节水改造前后内蒙古河套灌区地下水水化学特征

为了研究大型灌区节水改造后区域农田水环境的变化,该文通过对内蒙古河套灌区上中下游地下水进行系统取样分析,综合运用描述性统计、相关性分析、离子比例系数和图解法(包括H.И.托尔斯基汉方格图解法、Piper三角图示法和多矩形图解法(multi-rectangular diagrams,MRD)),全面系统地研究节水改造前(2007年)后(2008,2009年)内蒙古河套灌区地下水水化学的时空变异特征与3 a演变规律。结果表明:蒸发浓缩和阳离子交换是控制灌区地下水水质演变的主要水文化学过程;与2007年(节水改造前)相比,2008和2009年HCO3-在河套灌区地下水中绝对含量由在阴离子中最小变为最大成为地下水的主要阴离子;Ca2+、Mg2+、HCO3-的变异系数相对较小,它们在地下水中含量相对稳定。Na+、Cl-、SO42-的变异系数较大,它们在地下水中的含量变化较大,是随环境因素而变化的敏感因子,是决定地下水盐化作用的主要变量。整个灌区地下水的主要化学类型为HCO3—Na型、SO4—Na型和Cl—Na型,Cl—Na型水和SO4—Na型水主要分布在灌区的上游和下游,HCO3—Na型水在灌区上中下游都有分布。与2007年(节水改造前)相比,2008年和2009年HCO3-浓度有所增加,Cl-和Na+的浓度有所减少,灌区地下水向着淡化,对作物危害减小的方向转变。全灌区地下水水化学类型时空变异十分复杂,沿着地下水总体水流的方向(灌区上游→灌区中游→灌区下游)Na+占主导地位的趋势越来越明显,在地下水化学类型上,2008年和2009年HCO3-在阴离子占主导地位的化学类型多于2007年(节水改造前)的。与皮伯三线图解法和H.И.托尔斯基汉方格图解法相比,多矩形图解法提供了更明晰、易懂的水化学类型的信息,对于处理复杂地下水化学系统,多矩形图解法的优点更为显著。研究结果为灌区节水改造规划实施对农田水环境的影响进行合理评价提供科学参考。     

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。     

河套灌区不同地类盐分迁移估算及与地下水埋深的关系

针对河套灌区引水量逐年减少、输入灌区的盐分无法有效排出、仅能在灌区内部重新分配的现状,以河套灌区耕地-荒地-海子为研究对象,通过野外实测和室内试验分析相结合,基于地质统计学、溶质动力学理论,研究了耕地-荒地-海子系统土壤剖面、不同土层盐分和地下水盐分的时空变化特征,定量估算了不同时期的盐分变化,揭示了系统盐分的表观平衡,分析了地下水埋深对土壤盐分的影响。结果表明:在耕地-荒地-海子系统中,灌溉期,耕地大量盐分随地下水迁移到荒地,秋浇前荒地含盐量是耕地的2倍,秋浇后荒地脱盐量是耕地的3倍。整个生育期耕地1 m土体盐分通过灌溉期淋洗,积盐率仍为56%,秋浇后盐分没有完全排出,脱盐率为44%,土壤深层有轻微积盐现象;荒地1 m土体积盐率为63%,秋浇后脱盐率为62%,荒地盐分全年基本保持平衡。地下水和海子盐分时空分布呈条带状,存在较强的空间相似性,海子是系统的储盐区。应采取有效措施将灌区目前地下水埋深降低0.2 m,研究区地下水埋深控制在1.7～2.3 m之间更佳。在生育期(5月15日—9月15日),荒地1 m土体积盐量为377 705 kg/hm~2。地下水补给荒地20～100 cm土壤盐量为17 985 kg/hm~2,占积盐量的5%; 0～20 cm土壤盐量增加202 395 kg/hm~2,占积盐量的54%;耕地地下水迁移给荒地深层土壤盐量为114 015 kg/hm~2,占积盐量的30%;耕地水平渗透给荒地的盐量为43 305 kg/hm~2,占积盐量11%。本研究可为灌区水盐运移提供理论依据。     

鄂托克前旗毛乌素沙地GSPAC系统水分动态分析

在分析地下水与土壤-植物-大气连续体GSPAC的关系基础上,系统探讨了沙地GSPAC天然植被水分系统关系,定量揭示了毛乌素沙地土壤含水率、降雨和地下水以及地下水与植被地下生物量的关系。结果表明:随着地下水埋深的增加,植被的地下生物量有明显的降低趋势;在地下水埋深小于1.8 m、降雨大于8 mm时对地下水产生不同程度影响。成果对沙地生态保护具有一定的指导作用。     

