水平微润灌湿润体HYDRUS-2D模拟及其影响因素分析

为探索土壤质地、初始含水率、压力水头和埋深对水平微润灌土壤湿润体特性的影响机理,利用试验数据验证了水平微润灌HYDRUS-2 D模拟结果的可靠性,模拟值与实测值非常吻合。在此基础上,模拟研究了3种土壤质地(砂壤土、壤土、粉壤土)以及壤土中不同初始含水率(0.085、0.106、0.130 cm~3/cm~3)、压力水头(0.6、1.2、1.8 m)和埋深(20、30、40 cm)条件下土壤湿润体动态变化规律。结果表明:土壤湿润锋运移距离皆符合垂直向下水平方向垂直向上的规律,湿润体在形状上差异不大,土壤含水率等值线均为近似"同心圆";土壤质地对湿润体特性有显著影响,土壤质地越黏重,湿润锋运移速率越慢,湿润体体积越小,土壤含水率等值线越密集,其"圆心"越靠近微润管,灌水结束时,壤土和砂壤土湿润体体积分别是粉壤土的1.3倍和2.5倍;在确定的土壤质地条件下,初始含水率和压力水头对湿润体特性有较大影响,湿润锋运移距离及湿润体体积均随土壤初始含水率、压力水头的增大而增大,初始含水率为0.106和0.130 cm~3/cm~3的湿润体体积分别是0.085 cm~3/cm~3的1.2倍和1.5倍,压力水头为1.2和1.8 m的湿润体体积分别是0.6 m的1.6倍和2.2倍;微润管埋深对湿润体分布位置有显著影响,埋深较浅时,湿润锋容易到达地表,埋深较深时,土壤湿润体随埋深下移而同步下移。     

微润灌溉线源入渗湿润体特性试验研究

为探明微润灌溉线源入渗水分运移规律,通过室内土箱试验对微润灌溉土壤水分分布进行研究,分析土壤质地和土壤密度对湿润体特性的影响。结果表明:微润灌溉湿润体是以微润带为轴心的柱状体,黏壤土为近似圆柱体,砂土湿润体横剖面为"倒梨"形,黏壤土R:X:H(R为水平运移距离,X为垂直向上运移距离,H为垂直向下运移距离)平均为1.00:0.90:0.99,砂土为1.00:0.81:0.95。湿润锋水平和垂直(向上和向下)运移距离均与灌水时间呈显著的幂函数关系,土壤密度和质地是影响湿润体特性的主要因素;微润带流量小,单位长度流量不超过210 mL/(m.h),可适应土壤含水率变化自动调整,累计入渗量与灌水时间呈线性关系;湿润体内含水率以微润管带为轴心呈同心圆面分布,大部分土壤含水率介于田间持水量的80%～90%之间,微润灌溉均匀度高,达95.62%。因此,微润灌溉技术节水效果显著,适宜旱区作物用水需求。     

基于辐射累积量的灌溉策略对不同土壤质地温室黄瓜产量和品质的影响

针对设施土壤栽培中缺乏简单实用灌溉策略的问题,该研究以黄瓜‘中农26’为试材,在典型土壤质地（壤土、黏壤土和砂壤土）下,控制同一质地土壤相同太阳辐射量累积下总灌水量一致,探究基于太阳辐射累积量的灌溉策略（分别以15、20和25 MJ/m²的辐射累积量作为灌水起始点）对日光温室秋冬茬黄瓜植株生长、产量、灌溉水分利用效率和品质的影响。结果表明,对于壤土、黏壤土和砂壤土,以25 MJ/m²的辐射累积量作为灌水起始点,分别对应单次3.22、3.56和2.77 mm的灌水量,有利于植株获得更高的光合速率、叶面积、株高和节间数;但同一质地土壤相同灌水量下基于太阳辐射累积量的灌溉策略并未对黄瓜产量和灌溉水分利用效率产生显著影响（P>0.05）。对于壤土、黏壤土和砂壤土,以20 MJ/m²的辐射累积量作为灌溉起始点,分别对应单次2.59、2.85和2.22 mm的灌水量,果实可获得较高的可溶性糖和维生素C含量,较低的硝酸盐含量,品质较优。因此,基于太阳辐射累积量作为灌水起始点的灌溉策略可用于设施黄瓜栽培,但单次灌水量需综合考虑土壤质地类型和高产/优质的栽培目标进行设定。     

