桃园喷灌土壤水量平衡和模型

为了测定水分应力对果园的水分吸收模型和作物实际蒸腾蒸发量(AET)的影响,本项研究对五年树龄的桃树进行两种喷灌处理(分别为按计算的最大腾发量(MET)的50％和100％进行灌溉)。AET的估算是采用一种根据排出的水量和土壤剖面平均含水量之间关系而产生的简化水量平衡法。测量仪器选用中子仪。灌水充足时,桃树吸收的绝大部分水量来自于地表0～60cm厚的土层。如果土壤含水量减少,则吸收的水分趋向来自于深层土壤,这是因为深层土壤水分上升到表层,或是由于增加了深层根系吸水量。两种处理比较,其中50％MET处理的AET值从7月到9月是减小的,这在某种程度上是因为气孔关闭的缘故。50％MET处理从6月到9月不见出现排水,而100％MET处理大约有1mm/天的排水,并延续到8月底,直到9月份土壤干旱时才停止。     

河套灌区种植结构变化对农田系统水量平衡的影响

种植结构调整是灌区农业节水的重要措施。1990年以来,河套灌区种植结构发生了剧烈变化,小麦等粮食作物种植面积大幅减小,葵花等经济作物种植面积大幅增加,对灌区水循环系统带来显著影响。针对这一问题,系统解析了灌区种植结构变化对农田系统的影响机制,采用阿维里扬诺夫经验公式、修正的Penman公式(1948)、Penman-Monteith公式(1973)等分别计算了河套灌区1990—2013年潜水蒸发量、蒸散耗水量等各水量平衡要素的变化情况,并从多个时间尺度分析了种植结构的变化对灌区农田系统水量平衡要素的影响。结果表明,1种植结构变化对垂向水量平衡要素蒸发耗水量和潜水蒸发量影响最为显著,其通量值明显减小;其次是对灌溉水量和田间入渗量的影响;对水平向水量平衡要素地表排水量影响最小。2潜水蒸发量、蒸发耗水量、灌溉用水量和田间入渗量在丰、平、枯3种典型年均呈不同程度的减小趋势,而地表排水量在不同水平年变化差异较大。3月尺度上,5月灌溉水量和6月潜水蒸发量与经济作物种植比例增加显著相关。4农田系统总输入水量与总输出水量总体呈下降趋势,水循环通量减小,水循环强度减弱。1990—2005年水分蓄变量整体呈现负平衡的状态,2006—2013年土壤层水分蓄变量为正,但由于实际土壤层增厚、土壤含水率仍然呈下降趋势。     

基于概念模型的棉田土壤水分变化模拟研究

农田土壤水分模拟是农业用水管理的重要依据。以根系层土体水量平衡方程为依据,考虑根系层下界面水分通量,构建了农田土壤水分变化模拟模型,该模型由作物蒸发蒸腾量模型、根区下界面水分通量模型以及水量平衡方程等组成。依据山西水利职业技术学院试验基地2006-2008年3年棉花试验资料,确定了模型参数。结果表明,土壤储水量模拟计算值与实测值有较好的一致性,其相关系数达到0.928 7,F检验结果(F=96.44F0.001=3.27)达到高度显著水平,所建立的土壤水分变化模拟模型可用于棉花田间土壤水分的模拟计算,计算精度平均达到5.3%~15.8%;模型较好地反映了农田土壤水分转化过程以及降水、蒸发和深层土壤水分对作物蒸发蒸腾及产量的影响。     

回归水模拟的系统动力学模型

以水量平衡原理为基础,运用系统动力学方法,并以Vensim软件包为工具,建立了稻田田间尺度水平衡转化过程的模拟模型,同时将此模型应用于稻田回归水量的模拟分析。通过对漳河灌区稻田田间尺度水量平衡转化过程的检验表明,模拟的地表出流过程与实测值吻合;模拟的田面水位的涨落趋势也与实测过程一致,田间水位动态模拟峰值最大误差为10%;模型能反映稻田水量平衡转化过程。对田间尺度回归水量的动态模拟表明:地表回归水与来水量的变化趋势一致,地下回归水变化比较平稳,逐日回归水量动态变化随着来水量的增加表现出增加的趋势,同样累积回归水量随累积来水量的增加而增加。     

