改进WHCNS模型模拟耕作方式对作物生长和水分利用效率的影响

耕作改变了土壤物理特性,进而影响了作物生长和水分利用,定量研究不同耕作方式下的农田土壤水分动态与作物生长过程是制定合理耕作制度的基础。该研究在土壤水热碳氮模拟模型（Soil Water Heat Carbon Nitrogen Simulator,WHCNS）的基础上耦合了EPIC（Erosion-Productivity Impact Calculator）模型的土壤耕作模块,构建了适用于不同耕作方式的土壤水热碳氮过程模拟模型。利用华北平原南部河南商丘试验站2015-2017年实测的不同耕作方式下（深耕、免耕和轮耕）的土体储水量、叶面积指数、地上部干物质质量和产量数据对改进后的WHCNS模型进行了校验和模拟效果评价,并模拟分析了不同耕作方式对冬小麦和夏玉米农田蒸散量、作物产量和水分利用效率的影响。结果表明,所有处理的土体储水量、叶面积指数和地上部干物质质量模拟值与实测值的相对均方根误差均小于30%,一致性指数均大于等于0.90,纳什系数均大于等于0.58,决定系数均大于等于0.90,作物产量模拟值与实测值的决定系数达到0.99。与深耕和免耕相比,轮耕的两季冬小麦蒸散量分别降低了8.8%～10.8%和13.8%～21.0%,水分利用效率分别提高了6.7%～9.4%和15.7%～24.9%。与深耕和轮耕相比,免耕的两季夏玉米蒸散量分别降低了12.5%～12.9%和20.7%～22.2%,水分利用效率分别提高了13.4%～15.2%和29.1%～31.3%。耕作方式对产量的影响并不明显。总体而言,改进后的WHCNS模型可以较好地模拟华北平原不同耕作方式下土壤水分与作物生长的动态过程。     

自动双环入渗仪设计与试验

为克服传统双环入渗仪的供水不稳定、读取和记录数据工作量大的问题,该文基于定水头法测量导水率的原理,设计了一种高效的自动双环入渗仪。该入渗仪采用非接触式电容感应液位传感器来监测内环和外环内的水位（精度<1.5 mm）;将激光测距传感器（精度<1 mm）安装在圆柱形蓄水器的顶部,以连续自动监测供水量;高精度液位控制系统与电磁阀组合以保持恒定水头。通过理论分析,增大蓄水器中的液面与双环中的液面之间的压力差,可使自动双环入渗仪的初始供水速率远高于马氏瓶的初始供水速率。自动双环入渗仪的精度和可靠性试验于2019年7月至2019年10月在中国农业大学绿苑试验场进行,并进行了该自动双环入渗仪和传统双环入渗仪之间的比较。试验结果显示,在选定土壤的稳定入渗阶段,用马氏瓶测量的稳定入渗速率为0.068 5 cm/min,该自动双环入渗仪的稳定入渗速率为0.068 7 cm/min,自动双环入渗仪实测数据与Philip的理论入渗模型计算结果吻合（R2>0.99）。结果表明,该自动双环入渗仪的自动化测量结果可靠,对今后土壤水分入渗过程研究提供了更加高效的手段。     

基于土壤-作物系统模拟模型的冬小麦田间水氮优化管理

将作物生长模型与土壤水氮管理过程模块相结合,构建了土壤-作物系统水分养分模拟模型。以灌水、施氮总量为决策变量,冬小麦生物量、水分和氮肥利用效率为优化目标,将冬小麦按生长发育时期分为6个阶段,建立了多目标的动态规划模型。在土壤-作物系统过程模型的基础上,用动态规划的方法对田间水、氮资源管理措施进行优化。通过对作物水分胁迫系数和氮肥胁迫系数的模拟计算,可获得最佳的灌水、施肥时间及用量。算例结果表明：在养分供应充足仅水分胁迫的条件下,优化方案的灌水量较对照处理平均节约了25%,水分利用效率比对照处理平均高出约1     

北京郊区土壤有机质含量的时空变异及其影响因素

【目的】揭示土壤有机质时空变化规律及其影响因素，为土壤肥力评价和管理提供指导。【方法】通过收集和实测北京南郊-大兴区1980、1990和2000年3个不同时期耕层土壤有机质含量的资料，应用地统计学方法对共进行分析。【结果】3个时期土壤有机质的平均含量分别为9.64、12.76和12.89 g·kg-1，它们的空间相关距离分别为80.5、59.2和49.0 km，呈递减趋势。大兴区土壤有机质含量空间分布呈北高南低之势。从1980年到2000年，有机质含量表现为由低向高逐级累积的规律，具体变化为有机质含量一级和二级的土地面积从无增加到分别占土地总面积的8.0%和14.3%，含量三级的土地面积从23.0%增加到37.1%，四级土地面积减少很少，约为2.19%，五级土地面积减少幅度最大，为50.4%。【结论】秸秆还田和施用有机肥是有机质含量普遍上升的原因，随着作物产量的不断提高，部分地区的有机质入不敷出，呈下降的趋势，应注意土壤的培肥管理。     

