基于HYDRUS-1D模型的荒漠绿洲水盐运移模拟与评估

针对河套灌区引水量逐年减少、荒漠绿洲农业生态环境恶化等问题,该研究以沙丘-荒地-海子系统为研究对象,通过2a定点观测,利用HYDRUS-1D模型对沙丘、沙丘-荒地交界和荒地进行了不同时期水盐动态模拟,揭示了荒漠绿洲水盐运移特征,评价了荒漠绿洲农业生态状况.结果表明:1)沙丘、沙丘-荒地交界和荒地土壤水分和盐分率定与验证...     

内蒙古河套灌区荒地水盐运移规律模拟

该文以内蒙古河套灌区为背景展开荒地水盐运移规律研究。在田间试验基础上,分析荒地土壤水盐的运移机理,利用HYDRUS-1D模型对荒地土壤水盐的迁移规律进行了模拟。荒地做为灌区盐分的贮存地,成为灌区水盐平衡的重要调节因素,荒地水盐动态研究对于干旱灌区具有重要意义。结果表明,强蒸发是荒地水盐运移的原动力,5 cm土层EC值上升了66.10%,20 cm土层EC值上升了63.89%。荒地在作物生育期是积盐的过程,在秋浇期是流失盐分的过程。经检验,HYDRUS－1D模型对盐渍化地区荒地水盐在垂直方向运移的模拟具有较高的精度,为区域水盐管理和灌区的可持续发展提供科学依据。     

基于HYDRUS模型渠道渗漏模拟及影响因素分析

为探明影响有压入渗渠道渗漏的主要因素,采用恒水位静水试验的方法开展渠道渗漏试验,试验设置8个入渗水头,探究不同水深情况下渠道的累积入渗量及入渗速率的变化规律,并选用HYDRUS-2D软件进行模拟分析。结果表明:实测值与模拟值的变化规律基本吻合,入渗速率的RMSE值为0.003 6~0.376 3 cm/h,累积入渗量的RMSE值为0.001 7~0.300 9 m^3,R^2的值均达到0.9以上,说明选定的土壤水分运动方程合理,选取的相关参数值合适,用于渠道渗漏评价是可行的。采用HYDRUS-2D模型野外拓展试验对渠道水深、底宽及边坡系数进行影响分析,渠道水深的变化对入渗速率的影响较大,而渠道底宽、边坡系数的变化对入渗速率的影响较小。渠道水深、底宽及边坡系数对累积入渗量的影响均呈现极显著相关(P<0.01),对累积入渗量的影响程度大小为渠道水深>渠道底宽>边坡系数。其中渠道底宽和边坡系数的交互作用对累积入渗量的影响并不显著(P>0.05),渠道水深和边坡系数的交互作用对累积入渗量的影响呈极显著相关(P<0.01),渠道水深和底宽的交互作用对累积入渗量的影响同样呈极显著相关(P<0.01)。研究结果为探明渠道水分入渗规律、改进渠道防渗技术及开发新的的渠道渗漏损失计算方法等提供参考。     

脱硫石膏施用下宁夏盐化碱土水盐运移特征

为定量描述脱硫石膏施用下盐化碱土土壤剖面盐分与淋洗水量的关系,通过室内土柱淋洗试验开展了脱硫石膏施用下不同淋洗水量对宁夏盐化碱土水盐运移影响的研究。结果表明:施用脱硫石膏对增加水分入渗和降低0—20cm土层土壤pH、盐分含量产生了积极影响,土壤脱盐率84.39%~95.41%,但较大水量的淋洗有可能会加剧土壤碱化。连续淋洗条件下,最大脱盐深度位于60—80cm土层。脱硫石膏施用下,0—20cm土层Cl~-、Na~+溶脱率随淋洗水量的增加变化不大,低淋洗水量下,SO_4~(2-)溶脱率低于Na~+和Cl~-,高淋洗水量下,3种离子溶脱率接近;20—40cm土层主要盐分离子溶脱率由大到小依次为Cl~-、SO_4~(2-)、Na~+,各离子脱盐率随淋洗水量的增加先增加较快后趋于平缓。当淋洗水量达到60cm时,SO_4~(2-)和Na~+在80—100cm土层累积,Cl~-则运移至100cm土层以下。     

