免耕条件下农田休闲期直立作物残茬对土壤风蚀的影响

为了探讨直立作物残茬防治农田土壤风蚀发生的机理,该文利用风洞试验和野外观测相结合的方法,分析土壤免耕条件下直立作物残茬对农田土壤风蚀的影响.风洞试验研究表明:翻耕土壤地表风速、土壤风蚀侵蚀率均比免耕土壤高,而地表粗糙度免耕明显高于翻耕.在同样风速条件下,翻耕地土壤风蚀侵蚀率是免耕地的3～8.2倍,且随免耕年限的增加,土壤风蚀侵蚀率呈现递减的趋势.留有不同直立作物残茬免耕土壤地表粗糙度草谷子＞草玉米＞莜麦＞油菜,土壤风蚀侵蚀率呈现相反的趋势,地表粗糙度越大,风蚀侵蚀率越小.野外观测结果表明,不同直立作物残茬对裸露农田的保护作用草谷子＞莜麦＞草玉米＞油菜.风洞试验与野外观测具有相似的试验结论,因此,风洞试验方法可作为测定农田土壤抗风蚀能力的重要工具.     

基于畦面糙率各向异性的畦灌地表水流运动模型及其验证

选取合理的畦面糙率模型,对于利用畦灌水流数值模型准确地评价和优化畦灌系统性能具有重要的理论与现实意义。该文利用二维全水动力学畦灌模型,采用张量逆运算等数学处理方法,在源项糙率矢量中构建畦面糙率各向异性模型,构建起基于畦面糙率各向异性的二维畦灌地表水流运动模型。基于典型畦灌试验结果对比分析糙率各向异性与各向同性畦灌模型的模拟效果。结果表明,与各向同性相比,所有实例各向异性糙率值下的水流推进过程实测与模拟值之间的平均相对误差值减小3.08～6.83百分点,水流消退过程实测与模拟值之间的平均相对误差值减小2.5～6.81百分点。采用各向异性糙率描述畦灌地表水流运动过程,可明显改善畦灌模拟效果,为开展畦灌系统设计与性能评价提供了实用可靠的数值模拟工具。     

不同植物边坡的糙率系数和水力学特征参数

[目的]研究北方土石山区植物边坡糙度,为坡面生态防护的最佳植物配置选择提供依据。[方法]在北京市昌平区试验基地设置多组不同地表类型的径流小区,设计了控制流速、流量的野外放水冲刷试验。[结果](1)与乔灌植被相比较,草本植被对地表径流流速具有良好的阻滞作用,毛白杨对地表流速有加速作用。(2)草地的平均糙率系数最大,裸地最小。对裸地进行处理后发现,铺设枯枝物,可以有效提高地表糙率系数值,通过砾石压盖处理的地表糙率系数并未有明显改变。(3)各类地表下垫面的雷诺系数Re均介于21.34~23.49之间,枯落物小区Re最大,毛白杨小区Re最小,水流均为层流,紊动性弱;弗劳德数Fr介于0.35~2.55之间;阻力系数f介于1.03~54.43之间。[结论]枯落物和草地可以有效减缓地表径流流速;毛白杨下垫面防蚀功能最弱。     

北方农牧交错带免耕对农田耕层土壤温度的影响

针对北方农牧交错带部分地区免耕措施生态效益好但作物产量有所下降的现状,为了找出影响作物生长的因素,对比分析了免耕和翻耕两种耕作方式下耕层土壤温度的变化。结果表明：免耕地升温和降温都比较缓慢且幅度小,翻耕地土壤温度在日间总体高于免耕地。在垂直方向上,土壤温度随土层深度降低,但一天中不同时刻的表现差异显著。土壤温度变化与当时气温呈正相关关系, 相关系数大于0.5。与免耕地相比,翻耕地气温与土壤温度的直线回归关系更显著。受土壤温度等物理性状的影响,免耕地作物生物量及产量明显不如翻耕地。因此,北方农牧交错带要通过农艺措施改善土壤物理结构,提高免耕农田作物产量。     

