滴灌均匀性对土壤水分传感器埋设位置的影响

合理选择土壤水分传感器埋设位置以减少监测点密度和成本,是基于无线传感器网络制定灌溉处方图亟待解决的一个关键问题。该研究基于土壤含水率时间稳定性原理,将直接代表平均土壤含水率的点位用于土壤水分传感器布设位置点的选取,在水平方向分布均匀,垂直剖面土壤颗粒组成变异程度随土层深度增加的粉壤土田块内分析了低、中、高灌水均匀系数(分别为0.6、0.8和0.97)对春玉米主要根系层土壤含水率空间分布均匀性和时间稳定性的影响。结果表明,春玉米生育期内,随灌水均匀系数降低,土壤含水率空间分布均匀度降低,但低、中、高灌水均匀系数处理的土壤含水率均匀系数均大于0.81;低、中、高灌水均匀系数处理的平均Spearman秩相关系数均达到了显著水平(P0.05),但土壤含水率空间分布结构相似性随灌水均匀度的增加而减小;对高灌水均匀系数处理,0~0.2、0.2~0.4、0.4~0.6、0.6~0.8 m土层直接代表平均土壤含水率的测点比例分别为83%、78%、53%和86%。随灌水均匀系数降低,各土层直接代表平均土壤含水率的测点数量减少,说明土壤水分传感器随机布设引起的测量误差将随滴灌灌水均匀度的减小而增大。     

番茄种植地土壤水分传感器最佳埋设深度试验

土壤水分传感器测定土壤含水率从而指导灌溉,对于提高作物水分利用效率和产量都具有十分重要的意义。对番茄种植中产量与水分利用效率最佳的水分条件以及土壤水分传感器的最佳埋设位置进行了试验研究。结果表明,在开花坐果期土壤含水率下限控制在60%的田间持水率,结果盛期土壤含水率下限控制在75%的田间持水率是番茄生长的最优水分条件;同时,10-20cm土层土壤含水率能很好地代表计划湿润层内的平均土壤含水率(开花坐果期和盛果期R²分别达到0.95和0.85以上),把土壤水分传感器埋设于此土层深度比较合理。     

斥水程度对脱水土壤水分特征曲线的影响

为研究斥水程度对土壤水分特征曲线的影响,该文基于滴水穿透时间法,人工配置7种斥水程度的黏壤土(L0~L6)和6种斥水程度的砂土(S0~S5),用高速离心机测定其土壤水分特征曲线,应用van Genuchten-Mualem(VG)模型进行拟合,得出VG模型水力参数。结果表明:在同一吸力条件下,斥水黏壤土的含水率比斥水砂土的高;随着斥水程度增加,在相同吸力情况下,土壤含水率随斥水程度增大而减小;斥水黏壤土的残余含水率随着斥水程度增加而减小,斥水砂土S0~S3的残余含水率没有差异,S4、S5的残余含水率显著减小;斥水黏壤土和砂土进气值的对数与斥水剂添加量呈负线性相关;随着斥水程度增加,田间持水率减小,凋萎系数没有明显差异,重力水增加,有效水和易有效水减小,易利用水比例随着斥水程度增加而减小;对于斥水黏壤土,微孔隙(0.3~5μm)和小孔隙(5~30μm)含量随着斥水程度的增加明显减小,土壤空隙(≥100μm)随着斥水程度的增加急剧增加;对于斥水砂土,中等孔隙(30~75μm)的含量随斥水程度的增加明显增加。该研究成果可为斥水土壤的入渗、蒸发和数值模拟提供理论支持。     

