不同水肥条件下夏玉米/冬小麦农田生态系统碳平衡研究

农田生态系统碳平衡取决于农作物固定碳量和土壤异养呼吸排放碳量。为揭示水肥用量对农田生态系统碳平衡的综合影响，设置3个灌水水平：高水、中水和低水（W1、W0.85、W0.7夏玉米季分别为90、76.5、63mm，冬小麦季分别为140、119、98mm），4个施氮水平：高氮、中氮、低氮和不施氮（N1、N0.85、N0.7、N0夏玉米季分别为300、255、210、0kg/hm2，冬小麦季分别为210、178.5、147、0kg/hm2），4个施磷水平：高磷、中磷、低磷和不施磷（P1、P0.85、P0.7和P0夏玉米季分别为90、76.5、63、0kg/hm2，冬小麦季分别为150、127.5、105、0kg/hm2）进行了田间试验。结果表明：不同水肥处理下夏玉米/冬小麦农田生态系统表现为碳汇，夏玉米季净生态系统生产力固碳量（CNEP）为6805~7233kg/hm2，冬小麦季CNEP为5842~6434kg/hm2，夏玉米CNEP高于冬小麦。在高、中、低肥水平下，增加灌水量，夏玉米/冬小麦周年净初级生产力固碳量（CNPP）提高2.48%~5.96%，土壤微生物异养呼吸碳释放量（CRm）增加2.15%~15.20%，净生态系统生产力固碳量（CNEP）增加1.16%~6.47%。在高、中、低供水水平下，增加施肥量，夏玉米/冬小麦周年CNPP增加2.95%~3.43%，土壤CRm增加5.23%~18.67%，CNEP增加0.93%~2.79%，CNEP增加比例与供水水平呈负相关。在低水条件下，氮磷肥配施处理夏玉米/冬小麦农田周年CNEP较单施氮、磷肥分别增加4.86%、7.34%，且氮磷肥交互作用显著（P<0.05），水肥供应水平相差15%时对冬小麦农田CNEP有显著的正交互作用。氮磷肥配施、水肥协调供应均有助于促进夏玉米/冬小麦农田生态系统的净碳输入，在节水节肥原则下，夏玉米和冬小麦分别在W0.85N0.85P0.85和W0.7N0.85P0.85水肥供应条件下有利于增加农田CNEP。     

考虑水头损失的管道灌溉分水口轮灌分组优化模型

【目的】优化灌溉系统中分水口轮灌分组的灌溉制度,在满足流量要求的条件下节约电能。【方法】提出了在考虑水头损失时不同分水口状态与管道进口压力的关系模型,该模型利用分水口开关0,1状态作为自变量,从管道末端起利用推导的递推公式求出管道进水口的等效水头损失系数。依据该模型,在定流量分组轮灌优化中得到为使分组轮灌功率最小的目标函数。利用遗传算法对上述问题进行了优化求解,并给出了编码方案。【结果】在分水口等间隔布置时,轮灌分组按轮灌分组数等间隔安排所需功率最小,优化后的水头损失系数可以减小到没有优化前的0.772倍。【结论】本研究模型不仅适用于恒定流量的组合优化,也可应用于不同分水口的所需水量不同的随机灌溉以及恒压供水的优化中。     

涌泉根灌不同浓度肥液入渗特性及土壤湿润体模型研究

为了研究涌泉根灌肥液入渗特性及湿润体水氮运移的变化规律,在陕北米脂山地微灌枣树示范基地原状土上进行了涌泉根灌肥液入渗试验。结果表明:累积入渗量与入渗时间之间符合Kostiakov幂函数关系(R20.9,P0.01);涌泉根灌入渗能力与增渗效果均随肥液浓度增大而增大;水平湿润锋与竖直湿润锋运移距离均随肥液浓度增大而增大,且均与入渗时间呈显著的幂函数关系,水平方向和竖直方向的湿润锋运移距离的拟合值与实测值的相对误差在–3.84%～5.20%以内。肥液浓度的不同对于湿润体大小略有影响。提出了涌泉根灌肥液入渗湿润体内土壤含水率和NH_4~+-N浓度分布的数学模型,即在一定浓度范围内,单位含水率的变化可引起的肥液浓度变化,且模型的计算精度较高(模拟值与实测值相对误差在10%以内),并符合湿润体内土壤含水率和NH_4~+-N分布规律,可对不同位置处土壤含水率及NH_4~+-N含量进行估算。水分分布情况对肥液浓度条件敏感性较低,NH_4~+-N分布情况对肥液浓度条件敏感性较高。研究可为涌泉根灌水肥高效利用提供参考。     

