水分非均匀分布条件下土壤CO_2的排放特征

为了研究水分非均匀分布条件下旱地土壤CO2的排放特征,采用静态箱-气相色谱法测定了SI、SDI12、SDI15及SDI18共4个处理的CO2排放通量。结果表明:总体上CO2排放通量平均值表现为SISDI12SDI15SDI18,但仅SI处理与SDI18之间的差异具有显著性;2次灌水后SDI处理土壤CO2排放较高的WFPS范围分别是25.9%~33.8%和31.5%~33.0%,低于SI处理出现高峰排放的WFPS分别为47%和34.1%;由于温度的影响第2次灌水后CO2排放通量总体上高于第1次灌水后,但第1次灌水后CO2排放通量与温度具有较强的相关性,而第2次灌水后两者之间相关关系不显著,可能存在过高温度下的土壤呼吸抑制。此外降雨发生时空气湿度的增加对微生物的呼吸有刺激作用,各处理降雨后出现了短期的CO2排放通量的小高峰。     

基于天气预报和符号回归算法的参考作物腾发量预测研究

以干旱区和湿润区6个典型站点1989-2016年历史气象资料和2013-2016年天气预报数据为依据,以PM公式计算结果为对照,比较分析了率定Hargreaves-Samani(HS)模型和符号回归估算模型(SR)的ET_0预报精度。结果表明:率定后的HS模型在各站点的ET_0预报精度均维持在较高水平,且其在干旱区典型站点的预报精度略高于湿润区站点的值;而与HS公式预报结果相比,采用SR模型在不同气候区的ET_0预报精度均有不同程度的提高,其中在湿润区站点的平均MAE、RMSE值降低了18.98%和20.97%,在干旱区各站点的平均MAE、RMSE值减少了9.79%和7.53%。因此,根据不同模型在不同气候区的预报精度,结合气候特征,建议在湿润区和干旱区分别采用SR模型和HS公式进行ET_0预报,可为实时灌溉预报提供准确依据。     

基于饱和土壤埋深调控的水稻节水灌溉技术研究

采用盆栽试验和Hydrus-1d模型模拟相结合的方法，研究了不同耗水强度下稻田落干脱水过程中土壤含水率与饱和土壤埋深的变化规律，建立了土壤含水率与饱和土壤埋深之间的定量关系。结果表明，在稻田落干脱水过程中，土壤含水率与饱和土壤埋深具有很好的同步变化规律，采用率定后的Hydrus-1d模型能够较好地模拟稻田落干脱水过程中二者的变化。试验和模拟结果均显示，节水灌溉稻田土壤含水率与饱和土壤埋深之间呈明显的二次抛物线关系，即饱和土壤埋深随着稻田落干脱水过程中土壤含水率的降低而增大。基于二者之间的定量关系与传统土壤含水率指标临界值，计算得到了饱和土壤埋深指标临界值，确定了各生育期饱和土壤埋深临界值区间为（0.27m，0.50m），由此提出了以饱和土壤埋深为调控指标的水稻节水灌溉技术。该技术采用易于观测的饱和土壤埋深作为控制指标，克服了以土壤含水率、田间无水层天数等控制指标带来的监测成本高、测量精度低等问题，在准确反映田间水分状况的同时，满足了节水灌溉规模化应用的需求。     

基于SWAT模型的典型区域高标准农田综合管理方案模拟与优化北大核心

为研究不同高标准农田管理措施对流域排水影响,以芳溪湖流域为研究对象,以2019-2020年连续2年的径流和水质(总氮、总磷和产沙)监测数据为基础,率定并验证了SWAT模型的适用性,并基于率定后SWAT模型对典型区域高标准农田综合管理方案进行了模拟和优化。结果表明:(1)率定的SWAT模型模拟效果总体较好,构建的灌区分布式水文及面源污染模型适用于芳溪湖流域;(2)高标准农田建设可以实现流域节水减排,最大径流排放减少可达6.93%,最大总氮、总磷、泥沙排放减小均可达7.81%以上,适当提高塘堰汇流面积比例,增加生态沟的建设密度和长度,能有效减少地表径流及总氮、总磷负荷,最大径流排放减小可达18.92%,最大总氮、总磷、泥沙排放减小均可达20.37%以上;(3)不同轮作模式中,水作模式与现状条件相比能有效减少流域径流、总氮、总磷和泥沙的排放;(4)高标准农田建设综合管理优化方案下,流域排水总量减少可达24.59%,总氮、总磷和泥沙减少均可达36.36%以上。合理的沟塘系统设计和种植结构调整能有效减少流域面源污染排放。     