冬小麦节水高产的土壤水分阈值及其动态

明确影响作物产量的土壤水分阈值,对作物水分亏缺诊断及非充分灌溉实施具有重要意义。本文通过设置不同灌水次数形成土壤供水差异,在河北省衡水试验站开展2011/2012年度冬小麦田间试验,探讨冬小麦产量与7个生育期不同深度土层的土壤水分之间的关系,分析影响冬小麦产量的土壤水分阈值及其动态。结果表明,6个亏水处理与充分供水对照在土壤浅层的水分差异最大,且差异随着土层深度的增加而减小,在0.4、0.8、1.2m土层深度的差异分别为19.7%~36.5%、9.3%~21.7%和2.9%~9.7%。6个亏水处理与对照之间不同土层土壤水分的变异程度随着土层深度增加而减小。不同生育期、不同深度土壤水分含量与小麦籽粒产量之间为二项式函数关系,且呈开口向下的抛物线形式,其显著程度随生育期推进及土层深度而变化。其中0.4m土层深度水分含量与产量关系最密切。影响小麦产量的土壤水分阈值随着生育期推进总体呈下降趋势。自拔节孕穗期至乳熟期,0.4、0.6、0.8、1.0、1.2以及1.6m土层深度的水分阈值由田持的83.1%~95%降至72.3%~90.0%。依据对照与亏水处理之间的土壤水分动态差异、全生育期平均土壤水分差异、不同土层土壤水分变异程度、土壤水分与小麦产量动态关系显著性程度4个方面的分析,提出0.4m为适宜的水分亏缺诊断深度,相应地拔节孕穗、抽穗、开花、灌浆初期、灌浆中期、灌浆后期、乳熟期的土壤水分阈值分别为95.0%、98.4%、79.9%、73.7%、88.6%、79.6%和75.7%。     

种植苹果树对渭北果园土壤胶结物质分布的影响

本研究通过系统研究种植果树对土壤胶结性物质的演化规律及其与土壤团聚体稳定性之间关系的影响,探索影响果园土壤团聚体状态的因素,以期为果园科学管理提供理论依据。在渭北旱塬苹果主产区分别选取10 a、20 a的苹果园和农田(冬小麦-夏玉米轮作,对照)各4个,在果树冠层投影范围内距树干2/3处逐层采集0~100 cm土层土壤样品和0~50 cm土层原状土壤样品,研究不同植果年限果园及农田土壤剖面黏粒、有机质、CaCO_3等团聚体胶结物质的分布及其与团聚体稳定性之间的关系。结果发现:在0~100 cm土层范围内,各果园土壤黏粒含量基本随土层深度的增加而递增,且在0~40 cm土层表现为农田10 a果园20 a果园,40 cm以下土层则呈现相反的态势;种植果树相比农田可显著增加0~100 cm土层土壤有机质总储量,但随着种植果树年限的增加,土壤有机质总储量呈递减趋势;在0~100 cm土层土壤CaCO_3总储量表现为10 a果园农田20a果园,但在0~40 cm土层CaCO_3含量及储量表现为10 a果园农田20 a果园,而40~100 cm土层则为20 a果园10 a农田。皮尔森相关分析发现(29)0.25 mm土壤团聚体的数量和平均重量直径(MWD)与土壤黏粒、有机质和CaCO_3含量密切相关,其中机械稳定性团聚体的数量和稳定性主要受土壤中CaCO_3、有机质含量的影响,水稳性团聚体的数量和稳定性主要受土壤中黏粒和CaCO_3的影响。总之,植果显著改变了土壤中黏粒、有机质、CaCO_3的演化过程和趋势,随植果年限增加,果园土壤黏粒和CaCO_3在土壤较深土层淋溶淀积明显;各果园土壤有机质总储量虽然高于农田,但随植果年限增加,有逐渐减少的趋势。可见植果明显加速了渭北黄土塬地土壤的残积黏化和钙化过程,影响着表层土壤团聚作用和底层土壤的紧实化和坚硬化程度。     

冬小麦灌溉制度对土壤贮水利用的影响

足墒条件下冬小麦播种时200cm土体总贮水量为619.6mm,有效贮水量为329.5mm。冬小麦播种～拔节期主要消耗0～100cm土层内土壤有效贮水;由于有效贮水能满足作物需水,因此拔节期不出现土壤水分亏缺。拔节～开花期对照(CK)耗水深度为200cm土层,起身期灌1水(Ⅰ-1)处理为160cm,其他处理为130cm;至开花期CK和Ⅰ-1处理0～60cm土层内已呈现一定程度的水分亏缺。开花～成熟期各处理200cm 土体内土壤有效水含量均呈不同程度下降,但主要供水层为0～130cm土层;冬小麦成熟期除春后起身～孕穗～灌浆期(Ⅲ-1)、拔节～开花～灌浆期(Ⅲ-2)灌3水和起身～拔节～开花～灌浆期(Ⅳ)灌4水处理外,大部分处理0～80cm或0～60cm土层内均呈明显的水分亏缺。随灌水次数或灌水量的增加,土壤贮水利用率呈明显下降趋势。     

