冬灌对越冬期土壤水分状况影响的数值模拟

根据土壤水动力学、地表能量平衡、空气动力学理论建立了越冬期土壤冻融条件下土壤—大气连续体的水热传输模型，包括冻融条件下土壤水热迁移子模型、地气间水热交换子模型。在该模型的基础上，模拟了北京地区冬灌对越冬期土壤水分状况的影响，从理论上得到了冬灌具有贮水作用的结论，并分析了合理的冬灌定额。     

地表滴灌条件下水热耦合迁移数值模拟与验证

土壤水热分布状况是作物优质高产的关键环境条件之一,基于土壤水、热运动基本方程,结合地表滴灌水分运动特点,建立了地表滴灌水、热运移数学模型,利用HYDRUS-2D软件对构建的数学模型进行了数值求解,并对数值模拟得到的土壤水热值与田间实测数值进行了对比验证。结果表明, 所构建的数学模型对地表滴灌条件下的土壤水分运动和土壤温度变化及分布的动态变化具有较好的模拟效果;当土壤、气象以及灌水资料等可知时,利用该数学模型可以较准确地预测地表滴灌条件下水热耦合迁移与分布规律,模型可用来适时监测和调控地表滴灌条件下作物生长所需的土壤水、热环境条件。此外,数值模拟值和实测结果都显示,地表滴灌条件下上层土壤的水分和温度值较下层土壤易受到土壤蒸发和大气温度剧烈波动的影响。     

我国热带亚热带森林土壤的水热动态

本文报道了我国热带(吊罗山)和亚热带(梅岭)四个林型下土壤水热动态。根据各林型的气温、地面温、表层温、林冠降水、地表蒸发、地表径流、土壤湿度、土壤含水量及渗漏水量等水热参数,各林型在一年之中可分为三个时期,即干凉(冷)期、湿热期和介于此二者之间的过渡期。三个时期的水热状况各有其特点。     

质地对土壤热性质的影响研究

土壤热性质是水热迁移研究中的重要参数之一。根据非稳态条件下热流方程的差分解和实测土壤温度资料计算了不同质地土壤的热扩散率，并得出了质地影响下的土壤导热率关系式。研究结果表明，对特定土壤而言，土壤导热率与含水率之间可建立幂函数关系；砂粒、粉粒和粘粒含量对土壤热性质有不同程度的影响；不同质地土壤的热性质与土壤水吸力之间存在良好的定量关系；此外，含盐土壤的导热率可表示为浓度的幂函数关系。     

重庆北碚区土壤水热耦合模型研究

以南方的土壤和气候条件为背景,在裸露土壤的非恒温模型一维非饱和水流运动方程后增加根系吸水函数项得到作物地的土壤一维非饱和水流运动方程,与土壤中非稳态热流方程构成作物地的土壤水热耦合运移模型,联合初始边界条件,采用隐式差分法进行数值求解.结果表明：该水热运移耦合模型模拟值与实测值基本吻合,其拟合精度随土层深度增加而提高.     

不同灌溉方式对保护地土壤酸化特征的影响

自连续13a在同一地块以不同灌溉方式进行灌溉试验的保护地,分层采集沟灌、滴灌、渗灌3个处理0～60cm土层土壤样品,研究灌溉方式对土壤酸化特征的影响。结果表明,3种灌溉处理土壤活性酸度和交换性酸含量均随着土层加深而降低,各处理间土壤活性酸度在0～40cm土层差异明显,总体为沟灌>渗灌>滴灌;土壤交换性酸差异出现在0～30cm土层,为渗灌>沟灌>滴灌;土壤交换性Al3+随土层加深呈先增加后降低的变化趋势,且以滴灌含量最低。各处理土壤盐基饱和度(BS)随土层加深而增加,在0～30cm土层为滴灌>渗灌>沟灌。土壤pH与交换性酸、硝态氮含量呈极显著负相关,与盐基饱和度、特别是Ca2+饱和度呈极显著正相关;Al3+占交换性酸比例与有机质含量呈极显著负相关。总之,保护地土壤酸化与硝态氮含量、盐基饱和度、有机质含量关系密切;与沟灌和渗灌相比,滴灌更利于抑制土壤酸化。     

