基于SHAW模型的南疆典型棉田适宜冬春灌盐分淋洗策略

为探究南疆地区棉田休闲期土壤水热盐运移过程及适宜的冬春灌盐分淋洗策略,基于当地棉田测坑连续两年作物休闲期(2019—2020年、2020—2021年)0～80 cm的土壤水、热、盐监测数据,对SHAW模型进行率定和验证;并设置64个冬春灌情景,包括8个冬灌定额(0、600、1 200、1 800、2 400、2 700、3 000、3 600 m³/hm²)和8个春灌定额(0、300、600、900、1 200、1 800、2 100、2 400 m³/hm²),进一步模拟了不同冬春灌组合模式下休闲期的土壤水热盐运移规律。结果表明：SHAW模型能够较可靠地模拟南疆地区休闲期冻融土壤水热盐运移规律。其中,土壤温度的模拟精度最高,不同土壤深度R²均不小于0.95;而土壤含水率和含盐量受到土壤水分相变的影响导致模拟精度稍差,最小R²分别为0.61和0.73。不同冬灌处理在冻结期未冻水含量大幅降低,冬灌定额越大的处理,未冻水含量越少。冬灌水量越大,冻结期表层土壤温...     

不同秸秆覆盖厚度下季节性冻融土壤的水热运移规律模拟研究

运用水热耦合模型(SHAW)对秸秆覆盖厚度为5、10、15、20和30 cm下的季节性冻土中的水热迁移进行了模拟。结果表明:模型对土壤水分模拟效果较好,模拟期土壤水分模拟的标准误差RMSE为0.003～0.08 m~3/m~3。由于表层土壤易受外界气象条件变化的影响,模型对土壤温度模拟结果误差相对较大,但误差处于合理范围内。使用率定好的SHAW模型对秸秆覆盖厚度大于30 cm下的土壤水热运移进行了模拟预测,模拟结果表明当秸秆覆盖厚度≥45 cm时,秸秆覆盖下的土壤水热运移基本不受外界影响。     

基于机器学习算法模拟不同土壤深度含水率

准确模拟土壤水分(SM)对农田精准灌溉、优化区域水资源配置和提高农业水资源利用效率具有重要意义。采用逐日气象和土壤含水量数据，探究随机森林(RF)和支持向量机(SVM)模拟不同深度(4 cm、10cm和20 cm)土壤含水量的适用性，采用太阳辐射(R_s)、空气温度(T)、降水量(P)、风速(U₂)、空气湿度(RH)和土壤温度(ST)数据的4种输入组合，探讨不同输入变量对SM模拟的影响。结果表明：RF模型在4种输入组合下模拟不同深度土壤含水量精度最高，SVM模型模拟精度较低，R²范围分别为0.871～0.914和0.710～0.814,RMSE范围分别为0.050～0.069 cm³/cm³和0.080～0.098 cm³/cm³,MAE范围分别为0.030～0.051 cm³/cm³和0.060～0.077cm³/cm³。考虑模型精度和数据易获取性...     

越冬期麦田根区水热耦合模型参数原位估算与检验

越冬期根区充足的蓄水量有利于春季冬小麦的生长并有助于增产,而冬季作物根区水分运移规律通常借助土壤冻融过程水热耦合模型来描述,但该模型的预测精度受参数确定方法与边界条件等多种因素的影响。为了提高模型预测精度,提出了一种改进型的土壤冻融过程水热耦合模型参数估算方法,即运用土壤冻融特征曲线(冻土未冻水含量和土壤温度的关系)来原位估算土壤水热耦合模型参数,并检验该方法的适用性。在此基础上,评价地表蒸发量对模型预测精度的影响。大田试验在北京市昌平区小汤山精准农业示范基地开展,历经两个越冬期(2011—2012年和2012—2013年),利用管式介电传感器、温度传感器和蒸渗仪分别采集了土壤剖面未冻水含量、土壤温度和地表蒸发量数据。利用第1个越冬期(2011—2012年)的数据拟合土壤冻融特征曲线,对土壤水热参数进行最优估算,利用第2个越冬期(2012—2013年)的数据评价估算参数和地表蒸发量对模型预测精度的影响。结果表明:利用估算参数的模型预测值整体上与实测值相符。考虑到地表蒸发量对模型水热上边界的影响,第2个越冬期10 cm处未冻水含量与温度预测值和实测值的RMSE分别为0.046 m3/m3和1.883℃,20 cm深度RMSE分别为0.071 m3/m3和2.347℃。相比之下,在未考虑地表蒸发量影响下,第2个越冬期10 cm处未冻水含量与温度的模拟值和实测值的RMSE为0.059 m3/m3和2.149℃,20 cm深度RMSE为0.081 m3/m3和2.666℃。提出的改进型模型参数估算方法能够保证模型的预测精度,且考虑地表蒸发量的影响能够进一步提高模型的预测精度,随着深度的增加,蒸发量对水分与温度的影响逐渐减小。     