植被分布对地表糙率影响

[目的]分析在植被淹没或非淹没状态不同植被覆盖密度影响下,地表糙率的变化规律与特征,为进一步研究植被对地表糙率的影响提供参考。[方法]试验以塑料棒模拟植被分布,模拟出不同密度,分别进行放水试验。[结果]在植被淹没与非淹没状态下地表糙率的变化不同,在非淹没状态时,地表糙率随着平均水深的增加呈减小的趋势,在淹没水深小时,地表糙率随着平均水深的增加而先增大后减小,而当淹没水深很大时,地表糙率趋向于一个稳定值。[结论]地表糙率取值随植被覆盖密度的增大而增大;同一下垫面情况下,不同的水流方向,地表糙率取值不相同。     

根据水流推进过程预测Horton入渗公式参数和田面平均糙率系数

通过分析畦田水流特征,结合Horton入渗公式,在满宁公式的基础上,根据水量平衡原理建立了利用水流推进过程确定土壤入渗参数和田面糙率系数的方法。同时,利用实验资料对所提出的方法进行了检验,结果表明利用该方法所推求的入渗参数和糙率系数,零惯量模型预测的推进过程和消退过程与实测数据相一致。     

密云水库上游流域径流曲线模型的参数修订

为探讨同时率定CN值和初损率2个参数得到的模拟结果是否比单独率定一个参数更为理想,且在不同土地利用类型下SCS-CN模型是否均适用,选取了密云水库上游石匣小流域为研究区域,根据石匣小流域坡面试验小区2006—2010年实测降雨-径流数据和SCS-CN模型的计算公式,在0.05~0.40范围内,等间隔选取8个不同的初损率值,并利用算术平均值法反推各初损率值条件下对应的CN值,以纳什效率系数为SCS-CN模型的适用性评价参数,确定裸地、耕地、草地和林地4种不同土地利用类型下模拟效果最佳的CN值与初损率,最后对4种不同土地利用类型下的SCS-CN模型进行了适用性评价。结果表明:(1)4种不同土地利用类型条件下,当初损率为0.05时纳什效率系数值最高,分别为裸地(0.75)、耕地(0.48)、草地(-1.11)、林地(-0.24);(2)在石匣小流域内利用SCS-CN模型对该研究区域的径流值进行预测时,裸地条件下的CN1值为86,耕地条件下的CN1值为74,草地条件下的CN1值为58,林地条件下的CN1值为63,4种不同土地利用类型的初损率取值均为0.05;(3)通过同时率定2个参数可以使得SCS-CN模型的模拟效果得到一定的提高;(4)在石匣小流域内,SCS-CN模型在裸地和耕地条件下可以较好地模拟地表径流,但草地和林地条件下其模拟结果不理想。     

元谋干热河谷冲沟集水区土壤入渗性能及其影响因素

试验研究元谋千热河谷冲沟沟头集水区5种土地覆被类型的土壤入渗特征及其影响因素.结果表明:(1)冲沟沟头集水区不同覆被类型下土壤入渗性能存在较大差异.裸地A(地表无铁锰胶膜)和裸地B(地表有铁锰胶膜)的入渗性能远远低于印楝林地、耕地和草地的入渗性能,这可能是导致裸地A、裸地B所在沟头发育仍然活跃的原因之一;(2)3种公式拟合效果以通用经验公式为最佳,拟合结果表明,初始入渗速率和稳定入渗速率均按照印楝林地>耕地>草地>裸地A>裸地B的顺序递减;(3)相关分析表明,土壤砂粘比、总孔隙度、毛管孔隙度、容重均与各土壤入渗性能指标呈显著的相关关系,但非毛管孔隙度、有机质含量、初始水分含量与入渗性能指标相关性不显著.主成分分析也表明,土壤容重、毛管孔隙度和砂粘比是影响该区土壤入渗性能最重要的3个因子.     

