稻田土壤-作物系统模型参数敏感性分析与模型验证

为提高稻田土壤-作物模型校准过程的效率和精度,以长江中游地区两年的稻田试验数据为基础,采用Morris和Sobol’两种方法对WHCNS_Rice模型参数进行了全局敏感性分析,并在此基础上进行模型校准和验证。结果表明,两种方法得到的模型主要敏感性参数基本一致,与Sobol’方法相比,Morris方法具有计算量小和筛选快速的优势。土壤水力学参数和作物参数对模型输出项均有较大的影响,尤其是土壤水力学参数中的饱和含水率、田间持水率以及犁底层饱和导水率;作物参数中生育期总有效积温、最大比叶面积和作物系数对作物生长过程影响较大;氮素转化参数中仅氨挥发一阶动力学系数和反硝化经验系数分别对氨挥发和氮反硝化有一定的影响,其余参数均不敏感。在此基础上,固定非敏感参数,重点校准上述敏感参数。模型校验结果表明,模型模拟的地上部干物质质量、作物吸氮量、蒸散量和田面水高度均与实测值吻合较好,模拟值与实测值线性回归方程的斜率和相关系数均接近于1,P小于0. 01,说明校验后的模型可用于模拟该地区的水稻生长过程及稻田水分动态和氮素去向。采用Morris方法对筛选出的模型敏感性参数进行模型校准和验证,可以大大提高模型校验的效率和精度。本研究可为稻田土壤-作物系统WHCNS_Rice模型参数的校准和模型的推广应用提供技术支持。     

基于PEST的土壤-作物系统模型参数优化及灵敏度分析

农业生产管理系统模型输入参数多,参数率定过程十分耗时费力,大大限制了其推广应用。该研究以华北平原2 a的冬小麦-夏玉米田间试验观测数据为基础,使用PEST(parameter estimation)参数自动优化工具对土壤-作物-大气系统水热碳氮过程藕合模型(soil water heat carbon and nitrogen simulator,WHCNS)的土壤水力学参数、氮素转化参数和作物遗传参数进行自动寻优,同时计算分析模型参数的相对综合敏感度,并将优化结果与土壤实测水力学参数和试错法的模拟结果进行比较。参数敏感度分析结果表明,18个模型参数的相对综合敏感度较高,其中土壤水力学参数普遍具有较高的敏感度,以饱和含水率敏感度最高;作物参数中,作物生长发育总积温和最大比叶面积具有较高的综合敏感度;而氮素转化参数的敏感度远低于土壤水力学参数和作物参数。评价模型模拟效果的统计性指标(均方根误差、模型效率系数和一致性指数)表明,PEST法比实测水力学参数的模拟精度有所提高,其中土壤含水率、土壤硝态氮含量、作物产量和叶面积指数的均方根误差分别降低了61.8%、23.5%、73.6%和23.3%。同时PEST法比试错法对土壤水分和作物产量的模拟精度也有较大提高,但对土壤氮素和叶面积指数的模拟精度提高不明显。由于该方法大大节约了模型校准时间,在较短的时间内获得了明显高于试错法的模拟精度,因此PEST软件在WHCNS模型参数自动优化中是一个值得推广的工具。     

溶液初始pH值及裂解温度对玉米秸秆基生物炭吸附Cr(Ⅵ)的影响

以玉米秸秆为原料，在300、450℃和600℃下裂解得到3种生物炭，通过批处理实验讨论了溶液初始pH值和裂解温度对玉米秸秆及其生物炭吸附Cr（Ⅵ）的影响，并用吸附动力学模型和等温吸附模型对实验结果进行拟合。结果表明：对于同种吸附材料而言，溶液初始pH值越低，玉米秸秆及其生物炭对Cr（Ⅵ）的吸附量越大；当溶液初始pH值为3或5时，对Cr（Ⅵ）的吸附性能大小顺序为：玉米秸秆 > 生物炭300℃ > 生物炭450℃ > 生物炭600℃；当溶液初始pH=1时，对Cr（Ⅵ）的吸附性能大小顺序为：生物炭300℃ > 玉米秸秆 > 生物炭450℃ > 生物炭600℃，且生物炭300℃对Cr（Ⅵ）的最大吸附量约为141.24 mg·g^-1。可见，溶液初始pH值越低，生物炭的裂解温度越低，越有利于生物炭对Cr（Ⅵ）的吸附。     