季节性冻融期不同潜水位埋深下土壤蒸发规律模拟研究

为了揭示季节性冻融期不同潜水位埋深和土壤质地对土壤蒸发的影响,通过连续2个冻融期的蒸渗计土壤剖面含水率和土壤温度的监测,利用水热耦合运移模型模拟研究了4种不同潜水位埋深(0.5、1.0、1.5、2.0 m)下砂壤土和壤砂土的土壤蒸发规律。结果表明:不稳定冻结阶段和消融解冻阶段地表土壤均出现昼融夜冻的特征,土壤液态水分较多,砂壤土和壤砂土蒸发量分别占整个冻融期的91.7%和81.8%以上。稳定冻结阶段的土壤蒸发量随着潜水位埋深的增加而增大,但小于0.31 mm。潜水位埋深为0.5 m时冻融期土壤蒸发量最大,砂壤土和壤砂土分别为47.28 mm和25.60 mm,随着潜水位埋深的增加,冻融期土壤蒸发量呈指数型减少,土壤颗粒直径相对较大的壤砂土土壤蒸发量随潜水位埋深的增加而衰减的幅度较为明显。该研究可为地下水浅埋区土壤盐渍化的防治和地下水资源量的科学评价提供依据。     

基于灰色关联分析-BP神经网络的冻融土壤蒸发预报模型

根据冻融期气象资料和土壤蒸发量实测资料,利用灰色关联分析与BP神经网络相结合的方法,对冻融期大田土壤蒸发量进行了模拟预报。采用灰色关联度方法分析了影响冻融土壤蒸发的9个因子的关联度,确定了降水量、日平均气温、水面蒸发量、地表土壤温度和地表土壤含水率5个主要因子,并将其作为冻融土壤蒸发量预报模型的输入层进行模拟预测。结果表明:模型预测值与实测值的平均相对误差为9.9078%,决定系数为0.93,所建模型合理可行,可较好地用于冻融土壤蒸发预报。     

基于PCA-PSO-GRNN模型的冻融期土壤蒸发预报

季节性冻融作用加剧了土壤蒸发的复杂性,准确预测冻融期大田土壤蒸发量对干旱半干旱地区水资源高效利用具有重要意义.基于2017-2018年冻融期大田土壤蒸发实测数据和影响土壤蒸发的气象资料,利用主成分分析法对气象数据进行降维,选取7个主要气象因子作为模型输入变量,采用粒子群算法选取最优光滑因子建立PCA-PSO-GRNN土...     

冻融土壤Philip入渗模型参数的BP预报模型

为提高季节性冻土区冬、春季储水灌溉的灌水质量和效果,在季节性冻土区冻融期间进行了大田冻融土壤的系列入渗试验,获取了自然冻融条件下的大量土壤入渗试验数据,拟合得到了不同冻融条件下的Philip入渗模型参数,建立了入渗模型参数与土壤基本理化参数间的BP神经网络的预报模型,实现了基于土壤体积含水率、黏粒含量、土壤密度、土壤温度以及灌溉用水水温等基本理化参数对Philip入渗模型参数稳渗率A、吸渗率S的预报。所得到的预测值与实测值之间相对误差的平均值控制在7%以内。研究表明,利用冻融土壤条件下土壤常规理化参数对Philip入渗模型参数进行预报是可行的,可为季节性冻融土壤灌溉技术参数的确定提供有力支撑。     

