内蒙古河套灌区荒地水盐运移规律模拟

该文以内蒙古河套灌区为背景展开荒地水盐运移规律研究。在田间试验基础上,分析荒地土壤水盐的运移机理,利用HYDRUS-1D模型对荒地土壤水盐的迁移规律进行了模拟。荒地做为灌区盐分的贮存地,成为灌区水盐平衡的重要调节因素,荒地水盐动态研究对于干旱灌区具有重要意义。结果表明,强蒸发是荒地水盐运移的原动力,5 cm土层EC值上升了66.10%,20 cm土层EC值上升了63.89%。荒地在作物生育期是积盐的过程,在秋浇期是流失盐分的过程。经检验,HYDRUS－1D模型对盐渍化地区荒地水盐在垂直方向运移的模拟具有较高的精度,为区域水盐管理和灌区的可持续发展提供科学依据。     

蒸散发条件下农田土壤水盐动态简化模型

利用需水系数、蒸腾系数和潜水蒸发经验公式,引入水分迁移系数和盐分迁移系数,建立了蒸散发条件下农田土壤水盐动态简化模型。提出作物根系吸水比例系数,用以区分计算土层下边界的根系吸水项和土壤毛管水上升项。引入盐分影响下的作物蒸散发修正系数,并与水盐生产函数相反馈进行土壤水盐动态的修正。该模型简单适用,可用于蒸散发期间田间水盐状况的调控管理。     

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。     

作物种植条件下的土壤水盐动态变化研究

通过在大型模拟试验土柱上进行连茬作物的种植试验,运用一系列的监测仪器进行了土壤水分盐分及其它相关要素的数据获取,阐明了作物种植条件下土壤的水盐动态变化特征;并且侧重就植被与气候因素对土壤水盐动态的影响进行了相关分析和纵向研究,得出了水盐的动态变化规律,为土壤水盐运移模型的建立和土壤的盐渍化预测预报研究奠定了基础。     

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。     

基于HYDRUS模型的华北平原小麦种植区水盐运移模拟

土壤中水分和盐分是影响作物生长的两个关键因素,揭示水盐运移机制对阐明作物利用土壤水过程具有重要意义。本研究以华北平原典型农田——中国科学院禹城综合试验站为试验地,基于试验站内冬小麦种植地的长期土壤水分观测数据及室内土柱试验,应用HYDRUS-1D模型分别阐明土壤水分及盐分变化规律及分布特征,探究影响水盐运移的驱动因素,并评价HYDRUS-1D模型对研究区水盐运移模拟的适用性。水分运移模拟结果表明:浅层土壤水分运移模拟因受外界因素的剧烈影响而较深层土壤产生更大的误差,10cm、20 cm、30 cm、40 cm和60 cm处水分运移模拟结果的均方根误差分别为0.0348 cm~3·cm~(-3)、0.0179 cm~3·cm~(-3)、0.0179cm~3·cm~(-3)、0.0122cm~3·cm~(-3)和0.0053cm~3·cm~(-3);水分运移模拟的纳什效率系数平均值为0.826,变异系数为0.0560,表明模拟结果与实测土壤水分变化过程一致性较好。土柱试验结果显示:灌水8 L,入渗12 h、24 h、40 h、45 h和48 h后,各时刻土壤盐分含量在垂向上整体呈现先增大后减少的分布规律,均方根误差分别为0.181 g·kg~(-1)、0.131 g·kg~(-1)、0.120 g·kg~(-1)、0.034 g·kg~(-1)和0.027 g·kg~(-1),平均误差的平均值为0.174 g·kg~(-1)。受蒸发、耕作、根系等影响,理化性质变异性较大导致浅层土壤盐分运移模拟值与实测值偏差增大,纳什效率系数的变异系数达9.71。灌水8 L、16 L、24 L,入渗48 h后分别在土壤23 cm、26 cm、29 cm处出现盐分含量峰值,表明增加灌水量可加强盐分淋洗效果。此研究可为深入探究华北平原冬小麦土壤水盐运移规律、优化农田水资源管理、提高水资源利用效率提供一定理论基础。     

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。     

土壤水氮迁移转化与作物生长耦合模拟

定量描述农田土壤-作物系统中水氮迁移转化规律,对水氮资源高效利用和水土环境保护具有重要的意义。以土壤水、热和溶质迁移转化动力过程为基础,综合考虑气象因素变化和土壤水氮动态变化及其对作物生长的影响,构建了土壤水、热、氮迁移转化与作物生长耦合模拟模型。并应用该模型对2007－2008年冬小麦生育期内的土壤水分、氮素转化运移以及冬小麦产量、生物量、腾发量（ET）进行模拟,模拟结果与实测数据均吻合良好。可应用该模型模拟不同作物种类、不同灌水施肥条件下土壤水分与氮素动态变化过程和作物生长状况,进而获得农田水肥优化管理模式。     