自然条件下土壤沉降量与土壤容重、地表糙度间的变化关系

为了研究自然条件下土壤沉降量与土壤容重、地表糙度间的变化关系。通过钢尺法、环刀法、链条法测定了自然条件下不同质地的土壤在平翻耕和垄作条件下的土壤沉降量、土壤容重、地表糙度,分析了土壤沉降量、土壤容重、地表糙度的变化规律以及土壤沉降量与土壤容重、地表糙度间的变化关系。结果表明:(1)在一定的降雨动能的条件下,土壤的沉降量随降雨动能的累计总体呈减小的趋势,且垄作措施下土壤的沉降量均不小于平翻耕措施下的土壤沉降量;(2)翻耕后的土壤的容重随时间变化呈先增大后趋于原状土容重的变化趋势;(3)垄作条件下的地表糙度总体呈减小趋势,且壤土的地表糙度始终大于砂土的地表糙度;(4)土壤的沉降量与容重的变化量间存在较好的指数相关关系,且相关系数均高于0.9;土壤的沉降量与地表糙度的变化量符合幂函数相关关系,其中砂土的地表糙度变化量与沉降量的相关性较壤土高相关系数分别为0.993和0.936。这些研究结果对于预测自然条件下翻耕土壤的紧实程度,地表平整度有一定的参考价值。     

不同畦面结构下地面灌溉效果的对比分析

为研究畦面结构变化对地面灌溉效果的影响,在4种不同畦面结构的大田灌溉试验基础上,用WinSRFR3.1模型对平作畦灌、细沟灌、畦作浅沟灌和微垄沟灌的田面土壤特性参数和灌水效果进行估算和模拟,比较了不同灌溉方式由于畦面结构改变引起的田面土壤特性和灌水效果差异,并提出不同畦面结构的适宜畦田规格。研究认为,不同畦面结构的田面糙率系数和土壤入渗特性差异明显,微垄沟灌糙率系数最大而平作畦灌糙率系数最小,平作畦灌入渗速率最快而畦作浅沟灌入渗速率最慢;对长畦田来说,畦作浅沟灌灌水效果最好,微垄沟灌次之,平作畦灌最差;在     

内蒙古通辽膜下滴灌玉米棵间蒸发量SIMDual_Kc模型模拟

为明确内蒙古东北部地区玉米膜下滴灌棵间蒸发的变化规律,探索玉米膜下滴灌节水增产机制,在田间试验的基础上,采用经过参数率定与验证的双作物系数SIMDual_Kc模型,模拟分析了土壤含水率、土壤棵间蒸发及作物系数的变化规律,结果表明:1)双作物系数SIMDual_Kc模型模拟内蒙古东北部地区滴灌玉米土壤含水率与实测值具有很好的一致性;2)利用双作物系数SIMDual_Kc模型估算出该地区覆膜玉米生育初期、中期和后期作物系数分别为0.15、1.05、0.4,无膜滴灌玉米初期、中期和后期作物系数分别为0.15、1与0.4;3)根据双作物系数模型SIMDual_Kc模拟了2014和2015年滴灌玉米棵间蒸发量占作物蒸散发的比例,覆膜滴灌较无膜滴灌少,说明覆膜能有效降低作物棵间蒸发量,具有降低作物耗水量的潜在优势。研究结果可以为内蒙古东北部地区玉米滴灌生产实践提供科学依据。     