基于全耦合的地表水土壤水运动与溶质运移数值模拟

为探究降水条件下水分与溶质在地表和土壤中的运动规律，分别采用二维扩散波方程和传统的三维Richards方程描述地面径流和土壤水分运动，选用双层结点法对两者进行耦合，根据达西定律和地表与土壤水中的溶质浓度，计算地面径流和土壤水分的溶质交换量，从而构建地表水土壤水运动与溶质运移全耦合数值模型。选取已发表文献中的物理模型实验进行数值模拟，算例1和算例2中地表径流数值模拟结果和模型实验结果的平均相对误差分别小于14.8%和21.5%，均方根误差分别小于0.147 cm²/s和0.833 cm²/s；算例2中径流硝态氮浓度的数值模拟结果和模型实验结果的平均相对误差小于24.7%，均方根误差小于1.334 mg/L。物理实验和数值模拟所得地表径流量和溶质浓度数据的对比分析验证了模型的合理性和准确度。研究结果可为地表水土壤水水分运动与溶质运移耦合分析提供理论支持。     

基于主成分分析和粒子群算法优化支持向量机的冻融土壤蒸发预报模型

在季节性冻融期,影响土壤蒸发的因素颇为复杂,准确估算冻融土壤蒸发量对土壤水资源的高效利用具有重要意义。根据2017-2018年冻融期大田试验数据,选取太阳辐射(x_1),日平均气温(x_2),地表土壤温度(x_3),地表土壤含水率(x_4),风速(x_5),气压(x_6),相对湿度(x_7),降水量(x_8),水面蒸发量(x_9)等9个影响冻融土壤蒸发的因素,采用主成分分析法和粒子群算法优化的支持向量机建立了冻融土壤蒸发量的预报模型。结果表明:所建立的基于主成分分析和粒子群算法优化支持向量机的冻融土壤蒸发预报模型,预测值和实测值的决定系数达0.951 3,平均相对误差为9.870 4%,可较好地用于冻融土壤蒸发量的预报。     

秋耕对季节性冻融土壤水热盐运移规律的影响

为了探明秋耕处理模式对北疆季节性冻融土壤水热盐运移规律的影响,对比分析了翻耕(FG)、免耕(MG)、垄沟(LG)、翻耕秸秆覆盖(FJ)、翻耕活性炭覆盖(FH)5种秋耕处理下土壤温度、含水率和电导率时空变化规律的差异.结果表明:不同秋耕处理改变了土壤的冻结、融化过程,维持冻融期土壤温度序列稳定的能力FJ>FH>LG>MG...     

季节性冻土的水热作用机制研究——以古尔班通古特沙漠南缘为例

【目的】阐明新疆干旱区冻融土壤的水热耦合关系,建立在冻结融化过程中土壤水热耦合模型。【方法】以土壤水动力学、冻土物理学和统计学为理论基础,利用土壤水分与温度测量系统对不同土层深度土壤的温度和湿度进行测量,比较土壤含水率和温度随时间与深度的变化情况,研究了新疆典型干旱区细土平原区与沙漠交错带的冻融土壤水热迁移规律,分析不同土层深度土壤在冻结期、融化期的水热变化特征。【结果】土壤冻结融化过程中,各层土壤的液态含水率、温度均与环境温度的变化趋势基本一致,但随着土层深度增加,土壤温度和含水率的变化趋势均在逐渐减弱;深层土壤的液态含水率在冻结融化过程中基本不随环境温度升降发生变化,浅层5、20 cm土层的温度和含水率之间具有耦合效应。【结论】季节性冻土的水分和温度之间具有耦合效应。     

基于HYDRUS-2D和SHAW模型联合模拟确定膜下滴灌农田秋浇定额

针对季节性冻融区膜下滴灌农田因水盐空间分布极度不均匀且受冻融影响显著而无法有效确定秋浇定额这一问题,基于田间试验数据,采用HYDRUS-2D和SHAW模型联合模拟,进行引黄灌溉条件下膜下滴灌农田不同秋浇定额下土壤水盐运移动态模拟,研究其单年际和多年际秋浇定额.结果显示:①单年际秋浇时,轻度盐渍化土壤,推荐秋浇定额为11...     

