考虑饲草料质量的家庭牧场水土草畜平衡计算方法与应用

家庭牧场作为牧区的基本生产单元,开展家庭牧场水土草畜平衡计算合理确定灌溉人工草地和牲畜饲养规模,对促进水资源可持续利用和维护草地生态安全具有实际管理意义。该研究针对牧区具体管理单元水土草畜平衡计算方法缺乏的问题,同时考虑了不同种类饲草料质量的差别,提出了考虑饲草料质量的家庭牧场水土草畜平衡计算方法,以内蒙古自治区鄂托克前旗典型家庭牧场为例,计算结果表明家庭牧场现状灌溉人工草地和牲畜均处于轻度超载状态,水资源超载率为6.05%,考虑饲草料质量前后牲畜超载率分别为12.98%和5.38%。针对现状平衡状况提出了调整种植结构和灌溉形式组合的8套优化调控方案,经不同方案可供水量变化以及可承载的灌溉人工草地和牲畜饲养规模对比分析,表明种植质量更高的饲草料、采用更节水的灌溉形式可明显提升水资源对灌溉人工草地和饲草资源对牲畜的承载能力,为给家庭牧场水资源和天然草地更多的修养生息空间,建议家庭牧场保持现有人工草地面积不增加,将紫花苜蓿灌溉形式调整为地下滴灌。将燕麦灌溉形式调整为滴灌时,核减牲畜至464羊单位维持家庭牧场水土草畜平衡;将固定式喷灌燕麦调整为滴灌玉米或地下滴灌紫花苜蓿,虽计算的适宜牲畜高于现状牲畜饲养量,但仍保持现有牲畜饲养规模。提出的计算方法可为牧区水土草畜平衡计算与管理提供一种新的思路。     

基于RAGA-DP的饲草料作物非充分灌溉制度优化模型

中国北方牧区水资源极其匮乏,灌溉饲草料基地优化配水时,通过对非充分灌溉条件下饲草料作物进行灌溉制度优化可以有效地提高水分利用率及作物产量。该文采用基于实数编码的加速遗传算法（RAGA）与多维动态规划法（DP）相结合,建立了遗传动态规划（RAGA-DP）模型,对内蒙古锡林郭勒典型草原区灌溉饲草料地非充分灌溉条件下青贮玉米、披碱草和苜蓿进行了灌溉制度优化,试验验证结果较好,有效地解决了有限水量条件下不同生育期进行优化配水的问题,并通过相对产量与供水量、水分生产率函数和边际产量的关系得到了3种作物的适宜供水量范围。该模型解决了多维动态规划法在作物非充分灌溉条件下灌溉制度优化过程中的早熟现象及易陷入局部最优而难于求得真正最优解的问题。     

干旱区引水灌区灌溉退水计算方法

准确计算干旱地区灌区退（回归）水,对水资源高效利用具有重要意义。针对中国西北干旱地区大量引水灌区的特点,该研究结合退水单位线和“水桶模型”（根系层的水均衡模型）建立了灌溉退水计算模型,并将该模型应用于甘肃省景电灌区（黄河流域部分）的退水计算,结果表明：灌区退水量计算值与监测值拟合良好,模型率定期和验证期决定系数分别为0.82和0.71,模型可靠。2000年至2019年深层渗漏量和退水量的分析结果表明：年深层渗漏量与净灌溉和有效降雨的总量呈显著正相关,相关系数r=0.718（P<0.01）;月深层渗漏量受灌区作物生长期的影响显著,69.6%的深层渗漏在冬灌（10－11月）期间产生;年深层渗漏系数与年深层渗漏量呈显著正相关（r=0.944,P<0.01）;月深层渗漏系数在作物主要生长期（4－9月）小于0.4,非生长期（11月至次年2月）大于0.8;年退水量与年深层渗漏量呈显著正相关（r=0.716,P<0.01）;月退水量与月深层渗漏量相关性较差,原因是灌溉退水存在明显的滞后性;研究区退水单位线表明灌溉退水滞后峰值在2个月左右,但深层渗漏对退水的影响可达24个月左右。退水单位线的参数具有明确的物理意义且易于确定,针对灌溉退水具有明显滞后性的干旱地区,该方法能够有效计算灌区灌溉退水量,可为灌区水资源管理和决策提供科学支撑。     