滴灌湿润体交汇情况下土壤水分运移特征的研究

以室内试验为基础，测定了重壤土、中壤土、砂壤土在不同滴头流量、不同灌水量下的滴灌交汇土壤水分入渗运动过程。研究结果显示了滴头流量、灌水量和土壤质地对交汇入渗湿润体形状的影响规律。滴灌入渗交汇界面的湿润锋水平和垂直距离与入渗时间之间符合良好的线性关系，湿润锋水平和垂直速度随着交汇时间的延长而增大。随着距滴头距离的增加，滴灌交汇入渗湿润体内的土壤含水率降低，湿润锋交汇界面处的土壤含水率一般均大于同等土壤深度的含水率。研究结果对滴灌系统设计理论具有一定的指导作用。     

自适应滴灌灌水器的水力性能试验

为检验自适应滴灌灌水器的流量自动调节效果,根据自适应滴灌灌水器的工作原理,利用负压吸气泵模拟土壤负压,进行了AD-1型自适应滴灌灌水器在流量补偿、流量自适应2种工作模式的流量均匀性、供水压力-流量关系、模拟土壤负压-流量关系等水力性能试验与研究,并分析了其适宜的工作压力。结果表明:AD-1型自适应滴灌灌水器增添的滴水状态控制结构,不仅保留了常规滴灌灌水器的流量补偿特点,还增添了感知土壤水分含量、智能化控制灌溉和流量自动调节的多重使用功效。在流量补偿模式下,灌水器在额定供水压力100kPa时的平均流量为14.71L/h,且流量均匀度高,流量偏差系数为9.79%;在流量自适应模式下,灌水器的流量均匀度基本不变,在供水压力30kPa和土壤负压最小值20kPa的共同作用时即可开始正常工作,并确定出最小、最大的适宜供水压力分别为30、50kPa。在适宜供水压力30～50kPa范围内,灌水器能根据土壤实际水分状况在0～11.22L/h之间实时、自动调节滴水流量,改变了常规灌水器被动出水的工作方式,真正实现作物、土壤的按需主动连续取水,明显地提高了节水灌溉设备的精准灌溉水平,既保证了作物正常生长的适宜土壤水分,又促进了灌溉系统应用模式向智能化、自动化方向的进一步发展。     

肥液浓度对不同形态氮素在土壤中运移转化特性的影响

为揭示肥液(尿素)浓度影响下土壤湿润体中不同形态氮素的运移转化规律,选取黏壤土和砂壤土作为肥液入渗试验供试土壤,量化分析肥液浓度对土壤累积入渗量和不同形态氮素在分布和再分布过程中运移转化特性的影响。结果表明:相同入渗时间内土壤累积入渗量随肥液浓度的增大而增加,Kostiakov公式的入渗系数与肥液浓度呈现线性关系,建立并验证了考虑肥液浓度影响的土壤累积入渗量估算公式,模拟值与实测值具有较高的一致性,两者间的相对误差绝对值均值均8.0%;入渗结束时,土壤湿润体相同位置处的尿素态氮、铵态氮(NH_4~+-N)和硝态氮(NO_3~--N)含量均随肥液浓度的增大而增加;NH_4~+-N主要分布在土壤湿润体深度20 cm以上,尿素态氮和NO_3~--N含量随着湿润体深度的增大呈现下降趋势;再分布过程中,土壤湿润体中尿素态氮含量随再分布时间的增加整体呈现减小趋势,且黏壤土和砂壤土湿润体中的尿素态氮分别在再分布5,3天时基本水解完成;NH_4~+-N含量呈现先增加后减小的趋势,黏壤土湿润体中的峰值约出现在再分布3～5天,而砂壤土约在再分布3天;黏壤土湿润体中NO_3~--N含量呈现先增加后减小的趋势,其峰值约在5～10天,而砂壤土中NO_3~--N含量在再分布10天时,始终保持在较高水平。研究结果为农田灌溉施肥系统的设计和管理提供理论基础和技术支撑。     

层状土壤质地对地下滴灌水氮分布的影响

以均质砂土（S）、均质壤土（L）和上砂下壤层状土壤（SL）为对象,采用室内土箱试验,研究了土壤质地及其层状结构和地下滴灌灌水器流量对水分、硝态氮和铵态氮分布的影响。结果表明,SL层状土壤中,砂-壤界面增加了水分的横向扩散而限制了水分的垂向运动,致使界面下部形成水分和硝态氮积聚区。土壤硝态氮分布还受肥料溶液浓度和土壤初始硝态氮浓度影响,对试验采用的土壤初始硝态氮浓度较低而肥料溶液硝态氮浓度较高的情况而言,灌水器周围的硝态氮浓度与肥料溶液的硝态氮浓度相近,随着离开灌水器距离的增加,土壤硝态氮浓度减小。灌水器周围的土壤含水率和硝态氮浓度随灌水器流量的增大而增大。施肥灌溉使灌水器周围5～10 cm范围内的铵态氮浓度出现峰值,而土壤质地和灌水器流量对铵态氮浓度分布没有明显影响。因此地下滴灌水氮管理措施的制定应综合考虑土壤质地及其结构、初始土壤水氮状况、灌水器埋深及流量、灌水量、肥液浓度等因素。     