不同水分条件下水稻光合作用的光响应模型的比较

采用非直角双曲线模型、直角双曲线模型和直角双曲线修正模型,研究了不同水分条件对水稻叶片光响应特征的影响。结果表明:随土壤水分的降低,水稻功能叶片的光响应曲线下降,且在光强高于400μmol/(m2.s)时,不同土壤水分状况的光响应曲线差距变大。三种模型模拟结果总体上都能较好地反映光合作用的光响应特征。光响应特征参数方面,三种模型都能反映水分亏缺对水稻叶片LCP的影响,但仅直角双曲线修正模型拟合的Pmax与实测最为接近,且非直角双曲线模型不能反映水分变化对AQY的影响。采用传统的线性回归方法得到的LSP值大幅度偏低,其所对应的光合速率仅为同模型中最大净光合速率的39%～55%,而直角双曲线修正模型通过模型参数直接计算确定的LSP与实测值最接近。因此,总体上直角双曲线修正模型在反映水稻叶片的光响应特征及对水分亏缺的响应方面具有优越性。     

土壤含水率和含盐量对盐渍土甲烷吸收能力的影响

甲烷（CH4）是一种强效温室气体,准确认识特定类型土壤CH4源汇特征及影响因子调控作用,对于提升土壤CH4吸收潜力以减缓全球气候变化具有重要意义。该研究以盐渍土为研究对象,在土壤室内培养试验中,设置了3个土壤含水率处理,分别为田间持水率（Field Capacity,FC）的50%（50%FC）,75% FC和100% FC;并在每个含水率下设置了6个含盐量处理,电导率分别为0.3、1.0、2.0、3.2、4.9和6.2 dS/m,研究不同土壤含水率和含盐量条件下盐渍土CH4吸收特征。在田间测坑试验中,观测了0.3、1.0和5.0 dS/m 3种含盐量土壤的CH4吸收特征及其对水分动态的响应。室内土壤培养试验结果表明,100%FC下6种盐分水平土壤CH4累积吸收量分别是75%FC下的1.08～1.39倍和50%FC的1.27～1.72倍,表明在田间持水率范围内,含水率升高促进了土壤CH4吸收;在3种含水率下,土壤CH4累积吸收量均随着处理含盐量升高而降低,6.2 dS/m最高含盐量处理的CH4累积吸收量相比0.3 dS/m最低含盐量处理显著降低了42.6%、52.3%和55.1%;相比50%FC、100%FC含水率下高含盐量对土壤CH4吸收具有更强的抑制作用,土壤含水率和含盐量对CH4吸收的影响存在显著的交互作用。田间测坑试验在野外田间条件下进一步验证了室内培养试验的结果,试验观测期内所有含盐量处理土壤CH4吸收速率均与土壤含水率呈显著正相关关系（P<0.01）;1.0和5.0 dS/m含盐量处理的累积CH4吸收量分别为0.3 dS/m非盐渍土处理的82.6%和59.8%,高含盐量抑制了土壤对CH4的吸收。研究结果表明盐渍土是CH4的汇,并受到土壤含水率和含盐量显著影响,在盐渍土开发利用中应考虑通过合理的水盐调控以提高土壤CH4汇的能力。     

基于机器学习算法的ET_(0)预测研究北大核心

为了解不同机器学习算法在预测不同气候区参考作物腾发量(ET_(0))方面的表现,以中国干旱区和湿润区共计20个气象站点1960-2019年的逐日气象数据为依据,以PM和HS公式计算的ET_(0)为参考,评价了多元逐步回归(SL)、支持向量机(SVM)和高斯过程回归(GPR) 3种机器学习算法的ET_(0)预测精度及其适用性。结果表明:(1)当分别以PM和HS公式计算的ET_(0)数值为标准时,3种机器学习算法模拟ET_(0)精度大小关系均表现为:GPR>SVM>SL,且GPR算法的模拟精度最高,其相关系数(R~2)均高达0.950以上。(2)当采用同一种机器学习算法时,其在以PM公式计算的ET_(0)为参考值情况下的R~2范围为0.965~0.995、RMSE的范围为0.212~0.260 mm/d、MAE的范围为0.151~0.201 mm/d;以HS公式计算结果为参考值时,其R~2范围为0.935~0.984、RMSE范围为0.832~0.964 mm/d、MAE范围为0.596~0.745mm/d。(3)在不同气候分区,以同一参考公式计算结果为标准值时采用机器学习算法模拟干旱区的ET_(0)精度均优于湿润区,其R~2提高了0.01。(4)对比不同机器学习算法的稳健性,SL和SVM算法在分别以PM和HS公式计算结果为参考值时的稳健性最高,其训练到模拟阶段的R~2变化幅度仅为0.16%和0.11%,而GPR算法稳健性均最低。(5)对比不同机器学习算法训练时间成本,SVM和GPR算法的计算成本显著高于SL算法。综合分析3种算法的ET_(0)预测精度、稳健性和计算成本,SVM算法可推荐为中国干旱区和湿润区较为精准预测参考作物腾发量的方法。且机器学习模拟精度与气象因子的定量关系表明,日照时数(N)变化是影响各算法预测精度的主要因子。     