饲草料地土壤水分动态变化规律及其预测的人工神经网络模型的研究

根据2005～2006年实测土壤水分资料和气象资料,研究分析了饲草料地土壤水分的动态变化规律和建立了考虑多个因素对土壤水分影响的BP人工神经网络模型,结果表明:表层土壤的含水率变幅较大,主要是受大气降水的影响,20～40cm和40～60cm土层土壤含水率的波动,除大气降水的影响外,还与植物的生长发育状况有关;土壤水分预测模型具有较好的预测效果,用神经网络建立土壤水分预测模型的方法是可行的,对于不同条件的地区具有广泛的适应性和推广应用前景。     

咸水灌溉条件下干旱区盐渍土壤盐分变化研究

新疆盐渍化土地面积大,在盐渍化土壤上种植耐盐小麦,利用盐化水灌溉具有重要意义。试验采用随机定位、分季节取土样、室内化学分析土壤盐分含量的方法,研究土壤盐分时空变化,其结果为:当土壤盐分含量为5~12g/kg时,盐化水多次灌溉可使土壤盐分减少,尤其在夏季晒垡灌溉后,耕作层土壤盐分可显著降低;土壤盐分降低显著与否,与本身盐分含量无关;土壤盐分变化可涉及100cm深度,但变化达显著水平的仍然是表层。     

虾稻共作灌溉定额确定方法研究

近年来,中国长江中下游流域大面积发展了虾稻共作适水农业,该种养模式改变了田块结构及用水模式,其灌溉定额计算有别于普通农作物且具有一定复杂性,目前还未见相关研究报道。该文在实地调研的基础上,根据虾稻共作田块结构与用水特点,将1个周年划分为水稻非生育期阶段、水稻生育期虾稻分养阶段、水稻生育期虾稻共养阶段3个阶段,基于水量平衡原理,提出虾稻共作灌溉定额确定方法。以湖北省潜江市为例,通过资料搜集和计算参数确定,采用该文提出的计算方法对虾稻共作灌溉定额进行了计算,虾稻共作灌溉定额多年平均12 945 m3/hm2。该研究成果为虾稻共作灌溉定额提供了理论依据,对指导虾稻共作灌溉用水及水资源管理具有重要意义。     

微润灌溉技术在济源山丘区林果地的应用

微润灌溉是一种先进的新型节水灌溉技术,在济源市下冶镇韩彦村选择3.33 hm2山楂园作为试验田,铺设微润管进行微润灌溉,经过为期两年的观测,在灌溉用水量、投入人工、产量等各方面与传统灌溉进行了对比,证明微润灌溉在用水量方面可以节约81%,几乎不占用人工和时间,增产增收达到12%。济源山丘区占全市面积的88%,多为干旱缺水地区,微润灌溉在山丘区林果地应用的效益比较明显,可以大力推广应用。     

陕北丘陵沟壑区果树适地适栽与节水灌溉

根据陕北丘陵沟壑区川地、坡地以及不同坡向、不同坡位的气候条件,提出果树的最佳适栽地块.通过对陕北丘陵沟壑区果园土壤含水量的分析,提出了适合于该区的果树节水灌溉方法和灌溉量.     

