应用Hydrus-1D模型模拟分析冬小麦农田水分氮素运移特征

将Hydrus 1D水氮联合模型用于模拟冬小麦农田水分氮素运移转化过程,试验和模拟结果表明,北京地区冬小麦农田不同水肥处理小区,蒸散量约400mm,占根层总耗水量的95%以上,水分渗漏到根层以下量很少,各小区最大渗漏量为38.4mm。作物吸氮占总耗氮量的94%以上,而根层以下氮淋失很少,最大氮淋失量为8.7kg/hm2。氮淋失量主要对应于水分渗漏量,可考虑改变灌溉措施减少水氮淋失量。传统水、肥管理方案与优化水、肥管理方案比较,各处理产量和水氮利用效率无显著差异,而前者根层水分渗漏量大并肥料总投入量大。综合评价认为,优化水肥管理措施更合理可取。     

基于Hydrus-1D的黄河泥沙充填复垦土壤夹层结构优化

中国东部矿区煤粮复合区面积大,因采煤沉陷积水,导致大面积的耕地破坏,采煤沉陷地复垦成为中国亟待解决的问题,黄河泥沙夹层式充填复垦技术对实现采煤沉陷地复垦具有积极意义.为优化黄河泥沙充填复垦夹层式土壤剖面设计,该研究采用Hydrus-1D模拟分析了在充填复垦土壤总厚度一定的情况下,不同夹层厚度、位置和数量对重构土壤入渗和...     

农业区环境-经济综合效益模型构建及应用

农业经济发展与环境保护是既有矛盾又紧密联系的2个重要问题。为了客观科学地进行农业环境效益和经济效益的评价,该文以位山灌区为例,构建了农业区环境-经济综合效益模型,以农业净收益最大化为目标函数,以环境限制(氮淋失量)为约束,利用Hydrus-1D模型模拟计算了不同灌溉和施肥情景下的氮淋失量、根系吸氮量和作物产量,得出作物产量、氮淋失量与灌溉量和施肥量之间的回归方程系数,再利用Matlab优化工具得出不同的氮淋失量控制条件下的灌区优化施肥和灌溉方案。结果表明,农作物净收益随着环境限制条件的放松(即允许氮淋失量的增大)而增加,但增加速度逐渐减缓,表明以牺牲环境达到农业增收的边际效益呈递减趋势。位山灌区在允许氮淋失量为500 kg/hm2(以N计)时的净收益达到最大,相应的灌溉量为240 mm,施肥量为732 kg/hm2(以N计)。如需更严格控制氮淋失量,施肥量将受到限制,可能导致农民净收益减少,政府可通过农业环境补贴的方式进行经济补偿,以鼓励更环保的生产活动。通过科学合理的灌溉量和施肥量指导,可以实现经济效益和环境效益的双赢。研究结果可为灌区农业环境管理和政府环境保护补偿方式的制定提供参考。     

Hydrus-2D模拟起垄覆膜处理对夏玉米生育期水量平衡的影响

为探究起垄和覆膜处理对辽西北半干旱区夏玉米生育期水量平衡的影响,该研究在建平县节水灌溉试验站将田间试验与Hydrus-2D模拟相结合,探究各典型年夏玉米生育期水量平衡的变化规律。结果表明：Hydrus-2D模型能够有效地对起垄和覆膜处理后夏玉米生育期的下垫面降雨入渗过程进行模拟,各下垫面实测值与模拟值的R²均不小于0.87,均方根误差均小于0.01 cm³/cm³;覆膜后各典型年的蒸发量平均减少52.24 mm,蒸腾量平均增加31.84 mm;覆膜会抑制多日持续降雨期间的深层渗漏速率,促进单日超过40 mm降雨的雨后深层渗漏速率;覆膜能减少作物生育期的农田耗水量（蒸发量,蒸腾量和深层渗漏量之和）,使各典型年的平均农田耗水量减少25.74 mm,增加覆膜垄作处理的覆膜宽度能够进一步减少作物生育期的农田耗水量。因此,在辽西北半干旱区进行起垄和覆膜对缓解该地区的农业缺水紧张情势,丰富农田生育期水分转化结构的相关理论具有重要作用。     

