性均高于作物模型独立模拟的结果;连接分布式水文模型的作物模型在流域内对冬小麦产量的空间分布模拟结果也与农业试验站观测产量和社会统计产量基本一致,高产区、低产区分布与实际基本相吻合。这为分布式水文模型和作物模型耦合应用,以及通过引进分布式水文模型来推动作物模型和产量预报研究进一步发展提供了基本的试验支持。     

土壤水氮资源的利用与管理 Ⅱ-土壤水氮资源的利用、损失和周年利用效率模拟

本文以北京地区冬小麦夏玉米种植制度为背景,应用作物土壤联合模型,模拟了不同水氮管理措施和降雨年型下的周年相对产量、土壤水氮资源利用、损失和周年利用效率,分析了水氮管理措施对它们的影响,以期为合理进行水氮管理,提高周年的产量和土壤水氮资源利用效率服务。     

基于土壤-作物系统模拟模型的冬小麦田间水氮优化管理

将作物生长模型与土壤水氮管理过程模块相结合，构建了土壤-作物系统水分养分模拟模型。以灌水、施氮总量为决策变量，冬小麦生物量、水分和氮肥利用效率为优化目标，将冬小麦按生长发育时期分为6个阶段，建立了多目标的动态规划模型。在土壤-作物系统过程模型的基础上，用动态规划的方法对田间水、氮资源管理措施进行优化。通过对作物水分胁迫系数和氮肥胁迫系数的模拟计算，可获得最佳的灌水、施肥时间及用量。算例结果表明：在养分供应充足仅水分胁迫的条件下，优化方案的灌水量较对照处理平均节约了25%，水分利用效率比对照处理平均高出约1     

水库消落带碳氮输移转化研究进展

水库消落带处于水域生态系统与陆地生态系统的交错区域。受水库水位周期性涨落影响，消落带土壤、植物与水库水体间频繁发生碳氮物质交换转化。河流-水库碳埋藏及其温室气体排放是当前全球碳循环研究的热点问题，而当前消落区相关研究仅对植物、土壤或水体等单个对象开展碳氮输移循环研究，而并未将水库消落带作为整体考虑其对河流-水库碳氮输移转化的贡献。本文综合消落带土壤淹水后碳氮含量变化、植被碳氮输入、土壤侵蚀研究，阐明消落带营养物质向筑坝河流的输入作用；并进一步分析与此相关的消落带碳氮循环及温室气体排放研究，明确消落带对筑坝河流碳氮元素转化的作用。提出当前亟待开展消落带碳氮输入源追溯、土壤侵蚀和温室气体通量长期监测，并基于同位素等技术手段明确消落带在水库碳氮输移转化中的贡献等若干问题，旨在系统明确碳氮元素在消落带和水体间的输移、水土界面的多途径生物地球化学循环转化过程，评估水库消落带在河流上、下游及河口碳氮输送转化中的作用。     

蓄水坑灌单坑土壤氮素迁移转化的数值模拟

为了提高蓄水坑灌条件下土壤氮素的利用率,建立了蓄水单坑土壤氮素迁移转化的数学模型,利用有限体积法进行了求解,并利用室内蓄水单坑灌施尿素条件下土壤水分和氮素运移转化实测数据进行了验证。结果表明,蓄水单坑灌施尿素1 700 mg/L条件下,土壤铵态氮主要分布在20～70 cm深度范围内,1～3 d内土壤铵态氮含量明显增大,7 d后开始减小;土壤硝态氮主要分布在湿润锋附近,1～7 d内硝化作用逐渐增强,20～70 cm范围内硝态氮浓度不断增大。土壤含水率、湿润锋、铵态氮、硝态氮含量计算值与实测值吻合较好,说明所建立的蓄水单坑土壤氮素迁移转化的数学模型是正确的,采用有限体积法求解是可行的。该模型可较好地模拟蓄水坑灌单坑土壤氮素迁移转化的动态变化。     

坡地磷素迁移研究进展

坡地磷素迁移是导致土壤质量退化、肥料利用率降低以及水体富营养化的重要原因,是非点源污染的重要形式.通过对土壤中磷素的形态转化、降雨特征、土壤理化性状与地形条件以及土地利用方式等四个主要方面阐述了坡地磷素迁移的国内外研究进展,提出当前坡地磷素迁移研究的三个主要方向:(1)遴选适当的磷素形态指标,使之能同时较敏感地反映坡地磷素流失对水环境和土壤质量的影响;(2)磷素在土壤中的形态转化与坡地磷素迁移的相互关系;(3)坡地磷素迁移的动态过程与空间变异.通过这三方面的工作将会有力促进磷素迁移及其环境影响研究的规范化,促进土壤科学与环境科学的相互借鉴与融合,也将为农田养分的科学管理、土壤退化的控制与修复奠定理论基础.     