冻融期积雪覆盖下土壤水热交互效应

为了研究季节性冻土区土壤水热时空分异特征,揭示冻融过程中的水热相互作用机理及其复杂性。在松嫩平原黑土区,以野外实测试验数据为基础,分别建立裸地、自然降雪、积雪压实和积雪加厚覆盖处理条件下20 cm土层土壤含水率和温度的耦合模型,并通过对比模型的预测效果研究土壤水热变化的复杂程度,采用差异性分析和基于小波变换的分形理论方法定量研究含水率与温度序列的变异波动性和分维指标,进而验证不同覆盖处理条件对于土壤水热空间变异复杂性的影响。结果表明:冻结期,积雪阻碍了环境因素对于土壤水热迁移过程的影响,土壤含水率和温度的耦合效果较好,并且预测值与实测值能够较好的吻合,裸地、自然降雪、积雪压实、积雪加厚处理条件下的相对误差分别为0.42%、0.31%、0.13%和0.06%,随着积雪厚度的增加和密度的增大,含水率和温度的差异性减弱,复杂程度逐渐降低;融化期,积雪覆盖区的融雪水入渗抑制了土壤温度稳定提升,含水率出现骤然升高的现象,自然降雪、积雪压实、积雪加厚条件下的含水率变化分别为14.31%、15.90%和16.91%,土壤温度变化范围分别为-5.9~5.3、-3.6~6.9和-3.1~3.8℃,二者的互作效应减弱,并且随着积雪覆盖量的增加,土壤的水热时空迁移复杂程度逐渐增强。同时,采用基于小波变换的分形理论研究土壤含水率和温度的时间序列复杂性精度较高、结果可靠。该研究对于揭示冻土区土壤水热迁移动态规律,准确预测春播期土壤温度和墒情,合理高效地利用松嫩平原的土壤水资源具有重要的理论价值和现实意义。     

基于长期土壤移置实验的不同气候条件下土壤有机碳水热响应驱动机制研究

土壤有机碳（SOC）是陆地生态系统中最大的碳库,其对气候变化的响应直接影响全球碳循环。然而,关于土壤有机碳对长期水热变化的响应及其微生物调控机制尚不清楚。借助跨气候带土壤移置试验平台,开展了一项8年的土壤移置试验,其中将寒温带地区（中国海伦）的黑土剖面移置到温带和中亚热带地区（即封丘和鹰潭）来模拟土壤水热条件增加。水热增加提高了植被生物量,地上部植株C/N与微生物酶活性;降低了土壤有机碳、全氮、微生物残体碳（MNC）和活性矿物的相对含量。并且,微生物残体碳对有机碳的贡献也随着水热条件的增加而降低。通过计算DMNC/DSOC以表征水热增加后微生物残体碳损失速率。结果发现,DMNC/DSOC随着水热条件的增加而显著增加,封丘地区为72.50% ± 9.35%,而在鹰潭达到了82.67 ± 2.37%。重要的是,土壤活性矿物的变化与DMNC/DSOC呈强烈的负相关关系,突出了矿物保护在调控?MNC/?SOC发挥的关键作用。这些结果表明,水热增加降低了土壤矿物对微生物残体碳的保护和/或刺激了土壤中微生物对微生物残体碳的利用,通过减少微生物残体碳促进了有机碳的显著损失。     

加热光纤法同步测定土壤水热参数误差分析

土壤水热参数是研究土壤水热传输的基本物理参数。当前热脉冲探针法（HPP）可同步测定土壤水热参数,但该方法仅限于在点尺度下测定。与其具有相同理论基础的加热光纤法（SPHP-DTS）,可将测定尺度增大至田间千米尺度,但其测定精度尚未得到有效验证。为了探知SPHP-DTS法的误差,本研究进行了SPHP-DTS法与HPP法测定土壤水热参数的对比试验。结果表明,以HPP为标准,加热光纤法测定热导率的精度RMSE为0.13 W?m-1?℃-1。SPHP-DTS法测定的热导率显著高于HPP法,主要原因在于加热光纤时产生的温度效应。通过热导率法测定土壤含水率时,在热导率测定误差的影响下,SPHP-DTS法的测定精度明显低于HPP法。SPHP-DTS法测定土壤水热参数的其他误差来源包括光纤与土壤之间多个界面的接触热阻、光纤的温度敏感性、噪音干扰以及温度梯度驱动下的水分迁移。本研究可为SPHP-DTS法提升土壤水热参数测定精度提供理论参考。     

蒸发条件下土壤水盐热运移的实验研究

土壤水盐热的耦合运移研究是土壤水盐运移理论研究的重要组成部分.在模拟蒸发条件下,通过室内土柱实验,对土壤水盐热的迁移做了初步研究.结果表明:地下水位的高低直接影响土壤剖面盐分和水分分布;本实验一直处于稳定蒸发状态,今后需进一步研究不同蒸发条件下土壤水盐热的运移规律.     