拔节后补灌对不同穗型冬小麦耗水和籽粒产量的影响

为探究拔节期和开花期不同补灌方案对不同穗型冬小麦耗水特性、籽粒产量和水分利用效率的影响，于2017-2019年在山东省泰安市以大穗型品种山农23和中多穗型品种山农29为试验材料，以拔节后无灌水(T1)为对照，设置拔节期补灌目标为0~20 cm土层相对含水率达100%田间持水率(T2)、拔节期和开花期补灌目标为0~20 cm土层相对含水率达100%田间持水率(T3)和拔节期补灌目标为0~40 cm土层相对含水率达100%田间持水率(T4) 3种补灌方案。结果表明，拔节后不同补灌方案对大穗型和多穗型小麦品种影响基本一致。与T1处理相比，T4处理显著提高了0~100 cm土层土壤相对含水率，使60~100 cm土层土壤相对含水率在开花期仍保持较高水平；T3处理显著提高了拔节期0～60 cm和开花期0~40 cm土层土壤相对含水率。与T3处理相比，T4处理的拔节至开花阶段耗水量增加了28.9%，其中对上层土壤总供水的表观消耗量增加了66.4%；T4处理在开花至成熟阶段对深层土壤总供水的表观消耗量增加了68.0%，对上层土壤总供水的表观消耗量降低了37.4%。在开花至成熟期降水较多(121.2 mm)的年份，T4处理的开花至成熟阶段耗水量、开花后旗叶净光合速率和籽粒产量相对于T3处理均无显著变化，但总耗水量较高，水分利用效率显著降低；在开花至成熟期降水较少(45.2 mm)的年份，T4处理的开花至成熟期的阶段耗水量、开花后旗叶净光合速率、籽粒产量和水分利用效率较T3处理均显著降低。因此，在小麦全生育期降水量为111.6~220.2 mm、开花后降水量为45.2~121.2 mm的条件下，大穗型和中多穗型小麦品种均以在拔节期和开花期将0~20 cm土层补灌至100%田间持水率的补灌方案最优，可同时实现高产和高水分利用效率。     

不同灌水量与每穴直播粒数对滴灌水稻生长发育及产量的影响

【目的】探索滴灌水稻高产高效的适宜灌溉定额及播种量。【方法】本试验在新疆农业科学院国家灰漠土肥力与肥料效应监测基地进行,设置3个灌溉定额水平,分别为796 mm(W1)、938 mm(W2)、1 059 mm(W3),每穴直播粒数设为每穴8粒(D1)、14粒(D2)、20粒(D3)3个水平,观测比较不同生育期株高、叶面积指数、干物质积累量等生长指标,分析不同灌水量与每穴直播粒数对滴灌水稻生长发育、产量及水分利用效率的影响。【结果】灌水量与每穴直播粒数交互作用以组合W3D1株高、叶面积指数和干物质积累量最高,分别为83.46 cm、8.46和2 962.67 g/m2,交互作用达到极显著水平(p≤0.01);W3D1处理产量最高达到6 789.00 kg/hm~2,灌水量对产量的影响达到显著水平(p≤0.05);W3D1水分利用效率为最优组合达到0.65 kg/m3。每穴直播粒数为8粒时,与W1、W2处理相比,W3处理产量增幅为54.95%、30.24%;W3处理中,D1处理与D2、D3处理相比,产量增幅分别为19.11%、23.96%。【结论】在本试验条件下,W3D1组合灌溉水量及每穴直播粒数为最佳。     

河套灌区盐渍化土壤玉米水氮耦合效应

为了探求适用于盐渍化地区的节水、施肥优化模式，采用大田试验，以玉米为研究对象，选取了轻度和中度两种盐分土壤，设置了10种不同水、氮处理，建立不同盐分土壤玉米产量与灌水量及施氮量之间的回归模型并对其进行了分析，研究不同盐分土壤水、氮用量对玉米产量的影响。结果表明：在轻度和中度盐分土壤条件下，灌水和施氮对玉米均有增产效应，水、氮交互作用为正效应，水分的作用大于施氮的作用。通过边际效应分析可知，轻度和中度盐分土壤施氮肥的增产速率没有明显差异，轻度盐分土壤灌水的增产效率明显高于中度盐分土壤。轻度和中度盐分土壤玉米最高产量分别为13 581 kg·hm^-2和11 115 kg·hm^-2，对应的水、氮配比均为灌水编码为0.77（全生育期灌水量2 250 m³·hm^-2），施氮编码为0.69（总施氮量225 kg·hm^-2）。通过模型寻优，得到轻度和中度盐分土壤种植玉米的最佳水、氮配比方案均为全生育期灌水量为1 900.95~2 389.08m³·hm^-2，总施氮量为174.04~240.7 kg·hm^-2。优化方案的水、氮用量分别比当地灌水量（2 925 m³·hm^-2）节水18.2%~35%, 施氮量（325 kg·hm^-2）节肥26.0%~46.4%。优化范围包含了轻度和中度盐分的最高产量水、氮用量，产量与当地产量基本一致，符合当地灌水施肥要求。但从维持目前玉米产量和长期盐碱地改良的角度看，建议中度盐化土壤应选取水、氮优化范围中中等偏上灌水量和中等偏下的施肥量，以便于从根本上降低土壤盐分背景值，便于长期产量的提高；轻度盐分土壤选取优化范围适中的水、氮用量。     