基于土壤水盐阈值的河套灌区玉米灌水制度

在引黄水量大幅减少且大范围实施节水工程的条件下,为使农田水土环境仍能保持良性健康发展,该文以内蒙古河套灌区隆胜试验区为研究对象,开展引黄灌区玉米生育期适宜灌水决策模拟研究。在田间试验的基础上,对土壤含水率和土壤含盐量的观测数据进行了统计分析,土壤含水率与含盐量观测值均呈中度变异性。利用克里格插值方法按土壤表层盐分空间变异将研究区分为南北2个区,分别在2个区域内建立了土壤水盐数值模型SWAP,分别对2个区域的土壤水盐模型进行了率定与检验。根据相关研究结果和研究区多年实测值综合得到不同生育期的农田生态安全阈值,即土壤含水率的适宜值与作物耐盐阈值(以土壤含盐量阈值表示)。以土壤含水率与土壤含盐量阈值为限制因子,以节水控盐为目的,利用率定与检验后的SWAP模型模拟了不同灌水量条件下玉米不同生育阶段的土壤含水率、含盐量变化,预测了不同水文年满足玉米生长的土壤水盐安全阈值的用水方案,从精细微观的角度提出相应水文年农田水土环境安全用水范围值。基于SWAP模型的决策结果:枯水年(降雨量90 mm)安全用水量为263~311 mm;平水年(降雨量140 mm)198~227 mm;丰水年(降雨量200 mm)106~138 mm;各水文年的用水量较基准年(枯水年)的节水指数分别为:0.01~0.17、0.04~0.16和0.06~0.27。成果可为当地及相近地区农田水土环境可持续发展提供科学依据,对于河套灌区农业生产和水资源的开发利用具有重要的意义。     

土壤水盐与玉米产量对地下水埋深及灌溉响应模拟

引黄水量的削减将进一步加剧宁夏银北灌区农业用水短缺问题,合理应用地下水进行灌溉对保障作物产量具有重要意义。为探究地下水灌溉条件下土壤水盐与作物生长的互馈机制,该研究修正了HYDRUS-1D的土壤蒸发模块,并嵌入可模拟作物生长与产量的EPIC模块,以此提高该模型在农田水文过程模拟中的适用性。采用2008年银北灌区不同水质灌水处理的玉米田间试验数据对模型进行了率定与验证。进一步应用该模型探寻地下水灌溉条件下,土壤水盐动态及玉米产量对地下水埋深变动及灌溉的响应规律。结果表明,玉米产量随地下水埋深增大呈现先增后减趋势,为保障玉米产量应将地下水适宜埋深控制在140~155 cm,且灌水量不宜低于现状灌水量,即玉米生育期内灌3水,每次900 m3/hm2。该研究对干旱银北灌区农业生产具有重要意义。     

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。     

宁夏引黄灌区春小麦微咸水灌溉管理的模拟

为探讨宁夏引黄灌区春小麦适宜的微咸水灌溉管理模式,该文根据2007年田间试验的实测资料,应用SWAP模型在田间尺度上对微咸水灌溉条件下春小麦田间土壤水盐运移规律和灌溉制度进行模拟,对拟定的各种灌溉方案进行评价分析。结果表明,率定与验证的SWAP模型可用于当地微咸水灌溉管理,在当地微咸水与引黄水为1︰1的混灌条件下,试验年份春小麦优化灌溉方案为全生育期灌4水（分蘖水、拔节水、抽穗水和灌浆水）,灌溉定额为2 400 m3/hm2;在75%和50%降雨年型下,春小麦优化灌溉方案为全生育期灌4水（分蘖水、拔节水、抽穗水和灌浆水）,灌溉定额分别为3 000 m3/hm2和2 300 m3/hm2;在25%降雨年型下,春小麦优化灌溉方案为全生育期灌2水（拔节水和抽穗水）,灌溉定额为2 000 m3/hm2。该研究所提出的优化灌溉模式对于引黄灌区微咸水高效灌溉利用具有一定的指导意义。     

土壤水分平衡与作物生长模拟模型的开发与验证

基于模块化和面向对象化程序设计思想，根据土壤水分平衡过程和作物生长发育的特点，采用VisualBasic程序设计语言，实现了界面友好的土壤水分平衡与作物生长模拟模型。在土壤、作物和气象参数数据文件的支持下，对红壤性水稻土上的作物生长过程进行了模拟和验证，田间验证结果表明，冬小麦田间0～5，5～15，30～35cm三个土壤深度土壤含水量模拟值与实测值相对误差分别为7．0％、8．1％、4．5％。小麦、早稻、晚稻、玉米产量模拟值与实测值之间的相对误差分别为6．7％、2．4％、5．3％、1．9％。     

