区域农田土壤质地剖面的随机模拟模型

冲积土壤剖面的质地层次分层是该类土壤的重要特性,对农田水分转化和溶质运移具有重要影响。本文论据已取得的研究结果,采用Ｍａｒｋｏｖ链理论提出了区域冲积土壤质地层次的随机模拟模型－ＭＣ模型和ＭＣ－ＬＮ模型,采用蒙特卡罗方法模拟了研究区的土壤质地剖面,并与实测结果进行了对比。     

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。     

区域土壤侵蚀模型参数选择

分布式水文模型相对与集总式水文模型，以其具有明确物理意义的参数结构和对空间分异性的全面反映，能更好地模拟真实的降水径流形成等水文过程。将区域尺度上的土壤水力侵蚀过程视为水文循环的一部分，基于对水土流失过程分析，考虑尺度问题的影响，对其中部分环节进行概化，借鉴前人对区域土壤侵蚀问题因子研究的成果，分析总结了建立基于GIS的区域尺度上分布式水蚀过程模型需要的参数，并讨论了参数的入选原则及其在模型中的应用方式。     

用GIS和作物模型对作物生产进行区域模拟方法

简要地介绍了区域模拟及对模拟结果进行检验的方法。基于空间地理信息的模拟既能反映大范围地区内气候、土壤等地理信息的空间变量对作物产量的影响 ,也能反映不同地区社会经济情况、农业耕作方式等对作物生产的影响。在GIS技术支持下 ,对基于站点的作物生长模拟模型进行改造 ,从而对大区域范围进行以特点网格 (如 5 0km× 5 0km)为单元的模拟     

区域尺度下黄土高原土壤全钾含量的空间模拟

为了揭示高原区域地区尺度上土壤全钾的空间异质性及其影响因素,该文采用状态空间方程和传统线性回归模型对该区土壤全钾含量的空间分布进行了模拟,并分析了其与土壤体积质量、黏粒含量、粉粒含量、土壤酸度、降水、气温和海拔高度等因素之间的关系。结果表明,以上变量在30～50km的采样间距下均表现出较好的空间自相关性,其中土壤体积质量、黏粒含量、粉粒含量、降水和气温与土壤全钾之间存在显著的交互相关关系,可用于土壤全钾的状态空间模拟。不同因素组合下的状态空间方程均比使用相同变量的线性回归方程能更好的模拟土壤全钾含量的空间分布。使用土壤体积质量和黏粒含量的双因素状态空间方程模拟效果最好,决定系数R2为0.978,均方根误差(RMSE)为0.049。状态空间模拟在大尺度区域的应用表现出较好的效果,为研究该区其他土壤属性的空间异质性提供了参考。     

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。     

GIS支持下的变量施肥尺度效应模拟研究

以玉米N肥变量施肥为例,采用GIS技术对不同土壤肥力水平下的变量施肥尺度对施肥量、产量和肥料增产效率的影响进行模拟计算和可视化表达。首先用揟urning Band Method敺椒ㄋ婊煞现付ň怠⒎讲詈涂占浞植?半方差模型)的一组表示最小施肥单元的土壤养分数据,每组104个数据,对每组数据进行了100个等级尺度单元的相关效应计算和分析。模拟结果表明:(1)随着变量施肥单元面积减小,平均单位面积的施肥量增加或保持不变,产量一般增加,总的肥料增产效率也提高;(2)施肥临界养分过渡带的变量施肥合理性和产量受尺度影响较大,土壤肥力较高时,空间变异小,变量施肥尺度效应不明显。     

国外作物生长模型区域应用中升尺度问题的研究

系统研究总结了小区或田间尺度上开发的作物生长动力模拟模型应用于更大区域尺度和更高级系统水平时 ,易发生环境变量的时空变异、响应变量的空间归并以及由于空间平均、时间变异和现有模型未考虑的新特性及其新过程时所产生的偏差等升尺度问题 ,归纳并提出有效控制和减小误差的方法     

大区域尺度下地理系统的空间直观模拟与景观演变

元胞自动机（CA）支持下的地理系统空间直观模拟（SEM）,能够以空间可视化方式显示模拟结果,不仅能够弥补缺失的资料,更能够推演土地利用的未来趋势和可能情景,从而揭示土地利用的时空过程与变化规律。基于Logistic回归的CA模型,模拟了大区域尺度下的上海市陆域土地利用变化,并利用景观指标对结果进行刻画和分析。研究表明:上海市城市建设用地面积持续增加,植被面积不断减少,而水域面积保持稳定;此外,景观指标揭示的土地利用空间形态变化过程及趋势,与所采用的元胞尺度有较大关系,即空间直观模拟结果与景观指标具有显著的尺度敏感性。     

农田气象条件下阿特拉津在土壤中淋溶动态的数值模拟

阿特拉津(Atrazine)是我国华北地区夏玉米田常用的除草剂,而夏玉米生育期又是该地区的主要降雨时段,对这一时段Atrazine在田间尺度的淋溶风险进行评价,对保护浅层地下水环境具有重要意义。以北京市通州区永乐店试验站一块27 m×27 m的农田为背景,通过田间采样、测试分析土壤样品并收集2001年的气象数据,基于简化土壤水三维流场的柱模型假设,在同时考虑土壤水力学参数、Atrazine运移和吸附参数空间变异性的情况下,对该农药在农田尺度下淋溶动态的空间分布进行了数值模拟。在此基础上,对夏玉米不同生育期耕层20 cm深度处的土壤水负压、水流通量和Atrazine浓度的空间变异结构进行了地质统计学分析。结果表明,在整个夏玉米生育期内这三个参量的半方差模型基本上为球状模型,它们的变程多在8~10 m。本研究案例对布设农田尺度土壤水分和Atrazine动态监控网具有一定的参考意义。     