黄土高原晋南旱塬长时间序列冬小麦产量与水量平衡要素动态变化

为揭示黄土高原旱地冬小麦田长期产量及水文变化,以山西省万荣县连作冬小麦为研究对象,分析了冬小麦产量1951—2020年变化趋势及气候年际波动对产量的影响,同时利用Hydrus-1D模型和标定的模型参数模拟了1965—2020年田间水量平衡要素各分量的变化过程。结果表明：试验地冬小麦产量多年平均增产率是31.9 kg/(hm²·a),年际气候变化对冬小麦产量的影响达到±22.4%,其中影响最为显著的气象要素是生育期平均相对湿度和全年降水量;标定期和验证期Hydrus-1D模型的决定系数分别为0.65～0.68,0.57～0.65;近56 a冬小麦平均蒸腾量为(176±29) mm,土壤蒸发量为(296±28) mm占降水量的60%～80%,渗漏量一般小于40 mm,土壤含水量变化为(-2±45) mm。综上,研究地70 a冬小麦产量呈上升趋势,且受年际气候变化的影响其产量波动较大。Hydrus-1D模型能够较好地模拟晋南旱塬冬小麦田的水文变化情况,多年来研究地冬小麦田土壤含水量呈下降趋势。     

基于Hydrus-3D模型的再生水涌泉根灌模拟及布置参数预测

为了探寻再生水果树涌泉根灌条件下灌水器的最优布设埋深和间距,以饱和―非饱和土壤水分运动理论为依据,选取了典型研究区一年和多年生桃树,利用Hydrus-3D模型对再生水涌泉根灌土壤水分入渗过程进行数值模拟,并将模拟结果与田间试验实测结果进行对比验证,同时预测了双源涌泉根灌灌水器的最优布置参数。结果表明,Hydrus-3D模型对再生水涌泉根灌湿润锋运移距离以及灌水结束后不同时刻含水量分布的模拟值和实测值之间决定系数R 2均大于临界决定系数,均方根误差RMSE分别小于1.5和0.05,且F检验P值均在0.05以上。说明Hydrus-3D模型可以用于再生水双源涌泉根灌土壤水分运移的模拟;利用Hydrus-3D模型预测结果表明,1,5,10年生桃树再生水双源涌泉根灌灌水器最优布设埋深分别为35,35,45 cm,最优布设间距分别为40,50,40 cm。     

黄土高塬沟壑区两种乔木林土壤水分平衡的模拟

为了了解黄土高塬沟壑区不同乔木林的耗水规律,利用长期定位试验资料和Hydrus-1D模型详细研究了两种乔木林(侧柏林,刺槐林)的土壤水分动态变化及水量平衡各要素的差异。结果表明:结合优化的水力参数,Hydrus-1D模型能准确地模拟两种乔木林地土壤水分动态,模拟值与实测值均方根误差在0.018~0.029cm3/cm3之间,相对平均绝对误差在9.8%~12.5%之间;水分平衡各要素受气候和植物类型影响,蒸散量是水平衡中的主要支出项,侧柏林蒸散量占同期降水量的83.4%~108.4%,刺槐林蒸散量占同期降水量的75.9%~96.2%,生长季内刺槐林土壤储水量始终大于侧柏林。     

应用HYDRUS-1D模型评价土壤水资源量

利用焉耆盆地典型试验区观测资料，以土壤水动力学原理为基础，建立起浅埋区(埋深≤2m)植被覆盖条件下田问土壤水分数学模型，对典型试验区土壤水资源量补给项、排泄项和消耗项进行计算与评价．评价结果表明：地下水资源和土壤水资源转化十分频繁，水量交换是双向的、动态的；在浅埋区土壤水库调蓄能力较弱，造成部分灌溉水的渗漏。     