盐分对季节性冻融土壤蒸发的影响试验及数值模拟研究

[目的]探究盐分对季节性冻融土壤蒸发的影响规律.[方法]在内蒙古河套灌区开展了B1和B2二组不同含盐量下(B1:7.80 g/kg;B2:41.16 g/kg)的野外土柱蒸发试验,建立了考虑盐分影响(该影响由盐分阻抗和土壤表面阻抗体现)的冻融土壤蒸发数值模拟模型.采用土柱试验结果对模型进行了率定验证,并与SHAW模型进...     

西北地区冬小麦腾发量估算模型适用性评价

为实现对西北地区冬小麦腾发量(ET)的准确估算,在对不同生育期ET的影响因子进行分析后分别采用双作物系数模型、单作物系数模型和Priestley-Taylor(PT)模型模拟ET,并以大型蒸渗仪实测ET为标准值对比其精度.结果表明:气象因子是播种-返青(Ⅰ期)和抽穗-乳熟(Ⅲ期)ET的主导因子,作物因子是乳熟-收获(Ⅳ期)ET的主导因子,2种因子对返青-抽穗(Ⅱ期)和全生育期ET的驱动作用相近;Ⅰ期双作物系数模型、单作物系数模型和PT模型的R²分别为0.511 8,0.239 3,0.374 2,RMSE变化范围为0.284 6~0.366 3 mm/d,总体评价指标GPI排名分别为1,3,2;Ⅱ期3个模型的R²均在0.700 0 以上,RMSE为0.540 9~0.844 0 mm/d,双作物系数模型模拟效果最好;Ⅲ期各模型的R²均高于0.600 0,RMSE为0.828 8~1.258 7 mm/d,双作物系数模型GPI排名第1;Ⅳ期3个模型的R²分别为0.799 1,0.671 6,0.270 8,RMSE为0.968 1~1.946 2 mm/d,作物系数模型模拟精度明显高于PT模型;全生育期各模型RMSE为0.551 5~0.893 6 mm/d,双作物系数模型的R²达到0.902 2.     

地表覆砂对季节性冻融土壤蒸发影响的试验研究

地表土壤的无效蒸发加剧了干旱半干旱地区农业用水短缺,为了揭示季节性冻融期地表覆砂对土壤蒸发的影响,进行了地表无覆盖(LD)、覆盖厚度均为1 cm覆砂粒径为0.5～1.5 mm(XS)和1.5～2 mm(CS) 3种地表处理条件下的大田土壤蒸发量、土壤温度和土壤含水率跟踪监测试验。结果表明:冻融期地表土壤覆砂可有效改变土壤蒸发的日变化幅度,不稳定冻结阶段覆砂处理抑制蒸发效果不明显,稳定冻结阶段地表覆砂可有效抑制土壤蒸发,消融解冻阶段地表覆砂加剧了表层土壤水分蒸发;冻融期LD、XS和CS累积土壤蒸发量分别为29.87、34.32和33.43mm,土壤累积蒸发量随时间较好地符合幂函数关系。研究成果可为冻融期制定科学合理的保墒措施和有效抑制土壤蒸发提供依据。     