地表滴灌土壤湿润体特征值的经验解

粘壤土地表点源入渗试验研究表明 ,其土壤湿润体形状近似为半椭球体 ,水平和竖直方向的最大入渗距离与入渗时间存在极显著的幂函数关系。湿润体体积和灌水量之间存在显著的线性关系 ,在2～ 4Lh-1的滴头流量范围内 ,灌水量相同时不同流量滴头对应的湿润体体积的最大差异保持在 5 %以内。地表点源入渗过程中 ,土壤湿润体内平均体积含水率的增量和入渗时间、滴头流量无关保持为一定值 ,在本研究条件下为 0 32 6。综合以上结果 ,提出了预测地表滴灌入渗土壤湿润体特征值的经验解模型     

深层坑渗灌不同开孔方式单点土壤入渗特性研究

为了探讨深层坑渗灌灌水器不同开孔方式对湿润体的影响,通过室内机理试验研究了砂壤土条件下底面开孔、侧面开孔以及底面和侧面同时开孔的3种灌水器的入渗特性,试验结果表明:开孔方式对累积入渗量,空间3个方向最大湿润锋运移距离以及土壤含水率均产生影响,采用幂函数拟合各方向湿润锋与时间的变化关系,在对3种灌水器条件下的湿润体形状分析基础上,建立了湿润体体积计算模型,验证了该模型精度。在实际应用过程中,对于根系分布较浅的作物,可选取侧面开孔灌水器;对根系分布较深的作物,则选择底部开孔的灌水器。研究结果为深层坑渗灌技术的发展奠定了基础。     

土壤层状质地对小流量地下滴灌灌水器特性的影响

以均质壤土（L）、均质砂土（S）、上砂下壤（SL）和壤土中有砂土夹层（LSL）4种土壤质地结构为对象,利用室内土箱试验,研究了土壤质地及其层状结构对灌水器流量的影响,估算了灌水器出口正压值。试验选用10 m水头压力下额定流量为1.1 L/h的地下滴灌专用灌水器。土壤为层状结构时,上层土壤厚度为20 cm,砂土夹层的厚度为10 cm。L、S、SL试验的灌水器埋深为15 cm;为了探讨灌水器埋深与土壤质地变化相对位置对灌水器性能的影响,LSL的灌水器埋深设计为15、25和35 cm。试验采用的工作压力为2、3、6和10 m水头。结果表明：灌水开始后,出口正压的迅速增大致使灌水器流量迅速减少,而后逐渐趋于稳定。灌水器流量随时间的变化可近似用幂函数表示。灌水器在土壤中的流量比在空气中的自由出流流量有所减小,灌水器自由出流流量越小,减小幅度越大。土壤层状质地对灌水器流量影响明显,一定压力下,灌水器在层状土壤中的流量小于在均质土壤中的流量,尤其当灌水器位于LSL的砂土夹层中时,流量比在均质壤土中减少13%,比自由出流流量减少20%。利用试验结果建立了地下滴灌灌水器流量与土壤饱和导水率、层状土壤结构、灌水器工作压力的经验关系,对各影响因子的敏感性分析结果表明,对地下滴灌灌水器流量影响最明显的是灌水器工作压力,其次是层状土壤结构,饱和导水率的影响较小。     

设计流量和土壤质地对微孔陶瓷灌水器入渗特性的影响

为探明微孔陶瓷灌水器土壤中入渗流量变化的原因,明确微孔陶瓷灌水器的出流原理,该研究基于土桶模拟试验,研究3种设计流量(0.72、1.87和4.40 L/h)的微孔陶瓷灌水器下2种土壤(黄绵土、塿土)的渗流特性。结果表明,使用不同灌水器灌溉后,短时间内入渗流量均迅速减小,而后缓慢减小趋于稳定。设计流量与土壤质地均影响灌水器的出流。灌水器周围土壤水势的变化是造成入渗流量变化的直接原因,土壤含水率的变化是入渗流量变化的根本原因。在没有淹没出流的情况下,土壤含水率越高,入渗流量越小。设计流量为1.87 L/h灌水器应用于塿土中,当土壤含水率由13%增大至40%时,入渗流量由1.4 L/h下降至0.3 L/h左右。灌水器周围土壤含水率对入渗流量具有反馈调节作用。采用微孔陶瓷灌水器作为灌溉系统的核心部件,在内部水头适宜(微压或零压)的情况下,通过灌水器入渗流量与土壤含水率的耦合作用,可实现土壤水分的自动调控,达到主动灌溉的目的。该文可为微孔陶瓷灌水器的推广应用提供参考。     