碳含量对再生水灌溉土壤氮素迁移转化规律的影响

为深入了解碳含量对再生水灌溉系统中氮素迁移转化的影响,该研究进行了碳含量影响下的再生水灌溉系统氮素迁移转化规律试验。利用不同碳含量的再生水灌溉种植在土柱中的黑麦草,测定各试验周期内灌溉水、土壤溶液和排水中不同形态氮的含量,分析不同生育期作物干物质产量和氮含量。结果表明,随灌溉水进入系统的氮素约有34%可被作物吸收利用,62%可通过反硝化作用去除或调节土壤氮库中的氮量,随水分下渗到根系层以下并随排水排出系统的氮量仅占灌溉水中氮量的3%～4%。从作物长势、干物质量和氮的利用量看,高碳处理优于低碳处理。试验条件下,再生水中碳含量较高时有利于氮素的转化、作物吸收利用以及氮的反硝化作用。研究结果对于以灌溉利用为目的的污水处理,具有一定的指导意义。     

入渗与蒸发条件下土壤水盐运移的研究

土壤水盐运移规律的研究是目前土壤物理学、农田 灌溉学研究的一个重要方面,也是防治盐碱化、改良盐渍土的核心问题。为此,根据各国学者对土壤溶质、水盐运移的研究成果,评述了土壤水盐运移基本理论和入渗、蒸发条件下的土壤水盐动态规律,为进一步的研究提供指导。     

Arsenic transport and transformation associated with MSMA application on a golf course green

The impact of extensively used arsenic-containing herbicides on groundwater beneath golf courses has become a topic of interest. Although currently used organoarsenicals are less toxic, their application into the environment may produce the more toxic inorganic arsenicals. The objective of this work was to understand the behavior of arsenic species in percolate water from monosodium methanearsonate (MSMA) applied golf course greens, as well as to determine the influences of root-zone media for United State Golf Association (USGA) putting green construction on arsenic retention and species conversion. The field test was established at the Fort Lauderdale Research and Education Center (FLREC), University of Florida. Percolate water was collected after MSMA application for speciation and total arsenic analyses. The results showed that the substrate composition significantly influenced arsenic mobility and arsenic species transformation in the percolate water. In comparison to uncoated sands (S) and uncoated sands and peat (S + P), naturally coated sands and peat (NS + P) showed a higher capacity of preventing arsenic from leaching into percolate water, implying that the coatings of sands with clay reduce arsenic leaching. Arsenic species transformation occurred in soil, resulting in co-occurrence of four arsenic species, arsenite (As(III)), arsenate (As(V)), monomethylarsonic acid (MMA), and dimethylarsinic acid (DMA) in percolate water. The results indicated that substrate composition can significantly affect both arsenic retention in soil and arsenic speciation in percolate water. The clay coatings on the soil particles and the addition of peat in the soil changed the arsenic bioavailability, which in turn controlled the microorganism-mediated arsenic transformation. To better explain and understand arsenic transformation and transport after applying MSMA in golf green, a conceptual model was proposed.     

地下水浅埋条件下包气带水和溶质运移数值模拟研究述评

地下水浅埋条件下包气带水和溶质运移规律是解决土壤盐渍化、地下水污染等环境与生态问题的基本理论基础，基于多孔介质水和溶质运移基本方程的数值模型是研究包气带物质运移的重要手段。通过深入分析土壤水和地下水之间的相互关系，强调在地下水埋深小于其极限埋深的情况下应把地下水作用耦合到包气带水和溶质运移模型中。该文概括总结了现有研究把地下水作用与土壤水模型相耦合的方法，并分析了各种方法的优缺点。在回顾现有土壤水分运动参数和溶质运移参数确定方法的基础上，归纳了包气带水和溶质运移模型从“点”尺度向“田块”尺度扩展的途径，随机方法仍将是今后的研究热点，并有望应用于实践。     

阿特拉津在土壤, 矿物质及堆肥中的吸附, 运输和转化

Atrazine is a widely used herbicide for controlling weeds on both agricultural and nonagricultural land,which is equally detected in water supplies beyond safe concentrations.Although the presence of atrazine metabolites is an indication of herbicide degradation,some of them still exhibit toxicity,greater water solubility and weaker interaction with soil components than atrazine.Hence,studies with atrazine in the environment are of interest because of its potential to contaminate drinking water sources.Data on atrazine availability for transport,plant uptake,and microbial degradation and mineralization are therefore required to perform more comprehensive and realistic environmental risk assessments of its environmental fate.This review presents an account of the sorption-desorption phenomenon of atrazine on soil and other sorbents by revisiting the several mechanisms of atrazine-sorbent binding reported in the literature.The retention and transport of atrazine in soils;the influence of organic matter on atrazine sorption;the interactions of atrazine with humic substances,atrazine uptake by plants,atrazine bioccumulation and microbial degradation;atrazine transformation in composting environments;and finally atrazine removal by biosorption are discussed.     

石砾参数对土壤水流和溶质运移影响研究进展

土壤水流和溶质运移一直是土壤学研究的热点,溶质运移理论主要应用于地下水污染、污染物运移、土壤重金属污染研究等方面。溶质主要通过优先流和基质流进行运移,影响溶质运移因素很多,主要包括土壤结构、质地、水力传导率、体积质量、初始含水量、根系、石砾等。石砾作为土壤质地中的一个分级单位,与溶质运移关系较为复杂。本文综合介绍了石砾基本内涵以及石砾对土壤水流和溶质运移影响研究进展;系统阐述了石砾内部参数(石砾覆盖度、含量、粒径、空间异质性等)和外部参数(根石结构、干湿冻融、耕作等),指出目前研究主要量化土壤表面及土壤表层石砾参数对水文效应、土壤侵蚀、入渗以及径流的影响,然而石砾参数对溶质运移影响研究不够系统,石砾参数与溶质运移关系研究尚处于初步阶段,对土壤深层石砾研究缺乏;归纳了石砾参数研究技术手段及模型;探讨了目前石砾参数对土壤水流和溶质运移影响研究存在的问题以及今后研究趋势。