南方丘陵灌区水田-塘堰-沟道系统水循环特征及回归水重复利用规律分析

南方丘陵灌区因其地势起伏、塘堰众多,为农田灌溉储水、用水提供了便利,导致灌区水循环路径复杂、不同系统水量交换不清晰、回归水重复利用无法定量计算。为了探明灌区水循环规律,通过2 a（2021—2022年）现场观测试验,对水田、塘堰和沟道分别构建水量平衡模型,提出“首尾比较法”来复核田间灌溉水量,区分了回归水重复利用的发生场所,分生育期评价水循环规律和回归水重复利用程度。结果表明,通过水田水量平衡公式并结合DRAINMOD模型计算的田间灌水量, 2 a的结果与塘堰、沟道和渠道灌溉实测值之和的相对误差分别4.65%和−2.74%,表明“首尾比较法”复核灌溉水量较为可靠。在田间灌溉水不同来源中,渠道直灌、沟道、塘堰分别占9.77%、71.81%和18.42%。由于灌溉需求,整个生育期塘堰消耗了82.73%的初始蓄水量,渠道补给、降雨、沟道来水分别补充了38.15%、29.98%和14.60%。塘堰回归水重复利用率全生育期呈逐渐减小的趋势,沟道是回归水重复利用的主要场所,且回归水重复利用率是塘堰的2倍（80.86%）。渠道灌溉水初次分配仅有29.44%进入田间,但是塘堰和沟道二次分配使得至少72.10%的渠道水进入田间。南方丘陵灌区塘堰和沟道水循环受人类活动影响严重。灌区管理者“补给塘堰为主、直灌田间为辅”的灌溉策略符合农民需求、实际灌溉效率较高。     

称重式蒸渗仪系统改进及在农田蒸散研究中的应用

水分是制约黄土丘陵区农作物正常生长和农业生产的关键因子。该区年平均降水量少且季节多变,研究农田土壤水分平衡对该区旱地农业生产具有重要意义。土壤蒸渗仪（Lysimeter）可测量总蒸散量、渗漏量等有关水量平衡的各个分量,具有其它装置和方法不可比拟的优越性。它为田间蒸散和降水入渗实验研究提供了一种较先进的量测方法和技术手段。它对推动我国实验水文学的发展具有重要作用,并为相关领域的科学研究提供了一种较先进的技术设备和实验环境。中国科学院安塞试验站对原建造的用于测定农田蒸腾蒸发转化的称重式蒸渗仪在2005年对称重感应系统、电源进行改造,主要对主机、采集软件进行了重新更新,使其可直接在Windows界面下工作,数据采集更加方便,将测量出来的模拟量信号转换为数字信号,经处理显示并记录在数据采集器内。改进后蒸渗仪主要有以下特点：（1）土柱重19～26t,蒸渗仪精度为152g（0．05nm）,可测量蒸腾蒸发量和地下水对土壤水的补给量与入渗量;（2）蒸渗仪面积3m^2（1．5m×2m）,深度3m,可充分允许农作物根系发育与吸水,土壤水和地下水转化,地下水位变化等过程进行,蒸渗仪的供排水系统能够在蒸渗仪内模拟实际地下水位变化,可较好代表大田实际情形,并对作物生长过程中水分利用动态变化进行深入研究。     