基于井孔散射波能量的水力压裂效果评价方法

水压致裂是非常规油气开采的重要增产手段,水力压裂效果的评估对油气开采十分重要.现有的基于测井数据的水力压裂效果评价方法(如正交偶极各向异性、同位素测井等)仪能评价井壁附近的水力压裂效果.利用声波在水力压裂裂缝中传播产生背向散射波原理,提出了一种基于井孔散射波能量的水力压裂效果评价方法,建立了水力压裂随机介质模型,利用有限差分数值模拟了横波在水力压裂地层中的传播特征.数值模拟结果表明,在水力压裂区域偶极阵列波形产生了明显的散射波,声场的空间分布特征表明SH波(水平偏振横波)的散射以S-S散射为主,利用散射波的能量可以有效识别水力压裂的区域.该方法极大地提高了水力压裂效果的评价范围(井孔周围数十米范围),实际数据处理结果验证了该方法的可行性.     

灌草立体配置对退化草地土壤水分和养分的影响

【目的】比较灌草立体配置模式下3种不同生境的土壤水分、养分和植物根系相关参数的差异，探究灌草立体配置30年对退化草地土壤水分和养分以及植物根系的影响，为黄土高原水土保持和生态恢复提供理论依据。【方法】以位于黄土高原云雾山国家草原自然保护区种植30年的人工柠条和野山桃搭配灌丛带样地为研究对象，采集灌丛带内部、灌丛带边缘和灌丛带外部不同土层的土样和植物根系，比较3种位置下土壤水分、养分含量和植物根系特征的差异，并分析了根长与土壤水分和养分含量的相关性。【结果】在0～80 cm土层，灌丛带内部的土壤含水量明显高于灌丛带边缘和灌丛带外部。在0～80 cm土层，随着土层深度增加，灌丛带3个位置土壤全氮、碱解氮和有机碳含量均呈下降趋势，而全磷含量变化不明显；在同一土层，灌丛带内部的全氮、碱解氮和有机碳含量均明显高于灌丛带边缘和灌丛带外部。在灌丛带内部、灌丛带边缘和灌丛带外部3个位置，植物根系生物量呈减小的趋势。从垂直分布来看，灌丛带内部、灌丛带边缘和灌丛带外部0～15 cm土层的植物根系生物量分别占0～40 cm土层植物根系生物量的90.86%，90.79%，92.91%，说明植物根系生物量主要集中分布于0～15 cm土层。3个取样位置中，灌丛带内部植物根长、根表面积和根体积均最大。相关性分析表明，灌丛带植物根长与0～20 cm土层的土壤含水量，0～40 cm土层土壤有机碳和全氮、0～80 cm土层碱解氮均呈显著或极显著正相关。【结论】在黄土高原退化草地上进行灌草立体配置可以促进植物根系生长，提高土壤水分和养分含量，有利于退化草地的恢复。     

应力波在落叶松活立木中传播影响因素数值模拟

探究应力波在落叶松活立木中传播的影响因素,有助于研究应力波在人工林活立木中的传播机理。依据固体介质中的应力波传播理论和弹性力学理论,将活立木看作只由心材层和边材层组成的两层结构材料,基于活立木的正交各向异性假定,利用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件对应力波在活立木中的传播进行了模拟计算,并研究了敲击载荷频率、活立木胸径和心材比对应力波传播的影响。结果表明,应力波波速随着载荷脉冲频率的增大而减小;对于胸径为10 cm的活立木模型,当传播距离达到1. 2 m时,应力波波阵面已经转换为一维平面波,而对于胸径超过30 cm的活立木模型,应力波在0～1. 2 m传播距离内是以三维膨胀波的形式传播;活立木胸径对应力波的传播速度有影响,当胸径小于10 cm时,波速较小且基本没有发生变化,当胸径从10 cm增加到40 cm时,应力波的波速随着活立木胸径的增加而增加,而当胸径超过40 cm时,波速略微增加后保持相对稳定;应力波在活立木中的波速随着心材比的增大而减小。胸径对应力波在活立木中的传播形式以及波阵面形状有影响,而敲击载荷频率和心材比对应力波在活立木中的传播形式以及波阵面形状没有影响,但三者都会对应力波的传播速度产生影响,数值模拟最佳的敲击载荷频率为2. 5 kHz,应力波在活立木中的传播速度不只取决于边材的力学性能,而是受到心材和边材的共同影响。     

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。