黄土高原旱塬区高产玉米田土壤干燥化与产量波动趋势模拟研究

为研究黄土高原旱作高产玉米田土壤干燥化与产量波动趋势,利用EPIC模型对黄土高原南部旱塬区玉米水分生产潜力和土壤水分动态进行中期(12a)和长期(30a)定量模拟研究。结果表明,在12a实时气象条件下的模拟时段内,旱塬地玉米水分生产潜力随降水量变化呈现波动性降低趋势,3m土层土壤有效含水量也表现为剧烈波动性和逐渐下降趋势,土壤干燥化趋势明显;在30a模拟气象条件下的模拟时段内,旱塬地玉米水分生产潜力呈现明显波动性轻微降低趋势,3m土层土壤有效含水量季节性和年际间波动性剧烈,从长时段看土壤有效含水量呈现略微上升趋势;在降水量减少幅度不显著的情况下,旱塬玉米地土壤干燥化现象只是一种短期过程,通常不会导致长期性土壤强烈干燥化现象发生,但玉米产量随降水量变化的波动性不可避免。     

春小麦与玉米、向日葵间作套种对土壤水分的影响

在河套灌区以春小麦、玉米、向日葵单作为对照,测定并分析了春小麦/玉米、春小麦/向日葵间作套种作物生长季0—120cm土层土壤水分及作物产量。结果表明,春小麦/玉米、春小麦/向日葵间作套种生长季的土壤水分蒸散强度为双峰曲线,春小麦、玉米、向日葵单作为单峰曲线。春小麦/玉米、春小麦/向日葵间作套种的土壤水分蒸散量高于春小麦、玉米、向日葵单作。春小麦/玉米、春小麦/向日葵间作套种提高了作物产量,提高了土地当量比,但降低了作物生长期、作物生长季及灌溉水的水分利用效率和水分当量比。建议河套灌区减少间作套种面积,或间作套种时在不同作物之间修建土埂隔挡,根据不同作物对水分的需求分别灌溉。     

长武旱塬草粮轮作田土壤水分可持续利用模式模拟

采用实地观测和计算机模拟相结合的方法,以长期定位试验数据为基础,通过对不同草粮轮作模式的模拟研究,分析了长武旱塬草粮轮作田的土壤水分恢复效应,以期探索出适合该地区的土壤水分可持续利用的草粮轮作模式。验证结果表明：草粮轮作田0～2 m土层土壤贮水量模拟值和观测值间的相关系数为0.97;0～5 m土层土壤湿度的模拟值和观测值间相关系数在苜蓿草地、冬小麦田和马铃薯田分别为0.94、0.93和0.87,均达到了极显著水平。模拟结果表明：苜蓿翻耕后,种植马铃薯和糜子均有利于土壤水分的恢复。在土壤干燥化程度较严重时,种植冬小麦或者春玉米能够在一定程度上缓解土壤干燥化;在无干燥化或者干燥化程度较轻时,种植冬小麦和春玉米会导致土壤含水率的下降。在长武旱塬,“马铃薯-糜子-春玉米-马铃薯-糜子-冬小麦”的粮食轮作模式有利于苜蓿地土壤水分恢复,持续种植9～12 a后可以再次种植苜蓿。     

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%。     

黄淮海北片模拟增加和降低温度对麦田地温、水分变化和水分利用效率的影响

采用模拟增降温法研究了温度变化对麦田地温、土壤水分变化和水分利用效率的影响。结果表明:模拟增温麦田、降温麦田在全生育期5 cm平均地温分别较常规麦田平均升高0.85℃和降低2.57℃,其中模拟增温麦田的增温效应以冬季>秋季>春季,模拟降温麦田的降温效应以春季>秋季>冬季;模拟增温麦田、降温麦田在全生育期5 cm土层的平均容积含水率分别较常规麦田降低3.76%、提高4.84%。对模拟增温麦田、降温麦田和常规麦田0-200 cm土层水分变化研究表明,模拟增温麦田和常规麦田(除成熟期外)各生育期的贮水量均低于模拟降温麦田;全生育期0-200 cm土层土壤耗水量模拟增温麦田大于模拟降温麦田和常规麦田,其中0-100 cm土层耗水量占0-200 cm土层耗水量的比例模拟增温麦田(55.72%)和常规麦田(55.14%)均低于模拟降温麦田(63.45%),而100-200 cm土层耗水量占0-200 cm土层耗水量的比例模拟增温麦田(44.28%)和常规麦田(44.86%)麦田均高于模拟降温麦田(36.55%);水分利用效率模拟增温麦田低于常规麦田和模拟降温麦田。研究结果可为气候变暖对小麦生产系统的影响提供理论依据和技术支撑。