不同水盐条件下盐渍土硝化过程特征

以滨海盐渍化土壤为研究对象,通过室内培养试验,研究了不同土壤水分(田间持水率(FC)的50%,75%,100%)和盐分(0.8,3.0,6.0,15.0 g/kg)条件下盐渍土壤的硝化过程特征.结果表明:100%FC处理的NH_4~+-N的消耗速率分别是50%FC和75%FC处理的1.61~1.91倍和1.29~1.40倍,NO_3~--N的生成速率分别是50%FC和75%FC处理的1.40~1.92倍和1.26~1.59倍,表明高水分同时促进了氨氧化作用和亚硝酸氧化作用;在3.0和6.0 g/kg盐分水平下,盐分对亚硝酸氧化作用的抑制程度明显强于氨氧化作用,从而引起了NO_2~--N的累积,且3种水分水平下均出现这种现象;土壤含盐质量比为15.0 g/kg时,NH_4~+-N,NO_3~--N和NO_2~--N的变化均处于很低水平,高盐分对氨氧化作用和亚硝酸氧化作用均产生严重抑制.氨氧化作用和亚硝酸氧化作用对质量比含量的不同步响应影响了土壤的无机氮存在形态和转化过程,这对认识盐分影响下的土壤氮素循环提供了重要依据.     

高邮灌区“集水期灌”稻田水平衡模型及期灌制度改进

本研究基于田间实测土壤水分与水层数据,借助水量平衡模型对作物系数K_(ci)、饱和水力传导度K_0、拟合参数a和b以及经验常数α等变量进行了率定,并采用率定模型推求了"集水期灌"稻田"456"和"467"灌溉制度。通过对比两种灌溉制度的效果,可以发现:与传统"456"灌溉制度相比,"467"灌溉制度在各个水平年灌水次数减少了2次,灌溉定额降低了499.5~700.5 m~3/hm~2,降雨利用效率提高了1.2%~6.5%,在实现节水的同时,保证了土壤水层和含水率均维持在作物适宜生长的范围内。总体上,改进后的灌溉制度"467"具有灌水次数少、灌溉定额小、降雨利用率高等特点,这对于高邮灌区"集水期灌"灌溉制度的优化调整具有重要的指导意义。     

基于HYDRUS-2D的负压微润灌土壤水分运动模拟

为研究负压微润灌不同技术参数组合下的土壤水分运动过程,以土箱试验实测含水率为依据,构建并验证了基于HYDRUS-2D的负压微润灌土壤水分运动反演模型,并结合反演模型对负压微润灌多种组合情景的土壤湿润体模拟结果和典型设施作物根系分布特征及需水规律,探究适宜于不同设施作物的负压微润灌技术参数组合。结果表明：采用HYDRUS-2D反演模型能够较好地模拟负压微润灌不同供水水头条件下的土壤湿润体特征,土壤湿润距离（水平距离、垂直向上距离和垂直向下距离）、含水率及累积入渗量模拟值与实测结果之间的决定系数和NSE分别达到0.98和0.77以上。试验及模拟结果均表明,负压微润灌条件下供水水头与土壤含水率、累积入渗量及不同方向的湿润距离均呈负相关关系。此外,基于反演模型对负压微润灌不同湿润体的情景模拟结果和典型设施作物根系分布特征及需水规律,拟定了不同设施作物适宜的负压微润灌技术参数范围。本研究对农业生产中负压微润灌技术参数的选择及新型节水微润灌技术的推广具有指导意义。