脱硫石膏施用下宁夏龟裂碱土水盐运移特征

通过室内土柱淋洗试验,开展了脱硫石膏施用下不同淋洗水量对宁夏龟裂碱土水盐运移影响的研究,结果表明：脱硫石膏施用下龟裂碱土随着入渗时间的增加,湿润锋深度和累积入渗水量呈先急剧增加再缓慢增加的趋势;0~20 cm土层土壤pH值、碱化度和全盐量均有较大幅度的降低;连续淋洗条件下,最大脱盐深度位于40~60 cm土层;0~40 cm土层,随入渗水量的增加土壤脱盐率缓慢增加,其中0~20 cm土层处理1到处理4土壤脱盐率分别为79.72％、89.88％、91.93％和92.22％;随淋洗水量的增加,0~20 cm土层主要盐分离子易于溶脱的顺序为Mg2＋>Cl－>SO2－4>Na＋> HCO3－, Mg2＋溶脱率最大,可达到100％,20~40 cm土层主要盐分离子易于溶脱的顺序为Na＋>Cl－>Mg2＋, Na＋溶脱率最大,可达到91.42％, HCO3－和SO2－4含量则先增加后降低,0~40 cm土层Na＋、 Cl－、 Mg2＋随淋洗水量的增加淋洗效果更为明显。     

盐碱地水盐运移理论及模型研究进展

我国盐碱地分布广泛,总面积达3600万hm2,土壤盐渍化问题已经成为制约农业可持续发展的重要因素之一.盐碱地治理和改良的关键在于探究土壤水盐运移规律,而水盐模型是模拟和预测农田土壤水盐动态变化最为有效的途径.目前围绕土壤水盐运移的基本理论及模型应用的研究已取得长足的进步,包括水盐运移机理研究及其影响因素和数值模型研究,...     

干缩裂缝下土壤水分运移模拟研究

干旱条件下土壤开裂是一种常见的自然现象。裂缝会为水分和溶质运移提供优先通道,易产生农田灌溉效率降低、养分淋失和地下水污染等问题。基于土壤表面入渗、裂缝边壁层流通量及水平吸渗同降雨强度平衡原理,构建了单裂缝下土壤水分运移模型,结合大田试验,通过Hydrus(2D/3D)和数字图像处理技术对模型进行了验证。结果表明,该模型能够有效地预测裂缝内水分的分布特征和内部运移过程,为开展农业节水灌溉、提高灌溉效率等提供理论依据。     

作物生长条件下农田水盐运移模型

将农田水、盐运移与作物动态生长这一大系统分解、组合,分别建立了饱和—非饱和土壤水分运动、土壤盐分运动及农作物生长３个子模型,分析了３个子模型之间的动态耦合关系,并给出了相应的求解方法,结合实例进行分析,结果表明,实测资料与计算结果吻合较好,为节水灌溉和防治盐渍化提供了新的决策途径。     

冬小麦生长条件下改进遗传算法在根系水盐运移模型中的应用研究

应用改进遗传算法,优化人工神经网络模型的权值,对盐分存在下的冬小麦根系分布进行定量预报,将获得的根系分布参数与根系吸水模型以及水盐运移模型相结合,进行了水分、盐分分布的数值模拟。结果表明,应用改进遗传算法可以为根系吸水模型提供所需的根系参数,并且可以较好地对土壤中水分、盐分的运移分布情况进行模拟;该方法建模简单、实用,模型对于土壤次生盐渍化的防治与微咸水的灌溉利用等具有参考价值。     

有机酸改良剂对盐碱土水盐运移的影响

土壤盐碱改良剂的应用研究对土壤改良及作物生长有重要意义,其中富含有机酸的改良剂因其无毒无害效果显著被广泛使用。通过室内一维土柱入渗试验,选取“禾康”盐碱清除剂作为典型有机酸改良剂(简称OA),设置4组施用含量梯度(0.140,0.145,0.150,0.155 g/cm^2),以未施加OA的处理作为对照,同时设置不同的OA施加深度(5—10,15—20,25—30 cm),以研究OA对盐碱土水盐运移的影响。结果表明:混施OA处理中,随着OA施加量的增加,土壤入渗能力减弱,稳定入渗率显著下降,通过Philip和Green-Amp入渗模型对入渗过程拟合,Philip模型较Green-Ampt与拟合参数的一致性较好,更适合于土壤中含有有机酸改良剂作用的入渗过程模拟,吸渗率S、稳渗率A相对误差分别为9.82%,2.23%,吸渗率S、稳渗率A、饱和导水率KS及土壤水吸力Sf均呈减小趋势,土壤的持水性能和土壤脱盐率显著提升。在层施OA处理下,随着层施深度的增加,累积入渗量增大,稳渗率降低,土壤的脱盐率无明显提高。研究结果为有机酸改良剂在盐碱土改良应用中提供理论依据。     