基于AquaCrop模型的冬小麦咸淡轮灌制度模拟与评价

为探寻适宜冬小麦的咸水灌溉方法,针对拔节期、抽穗期和灌浆期开展了不同咸淡轮灌方式(淡淡淡（A0）、咸淡淡（A1）、淡咸淡（A2）、淡淡咸（A3）,咸水矿化度为10 dS/m)及单次灌水量(40 mm（I1）、60 mm（I2）、80 mm（I3）、100 mm（I4）)的田间试验,利用AquaCrop模型对咸淡轮灌下土壤水盐和冬小麦生长生产进行校验,并通过情景模拟优化了咸淡轮灌方案。结果表明：AquaCrop模型可以较好地模拟咸淡轮灌下土壤水盐状况及冬小麦生物量和籽粒产量,率定时土壤含水率、土壤含盐量、冠层覆盖度、累积蒸发蒸腾量、生物量和籽粒产量的均方根误差（RMSE）分别为1.06%～2.09%、0.03～0.27 dS/m、4.2%～11.0%、14.95～52.17 mm、0.57～0.86 t/hm²和0.28 t/hm²,验证时最终生物量和籽粒产量的RMSE分别为0.51 t/hm²和0.33 t/hm²,且各指标决定系数（R²）均大于0.70,一致性指数（d）均大于...     

补充灌溉对盐渍化农田冬小麦生长生产的影响模拟

为探究适宜干旱半干旱地区盐渍化农田冬小麦的补充灌溉策略,开展了不同灌溉次数和土壤含盐量处理下的田间试验,利用AquaCrop模型对冬小麦生长生产进行了校验,并通过情景模拟优化了典型水文年份下盐渍化农田冬小麦补充灌溉方法。结果表明：(1)AquaCrop模型可较好的模拟补充灌溉对盐渍化农田冬小麦冠层覆盖度、累积腾发量、干物质量及籽粒产量的影响,各指标的相对误差P_e为-28.54%～20.78%,相关性系数R²为0.90～0.98,均方根误差RMSE分别为5.28%～12.19%、14.99～26.81 mm、0.57～1.04 t/hm²和0.45～0.55 t/hm²,归一化均方根误差NRMSE为6.49%～20.10%。(2)随着灌水次数减少和土壤含盐量增加,模型精度有所降低,同时由于AquaCrop在全生育期采用了一致的作物系数,无法准确预测水盐胁迫下冬小麦早衰现象,模型易高估亏缺灌溉和盐渍化土壤条件下的冬小麦生长生产。(3)研究区轻度盐渍化农田推荐的冬小麦补充灌溉策略是干旱年在拔节、开花及灌浆...     

冬季田间水热状况的数值模拟

根据土壤冻结过程中水热迁移的基本方程，推导了土壤水热耦合方程，改进了冻结条件下土壤水热迁移问题的求解方法。用该模型模拟了室内主地试验，模拟结果与试验结果吻合较好，同时计算速度较快。根据地表能量平衡原理，微气象理论，建立了冻结条件下土壤蒸发模型，将其作为土壤水热迁移的上边界条件，模拟了北京永乐店试验站冬小麦试区１９９５￣１９９６年越冬期（１９９５．１２．０１￣１９９６．０２．２９共３个月）土壤的冻融     

基于柑橘叶面积指数和产量的WOFOST模型关键参数校正

为进一步分析不同水肥管理条件对柑橘产量的影响使其更广泛的应用于不同区域，并探明WOFOST模型参数针对柑橘果树生长模拟时的参数敏感性结果和取值情况，开展2021-2022年柑橘不同生育期滴灌水肥控制试验，采用EFAST方法对WOFOST模型模拟叶面积指数(LAI)和产量所需的叶片生长、CO₂同化、同化物转换和叶片营养物质等25个参数进行了敏感性分析，使用PEST软件完成高敏感参数的优化，并利用田间试验观测数据对模型模拟的LAI和产量进行验证。结果表明，模型模拟LAI和产量的敏感参数相似，均包括叶面积指数的最大相对增长率、比叶面积、单叶片CO₂同化效率，叶片同化物转换效率，初始根长，区别为LAI模拟对茎同化物转换效率，积温等参数敏感，而产量模拟对叶片干物质最大钾浓度敏感；基于2021年数据校正后最优参数模型模拟的不同灌溉管理下LAI最大值(LAI_m)模拟值与实测值之间R²=0.580 0,NRMSE=15.10%，产量模拟值与实测值之间R²=0.647 1,NRMSE=6.81%...