金沙江流域干旱河谷区坡耕地作物类型对耕作侵蚀的影响

为了研究干旱河谷区坡耕地农作物种植对耕作侵蚀的影响,在不同作物类型坡耕地(玉米地和荞麦地)上进行耕作试验,通过磁性示踪法测量坡耕地顺坡耕作的耕作位移距离,分析了不同作物类型下的耕作侵蚀速率特征。结果表明：(1)试验地类的耕作位移距离表现为玉米地<荞麦地<裸地(对照地)的变化趋势,荞麦地和玉米地的耕作位移距离均显著低于裸地(p<0.05),表明坡耕地种植玉米和荞麦可以显著减小坡耕地土壤耕作位移距离;(2)3种地类的耕作位移距离与坡度均呈显著正相关关系,玉米地和荞麦地的耕作位移距离系数k₂值和传输系数k₄值明显小于裸地,说明作物因素减小了耕作位移距离随坡度的增加幅度;(3)裸地的耕作侵蚀速率显著高于玉米地和荞麦地(p<0.01),分别是玉米地和荞麦地的1.99倍和1.88倍,说明坡地种植农作物可明显减小坡面耕作侵蚀。综上,种植农作物可有效减少坡耕地耕作侵蚀,研究成果丰富了对坡耕地作物根系防蚀特性的认识,也为完善耕作侵蚀模型奠定重要基础。     

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。     

Soil erosion on Alfisols in Western Nigeria: IV. Nutrient element losses in runoff and eroded sediments

Nutrient element losses in runoff and eroded sediments were monitored during 1972 on different slopes and under different soil and crop management treatments. The experiments were conducted on 25 × 4 m field runoff plots, established on natural slopes of 1, 5, 10 and 15%. The soil and crop management treatments consisted of bare fallow (plowed), maize-maize (plowed and mulched), maize-maize (plowed), maize-cowpeas (no-till), and cowpeas-maize (plowed).Total loss of nutrient elements in runoff and eroded soil materials was significantly affected by slope and by soil and crop management treatments. Total annual nutrient element losses in runoff were 55 kg/ha for bare-fallow, 17 kg/ha for maize-maize (plowed), 12 kg/ha for cowpeas-maize (plowed), 2.3 kg/ha for maize-maize (plowed and mulched) and 4.3 kg/ha for maize-cowpeas (no-till). The concentration of nitrate in seepage water was two or three times higher than in surface water. Nutrient losses in eroded soil materials from the mulched and no-till treatments were negligible. From the plowed treatments, greatest losses were of organic matter and total nitrogen. The enrichment ratios were 2.4 times for organic carbon, 1.6 times for N, and 5.8 times for available phosphorus.     

内蒙古杭锦旗北部盐碱田温湿盐动态与生产利用

为探析水-热-盐关系以及植被对盐碱田改良的意义,利用2008年8月2日-8月6日在内蒙古杭锦旗黄河灌区盐碱田进行的试验观测数据,主要通过方差分析与典型相关分析方法对3个样地(裸地、紫花苜蓿地和玉米地)土壤温度(0-30cm土层)、湿度(0-20cm土层)、盐度(0-100cm土层)的动态变化进行了分析。结果表明,3个样地的温(度)-湿(度)-盐(度)动态基本呈现裸地苜蓿地玉米地的格局;0-5cm地温与耕作层(0-20cm)的土壤水分具有显著相关关系,是0-30cm土层内地温驱动水盐动态的主要热力因子;植物能够减少土壤表层积盐,并可以降低碱化度;苜蓿地比玉米地具有更低的钠吸附比值。在盐碱地区选择耐盐碱牧草品种开展草田轮作,有益于盐碱土壤的改良与利用。     