基于CERES-Maize模型的华北平原玉米生产潜力的估算与分析

在对DSSAT4.0中CERES-Maize模型进行参数校正和验证的基础上,进一步利用华北地区具有代表性的10个气象站30年(1976～2005年)的气象资料以及华北地区典型的土壤数据展开模拟.结果表明,在一年一季的生产条件下,华北平原各地区玉米多年平均光温生产潜力为13.53～22.56 t/hm2;各地区玉米产量在4月下旬至6月中旬的播期范围内均呈随播期的延迟而增加的趋势,对这一趋势和各气象指标进行相关分析表明,在华北北部主要驱动因子是灌浆期平均日辐射量,而华北中南部主要驱动因子是灌浆期的温度.华北平原自北向南,优化播期呈逐渐推迟的趋势:北部怀来地区5月上旬播种较为适宜,北京、乐亭和天津地区以5月下旬至6月初播种产量最高;中南部以6月中上旬播种(夏播)较适宜.     

华北平原土壤剖面质地构型对小麦产量的影响研究

华北平原是一个河流冲积而成的平原,土壤剖面层次质地分异明显,土壤剖面在垂直方向上的质地层次不同排列影响作物产量,目前在这方面的研究甚少。本文基于河南省封丘县152个土壤剖面层次的颗粒组成和121个田块的连续两年小麦测产结果,应用模糊c-均值算法模型和地统计学模型,研究了土壤剖面质地构型与小麦产量间的定量关系。结果表明:研究区主要分布了8种土壤剖面质地构型,它们对应的小麦生产力水平差异较大。8种类型中,砂–砂–砂型小麦生产力水平最低,对应的分布区是小麦的主要低产区,土壤剖面全砂性质地是导致小麦低产的一个关键因素,原因是砂性土壤不利于保水保肥,而且砂性土壤本身所含土壤养分很低。壤–黏–壤、壤–黏–黏构型是肥力条件较好的土壤,传统上称这种土壤为"蒙金地",小麦单产较高且稳定,是建设高产田的基础。砂–壤–壤、壤–壤–壤、壤–壤–黏构型是肥力条件最好的土壤,其小麦生产力水平最高。将小麦单产进行分级后研究发现,土壤剖面质地构型对7 050 kg/hm2的中低小麦产量会产生影响,但对7 050 kg/hm2的小麦高产影响不大。     

南水北调中线工程与华北平原农业持续发展

本文分析了我国华北平原缺水情况，提出了兴建南水北调中线工程和节约用水是解决华北平原水资源供需矛盾的两大基本战略措施，中线工程将促进华北山前平原新产业带的形成，推动整个华北平原农业和经济的持续发展。     

华北平原2001-2011年冬小麦播种面积变化遥感监测

为及时、准确地获取华北平原冬小麦时空分布信息,构建多源遥感监测系统,基于MODIS EVI时间序列数据和两景TM影像,建立华北平原冬小麦时序波谱曲线库,并结合农作物物候历制订统一规则,在此基础上,重建华北平原2001-2011年冬小麦播种面积时空变化过程。结果表明:1)多源遥感监测系统提取华北平原2001-2011年冬小麦信息,在栅格尺度上获得了稳定的较高分类精度,平均为76.36%;在县域行政单元尺度上,2011年的冬小麦遥感监测面积与统计数据的耦合度也较高(决定系数为0.89,均方根误差为1.29×104 hm2);2)华北平原2001-2011年的冬小麦播种面积呈持续上升趋势,2011年比2001年增加了156.05×104 hm2(14.96%);3)冬小麦播种面积大致呈"南增北减"的时空变化格局:平原中南部的鲁西南平原、胶莱平原、豫东平原和皖北平原冬小麦种植面积扩张趋势显著;而北部的京津冀地区冬小麦面积明显收缩。该研究旨在为华北平原调整农业种植结构、制订粮食安全策略及优化水资源管理提供数据支持,也可为大范围、长时间尺度的作物播种面积时空变化遥感监测提供方法借鉴。     