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。     

冬小麦生长条件下改进遗传算法在根系水盐运移模型中的应用研究

应用改进遗传算法,优化人工神经网络模型的权值,对盐分存在下的冬小麦根系分布进行定量预报,将获得的根系分布参数与根系吸水模型以及水盐运移模型相结合,进行了水分、盐分分布的数值模拟。结果表明,应用改进遗传算法可以为根系吸水模型提供所需的根系参数,并且可以较好地对土壤中水分、盐分的运移分布情况进行模拟;该方法建模简单、实用,模型对于土壤次生盐渍化的防治与微咸水的灌溉利用等具有参考价值。     

基于Bayes判别分析模型的水土保持区划

为了更加合理地对甘肃、宁夏、青海3省份的黄土丘陵沟壑区进行水土保持区划,基于Bayes判别分析理论建立水土保持区划的数学模型.结合甘肃、宁夏、青海3省份的自然条件,社会经济情况和水土资源流失特点,以垦殖率、林草覆盖率、人口密度、单位面积粮食产量、降雨量和蒸发量等6个指标作为区划判别因子.计算分析表明,该模型与按土壤侵蚀类型进行区划的效果一致,与甘肃、宁夏、青海地区实际区划情况吻合,准确率为100％,可在其他水土保持区划中进行推广.     

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。     

Effects of compaction on soil hydraulic properties,penetration resistance and water flow patterns at the soil profile scale

The aim of this study was to quantify the effects of compaction on water flow patterns at the soil profile scale. Control and trafficked plots were established in field trials at two sites. The trafficked treatment was created by four passes track‐by‐track with a three‐axle dumper with a maximum wheel load of 5.8 Mg. One year later, dye‐tracing experiments were performed and several soil mechanical, physical and hydraulic properties were measured to help explain the dye patterns. Penetration resistance was measured to 50 cm depth, with saturated hydraulic conductivity (K_s), bulk density, and macroporosity and mesoporosity being measured on undisturbed soil cores sampled from three depths (10, 30 and 50 cm). Significant effects of the traffic treatment on the structural pore space were found at 30 cm depth for large mesopores (0.3–0.06 mm diameter), but not small mesopores (0.06–0.03 mm) or macroporosity (pores > 0.3 mm). At one of the sites, ponding was observed during the dye‐tracing experiments, especially in the trafficked plots, because of the presence of a compacted layer at plough depth characterized by a larger bulk density and smaller structural porosity and K_s values. Ponding did not induce any preferential transport of the dye solution into the subsoil at this site. In contrast, despite the presence of a compacted layer at 25–30 cm depth, a better developed structural porosity in the subsoil was noted at the other site which allowed preferential flow to reach to at least 1 m depth in both treatments.     

沟灌地表水流与溶质动力学耦合模拟及验证

沟灌地表水流与溶质动力学耦合模型可为沟灌施肥系统的优化设计与管理提供有力工具,然而已有相关模型无法考虑沟底相对高程随机分布,且存在溶质对流和弥散过程的分裂误差以及由此带来的不稳定性等缺陷。为此,该文采用守恒型全水动力学方程和对流-弥散方程描述沟灌地表水流与溶质运动过程,借助双时间步法和有限体积法,并在地表水位相对高程梯度向量离散式中引入额外项,以精确模拟考虑沟底相对高程随机分布下地表水流推进与消退过程,实现了无条件稳定性下对沟灌地表水流与溶质运动所有物理过程的动力学耦合模拟。借助全程、前半程和后半程施肥时机下9个典型沟灌施肥试验实测数据,验证了模型的模拟效果。结果表明,模型能以优良的拟合度模拟出考虑地表相对高程随机分布下沟灌地表水流推进与消退过程,以及地表溶质浓度演变过程,且水量与溶质量的质量守恒误差小于0.1%,有效克服了已有模型的缺陷,为沟灌施肥系统的优化设计与管理提供了优良的数值分析工具。     

土壤非均匀水流运动和溶质迁移显色示踪方法研究

根据碘-淀粉显色原理示踪土壤非均匀流动,探讨非均匀水流运动和溶质迁移描述方法。在1.0m×1.0m尺度上开展试验,60mm碘离子溶液入渗后,在70cm深度内逐层开挖剖面,剖面中水流经过的区域喷洒淀粉溶液后显色,采用图像分析和率定的方法建立了土壤显色和碘离子浓度之间的关系。采用环状直方图,从浓度空间分布和信息量两个方面对流动非均匀性进行了描述。碘-淀粉显色示踪方法较好地显现了非均匀流动模式,环状直方图分析表明,浓度分布的离散程度随浓度值的减小而增加,描述流动的非均匀性需要考虑水平和垂直方向上流动非均匀特征,非均匀流动的相似性随着距离的增加而明显下降。     

区域尺度侵蚀产沙估算方法研究

 区域土壤侵蚀模型是大区域土壤侵蚀普查和水土保持宏观决策的支持工具,土壤侵蚀模型的研发是土壤侵蚀学科的前沿领域。基于DEM将区域划分为规则网格,设计产流、产沙过程的单元模型,包括植被截留、入渗、填洼、流速、携沙能力、径流剥蚀量、泥沙沉积等算法。将月降水当作1次降雨事件,并划分若干时段进行迭代计算,利用GIS空间分析功能完成水沙汇集运算,并在ArcGIS支持下进行计算机程序设计,有效地完成了区域侵蚀产沙量的计算。将模型应用于延河流域得到:1995年7月份平均径流深为35.6mm,径流系数为0.237,流域出口径流量为2.72亿m3,流域出口输沙量为0.38亿t,流域平均侵蚀模数为4575t/(km2.月);输出图形空间格局和结构符合实际情况,初步模拟结果令人较满意。