Pesticide Leaching from Agricultural Fields with Ridges and Furrows

In the evaluation of the risk of pesticide leaching to groundwater, the soil surface is usually assumed to be level, although important crops like potato are grown on ridges. A fraction of the water from rainfall and sprinkler irrigation may flow along the soil surface from the ridges to the furrows, thus bringing about an extra load of water and pesticide on the furrow soil. A survey of the literature reveals that surface-runoff from ridges to furrows is a well-known phenomenon but that hardly any data are available on the quantities of water and pesticide involved. On the basis of a field experiment with additional sprinkler irrigation, computer simulations were carried out with the Pesticide Emission Assessment at Regional and Local scales model for separate ridge and furrow systems in a humic sandy potato field. Breakthrough curves of bromide ion (as a tracer for water flow) and carbofuran (as example pesticide) were calculated for 1-m depth in the field. Bromide ion leached comparatively fast from the furrow system, while leaching from the ridge system was slower showing a maximum concentration of about half of that for the furrow system. Carbofuran breakthrough from the furrow system began about a month after application and increased steadily to substantial concentrations. Because the transport time of carbofuran in the ridge soil was much longer, no breakthrough occurred in the growing season. The maximum concentration of carbofuran leaching from the ridge-furrow field was computed to be a factor of six times as high as that computed for the corresponding level field. The study shows that the risk of leaching of pesticides via the furrow soil can be substantially higher than that via the corresponding level field soil.     

地面灌溉技术参数对氮素运移分布影响的研究进展

地面灌溉是应用最广泛的灌水方法，通过优化地面灌溉设计和管理减少水氮淋失，正在成为研究的热点问题，该文对有关成果进行了综述。由于地面灌溉的尺度较大，加之土壤水力参数和溶质运移参数的空间变异，使得地面灌溉施肥条件下溶质(N)运移分布的田间试验研究，无论在技术上还是在投入上都具有一定难度。有关沟灌、畦灌和水平畦田灌溉施肥时水氮分布的田间试验结果指出，肥料(N)分布没有入渗水深分布均匀，且与土壤初始含水率、流量、土壤入渗参数、田面糙率和施肥时机等因素密切相关。在模拟研究方面，文献中报道的模型有纯对流模型、对流-弥散模型、基于活塞流的水平衡模型和传递函数模型等。鉴于地面灌溉条件下水氮运移的复杂性，在水氮运移分布的数学模拟、灌水技术参数和施肥方式对水氮淋失的影响以及灌溉施肥质量评价指标体系等方面尚需要进一步研究。     

斥水土壤中的水热运动规律与数值模型

斥水土壤很难被雨水湿润，影响种子发芽出苗而造成农业减产。由于地表干燥而引起风蚀水蚀，造成土地退化。这一问题在澳大利亚、荷兰、新西兰与美国引起重视。斥水土壤中水分分布往往是无规律的“指状”，到目前为止，没有成功的数学模型。作者从研究斥水土壤地区的耕作工程实践出发，采用沟种之后，水分的分布就有了规律性。开沟播种时，耕作机械把表层斥水性特别强的土壤推到垄上而形成几乎不透水的垄，下雨时雨水只能从沟中渗入形     

Zero-tillage furrow opener effects on seed environment and wheat emergence

Optimum emergence is necessary to attain maximum crop yields, particularly in reduced and zero-tillage systems. However, zero-tillage seeder performance under zero-tillage conditions is not always adequate, and thus may limit potential yield benefits from this soil and water conserving practice.

A study was conducted to measure the range of influence of zero-tillage openers on some soil physical properties of the soil-seed environment. Furrow opener design has direct consequences on soil surface disturbance, furrow compaction levels, and post-seeding soil water requirements in the seed row. While soil temperature and wheat cultivar differed between two distinct field trials, furrow opener designs conducive to adequate compaction of seed furrow with press wheels consistently resulted in better wheat emergence, when soil water potentials were not limiting.

This study demonstrates that seeding tool design has a quantifiable influence on seed furrow properties, and that this information can be used to develop precise guidelines for future designs of furrow openers and press wheels.     

半干旱区玉米水肥空间耦合效应Ⅱ.土壤水分和速效氮的动态分布

在灌水量为300m3/hm2、施N肥量为248.1kg/hm2的条件下,模拟大田条件研究了两种水肥空间耦合方式下的土壤水分、速效N的动态运移规律。试验表明,在半干旱地区隔沟灌溉水肥异区、隔沟灌溉水肥同区两种处理方式的灌溉水在剖面上均以垂直运动为主,同时存在水平运动。隔沟灌溉水肥同区处理的速效N在剖面上垂直运动明显,处理后15天速效N基本均匀地分布于0~100cm土层内,速效N含量在施肥区和未施肥区之间差异较小;而隔沟灌溉水肥异区处理的速效N垂直运动程度小,速效N主要分布在60cm以上土层,速效N水平运动不明显,施肥区速效N含量远高于未施肥区。水肥异区养分的淋溶深度较小,淋失的可能性小,有利于养分长期在剖面较浅层次中分布,为作物吸收创造了条件。     