大沽河中游地区土壤水与浅层地下水转化关系研究

青岛作为北方严重缺水城市之一,其水资源的合理利用对青岛的发展至关重要。通过对大沽河流域土壤水、地下水的长期观测,利用简化后的土壤水量平衡方程并结合Hydrus-1d软件对地下水浅埋区农田土壤水与地下水的转化关系进行了分析和计算,同时得到了该区域土壤水资源量。结果表明,土壤水分与降雨、地下水位埋深存在较快的响应关系;土壤水与地下水可以相互补给,且不同时期具有不同的转化特征:玉米生长期内土壤水与地下水的交换频繁,且容易出现农田土壤水分渗漏以及地下水位剧烈波动,期间土壤水补给地下水228.0 mm,地下水补给土壤水287.5 mm;而小麦生长期内未进行农田灌溉时,土壤水与地下水几乎为单向联系,主要由地下水补给土壤水,且补给量变化较玉米期稳定,期间土壤水补给地下水70.09 mm,地下水补给土壤水266.9 mm;通过计算得到研究区土壤水资源量为439.1万m3,这对于农作物的生长具有重要的作用,应制定合理的灌溉方案,最大限度利用土壤水资源,从而达到农业节水的目的。     

农业灌溉节水评价指标与尺度问题

该文探讨了农业灌溉节水的评价指标与尺度问题,指出产生节水灌溉尺度现象的原因是由于灌溉过程中回归水的重复利用。讨论了在不同尺度下的水平衡要素及其在节水尺度效应中的作用;说明随尺度的增大,水平衡过程变得复杂化,节水尺度效应现象也更突出。指出由于尺度效应的存在,传统灌溉效率指标在节水效果评估及水资源调配决策中的局限性,并对近年来国际上提出的相关评价指标进行评述。结合两个实例就评价指标随空间尺度的变化规律及灌区尺度节水策略问题进行了讨论。     

基于HYDRUS-1D模型的华北低平原区不同微咸水 利用模式下土壤水盐运移的模拟

华北低平原区深层地下水的不断超采不仅造成淡水资源的枯竭,还引发了地面沉降、土壤盐渍化等一系列生态环境问题。微咸水在农业上的利用已成为缓解水资源危机的研究重点。为了研究不同咸水灌溉模式的可持续性,本文以华北低平原区的河北省南皮县为例,利用Hydrus-1D模型,基于8种不同微咸水灌溉方案,模拟2008—2013年6年冬小麦-夏玉米轮作制度下,2 m土体水盐通量变化。模拟结果表明,土体剖面盐分积盐区主要集中在下层土壤(100~200 cm);上层土壤(0~100 cm)溶液盐分浓度大部分时间保持在2 g·L~(-1)左右,能保证作物正常生长;但土壤剖面盐分浓度在冬小麦灌浆末期出现峰值且随灌水盐分浓度增加而逐渐升高。土体盐分充分淋洗的关键在于降雨强度,7月份降雨强度是土体脱盐与否的主要影响因素;同时,在丰水年型夏玉米播种后结合出苗水适当灌溉洗盐对土体达到有效脱盐起到重要作用。本文通过综合分析水文年型、土壤剖面盐分的动态分布特征以及结合夏玉米出苗水的洗盐淡水用量3方面因素对土壤盐分迁移的影响,提出华北低平原区两种适宜的微咸水灌溉制度:(1)冬前浇灌小于2 g·L~(-1)的冬小麦越冬水,春后在冬小麦拔节期浇灌一次2~4 g·L~(-1)微咸水;(2)冬前不灌越冬水,春后分别在冬小麦拔节期和灌浆期浇灌2 g·L~(-1)微咸水。两种灌溉制度年均结合夏玉米出苗水的洗盐淡水用量和总耗水量分别为60~70 mm和250~260 mm。本文结果旨在为华北低平原区微咸水利用的节水潜力及其可持续性提供理论指导。     