基于产量响应诊断冬小麦水分亏缺适宜土层及其水分阈值

明确作物产量对水分亏缺的响应是实施非充分灌溉的科学基础。该文在华北气候下,通过设置不同灌水次数造成处理间的土壤供水差异,探讨了大田冬小麦籽粒产量与不同生育时期、不同土层深度的土壤水分之间的关系,系统分析了影响小麦产量的水分阈值,提出了适宜的土壤水分诊断深度。结果表明:不论从土壤水分动态、还是从全生育期平均水分来看,亏水处理与充分供水对照在浅层土壤的水分差异最大,且随土层深度增加而减小。0~0.4、0~0.8、0~1.2 m的水分差异分别在19.7%~36.5%、9.3%~21.7%和2.9%~9.7%之间。此外,土壤水分变异程度随土层深度增加而减小。不同生育期、不同深度的水分与小麦产量关系多为开口向下的抛物线函数,但函数关系的显著程度随生育期及土层深度而变化,其中0~0.4 m的水分与产量关系最为密切。影响小麦产量的水分阈值随生育进程呈下降趋势。自拔节孕穗至乳熟期,0~0.4、0~0.6、0~1.0、0~1.2及0~1.6 m的水分阈值由田间持水率的83.1%~95%下降到72.3%~90.0%。依据处理间土壤水分动态差异、全生育期平均水分差异、不同土层的水分变异程度、土壤水分与小麦产量关系显著性程度4方面的分析,该文提出0~0.4 m为适宜的水分亏缺诊断深度,相应在拔节孕穗、抽穗、开花、灌浆初期、灌浆中期、灌浆后期、乳熟期的水分阈值分别为95.0%、98.4%、79.9%、73.7%、88.6%、79.6%和75.7%。该结果对小麦亏缺灌溉管理具有实际指导意义。     

北京大兴区人工植被恢复过程土壤水分——物理特性变化研究

以北京大兴地区4种人工林为研究对象,分析测定了林地0～100 cm土层土壤水分、土壤机械组成、土壤容重和孔隙等指标。结果表明,随着林分年龄的增长,土壤水分——物理特性得到改善。具体表现为,①土壤含水量增加,土壤水分状况改善程度大小与树种有关。②土壤机械组成中粉沙和黏粒的含量增多,中粗砂含量降低。③土壤容重值减小,土壤总孔隙度增大。     

基于变量灌溉动态分区管理的冬小麦产量与节水效果

喷灌机机载式红外温度传感器系统是动态监测农田作物水分亏缺状况、构建变量灌溉(variable rate irrigation,VRI)决策支持系统的重要工具。为了评估圆形喷灌机机载式红外温度传感器系统在变量灌溉动态分区管理中的应用效果,该研究以气象参数和土壤水分传感器网络构建的均一灌溉(uniform rate irrigation, URI)决策方法为对照,评估了基于气象参数、土壤水分传感器网络和作物冠层温度的变量灌溉决策方法对华北平原冬小麦灌溉制度、土壤含水率空间分布均匀性和节水增产效果的影响。在河北省邢台市大曹庄中国水利水电科学研究院智慧灌溉技术与装备创新示范推广基地开展试验,试验区为三跨加悬臂圆形喷灌机控制灌溉面积7.07 hm²,2021年试验区等分为2个子区,布置URI和VRI处理,2022年试验区等分为4个子区,布置URI处理、基于等间隔法进行管理区聚类划分的VRI(T1)处理、基于“Jenks”自然断点法进行管理区聚类划分的VRI(T2)处理和基于几何间隔断点法进行管理区聚类划分的VRI(T3)处理。结果表明,在冬小麦生育期内,URI和VRI处理灌...     