考虑作物生长状态的农田表面温度数据精量甄别与区分

农田表面温度是土壤、作物和大气之间进行水/热交换传输的重要参数,也是灌区遥感反演模型的重要参量。在利用热红外传感器连续获取农田表面温度数据时,由于作物的生长发育处于动态变化中,农田表面温度数据往往混合了作物冠层温度和土壤表面温度。为精准甄别和区分田间海量监测数据,该研究结合Logistic作物生长模型,通过考虑作物生长状态指标叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）和作物冠层高度及其关键节点,构建了农田表面温度监测数据的甄别算法。以内蒙古永济试验站玉米和向日葵实测数据对算法进行验证,并利用解放闸灌域和吉林省长春试验站的玉米和向日葵田间观测数据进行校核。结果表明：考虑LAI和作物冠层高度并利用Logistic模型模拟的关键节点来建立甄别算法,能够为农田稀疏植被表面温度数据甄别提供高效判定。与人工测量值对比,冠层温度优化幅度在10 个百分点左右（相对误差）,土壤表面温度优化幅度超过5个百分点;甄别方法可以明显提升冠层和土壤表面温度的获取精度。甄别算法中校正因子数值需根据作物种植密度及LAI确定,其中玉米校正因子选择作物冠层温度校正因子0.9,土壤表面温度校正因子1.1;向日葵校正因子以叶面积指数最大值4为基础,选取冠层温度校正因子0.7,土壤表面温度校正因子1.2;在不同地区应用时,向日葵叶面积指数最大值每增加1,推荐冠层温度校正因子调高0.35,土壤表面温度校正因子调低0.18。研究结果可为精量灌溉提供技术支撑,提高了农田监测数据的性能,为无人机遥感和卫星遥感数据的精量甄别提供算法和验证。     

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。     

Infiltration and random roughness of a tilled and untilled claypan soil

No-tillage is generally assumed to increase infiltration and reduce runoff, but runoff from a claypan soil in Central Missouri, however, was greater from no-tillage plots than from moldboard plowed plots. The effect of simulated rainfall on infiltration and random roughness of tilled and untilled soil was measured. Four different tillage systems, each with and without surface cover were studied. An exponential decay function describes the change in random roughness for tilled soil exposed to rainfall kinetic energy. Although the differences were not statistically significant, among the uncovered tilled plots those with the highest random roughness had the highest infiltration. The bare no-tillage treatment had the lowest infiltration. Plots protected with shredded foam rubber infiltrated 88–248% more rainfall than similar bare plots.     

玉米作物系数无人机遥感协同地面水分监测估算方法研究

该文研究不同水分胁迫条件下无人机遥感与地面传感器协同估算玉米作物系数的可行性。利用自主研发的六旋翼无人机遥感平台搭载多光谱传感器获取内蒙古达拉特旗昭君镇试验站不同水分胁迫下大田玉米冠层光谱影像,计算植被指数,采用经气象因子和作物覆盖度校正后的FAO-56双作物系数法计算玉米的作物系数,研究作物系数与简单比值植被指数(simple ratio index,SR)、叶面积指数(leaf area index,LAI)和表层土壤含水率(surface soil moisture,SM)的相关关系,结果表明,作物系数与SR、LAI和SM的相关程度与水分胁迫程度有关,但均呈现出显著或极显著的线性关系,说明了基于这些指标建立作物系数估算模型的可能性。利用逐步回归分析方法建立了作物系数的估算模型,其估算模型,修正的决定系数、均方根误差和归一化的均方根误差分别为0.63、0.21、25.16%。经验证,模型决定系数、均方根误差和归一化的均方根误差分别为0.60、0.21、23.35%。研究结果可为利用无人机多光谱遥感平台进行作物系数估算提供技术参考。     

作物残茬与生物篱组合对减轻土壤风蚀的作用

为了探究中国北方农牧交错带冬春风蚀季节生物篱与作物残茬组合对间作裸露秋翻地的防护作用,采用风蚀圈和野外移动式风洞试验的方法对研究区土壤风蚀情况进行监测,利用PC-3型自动气象站进行风速测定。结果表明,油葵秆生物篱减小了间作裸地近地面风速,提高了地表粗糙度;从防风蚀效果看草谷子茬优于油葵秆生物篱;在距油葵秆生物篱或草谷子茬下风向裸地不同位置处,土壤风蚀量基本呈先增加后减小的单峰曲线变化趋势,在4 m左右土壤风蚀量最大,在篱和茬的双重保护下,距茬5 m处发生了风积现象;土壤风蚀量降低率基本呈“V”字型分布;土壤风蚀模数随风速增大而增加,在生物篱的保护下5～15 m/s风速时土壤风蚀降低率为5.03%～20.53%。因此,油葵秆生物篱具有防风蚀作用,而且与草谷子残茬组合对间作裸地会起到更好的固土防蚀作用。