基于Hydrus-1D模型的玉米根系吸水影响因素分析

为探索土壤质地、植物生长状况和气象条件对不同土壤水分条件下根系吸水速率的影响机理,该文以相对根吸水速率与土壤含水率的关系衡量土壤水分有效性,利用Hydrus-1D模型模拟了3种土壤（壤黏土、黏壤土和砂壤土）中不同玉米生长状况（包括叶面积指数、根系深度和根系剖面分布）或蒸发力条件下根系吸水速率随含水率的动态变化,确定了不同条件下根系吸水速率开始降低的临界含水率。结果表明：土壤质地、植物的叶面积指数和根系分布及大气蒸发力都对根系吸水动态曲线的临界含水率有一定影响,其中根系深度和根系分布形状还影响根系吸水速率与含水率关系曲线的形状,但在3种土壤中,根系吸水速率的动态变化对植物生长和大气蒸发力的响应不同。总体而言,3种土壤临界含水率的大小是壤黏土＞黏壤土＞砂壤土;临界含水率随大气蒸发力的升高而升高,随根系深度和深层根系分布的增加而降低;各因子对玉米根系吸水影响程度的大小是土壤质地＞根系分布形状＞根系深度＞大气蒸发力＞叶面积指数。     

再生水灌区地下水防污性能区划模型的建立与验证

为促进地下水水资源保护和利用,根据研究区域的特点以及地下水防污性能的影响因素,基于DRASTIC模型,选用以下6个因子：地下水水位埋深、降雨入渗补给量、表层土壤类型、包气带岩性、含水水力传导度以及土地利用类型建立了再生水灌区地下水特殊防污性能区划模型。采用地理信息系统GIS技术和内梅罗指数法,绘制研究区域地下水综合污染指数分布空间图,并且探讨了防污性能区划的验证方法以及等级划分标准。结果表明：地下水综合污染指数与研究区域的防污性能具有很好的相关性（R2=0.9591）,采用DRASTIC模型评价地下水特殊防污性能是可行的,可为再生水灌区地下水的保护以及利用规划提供重要借鉴。     

排水循环灌溉驱动的稻区水循环模型与评价

排水循环灌溉可补充灌溉和减少涝水排放,具有缓解南方稻区旱涝急转和农业面源污染危害的潜力,但仍无有效的模型来模拟排水循环灌溉驱动下的水文过程。为此采用penman-monteith公式和作物系数法并考虑稻田渗漏与降雨有效性条件下应用水量平衡估算水稻灌溉需水量,改进SCS(soil conservation service)模型估算排水量,再以塘堰为对象建立调蓄排水和灌溉需水的水平衡演算模型。在漳河水库灌区应用该模型发现,水稻种植区存在大量的排水可供灌溉利用,而排水循环灌溉利用量受灌排面积比、塘堰容积率和塘堰初始蓄水率的影响;提高灌排面积比和塘堰容积率能明显提高补充灌溉率和排水再利用率,当两者达到一定值时补充灌溉率和排水再利用率便稳定在最高值,补充灌溉率高达20%;补充灌溉率随塘堰初始蓄水率的增加而缓慢增至20%,排水再利用率先随初始蓄水率的增加而稳定不变,随后逐渐降低。排水循环灌溉驱动的水循环模型为合理匹配排水循环灌溉的塘堰或排灌规模提供有效方法。     

基于水分供需关系的冬小麦夏玉米节水灌溉模式研究

节水灌溉是解决水资源短缺问题的重要途径之一。在长期田间试验的基础上, 运用Hydrus-1D模型对研究区冬小麦 夏玉米轮作条件下的田间水分运移过程进行了模拟分析, 探讨适宜的节水灌溉模式。结果表明, 表征土壤水分实测值与模拟值精度关系的Nash-Suttcliff效率系数Ens为0.652~0.903, 均大于0.5, 模型效果良好; 在灌水量为520 mm的传统灌溉模式下, 1.6 m土层深层土壤水分无效渗漏量为189 mm, 占地表总入渗补给水量的22.3%, 土壤水分无效渗漏大, 且与降雨和灌溉关系密切; 根据作物水分供需状况及土壤水分状况得出夏玉米、冬小麦季的灌溉量分别为50 mm、320 mm, 比传统灌溉模式共节水100 mm。改进后的灌溉模式对于土壤水分渗漏具有良好的控制作用, 土壤水分渗漏峰值明显降低, 根据作物供需与土壤水分状况提出的节水灌溉模式能减少土壤水分渗漏, 提高灌溉水利用效率。