基于距离反比法的土壤盐分三维空间插值研究

以新疆兵团一块面积约70 hm2的盐碱地为研究对象,采用EM38与土钻取样相结合的方法得到了126个点不同土层(0~200 cm)的1 386个土壤盐分数据,应用三维距离反比法(3D-IDW)对土壤盐分进行了空间插值,探讨了垂向坐标扩大倍数和搜索点数对插值结果精度的影响。结果表明,研究区0~140 cm土层盐分平均含量较高,为1.84~2.11 g/kg,盐分变异较大,而140~200 cm土层盐分平均含量较低,为1.74~1.79 g/kg。所有土层盐分含量的统计特征值(平均值、标准差和变异系数等)均随土层加深而呈现递减的趋势。土壤盐分实测值和估计值的均方根误差随垂向坐标扩大倍数的增大而减小,随搜索点数的增加而增大,其值在0.1~0.4 g/kg范围内变化,当垂向坐标扩大300倍、搜索点数为6个时,插值效果较优。采用确定的参数对研究区的土壤盐分进行了三维空间插值,结果表明土壤盐分空间分布特征与实测值比较吻合,大部分区域土壤盐分含量小于2.5 g/kg,靠近北部和南部边界区土壤含盐量较低,属于非盐化土区,而大于4 g/kg盐化土主要分布在中间和南部局部区域。研究区80%土壤为非盐化土和轻度盐化土,20%为中度和重度盐化土。影响该区盐化土分布的主要因素有灌溉、局部地形、粘土层位置、地下水埋深和矿化度。当不同方向的取样间距相差很大时,选取合适的垂向坐标扩大倍数和搜索点数对保障3D-IDW法的插值结果精度至关重要。     

基于土壤-作物系统模拟模型的冬小麦田间水氮优化管理

将作物生长模型与土壤水氮管理过程模块相结合，构建了土壤-作物系统水分养分模拟模型。以灌水、施氮总量为决策变量，冬小麦生物量、水分和氮肥利用效率为优化目标，将冬小麦按生长发育时期分为6个阶段，建立了多目标的动态规划模型。在土壤-作物系统过程模型的基础上，用动态规划的方法对田间水、氮资源管理措施进行优化。通过对作物水分胁迫系数和氮肥胁迫系数的模拟计算，可获得最佳的灌水、施肥时间及用量。算例结果表明：在养分供应充足仅水分胁迫的条件下，优化方案的灌水量较对照处理平均节约了25%，水分利用效率比对照处理平均高出约1     

自动双环入渗仪设计与试验

为克服传统双环入渗仪的供水不稳定、读取和记录数据工作量大的问题,该文基于定水头法测量导水率的原理,设计了一种高效的自动双环入渗仪。该入渗仪采用非接触式电容感应液位传感器来监测内环和外环内的水位(精度1.5mm);将激光测距传感器(精度1mm)安装在圆柱形蓄水器的顶部,以连续自动监测供水量;高精度液位控制系统与电磁阀组合以保持恒定水头。通过理论分析,增大蓄水器中的液面与双环中的液面之间的压力差,可使自动双环入渗仪的初始供水速率远高于马氏瓶的初始供水速率。自动双环入渗仪的精度和可靠性试验于2019年7月至2019年10月在中国农业大学绿苑试验场进行,并进行了该自动双环入渗仪和传统双环入渗仪之间的比较。试验结果显示,在选定土壤的稳定入渗阶段,用马氏瓶测量的稳定入渗速率为0.068 5 cm/min,该自动双环入渗仪的稳定入渗速率为0.068 7 cm/min,自动双环入渗仪实测数据与Philip的理论入渗模型计算结果吻合(R20.99)。结果表明,该自动双环入渗仪的自动化测量结果可靠,对今后土壤水分入渗过程研究提供了更加高效的手段。     