节水灌溉控制排水条件下稻田水氮平衡试验与模拟

为了揭示我国南方灌区节水灌溉控制排水条件下稻田水平衡机制及其氮素迁移转化规律,以指导稻田水肥管理,该文以2007－2008年试验区域水稻生长期田间水氮监测数据为依据,基于一阶氮素动力反应方程,耦合田间水平衡及氮素渗漏和作物吸收过程,构建了田间水氮平衡模型,模拟计算了试验区稻田日渗漏水量与各氮素迁移转化过程中的日铵态氮和硝态氮量。结果表明,试验区田间水经渗漏和排水流失占降水和灌溉水总和的54.7%,气态氮素损失（挥发和反硝化）和渗漏是稻田氮素损失的主要途径,挥发和硝化损失量分别占铵态氮和硝态氮的30.6%和36.1%。渗漏流失中硝态氮明显高于铵态氮,排水中铵态氮高于硝态氮。通过渗漏流失的总氮素量亦较大,渗漏硝态氮和铵态氮分别占其相应氮素形态的9.8%和29.5%。因此,减少氮素气态损失有利于提高节水灌溉控制排水稻田氮肥利用率     

基于模拟技术及遗传算法的作物灌溉制度优化方法

通过土壤水量平衡模型对作物生育期内的土壤含水率及田间腾发过程进行动态模拟,并利用作物水分生产函数的Jensen模型估算作物产量,建立了以灌溉日期为决策变量、最大相对产量为决策目标的灌溉制度优化模型,并采用保留最佳个体的遗传算法求解作物最优灌溉制度。结合山西潇河灌区2003年冬小麦返青后的实际气象状况,用上述模型对冬小麦灌溉制度进行了优化与分析。对动态规划、单纯形搜索法及遗传算法的求解结果进行了比较,表明保留最佳个体的遗传算法能搜索到全局最优解,且结果稳定。不同情况下的灌溉制度优化结果表明抽穗初期是冬小麦的生长关键期,其次是拨节期。随着灌溉水量的增加,最优灌溉制度下的田间腾发量及冬小麦产量也相应增加,但增加幅度逐渐减小。     

基于秸秆补饲的青藏高原草地载畜量平衡遥感监测

为了快速准确地掌握青藏高原草地生产力/产草量及草畜平衡情况,促进藏区草地资源可持续利用,实现青藏高原生态与生产协调发展,有必要对青藏高原不同行政区域天然草地及补饲后的载畜能力和草畜平衡问题开展研究。该研究首先结合MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)的归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)数据、青藏高原草地类型图、气象数据、土壤质地数据等数据,利用改进的CASA(carnegie-ames-stanford-approach)模型,对青藏高原草地产草量进行了估算,并分析了青藏高原草地天然产草量的空间分布情况。然后利用草谷比法估算了青藏高原饲用秸秆资源量及空间分布情况,计算得出各县市可利用的秸秆资源的载畜量情况。最后根据草地产草量、秸秆资源载畜量和实际载畜量,利用草畜平衡模型,模拟得出各县市的超载过牧情况。结果表明:2010年,青藏高原年产草量区域差异十分明显,西藏年产草量最大为2642.89万t,青海藏区次之,为2 307.60万t;云南藏区最低,为37.36万t。青藏高原天然草地总载畜量为8 363.04万只(羊单位,以下同),其中,青海省藏区为2 889.10万只,西藏为2 789.35万只,四川藏区为1 854.10万只,甘肃藏区为796.42万只,云南藏区为34.09万只。青藏高原饲用秸秆资源量为372.16万t,其中青海藏区和西藏的饲用秸秆资源总量占整个藏区的74.77%;其他3个省份的可饲用秸秆总量比例仅占25.23%。青藏高原饲用秸秆资源可饲养牲畜293.53万只,其中青海省藏区为172.48万只,西藏为46.80万只,四川藏区为31.94万只,甘肃藏区为19.69万只,云南藏区为22.65万只。青藏高原各县市超载过牧十分突出。在未补饲情况下,超载率超过5倍的县市占7.69%,2~5倍的占13.46%,1~2倍的占28.84%,超载率小于1倍的占38.82%,未超载的仅占11.19%。通过补饲秸秆资源,未超载过牧的县市比例未发生变化,但各县市的超载过牧情况有所改善。超载率超过5倍的县市比例下降了3.2个百分点,2~5倍的下降了4.49个百分点,1~2倍的增加了5.49个百分点,超载率小于1倍的增加了2.2个百分点。因此,今后青藏高原需根据草地资源及饲用秸秆资源的承载能力严格控制牛羊的养殖数量,实现生态环境和畜牧业的可持续发展。     