不同质地土壤上玉米养分吸收和分配特征

采用池栽试验在4种质地土壤和2种施肥水平下,研究了玉米植株氮、磷、钾的吸收和分配特征。结果表明,不同质地土壤上玉米植株养分累积量为氮钾磷;不同处理玉米氮、磷、钾的累积量表现为中壤轻壤粘壤砂壤,且各处理间差异达显著水平。不同处理叶片和茎鞘中三元素累积量的变化与单株一致,氮、磷、钾分配以叶片中的比例略高于茎鞘。从后期氮、磷、钾的转移率看,不同质地土壤表现为砂壤轻壤中壤粘壤;不同处理中子粒中氮、磷、钾的含量与产量变化一致,且处理间达显著水平。施肥增加了各种质地土壤上玉米植株及器官氮、磷、钾的累积量和子粒产量,其中砂壤增加幅度最大,轻壤和中壤次之,粘壤最小。同时施肥使得叶片和茎鞘中的氮、磷、钾转移率略有降低。     

水质及流量对盐碱土滴灌湿润锋运移影响的室内试验研究

采用15°扇柱体有机玻璃土槽，研究了不同水质和滴头流量对盐碱土湿润锋运动的影响。试验所采用水的钠吸附比(SAR)分别为2和20，水的含盐浓度(C)分别为80、20 mmol/L和蒸馏水，滴头流量分别为2、3.4和8 L/h。试验结果表明：不同时间的二维湿润锋边界形状近似半椭圆形；在相同水质情况下，水平湿润距离和垂直湿润距离均随滴头流量的增加而增加；相同灌水量的情况下，滴头流量的增加有利于水分水平方向的发展，不利于垂直方向的发展；用蒸馏水灌溉时，水平湿润距离明显高于其他含盐水灌溉的情况，垂直湿润距离明显小于其他含盐水灌溉的情况；不同浓度含盐水滴灌时对湿润锋的影响不明显；湿润锋的宽深比随着灌溉时间的持续而减小。     

地下滴灌影响要素及其敏感性分析

地下滴灌是一项具有广阔应用前景的高效节水灌溉技术之一。为分析不同影响因素对地下滴灌滴头流量的影响机制,以PLASSIM滴头、和平滴头2种滴头为研究对象,利用有机玻璃桶(直径40cm,高40cm)内埋设滴头(表层20cm下)系统分析了滴头工作压力(60,100,150,200,250,300,370kPa)、土壤初始含水量(12%,18%)及土壤容重(1.25,1.40g/cm~3)对地下滴灌滴头流量的影响及其敏感性。结果表明:工作压力是地下滴灌滴头流量的主要影响因素,且随工作压力增大,滴头流量增大;土壤初始含水率和容重对供试的滴头流量均起制约作用,其中对轻砂土的制约作用更为明显;土壤质地对各影响因素的敏感性存在差异,其中轻砂土最敏感,粉壤土居中,轻粘土最弱。PLASSIM滴头、和平滴头的敏感性指标均随工作压力、土壤初始含水率、容重的增加而降低。通过系统分析多种土壤物理特性对地下滴灌滴头流量的影响及其敏感性分析,将为设计经济、高效而又节水的地下滴灌系统,制定合理的地下滴灌制度提供理论依据。     

滴灌流量对土壤水盐运移及再分布的作用规律研究

通过室内土箱模拟试验,对不同滴头流量处理的土壤水盐运移及再分布规律进行了研究,结果显示:两滴头交汇界面处的湿润锋依滴头流量不同而呈椭圆形或圆形;大滴头流量促进了水分的水平运动,水平扩散速率明显大于垂直入渗速率;随着滴头流量的减小,水平和垂直方向的入渗距离逐渐接近;土壤湿润体体积与总灌水量有关,而与滴头流量并无显著相关;根据湿润锋的运动,给出了试验用土大田建议滴头流量;滴灌结束后,水盐经历了一个非常重要的再分布过程,经过再分布,土壤水盐进一步向深层运移,促进了上层土壤的淡化,小滴头流量的淋盐效果明显好于大滴头流量;土壤盐分的运移在前3天的再分布中最为活跃;试验得出了保证作物生长需要和淋盐需要的每滴头灌溉水量,对实践具有一定的指导意义。