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精度平均相对误差分别为-1.30%～1.52%和-0.43%～5.71%,均方根误差为0.01～0.03 cm~3/cm~3和0.06～0.23dS/m,决定系数为0.82～0.93和0.76～0.82,回归系数为0.98～1.01和0.98～1.03,模拟精度较高;2)在生育期,沙丘、沙丘-荒地交界和荒地1 m土体各层水分呈现下降趋势,土壤处于亏水状态,荒地腾发量是沙丘的2倍,沙丘-荒地交界的介于二者之间,荒地地下水补给量为沙丘的3～5倍;秋浇后,沙丘水分补给较少,仍亏水67～103 mm,沙丘-荒地交界和荒地水分补给较多,可以维持土壤水分平衡;3)沙丘、沙丘-荒地交界和荒地全年处于略积盐状态,积盐率分别为47%～59%和3%～6%,荒地在秋浇后处于轻微脱盐状态,脱盐率为0.7%～5.0%。研究发现,降雨对维持荒漠绿洲农业生态平衡的作用较小,秋浇灌溉对改善灌区荒漠绿洲农业生态发挥关键作用。研究结果可为河套灌区荒漠绿洲农业生态治理提供参考。     

锡林郭勒草原生态需水初步研究

锡林郭勒草原位于我国正北方。生态地位十分重要。目前，草原沙化一退化严重，治理任务艰巨。干旱半干旱草原，土壤水分状况是制约天然草地牧草生长发育和产量形成的主要生态因子。草原生态耗水即草原为维持植物群落已经形成的景观功能和生产力不发生退化的最低水分消耗阈值。锡林郭勒草原因超载过牧严重，生态耗水包括天然牧草群落的水分消耗量和饲草料地灌溉用水量已严重不足。因此，采取必要技术措施维护草原生态的稳定，已成为锡林郭勒草原当务之急。     

不同类型地膜覆盖对土壤水热与葵花生长的影响

通过设置普通塑料地膜、A型生物地膜、B型生物地膜、液体地膜以及无膜覆盖(CK)5个处理,比较分析不同类型地膜覆盖对土壤地温、土壤基质势以及葵花生长和产量的影响。结果表明,葵花生育前期(6—7月)普通塑料地膜和生物地膜覆盖的地温无显著差异,而在生育后期特别是9月份普通塑料地膜处理的土壤表层(0~20 cm)地温明显高于生物地膜覆盖处理,其中A型生物地膜覆盖处理的地温略高于B型生物地膜覆盖处理,而液体地膜覆盖与无膜处理在全生育期地温显著低于普通塑料地膜和生物地膜覆盖处理(p0.05)。生物地膜覆盖处理的保水效应与普通塑料地膜覆盖处理相近,仅在作物生长末期(9月底)生物地膜与普通塑料地膜覆盖处理在0~20 cm土层基质势差异达到显著水平,尽管液体地膜覆盖与无膜处理相比有一定的保水效应,但差异不显著。生物地膜覆盖下葵花株高、叶面积指数以及收获后的叶质量、茎质量、花盘质量和产量与普通塑料地膜覆盖处理均无显著差异,但都显著优于液体地膜覆盖和无膜处理(p0.05)。     

土壤水盐信息与容重在垂直方向的空间结构性研究

通过对土样含水率和EC值的测定,运用地质统计学理论研究在垂直方向上土壤水盐的空间结构性及容重的变化情况。统计分析表明,水分的变异性小于盐分的变异性。容重在垂直方向上的离散性和空间变异性都很小。容重在距地表2.0 m深垂直剖面内的均值为1.48 g/cm3。运用OK法估计区域水盐信息,结果表明,试验田内的测点与微咸水试验田外的测点土壤含水率在垂直剖面上的分布,主要区别是干燥层位置明显下移,表层和底层含水率变化范围基本保持一致。试验田内的测点EC分布基本上从0~80 cm深度内为单调递减,80 cm以下EC值基本上为一常数。微咸水试验田外的测点,剖面上存在有明显的变化,在距地面约90 cm深度处有EC峰值。土壤容重在80 cm以下深度土层基本上稳定,大约在1.45 g/cm3左右。与统计分析均值计算结果1.48 g/cm3非常接近。     

小麦间作向日葵耗水量与优化灌溉制度研究

小麦间作向日葵是一种典型的河套灌区种植模式,研究运用WIN ISAREG模型确定了参考作物蒸发蒸腾量,结合立体种植特征,采用综合作物系数法确定小麦间作向日葵全生育期作物耗水量。同时通过实际处理结果对模型参数进行率定与验证,最终对小麦间作向日葵实际灌溉制度进行准确的评价并进行不同方案的优化,得到试验区如配有井灌等条件,优选灌溉方案为土壤含水率下降至适宜含水率70%时实施灌溉,灌水量为补充根系层水量至田间持水量85%所需水量;若灌水水源仅为黄河水,则优选灌溉方案为整个生育期灌5水,灌水量为达到根系层中总有效水量的80%。     

农田大尺度表层土壤电导率的序贯高斯模拟

以内蒙古河套灌区部分农田为例,将克立格插值法和序贯高斯条件模拟法分别应用于农田大尺度下表层土壤电导率的空间分布估值和模拟,并将1次实现和多次实现取平均的条件模拟结果与克立格插值结果和实测数据进行了对比分析。结果表明:克立格法具有明显的平滑效应,它改变了电导率数据的空间结构,而条件模拟则能够在尊重实测数据情况下,再现变量的空间变化特点,而且模拟次数在2~3次时可以更好的与原始数据符合。在进行变量的空间分布研究时,可用克立格法来估计,用条件模拟来重现波动性,两者结合才能充分发挥各自的优势,为生产实践提供全面的科学根据。