喀斯特峰丛坡地灌木林地与梯田旱地土壤水分入渗特征

为明确喀斯特峰丛坡地土壤的入渗特性,该文测定了灌木林地和梯田旱地不同土层的入渗过程,同时分析了影响入渗的因素,并用不同入渗模型对其过程进行拟合。结果表明:(1)梯田旱地的入渗性能低于灌木林地,其平均入渗系数约是灌木林地的78.6%,尤其在土层30~60 cm的平均初渗率、稳渗率仅为灌木林地的4.3%和4.4%,存在明显的入渗隔层,其原因是梯田旱地本身的土壤黏粒含量充足,加上人为翻耕促使较细颗粒向下移动后堆积。(2)灌木林地土壤中的砂粒含量和有机质含量较高,孔隙度较大,不同土层间的性质差异较小,而梯田旱地0~30 cm与30~60 cm土层的土壤性质差异明显,表现为下层土壤容重大、土壤孔隙度小。两者入渗性能均与土壤容重、孔隙度的相关性极显著(P0.01)。(3)Horton模型对灌木林地和梯田旱地的拟合效果较好(R20.9),且对梯田旱地表层和深层的拟合度比对灌木林地的拟合度更好。Kostiakov模型和Philip模型的拟合效果较差。该文为喀斯特土壤水分管理及土壤入渗模拟提供了理论依据。     

基于土壤水分空间变异的变量灌溉作物产量及节水效果

提高整个田块作物生长指标和产量的均匀性是实施变量灌溉水分管理的目标之一。该研究基于土壤可利用水量(available water holding capacity,AWC)将试验区划分为4个水分管理区,利用相同的灌水控制指标(0.45AWC)进行分区变量灌溉水分管理;作为对照,基于最小AWC区的土壤水分进行均一灌溉水分管理。对比变量灌溉和均一灌溉条件下冬小麦、夏玉米生长指标(株高、叶面积指数、地上部分干物质质量)、叶片相对叶绿素含量、产量及其均匀性,分析AWC对作物生长和产量的影响。结果表明,与均一灌溉相比,夏玉米变量灌溉节水14.1%,冬小麦灌水量相同。与均一灌溉相比,变量灌溉对冬小麦、夏玉米生长指标、叶片相对叶绿素含量和产量的影响均未达到显著水平,而不同AWC管理区之间作物生长指标和产量的差异均达到了显著水平。为获得更高的作物产量,建议不同AWC管理区内采用不同的灌水控制指标。研究可为大型喷灌机变量灌溉水分管理决策提供依据。     

土壤含水率监测位置对温室滴灌番茄耗水量估算的影响

土壤水分传感器埋设位置的选择是局部灌溉条件下获得作物根区代表性土壤含水率数据,从而制定滴灌灌溉制度的关键。本文以日光温室滴灌番茄为对象,研究滴灌线源土壤湿润体内含水率分布状况,通过对比距滴灌带不同位置处土壤含水率监测结果估算番茄耗水量的差异,探讨土壤含水率监测的合理位置。结果表明,番茄生育期内14~25 mm的灌水定额主要用于增加0~40 cm土层的土壤含水率,湿润体内日平均土壤含水率分布在75%~100%田间持水率。作物生育期内连续多次滴灌条件下,沿滴灌带单个灌水器形成的湿润土体会充分叠加,形成近似均匀的土壤含水率带状分布,且作物生育期内沿深度方向0~40 cm土层土壤含水率均值无显著性差异,距滴灌带不同水平距离的土壤含水率随时间的变化趋势具有同步特点,无明显的滞后性。以集中80%总根量的土壤深度作为滴灌番茄水分渗漏下界面时,14~25 mm的灌水定额会导致深层渗漏,且深层渗漏量表现出一定的空间变异性。番茄生育期内深层渗漏量约占灌水量的13%。距滴灌带不同位置处的番茄耗水量除在番茄苗期和开花座果期有较大差异外,其余生育阶段的差异均在10%以内。对温室滴灌番茄来说,滴灌高频少量的灌溉特征有利于维持作物根系层适宜的土壤水分状态,监测1个含水率剖面即可满足估算作物耗水量的要求。     