沟灌地表水流与溶质动力学耦合模拟及验证

沟灌地表水流与溶质动力学耦合模型可为沟灌施肥系统的优化设计与管理提供有力工具,然而已有相关模型无法考虑沟底相对高程随机分布,且存在溶质对流和弥散过程的分裂误差以及由此带来的不稳定性等缺陷。为此,该文采用守恒型全水动力学方程和对流-弥散方程描述沟灌地表水流与溶质运动过程,借助双时间步法和有限体积法,并在地表水位相对高程梯度向量离散式中引入额外项,以精确模拟考虑沟底相对高程随机分布下地表水流推进与消退过程,实现了无条件稳定性下对沟灌地表水流与溶质运动所有物理过程的动力学耦合模拟。借助全程、前半程和后半程施肥时机下9个典型沟灌施肥试验实测数据,验证了模型的模拟效果。结果表明,模型能以优良的拟合度模拟出考虑地表相对高程随机分布下沟灌地表水流推进与消退过程,以及地表溶质浓度演变过程,且水量与溶质量的质量守恒误差小于0.1%,有效克服了已有模型的缺陷,为沟灌施肥系统的优化设计与管理提供了优良的数值分析工具。     

土壤蒸发及水热传输研究综述

土壤蒸发与水热传输是地表能量与水分平衡的重要组成部分。本文综述了几十年来土壤蒸发、水热传输以及土壤水力、热力特性基本理论及发展过程,并提出了今后进一步研究的方向。     

季节性冻土区包气带水汽热耦合运移研究进展

季节性冻土区占据中国超过一半的国土面积,冻融作用会显著改变土壤性质与包气带水、热传输过程,并且由于季节性冻土广泛分布在干旱半干旱地区,温度与气态水对于土壤水分运移影响显著,开展水汽热耦合研究不仅更符合季节性冻土区实际情况,同时对于揭示土壤水循环机制十分关键。本文综述了包气带水汽热耦合运移理论的提出与发展历程,阐述了季节性冻融作用对水汽热耦合运移研究中水力参数及水分相态转化过程的影响,探讨了水汽热耦合模型适用性,并归纳总结了温度梯度驱动下气态水运移规律及其重要性。最后,对该领域尚需加强研究的方向提出看法与建议,以期为深化包气带水汽热耦合运移理论以及解决季节性冻土区相关实际问题提供科学依据。     

灌溉水质与灌溉沟坡度对华北土壤径流和侵蚀的影响

Irrigation-induced soil erosion seriously affects the sustainability of irrigated agriculture. The effects of irrigation water quality and furrow gradient on runoff and soil loss were studied under simulated furrow irrigation in laboratory using a soil collected from an experimental station of China Agricultural University, North China. The experimental treatments were different combinations of irrigation water salt concentrations of 5, 10, 20, and 30 mmol_c L^-1, sodium adsorption ratios (SAR) of 0.5, 5.0, and 10.0 (mmol_c L^-1)^0.5, and furrow gradients of 1%, 3%, and 5%, with distilled water for irrigation at 3 furrow gradients as controls. The experimental data indicated that total runoff amount, sediment concentration in runoff, and total soil loss amount generally decreased with increasing salt concentration in irrigation water but increased with its sodicity and furrow gradient. The effects of water quality and furrow gradient on soil loss were greater than those on runoff, and the increase of furrow gradient decreased the influence of water quality on soil loss. When the salt concentration increased from 5 to 30 mmol_c L^-1 at SAR of 10.0 (mmol_c L^-1)^0.5, total runoff amount, sediment concentration, and total soil loss amount decreased by 3.89%, 52.1%, and 53.92%, and 10.57%, 38.86%, and 42.03% at the furrow gradients of 1% and 5%, respectively. However, they respectively increased by 3.37%, 45.34%, and 55.36%, and 3.86%, 10.77%, and 13.91% when SAR increased from 0.5 to 10.0 (mmol_c L^-1)^0.5 at the salt concentration of 5 mmol_c L^-1. Irrigation water quality and furrow gradient should be comprehensively considered in the planning and management of furrow irrigation practices to decrease soil loss and improve water utilization efficiency.     

保护地不同灌溉方法表层土壤pH小尺度的空间变异

基于保护地定位灌溉试验,采用经典统计学和地统计学的方法,以网格取样方式采集不同灌溉方法(沟灌、滴灌、渗灌)表层土壤,研究微尺度下土壤pH值的空间变异特征及空间分布。结果表明:经6年灌溉,沟灌处理pH显著降低,沟灌和滴灌0～5cm土层土壤pH表现为中等空间自相关,而其5～10cm和渗灌0～5cm和5~10cm的土壤pH表现为弱空间相关,水分的供给方式和数量影响土壤pH的空间变异。