不同水肥管理下设施黄瓜地氮素损失及水氮利用效率模拟分析

【目的】利用模型定量分析不同水肥管理对设施菜地氮素损失及水氮利用效率的影响,为设施菜地合理水肥管理措施的制定提供理论指导。【方法】2010—2011年在山东寿光设施大棚设置了4种水肥管理模式：对照+畦灌（CK）、传统施肥+畦灌（FP）、优化施肥+畦灌（OPT）和传统施肥+滴灌（RI）。利用EU-Rotate_N模型模拟了两个生长季（春夏茬和秋冬茬）各处理下设施黄瓜地的产量、氮素淋失和气体损失等,并计算了水氮利用效率。【结果】两个生长季内滴灌处理（RI）比畦灌处理（CK、FP和OPT）节水约60%,且灌溉水利用效率提高了2倍多。在各施肥处理中,春夏茬和秋冬茬黄瓜的氮素气体损失分别占施氮量的16%—19%和6%—11%,氮素淋失量分别占施氮量的14%—57%和20%—55%,其中OPT和RI处理的氮素淋失量比FP处理分别减少了19%—31%和63%—76%。OPT处理两茬黄瓜的氮素利用效率比FP处理分别提高了3%和7%,而RI处理的氮素利用效率比FP处理分别提高了41%和44%。【结论】氮素淋失是设施菜地氮素损失的主要途径,滴灌和优化施肥均能有效地减少菜地土壤硝态氮的淋失,提高氮素利用效率。     

黄淮海平原土壤盐分及其组成的空间变异特征研究

本文应用地统计学的方法,对黄淮海平原0～200cm各土层的含盐量及其盐分组成进行了半方差函数分析,结果表明:黄淮海平原土壤盐分具有明显的空间变异特征,该区盐分已集中分布在某些较大的区域.目前,盐渍土或盐渍化土壤比较分散的局面已经不再存在;根据土壤盐分的空间分布特征,可将影响盐分分布的因素划分为区域因素(稳定因素)和非区域因素(随机因素);同时,还可以判断这些因素的影响程度.对黄淮海平原土壤盐分组分的空间特征分析,可将盐分组成离子分为二大类,K+、Na+、Ca2+、Cl-和CO32-为非区域性盐分离子;SO42-、Mg2+和HCO3-为区域性盐分离子.     

不同降雨和灌溉模式对作物产量及农田氮素淋失的影响

【目的】定量化不同降雨和灌溉条件下农田氮素的淋失和作物产量,为不同降雨量年份的灌溉决策提供科学依据。【方法】在中国农业大学河北曲周实验站,依据该地40年（1966—2005）的气象资料,结合当地农民的习惯,设定了5种灌溉方式,即冬小麦季灌水3次,分别在越冬期、起身到拔节期和灌浆期,灌水量分别为：（A）无灌溉,（B）50 mm +50 mm +50 mm,（C）70 mm +70 mm +70 mm,（D）90 mm +90 mm +90 mm,（E）120 mm+ 120 mm +90 mm;夏玉米季灌水2次,分别在苗期和乳熟期,灌水量分别为：（A′）无灌溉,（B′）80 mm +0 mm,（C′）80 mm +70 mm,（D′）90 mm +80 mm,（E′）100 mm +100 mm。利用校验后的水氮管理模型,分析了不同降雨量和灌溉对氮素淋失和作物产量的影响。【结果】冬小麦产量随降雨和灌溉量的增加而增加。在综合考虑氮素淋失风险和作物产量的条件下,当降雨量＜200 mm（发生概率87.2%）时,可采用D灌溉方式,相应氮淋失量为0—30.9 kg N•hm-2;当降雨量＞200 mm（发生概率12.8%）,可采用C灌溉方式,相应氮素淋失量为0.06—41.2 kg N•hm-2。夏玉米产量也随灌水量的增加而增加,但降雨和灌溉总量超过600 mm时,产量下降;按降雨量可分为＜250 mm（发生概率17.9%）、250—450 mm（发生概率64.2%）、＞450 mm（发生概率17.9%）,分别采用D′、C′和B′的灌溉模式,相应的氮素淋失为0—7.3 kg N•hm-2,0—82.2 kg N•hm-2（其中84.2%的淋失水平为I级,淋失水平III级只有5.3%）和0—61.6 kg N•hm-2（其中I级概率为86.8%,III级只有2.6%）。【结论】不同降雨量采用不同的灌溉模式,既可以保证产量,又可以减少氮淋失。普通年份冬小麦季建议采用越冬期、起身到拔节期和灌浆期3次灌溉,每次灌水90 mm的模式。夏玉米季采用苗期和乳熟期灌溉,分别灌水80 mm和70 mm的模式。     