华北平原典型土地利用类型下包气带土壤水稳定同位素变化特征

基于华北平原典型土地利用类型(梨园、农田)包气带(>18 m)土壤水同位素测定结果, 分析了华北平原深层土壤水稳定同位素(δD、δ18O)特征, 揭示了不同土地利用类型下包气带土壤水补给过程中蒸发和入渗的规律。结果表明, 研究区大气降水线δD =6.07δ18O-5.76(R2=0.86), 土壤水δD、δ18O值均落在大气降水线下方, 表明降水入渗补给土壤水过程中经历了强烈的蒸发作用;除梨园Ⅰ, 土壤水同位素值变异系数浅层＞中层＞深层, 表明浅层土壤水δD、δ18O波动较大, 主要由于其易受到降水和蒸发的影响, 随土壤剖面深度的增加, 蒸发和降水的影响逐渐变弱;梨园Ⅰ深层土壤水同位素变异系数较大, 表明该样点深层土壤水受到地下水波动的影响;梨园浅层土壤水氘盈余(d-excess)较农田大, 说明农田浅层土壤水蒸发强度大于梨园;0.25~0.5 m深处土壤水均出现δD、δ18O的明显富集, 主要受土壤质地分层影响导致土壤水入渗受阻, 同位素较为富集的土壤水在此深度层积聚;而梨园2~5 m出现δD、δ18O的贫化现象, 主要是梨树根系埋深使得降水以优先流形式补给至此土壤层。梨园和农田包气带土壤水δD、δ18O垂直剖面上差异显著,表明了华北平原不同土地利用方式的包气带土壤水入渗过程有明显差异, 梨园包气带土壤水入渗过程主要以优先流补给影响。本研究为深入了解华北平原农田区厚包气带水分运动、氮素迁移转化与地下水水质之间的关系提供了理论依据。     

华北山前平原农田土壤养分循环的酶学调控

土壤酶是推动土壤养分循环的生物催化剂, 研究华北山前平原农田养分循环的酶学调控机制将有助于评价该地区土壤养分状况。试验用土壤取自中国科学院栾城农业生态系统试验站, 分析了土壤脲酶与碱性磷酸酶活性在0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm 和30~40 cm 4 个土层中的分布, 研究了土壤粗砂(2 000~200 μm)、粉砂(200~63 μm)、粉粒(63~2 μm)和黏粒(2~0.1 μm) 4 个颗粒组中土壤酶活性与土壤养分之间的相关性。研究结果表明: 土壤脲酶活性与碱性磷酸酶活性均随土壤深度增加而降低, 土壤酶活性随土壤粒径减小而升高。在土壤粗砂和粉砂组分中, 土壤酶活性与养分含量显著相关, 而在土壤粉粒和黏粒组分中, 土壤酶活性与土壤养分含量并不总是显著相关。这些结果说明: 土壤酶活性在土壤养分循环中起到重要的调控作用, 土壤粗砂和粉砂中的土壤酶具有较高的田间实际催化活性, 对土壤养分循环的贡献较大; 与此相反, 土壤粉粒和黏粒中的土壤酶由于土壤无机矿物的吸附作用而失去部分田间催化能力, 降低了其对土壤养分循环的贡献。     

华北平原秸秆覆盖冬小麦减产原因分析

秸秆覆盖是减少农田棵间蒸发和提高水分利用效率的措施之一。冬小麦/夏玉米一年两作种植中, 秸秆资源非常丰富, 随着机械化作业的发展, 小麦秸秆覆盖夏玉米技术在同类地区得到成功应用和推广。但夏玉米秸秆覆盖冬小麦后对冬小麦的生长发育产生了一些不利影响, 造成了冬小麦不增产或减产, 限制了该项技术的推广。秸秆覆盖造成冬小麦穗数的降低是冬小麦产量降低的主要原因, 其次是千粒重的降低。大部分研究表明秸秆覆盖小麦地表后, 使根区土壤温度白天最高温度低于不覆盖处理, 夜间的最低温度高于不覆盖处理, 土壤温度的日较差减小。秸秆覆盖下根区温度的变化可能是引起小麦生长发育滞后和产量降低的主导因素。本文综述了华北平原秸秆覆盖冬小麦减产原因, 为实现两熟区冬小麦秸秆覆盖提供理论依据。     