圆形喷灌机变量灌溉效益的田间试验评估

科学的变量灌溉（Variable Rate Irrigation,VRI）水分管理方法是实现VRI技术适时适量适位水量空间分配功能和提高作物水分利用效率（WaterUseEfficiency,WUE）的关键。为研究变量灌溉水分管理方法的灌溉效益,以冬小麦和夏玉米为供试作物,基于土壤可利用水量（Available soil Water holding Capacity,AWC）将试验田块划分为4个管理区,每个管理区划分为4个子区,分别布置2种常规喷灌管理（Uniform Rate Irrigation,URI）方法和2种VRI管理方法,对比评估了VRI水分管理方法在节水、增产、提高WUE,以及改善作物株高、叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）、产量和WUE空间分布均匀性方面的效果。结果表明,基于各管理区灌水上限值制定变量灌溉处方图并根据气象预报降雨量等级适当减少灌水量的VRI水分管理方法最优。与常规喷灌相比,最优VRI水分管理方法条件下,冬小麦节水36%,WUE提高12%;夏玉米节水40%,WUE提高29%。VRI与常规喷灌的冬小麦、夏玉米产量均未产生显著差异,VRI水分...     

补充灌溉及氮磷配施对黄土塬区冬小麦水分利用及产量的影响

采用裂区试验设计,对黄土塬区补充灌溉及氮磷配施条件下麦田土壤水分动态、作物产量及水分利用效率等进行研究。结果表明：1）冬小麦对土壤水分的利用深度随小麦生长发育逐渐加深,在越冬前期和孕穗期分别达1.2和2.2 m土层以下,不同处理土壤含水量在小麦生育前期差异不明显,孕穗后氮磷配施处理的土壤含水量显著低于不施肥处理;2）试验条件下,补充灌溉后同样施肥处理的作物产量与雨养相比,虽有增加但不显著;不论是雨养水平,还是补充灌溉水平,氮磷配施均表现出显著的增产效果,从低氮低磷到高氮高磷,增产幅度在134%到240%之间;3）氮磷配施能显著提高冬小麦水分利用效率,而补充灌溉后水分利用效率降低3%-30%,但未达显著水平;4）不同氮磷配施的增产效应高于补充灌溉,补充灌溉与高氮高磷处理有显著的水肥协同效应,能显著提高作物产量并保持较高的水分利用效率。     

基于小麦模型算法集成平台的三种水分胁迫算法比较

准确模拟水分胁迫并揭示其对作物生长发育过程的影响,是作物模型应用于田间研究和干旱影响评估的关键。该研究将3种主流水分胁迫算法整合到一个标准平台中,组成土壤含水率模型(average Soil Water Content,SWC)、土壤水分供需比模型(Water Supply to Demand ratio,WS/WD)和相对蒸腾模型(Actual to Potential Transpiration ratio,AT/PT)共3种水分胁迫模拟模型。利用河北吴桥2017—2019年冬小麦水分试验田间观测数据结合2008—2009和2013—2016年水分试验文献资料对模型平台进行参数校准与验证。结果表明,3种模型的模拟结果与实测值均吻合良好,地上部生物量、土壤含水率和产量的归一化均方根误差(Normalized Root Mean Squared Error,NRMSE)分别为14.0%～16.5%、5.1%～8.8%和5.4%～7.7%。3种水分胁迫模型模拟的生长季水分亏缺出现的时间和严重程度不同,但模拟的水分胁迫因子年际间变化一致。雨养条件下,生长季降水量分别决定了SWC、WS/WD和AT/PT模型模拟的年际间水分胁迫因子变异的56%、56%和39%。灌水对产量具有促进作用,但灌水量增加会导致灌水利用效率下降。SWC、WS/WD和AT/PT模型模拟枯水年灌四水(底墒水+起身水+孕穗水+开花水)处理的产量较不灌水分别高163%、132%和92%,灌四水处理的灌水利用效率较灌一水(底墒水)处理分别低26.8%、12.3%和40.0%。在吴桥县冬小麦水分管理决策中,WS/WD模型最优,SWC模型次之,AP/TP模型较差。研究结果可为提升作物模型在冬小麦干旱影响评估和水分管理方面的可信度提供参考。     