鄂尔多斯夏初不同地形土壤水分的空间变异

为了研究鄂尔多斯夏初不同地形土壤水分的空间变异规律，本试验在鄂尔多斯高原几种地形的沙质荒漠化土壤上，用时域反射仪（TDR）测定表层土壤（0－30cm)含水量，对表层土壤水分分布特征进行分析；在不同地形部位选择典型土壤剖面，测定各层土壤含水量。结果表明：在2个地形断面上，随着地势降低，表层土壤水含量升高，具有明显的空间相关关系，其独立间距为16．38m和28.90m，固定沙丘和半固定沙丘上的表层土壤水含量的半方差函数均呈球状模型，且具有一定的空间异向性，独立间距分别为18．86m和22.50m。固定沙丘和半固定沙丘表层土壤水分的C0／C0＋C值分别0．33和0．16，表明随机因素引起的空间异质程度固定沙丘比半固定沙丘大；半固定沙丘迎风面水分变异比背风面大，而固定沙丘则相反；从土壤剖面上看，表层土壤的含水量最低，其次是底层，而剖面中间的层次土壤含水量较高。总之，鄂尔多斯高原不同地形下土壤水分具有不同的空间变异特征，这将影响草场植物的生长。     

土壤-作物-大气系统水热碳氮过程耦合模型构建

定量描述农田生态系统中土壤水分动态、碳氮循环过程和作物生长发育规律,对水氮资源高效利用、作物生产决策和环境保护具有十分重要的意义。该文在总结前人研究成果的基础上,引用了联合国粮食及农业组织的气象模块、荷兰的PS123作物模型和丹麦的Daisy模型的碳氮循环模块;借鉴了RZWQM和Hydrus-1D的水分溶质运移模块的相关理论,并在其基础上进行了修改与完善,构建了土壤-作物-大气系统水热碳氮耦合模拟模型WHCNS(soil water heat carbon and nitrogen simulation)。该模型以天为步长,考虑了气象条件、作物生物学特性和田间管理驱动。土壤水分入渗和再分布过程分别采用Green-Ampt模型和Richards方程来描述。土壤氮素运移使用对流-弥散方程来描述,源汇项中考虑碳氮循环的各个过程(有机质矿化、生物固持、尿素水解、氨挥发、硝化、反硝化和作物吸收等),在根系吸水吸氮源汇项中引入了补偿性吸收机制。有机质模块完全来自Daisy模型,将有机质库划分为3个快库和3个慢库。利用改进的荷兰PS123模型实现了作物生长发育进程、干物质生产、干物质分配及作物产量的模拟,通过水氮胁迫校准因子来实现水氮限制下作物产量的模拟。最后应用华北地区(山东泰安)冬小麦-夏玉米轮作体系2 a的田间观测数据对该模型进行了校验。结果表明,剖面土壤水分和硝态氮浓度、叶面积指数、作物产量与实测值均吻合良好,模拟误差均在合理范围之内,特别是对产量的模拟较好,均方根误差为206~319 kg/hm2,相关系数为0.90,模型效率值均大于0.75,一致性指数值均大于0.9。WHCNS模型能够较好地模拟土壤水分动态、氮素运移及去向、作物生长发育等过程,表明该模型适用于中国华北地区高度集约化的农田生产系统。     

农田土壤质地空间分布的三维随机模拟及其不确定性评价

定量描述土体三维构型对于土地利用及农田水肥管理研究极其重要.本研究根据华北山前冲积平原区一块农田内的109个土壤剖面观测数据,运用马尔科夫地质统计学方法构建了土壤质地种类的三维空间分布模型,在100次随机模拟的基础上,分别得到了土壤质地种类的优化分布图及其概率分布图.结果表明,一维嵌入转移概率模型能很好地描述农田水平和垂直方向上各土壤质地种类的空间连续性及毗邻转移趋势.优化分布图虽能直观反映土壤质地种类的空间分布特征,但存在明显的平滑效应,不能刻画土壤质地种类空间分布的不确定性.而采用概率分布的方式来描述土壤质地种类空间分布的不确定性,能够有效地克服该缺点.