农田土壤养分的空间变异性特征

对一块面积为１ｈｍ^２麦田内的９８个观测点取样分析，测定了代表不同土壤含水率水平下的两个时期土壤表层和底层的ＮＨ_４-Ｎ、ＮＯ₃-Ｎ、Ｏｌｓｅｎ-Ｐ、表层有机质和全氮等养分。应用地统计学的方法对所取的数据进行了分析，结果表明底层土壤的ＮＨ_４-Ｎ、表层土壤的有机质服从正态分布；其余养分基本上服从对数正态分布；按一定的精度和置信水平确定了合理的取样数目。通过半方差函数分析，发现这些养分在一定范围内存在空间相关性；采用Ｋｒｉｇｉｎｇ方法对未测点进行了估值，绘制了等值线图，并对两个时期的养分动态的空间变异进行了初步分析。该成果可用于提高氮肥利用率和精确农业（施肥）的研究和实践。     

银川平原土壤盐分及盐渍土的空间分布格局

系统认识和掌握盐渍土的空间分布特征，是治理改良盐渍土的基础。在总面积约6 184.9 km2的银川平原引黄灌区布设101个采样点，分层（0～180 cm）测定了土壤全盐量，应用地统计学方法结合GIS技术对其空间分布特征进行了研究。结果表明，银川平原各层土壤盐分的分布类型均比较复杂，呈高度的偏态分布。土壤盐分的变异属于中等变异强度。0～120 cm土层盐分的空间相关距离一般在20～28 km；而深层（＞120 cm）土壤的空间相关距离较大，约34 km。银川平原表层土壤属于非盐化土、轻度、中度、重度盐渍土和盐土的土地面积分别为0、1 508.8、3 614.9、982.6和78.6 km2，总体属于中度和轻度盐化土类型，且呈现一定的盐分表聚趋势。重度盐渍土和盐土主要分布在银北的石嘴山市、平罗县、惠农县一带和银南的部分地区。总体来说，银川平原的土壤盐渍化现象依然严重，应加强研究与治理改良。     

北京郊区土壤有机质含量的时空变异及其影响因素

【目的】揭示土壤有机质时空变化规律及其影响因素，为土壤肥力评价和管理提供指导。【方法】通过收集和实测北京南郊-大兴区1980、1990和2000年3个不同时期耕层土壤有机质含量的资料，应用地统计学方法对共进行分析。【结果】3个时期土壤有机质的平均含量分别为9.64、12.76和12.89 g·kg-1，它们的空间相关距离分别为80.5、59.2和49.0 km，呈递减趋势。大兴区土壤有机质含量空间分布呈北高南低之势。从1980年到2000年，有机质含量表现为由低向高逐级累积的规律，具体变化为有机质含量一级和二级的土地面积从无增加到分别占土地总面积的8.0%和14.3%，含量三级的土地面积从23.0%增加到37.1%，四级土地面积减少很少，约为2.19%，五级土地面积减少幅度最大，为50.4%。【结论】秸秆还田和施用有机肥是有机质含量普遍上升的原因，随着作物产量的不断提高，部分地区的有机质入不敷出，呈下降的趋势，应注意土壤的培肥管理。     

红壤蔗区土壤有效硅的空间变异特征

在一块面积约24 km2的低丘红壤蔗区中,测定了土壤表层175个土样的土壤有效硅含量,结果表明有效硅平均含量较低(117.7mg/kg),变异系数为中等变异强度。地统计学的空间结构分析表明,土壤有效硅存在中等程度的空间相关性,变程为5 km。Kriging方法绘制的等值线图显示,土壤有效硅的空间分布呈明显的斑块状,与地形分布有一定的相关性。通过估计值标准差分布图增补采样点可提高插值精度,为施肥管理提供依据。