牧草产量的遥感估算与载畜能力研究

为了切实保护草地生态环境,实现草畜平衡,以畜牧业大省青海省为例,利用经过GPS定位的青海省牧草地面观测资料,分析牧草产量与NOAA/AVHRR植被指数NDVI之间的关系,分类建立青海省牧草产量估算线形模型与指数模型.模型的拟合结果良好,相关系数平方(R2)超过0.67.大部分时次的地面实测值与遥感估算值所处的产量等级基本一致,模型精度可以应用于大范围的牧草产量预测.根据牧草遥感估测结果,计算分析青海天然草场的载畜能力.结果表明,青海省县级天然草地年最高载畜量基本呈南高北低的态势.南部大部分县以及北部的祁连县在100～200万只绵羊单位之间,海西州和海东大部分县在50万只绵羊单位以下.     

典型河源区畜禽粪便农田施用的环境承载力研究

畜禽粪便作为农业面源污染的主要来源之一,对农田土壤质量及河源区水质安全存在严重威胁.本研究选取东辽河源区东辽县畜禽粪便为研究对象,通过分析其重金属与典型抗生素与产生特征,阐明了畜禽粪便农田施用的环境承载力及应对措施.结果表明:畜禽粪便中重金属Cu、Zn含量最高,四环素类抗生素中金霉素残留最高,猪粪中含量高于鸡粪和牛粪....     

华北平原灌溉用水强度与地下水承载力适应性状况

针对华北平原农灌区地下水严重超采问题,基于近30a以来降水、水资源和农林灌溉状况的变化过程和现状,应用地学模数理念、均衡理论和MapGIS技术,建立了适应性状况评价指标体系与方法,以0.49km2精度识别了华北平原农林灌溉用水强度与当地地下水可采资源量之间适应性状况。研究结果表明,华北平原中部的大部分地区农林灌溉用水强度处于"严重不适应"状态,河北平原大部分地下水超采区农林灌溉用水强处于"极严重不适应"状态,其中小麦等夏粮作物灌溉用水强度占50%以上,蔬菜作物和耗水型果林灌溉用水强度所占比率呈显著增加趋势,应避免非理性持续大幅增加。     

基于灰色-马尔科夫残差预测模型的甘南草地载畜量预测

为了预测草地实际载畜量与理论载畜量,为草地畜牧业的可持续发展提供理论依据和决策支持基础,通过对甘南州4个县市1998-2009年的草地实际载畜量和理论载畜量数据分析,以灰色GM(1,1)模型和马尔科夫预测模型为基础,建立了优化改进的灰色等维—马尔科夫残差预测模型,以甘南州合作市实际载畜量为实例进行验证,预测结果显著(p<0.01),预测误差低于7.06%,表明该预测模型精度较高,适用于对草地载畜量的预测研究。最后,利用该模型对2010-2014年甘南州4县市草地实际载畜量和理论载畜量进行预测分析,基本符合草地载畜量实际变化过程,为相关部门合理确定草地载畜量和进行科学草地管理提供参考。     