膜下滴灌玉米番茄间作农田土壤水分分布特征模拟

间作种植和覆膜滴灌是实现高产和节水的重要技术,已被广泛应用,而掌握覆膜滴灌条件下间作种植农田土壤水分分布特征对于提高水分利用效率以及增产增收都具有重要意义。该文通过2a田间试验设置高(T1)、中(T2)、低(T3)3个灌水定额处理,并通过HYDRUS2D模型模拟了间作滴灌农田不同位置土壤水分的差异性、水平水量交换以及土壤水分二维分布特征。结果表明:基于HYDRUS2D构建的间作种植滴灌农田土壤水分模型精度较高,平均相对误差为5.72%～8.14%,决定系数在0.85～0.90,均方根误差在0.017～0.023 cm~3/cm~3。对于3个灌水处理皆表现为0～40 cm土层含水率出现差异,且在0～20 cm土层含水率差异显著,2014年番茄侧和玉米侧土壤含水率在3个灌水处理下的平均土壤含水率分别较裸地高20.17%和17.83%,2015年为16.02%和12.99%。间作滴灌农田土壤水平水量交换强烈,生育期水流主要由作物侧流入裸地侧,其中对于3个灌水处理在番茄侧0～40 cm土层净流入裸地的平均水量是玉米侧的1.3倍,约为60mm/a,并且0～40cm土层由作物侧流入裸地的水量是40～100cm土层的2.5倍。二维土壤水分分布显示,滴灌湿润体与作物根系分布匹配性较好,灌水后1d湿润饱和区主要集中在0～30cm土层,其中T1、T2、T3处理的饱和区面积分别为559.14,288.61和109.78 cm~2。灌水2 d后,低灌水处理(T3)存在较明显的水分亏缺,缺水区面积是充分灌溉(T1)的30倍。研究结果可为间作滴灌农田制定灌溉制度提供参考。     

Spatial distribution of soil physical properties of alluvial soils: a geostatistical approach

Knowledge of spatial variation of soil is important in site-specific farming and environmental modeling. Soil particles size and water distribution are most important soil physical properties that governing nearly all of the other attributes of soils. The objectives of this study were to determine the degree of spatial variability of sand, silt and clay contents, and water content at field capacity (FC), permanent wilting point (PWP), and available water content (AWC) of alluvial floodplain soils. Data were analyzed both statistically and geostatistically to describe the spatial distribution of soil physical properties. Soil physical properties showed large variability with greatest variation was observed in sand content (68%). Exponential and spherical models were fit well for the soil physical properties. The nugget/sill ratio indicates except clay all other soil physical properties were moderate spatially dependent (37–70%). Cross-validation of the kriged map shows that prediction of the soil physical properties using semivariogram parameters is better than assuming mean of observed value for any unsampled location. The spatial distribution of water retention properties closely followed the distribution pattern of sand and clay contents. These maps will help to planner to develop the variable rate of irrigation (VRI) for the study area.     

基于水氮因子的宁夏引黄灌区紫花苜蓿生长模拟模型

针对苜蓿生长模型ALFAMOD在动态水分平衡模拟和氮素平衡模拟方面的不足,提出一种基于水氮因子的紫花苜蓿生长模拟模型(alfalfa growth simulation model based on water and nitrogen factors,ALFSIM-WN)。该模型以宁夏引黄灌区紫花苜蓿为研究对象,采用模块化设计方法,划分为作物动态模拟子模型、水分平衡模拟子模型和氮素平衡模拟子模型,对紫花苜蓿的产量进行模拟和估算。通过连续2 a(2016-2017)的田间试验,获取气象数据、土壤数据和田间管理数据,利用2016年数据确定了模型参数,并预测了2017年4茬次紫花苜蓿生长期、叶面积指数、土壤水分动态和产量,对模型模拟值和实际观测值进行了对比。结果表明:宁夏引黄灌区紫花苜蓿每年能收割3～4茬,与当地以饲草收割为目的的生长期相符,综合2017年4茬次数据发现模型模拟叶面积指数的平均相对误差在2.3%～17.6%,模拟土壤水分动态的平均相对误差在2.3%～17.6%,产量预测数据的平均相对误差在1.7%～16.2%。叶面积指数、土壤水分动态和产量的均方根误差分别在0.09～0.44、0.009～0.039 cm3/cm3和0.3～2.3 t/hm2。模型模拟精准度较高,说明该模型在宁夏引黄灌区适用性良好,可以作为一个有效的紫花苜蓿生长模拟预测工具在饲草种植中应用。