反演分析土壤-秸秆水分运动参数

通过潜水均衡试验站土壤测渗仪资料,以新疆具有一定代表性的轻粘土为例,利用无秸秆覆盖和地表以下35 cm秸秆覆盖的实测资料,研究作物生长条件下土壤水分和盐分运移模型参数,通过HYDRUS模型反演确定了土壤水分运动参数和秸秆水分参数。并与测筒实测数据进行了比较。通过计算,无论是模拟计算的土壤水分运动参数还是秸秆水分参数都与相应的测筒观测值具有良好的一致性,模拟值与实测值吻合较好,这表明了轻粘土土壤水分运动参数和秸秆水分运动参数的确定是合理的。这些参数的确定将为更好地模拟秸秆覆盖条件下土壤水盐运移规律,研究秸秆覆盖层阻止土壤潜水蒸发抵制土壤盐分向上运动提供科学数据。     

地表覆砂对季节性冻融土壤蒸发影响的试验研究

地表土壤的无效蒸发加剧了干旱半干旱地区农业用水短缺,为了揭示季节性冻融期地表覆砂对土壤蒸发的影响,进行了地表无覆盖(LD)、覆盖厚度均为1 cm覆砂粒径为0.5～1.5 mm(XS)和1.5～2 mm(CS) 3种地表处理条件下的大田土壤蒸发量、土壤温度和土壤含水率跟踪监测试验。结果表明:冻融期地表土壤覆砂可有效改变土壤蒸发的日变化幅度,不稳定冻结阶段覆砂处理抑制蒸发效果不明显,稳定冻结阶段地表覆砂可有效抑制土壤蒸发,消融解冻阶段地表覆砂加剧了表层土壤水分蒸发;冻融期LD、XS和CS累积土壤蒸发量分别为29.87、34.32和33.43mm,土壤累积蒸发量随时间较好地符合幂函数关系。研究成果可为冻融期制定科学合理的保墒措施和有效抑制土壤蒸发提供依据。     

"土壤水库"储水量的研究

土壤水资源是土壤层内经常参与陆地水分交换的水量,特别是根系带中能被植物利用并可恢复的水量。它表现为土壤水分不断补给与消耗的动态水量。土壤水的存储、补给、更新和平衡,对农林牧业、生态环境及水资源平衡都有极其重要的意义。因此,根据土壤水量平衡原理,提出了土壤水储量的计算方法,并以华北平原沧州地区土壤水的季节变化为例,对土层储水能力进行了计算分析,以达到有效利用土壤水分之目的。     

西北枣林土壤水分自然修复及其模拟

以节水型修剪下矮化密植枣树为研究对象,设置4种不同初始土壤含水率,在雨养条件下连续2 a观测土壤水分、生物量,结合HYDRUS 1D模型分析评价了林地水分修复。结果表明,自然降雨条件下,4个小区土壤水分趋向一个稳定值,该值大小取决于当年降雨量。基于HYDRUS 1D模拟的枣园土壤水分相对误差为1.52%,均方根误差未超过0.5,决定系数平均达94%,说明该模型在该地区具有较好的适用性。HYDRUS 1D模拟节水型修剪下的枣林土壤水分显示在今后60 a可以保持多数年土壤水分处于良好水平。     

基于HYDRUS模型筛选滴灌模式下适宜灌水上下限的研究

通过开展不同土壤初始含水率和不同滴头流量的沙壤土室内滴灌试验,率定了土壤水动力学参数,验证了HYDRUS模型的适用性;利用HYDRUS模型模拟不同灌水上下限点源滴灌土壤水分运移过程,分析了不同灌水上下限对实际湿润体与计划湿润体间差异的影响规律。结果表明,以田间持水量为灌水上限时,实际土壤湿润体体积均大于计划湿润体体积,较小的灌水下限有利于将灌溉水控制在计划湿润体内;以50%θFC、60%θFC及70%θFC为灌水下限时控制实际湿润体体积对应的灌水上限分别为81%θFC、85%θFC及86.5%θFC。经模拟验证,适宜灌水上下限滴灌结束时,没有灌溉水分运移到计划湿润体外。     