华北平原农户主动退耕冬小麦的影响因素模型分析及政策启示

为揭示华北平原农户主动退耕冬小麦的现状及其影响因素,借助河北省沧县农户问卷调查数据,构建农户土地利用决策理论模型与多层二项logit模型。结果表明:1)案例区农户主动退耕冬小麦现象已较为普遍,2000年以来冬小麦退耕面积占耕地总面积的比例达28.18%;2)地块、农户和村庄3个层次在解释农户土地利用决策方面均发挥显著作用,其解释程度分别为52.1%、17.5%和30.4%;3)地块层次的土地质量、灌溉水源和地块面积在1%或5%水平下显著影响农户冬小麦退耕决策,且土地质量低下、灌溉水源稳定性较差、面积较小的地块更有可能退耕冬小麦;4)农户层次的平均务工收入、地均务农劳动力数量、受教育程度、农机设备和地块破碎度在5%或10%的水平发挥显著影响,且地均务农劳动力数量少、平均务工收入和地块破碎度高、农业决策者受教育程度高且不具备农机设备的农户退耕冬小麦的概率更高;5)村庄层次灌溉用电单价通过了5%的显著性检验,且灌溉用电单价越高时,农户越有可能发生冬小麦退耕行为。在此基础上,提出相关政策建议如下:农户主动退耕冬小麦背景下推行土地休耕制度须精准,应以严格的冬小麦种植摸底调查监测为前提,还应结合农村集体新型产业发展、农业水价综合改革等措施推进制度落实;同时,应加强地表水资源的合理配置与管理,稳定与适度发展地表水灌溉的小麦面积,为实现土地休耕与口粮安全"双赢"做出贡献。     

基于Meta分析华北冬小麦高产高效协同提升灌溉方案

目前针对灌溉对冬小麦产量和水分利用效率影响研究大多基于单点实验,受气候、土壤等因素影响,研究结果可比性较差,且难于获得区域结论。本文通过检索搜集获得186篇大田实验文献,共1876对观测数据,采用Meta分析方法分析明确了灌溉对华北冬小麦产量和水分利用效率的影响,揭示了不同区域、降水年型、土壤质地和施氮量水平下灌溉对产量和水分利用效率的影响差异,明确了不同情景下华北冬小麦产量和水分利用效率协同提升的最佳灌溉量。研究结果表明,与生长季内不灌溉相比,灌溉使华北冬小麦总体增产32.0%～38.3%,水分利用效率降低27.3%～30.1%。冬小麦生长季降水量<150mm的西北区域灌溉增产幅度（39.6%～53.5%）高于降水量>150mm的东南区域（24.3%～27.1%）,灌溉后水分利用效率降低幅度（32.4%～37.5%）高于东南区域（22.0%～24.3%）。冬小麦高产高效的生长季内最佳灌溉量西北区域为150～180mm,东南区域为120～150mm;干旱年、平水年和湿润年均为灌溉两次效果最佳,且最佳灌溉时期分别为拔节期和开花期、拔节期和抽穗期、拔节期和孕穗期,最佳总灌溉量均为120～150mm;壤土条件下灌溉对冬小麦增产效果最佳,黏土条件下水分利用效率降低幅度最小,沙土、壤土、黏壤土和黏土四种土壤质地下冬小麦最佳灌溉量分别为60～90mm、120～150mm、180～210mm和150～180mm;施氮量在120～240kg·hm⁻²时,灌水80～140mm增产节水效果最佳,其中灌水110～140mm条件下冬小麦产量更高,而灌水80～110mm冬小麦水分利用效率更高。综上所述,华北地区冬小麦在湿润年型下拔节和开花期灌溉,平水年型下拔节和孕穗期灌溉,干旱年型下拔节和抽穗期灌溉,总灌溉量为120～150mm,可实现高产节水,若该区域为壤土,同时施氮120～240kg·hm⁻²,冬小麦可实现产量和水分利用效率的协同提升。关键词：华北冬小麦|产量|水分利用效率|协同提升|Meta分析方法     

华北平原不同等级干旱对冬小麦产量的影响

华北平原是中国重要的粮食生产基地,其中冬小麦播种面积和产量均居中国首位,在国家粮食安全中具有重要作用,干旱是影响该区域冬小麦产量的最主要农业气象灾害.该研究基于华北平原44个气象站点1981—2017年的逐日气象数据以及作物、土壤和田间管理资料,以作物水分亏缺指数为农业干旱指标,基于调参验证后的农业生产系统模型(Agr...