畜禽粪污土地承载力系统动力学模型及情景仿真

为实现畜禽粪污土地承载力系统评估、预判其发展态势及考察不同减排政策的实施效果,本文进行畜禽粪污土地承载力系统模型的设计、仿真与情景调控。在社会经济、畜禽养殖和种植业各子系统及其要素分析的基础上,以中国北方畜牧大市——石家庄市为例,建立畜禽粪污土地承载力系统动力学模型并进行有效性检验。系统运行结果显示,模型具有具有较好的稳定性,而且模拟值与实际值误差普遍小于10%,因此模型有效。在确定模型有效之后,应用系统动力学模拟仿真不同方案下的石家庄市2007—2025年畜禽养殖土地承载力变化情况。本文设置了4种与系统惯性发展相比较的方案——调整养殖业经济结构、调整环境保护治理投资、调整粪肥占施和协同发展模式,并针对上述5种情景进行仿真。仿真结果显示:1)惯性趋势发展条件下,畜禽养殖业和种植业的产出规模都有增长,但种植业产量增长不及畜禽养殖业的增长,致使种植业难以消纳畜禽养殖产生的氮磷排放,土地承载压力加大;2)调整养殖业经济结构情景下,氮、磷平衡承载均呈现出下降的趋势,但磷平衡承载仍存在压力;3)调整环境保护治理投资情景下,氮平衡承载处于可载状态,磷平衡承载压力下降明显,但只有后8个年度可载;4)调整粪肥占施情景下,氮平衡承载处于可载状态,磷平衡承载情况虽好于初始情景,但仍超载;5)协同发展模式下,氮、磷平衡承载压力均呈下降趋势,且氮、磷承载均处于可载的水平,通过比较分析发现,协同发展模式的效果最好。本研究一方面为开展畜禽养殖污染监测评估工作、建立畜禽养殖污染评估机制提供支撑,另一方面为畜牧大市(县)和其他资源环境超载区养殖业发展的调控提供科学依据。     

基于LMDI-SD耦合模型的绿色发展灌区水资源承载力模拟

针对灌区大量引水导致的河道断流、生态环境恶化以及水资源利用效率不高等问题,开展绿色发展模式下水资源承载能力模拟研究。以宝鸡峡灌区为研究区,基于Divisia指数分解、Kaya恒等式以及系统动力学理论,提出对数平均迪氏分解与系统动力学耦合模型,从需水机理出发识别灌区用水量变化的主要驱动因子;运用情景分析法,考虑生态需水、高效节水、产业结构调整和外调水等情景设置5种模拟方案,对2017-2030年灌区需水量进行动态模拟;引入水资源承载指数探讨规划年2025年和2030年的水资源承载力水平。结果表明:灌区各部门用水定额对用水量变化起主要驱动作用;按方案1(现状发展模式),2025年水资源基本可承载灌区社会经济发展,但2030年出现轻度超载;方案5(绿色发展模式)通过对用水变化主要驱动因子的调控,到2030年,水资源承载指数均小于1,属于可承载状态。研究表明,通过合理的调控措施可有效地缓解灌区水资源供需矛盾、提升水资源承载能力。研究可为干旱半干旱灌区绿色发展模式下水资源合理开发提供科学的决策依据。     

考虑种养平衡的黄淮海小麦-玉米模式下畜禽承载量估算

黄淮海地区作为中国种植业与养殖业优势区,随着国家对农作物秸秆和畜禽粪便所带来农村环境问题的日益重视,研究该区域"以种定养"、实现种养业废弃物资源化利用、践行绿色发展理念显得尤为重要。以区域种植业实际生产情况为基础,确定典型种植模式下可施用畜禽粪便类有机肥量,经推导计算后确定区域畜禽养殖种类与数量。该文选取河北、河南和山东为黄淮海地区典型代表,在保障粮食产量和满足农田环境风险评估的基础上,研究小麦-玉米生产模式中,畜禽粪便类有机肥每年可施用量,经推导得到高温好氧堆肥处理前的畜禽粪污资源量,进而计算得到每年可承载的不同种类畜禽养殖量。这样既可满足种植业生产的肥料需求,也能缓解养殖业粪污带来的环境压力。研究结果表明:黄淮海地区小麦-玉米生产模式中,每公顷农田每年可利用6头奶牛或18头肉牛或47～51头生猪或731～789只蛋鸡或8 062～8 705只肉鸡粪便N量。在实际生产中,土壤肥力和土壤微生物等多因素影响有机肥可施用量,不同种类畜禽的农田承载量还需进一步优化。该研究为促进黄淮海地区种养结合提供一定的理论基础。