喷灌条件下土壤水分入渗的数学模拟

采用摇臂式喷头喷灌时,地表处于蒸发和入渗的交替变化过程。在室内模拟了单喷头喷洒时土壤水分的运移过程。试验结果显示,当上边界条件同时考虑蒸发和喷灌时,模拟的土壤水分分布与用平均喷灌强度模拟的结果相比更接近于实测的土壤水分,但是2种情况模拟的土壤水分分布区域一致。水量平衡计算显示,随着喷灌时间的增加,2种方法模拟的土壤含水量相差较小,逐渐接近实测值。     

基于DRAINMOD模型的不同灌排模式稻田水氮运移模拟

【目的】研究不同灌排模式稻田水氮动态变化,为南方稻作区节水减排提供科学依据。【方法】基于实测的田间灌排水量及氮素变化数据,采用Morris方法检测DRAINMOD模型水氮运移相关参数的灵敏度,并利用DRAINMOD模型对传统灌排模式和控制灌排模式下稻田水氮动态进行模拟。【结果】20~40 cm土层侧向饱和导水率对稻田水分运移模拟结果影响最大,弥散系数、反硝化参数、硝化反应参数、有机质适宜分解温度对稻田氮素运移模拟结果影响较大;DRAINMOD模型能够较好地模拟不同灌排模式稻田水氮动态变化、灌排水量、氮素径流总负荷模拟值与实际值差别小于11%;与传统灌排模式相比,控制灌排模式排水量减少33.0%~72.6%,灌水量减少9.7%~37.1%,铵态氮径流负荷减少43.6%~45.0%,硝态氮径流负荷分别减少29.8%~53.1%。【结论】控制灌排模式稻田节水减排效果较好,利用DRAINMOD模型进行不同灌排模式稻田水氮动态模拟可行有效。     

井灌区控制灌溉模式水稻灌水规律研究

在考虑降水蒸发蒸腾等影响一致的情况下,研究了常规灌溉、控制灌溉Ⅰ、控制灌溉Ⅱ、控制灌溉Ⅲ4种不同灌溉模式下水稻各生育期灌水量、产量性状,通过方差分析研究了不同灌溉模式对水稻产量的影响、灌溉水利用率并拟合得到灌水量与产量的回归方程。试验结果表明:各灌溉模式灌溉水利用率为控制灌溉Ⅰ控制灌溉Ⅲ控制灌溉Ⅱ常规灌溉,图表中看出返青到分蘖末为需水非敏感期、拔节孕穗期和抽穗开花期为需水敏感期,不同灌溉模式对产量影响显著。控Ⅰ灌溉水利用率最高,能够达到节水增产的目的,合理利用水资源。     

农田水管理下的稻田甲烷排放研究进展

从土壤水分状况与稻田甲烷排放的关系出发,对不同水管理措施,例如排水、烤田等对稻田甲烷排放的影响,以及不同水稻灌溉模式引起的甲烷排放变化等做一简要评述,特别指出节水灌溉模式下稻田甲烷排放的相关研究还很不足,提出今后应加强各种水稻节水灌溉模式对稻田CH4排放的调节效应、有针对性地开展关键水管理措施对稻田CH4排放的联合影响及机理、不同灌溉模式下稻田温室气体综合排放等方面的研究。     

水稻节水高产灌溉模式及土壤水分能量调控标准研究

198 9～ 1998年在沈阳农业大学灌溉试验场通过盆载、蒸渗仪、小区及大田进行试验研究 ,分析了水稻的需水规律及稻田土壤水分能量的变化特点 ,论述了土壤水分状况与水稻腾发强度之间的关系、不同灌溉模式对水稻腾发量的调控作用以及水分胁迫对水稻产量的影响 ,提出了水稻节水高产灌溉模式和土壤水分能量调控标准。     

层状红壤水分入渗特征试验与模拟

认识土壤结构对土壤水分运移影响是提高土壤水分利用效率和控制面源污染的重要基础.以容重为1.35和1.55 g/cm³的均质土及其组成的上松下紧层状土壤结构为对象,采用室内土柱恒定水头水分入渗试验和模型模拟相结合的方法,分析不同土层结构的水分入渗过程及水分再分布特征.结果表明,上松下紧的层状土壤积水入渗速率过程可明显分为上层入渗阶段和下层入渗阶段; 与均质土相比,层状土轻微降低了上层的入渗速率和提高了下层初始速率,但对下层的稳定入渗率影响不大.层状土壤可显著提高上层土壤含水量,且水分再分配过程在界面处发生了突变.采用HYDRUS-1D模型模拟层状土壤入渗水分再分布,直接组合均质的土壤水力参数模拟效果较差,需要对进气吸力进行参数优化.研究成果可为红壤地区土壤水分管理和污染防治提供理论支撑.     

葡萄分层地下滴灌滴头布设深度优化

为解决不同树龄葡萄根系的差异使得地下滴灌系统在布设应用中存在的困难,采用室内试验和HYDRUS-2D数值模拟相结合的方法,以宁夏和关中葡萄产区为例,研究了2种土质条件下分层地下滴灌土壤水分运动规律,提出了分层地下滴灌带最佳布设深度.研究结果表明,HYDRUS-2D模拟值与试验实测值具有良好的吻合度.地下滴灌带的埋深直接影响土壤水分的分布,2种土质下湿润体内部处于最佳含水率区间的土壤体积随滴头间距的增加而增大.通过适当增大浅层滴头埋深并减小深层滴头埋深可减小表层水分无效损耗.从避免水分无效消耗以及提高湿润体与根系匹配效果等角度出发,建议关中地区葡萄单滴头灌溉且适宜滴灌带布设深度为20 cm;宁夏贺兰山地区滴灌带布设深度以15 cm和45 cm为宜.     

不同灌溉方式对水稻需水量和生长的影响

利用桶栽试验,研究了在不同灌溉方式及不同蒸发渗漏处理下的水稻需水量和对水稻生长的影响。结果表明:水稻以拔节孕穗期需水强度最高,无水层、干干湿湿和70%水分处理需水量分别比有水层处理减少42.5%、51.3%和57.6%;水稻叶面蒸腾量、棵间蒸发量与田间渗漏量占总耗水量的百分比分别为60.1%、16.4%和23.5%;干干湿湿处理水分利用率达到1.6 kg/m3,叶片光合速率最大,收获指数最高,从节水和增效的角度看,以干干湿湿灌溉最佳。     

Simulation of 1D surface and 2D subsurface water flow and nitrate transport in alternate and conventional furrow fertigation

Increasing water and fertilizer productivity stands as a relevant challenge for sustainable agriculture. Alternate furrow irrigation and surface fertigation have long been identified as water and fertilizer conserving techniques in agricultural lands. The objective of this study was to simulate water flow and fertilizer transport in the soil surface and in the soil profile for variable and fixed alternate furrow fertigation and for conventional furrow fertigation. An experimental data set was used to calibrate and validate two simulation models: a 1D surface fertigation model and the 2D subsurface water and solute transfer model HYDRUS-2D. Both models were combined to simulate the fertigation process in furrow irrigation. The surface fertigation model could successfully simulate runoff discharge and nitrate concentration for all irrigation treatments. Six soil hydraulic and solute transport parameters were inversely estimated using the Levenberg–Marquardt optimization technique. The outcome of this process calibrated HYDRUS-2D to the observed field data. HYDRUS-2D was run in validation mode, simulating water content and nitrate concentration in the soil profiles of the wet furrows, ridges and dry furrows at the upstream, middle and downstream parts of the experimental field. This model produced adequate agreement between measured and predicted soil water content and nitrate concentration. The combined model stands as a valuable tool to better design and manage fertigation in alternate and conventional furrow irrigation.     

Simulating root water uptake from a shallow saline groundwater resource

Disposal of saline drainage water is a significant problem for irrigated agriculture. One proposal to deal with this problem is sequential biological concentration (SBC), which is the process of recycling drainage water on increasingly more salt tolerant crops until the volume of drainage water has been reduced sufficiently to enable its final disposal by evaporation in a small area. For maximum effectiveness this concept will require crop water reuse from shallow groundwater. To evaluate the concept of sequential biological concentration, a column lysimeter study was used to determine the potential crop water use from shallow groundwater by alfalfa as a function of ground water quality and depth to ground water. However, lysimeter studies are not practical for characterizing all the possible scenarios for crop water use related to ground water quality and depth. Models are suited to do this type of characterization if they can be validated. To this end, we used the HYDRUS-1D water flow and solute transport simulation model to simulate our experimental results. Considering the precision of the experimental boundary and initial conditions, numerical simulations matched the experimental results very well. The modeling results indicate that it is possible to reduce the dependence on experimental research by extrapolating experimental results obtained in this study to other specific sites where shallow saline groundwater is of concern.