滴灌水热调控对土壤温度及白菜生长和产量的影响

在日光温室内开展白菜滴灌试验,研究不同土壤温度调节方式和施氮量对土壤温度、白菜生长、氮素吸收和产量的影响。土壤温度调节方式设灌溉水加温、覆膜、覆膜后灌溉水加温和无调节4个水平,施氮量设置0、135和270kg/hm2 3个水平。结果表明:灌溉水加温能使灌水过程的土壤温度明显增加,且气温越低,增温效果越明显,在苗期、莲座期和结球期的灌水过程中增温幅度最大分别达到3.9、4.8和7.0℃,但在灌后土壤温度下降较快,对生育期内积温的提高效果有限。覆膜的保温作用在气温较高的生育前期和深层土壤中更为明显。将覆膜与灌溉水加温相结合可以取得很好的增温效果,在10、20和30cm土壤中整个生育期内的积温比无调节措施处理分别增加136、128和120℃。土壤温度调节措施对白菜株高和球形指数均无显著影响。覆膜和覆膜后灌溉水加温都能使生育前期的干物质累积量显著增加,施氮量较高时,土壤温度调节措施的影响也更加明显。不同的土壤温度调节措施都会带来白菜产量的显著增加,灌溉水加温、覆膜以及覆膜条件下灌溉水加温处理的产量分别比无调节处理增产3.9%、10.6%和11.1%。在秋冬白菜生产中,采用覆膜与灌溉水加温处理相结合的土壤温度的调节方式可以起到有效的增温和增产作用。     

基于标量有限体积法的灌溉末级渠系非恒定水流模型

通过区分明渠非恒定流中对流波与重力波属于不同的物理过程,把渠道非恒定流控制方程进行了变形处理,基于标量有限体积法构建了具备高精度和分辨率的灌溉末级渠系非恒定流数值模型。基于文献数据及野外实测数据,对模型的模拟性能进行了验证。结果表明,构建的模型模拟的斗渠和农渠水位值与实测值之间的平均相对误差为2.8%～4.1%,水量平衡误差不大于0.07%,具备良好的模拟性能,为开展末级渠系布置模式及管理研究提供了可靠的数值工具。     

基于无人机多光谱遥感的冬小麦冠层叶绿素含量估测研究

为探讨利用无人机多光谱影像监测冬小麦叶绿素含量的可行性,基于北京市大兴区中国水科院试验基地的2019年冬小麦无人机多光谱影像和田间实测冠层叶绿素含量数据,选取16种光谱植被指数,确定对冬小麦冠层叶绿素含量显著相关的植被指数,采用一元二次线性回归和逐步回归分析方法建立各生育时期及全生育期的SPAD值估测模型,通过精度检验确定对冬小麦冠层叶绿素含量监测的最优模型。结果表明,两种分析方法中逐步回归建模效果最佳。拔节期选取4个植被指数(MSR、CARI、NGBDI、TVI)建模效果最好,模型率定的决定系数(r~2)为0.73,模型验证的r~2、相对误差(RE)和均方根误差(RMSE)分别为0.63、2.83%、1.68;抽穗期选取3个植被指数(GNDVI、GOSAVI、CARI)建模效果最好,模型率定的r~2为0.81,模型验证的r~2、RE、RMSE分别为0.63、2.83%、1.68;灌浆期选取2个植被指数(MSR、NGBDI)建模效果最好,模型率定的r~2为0.67,模型验证的r~2、RE、RMSE分别为0.65、2.83%、1.88。因此,无人机多光谱影像结合逐步回归模型可以很好地监测冬小麦SPAD值动态变化。     

GFDL-ESM2M气候模式下京津冀地区未来潜在蒸散量时空变化

为探究未来潜在蒸散量时空变化特征,该研究以京津冀地区为例,基于美国GFDL提供的GFDL-ESM2M全球气候模式,得到京津冀地区92个格点2000-2050年的平均气温、最高气温、最低气温、太阳总辐射、平均相对湿度和近地面平均风速,应用Penman-Monteith公式计算京津冀地区未来92个格点的逐日潜在蒸散量(ET0),分析其时空分布特征及其与气象要素的相关关系。结果表明:未来年ET0总体呈增加趋势,RCP8.5情景下ET0上升速度最快,且随着时间推移增幅越来越大。夏季ET0增长速度最快,其次为春季、秋季与冬季,意味着未来ET0季节差异将愈加明显,可能出现更为严重的季节性干旱。ET0空间分布呈由西南向东北逐渐递减趋势,其中中部地区增速最快,增长趋势由中部向南北递减。不同气候情景下平均气温均呈逐年上升趋势,风速、太阳总辐射略微上升,而相对湿度下降。ET0与太阳总辐射的相关系数最大,呈由东北向西南递增趋势,其次为最高气温,呈由西北向东南递增趋势。ET0与相对湿度变化呈显著负相关,相关系数绝对值呈东北向西南递增趋势,ET0与风速相关度不明显。该研究可为农业需水预测与灌溉管理、科学应对气候变化提供基础支撑。     

高寒草甸根系分布特征及与土壤温湿度关系的研究

植被根系的分布特征是其适应和改变环境能力的体现,研究植被根系对草地生态系统的可持续发展有重要意义。本研究以怒江源区那曲流域不同海拔梯度的高寒草甸作为研究对象,采用微根管技术探讨根系的分布特征,并分析其与环境因子的关系。结果表明：高寒草甸根系对季节变化响应敏感,约有80%的根系分布在0～25 cm的土层,且分布较均匀,细根在土壤中所占比例随土壤深度增加而增大;进一步分析发现,海拔越高,根系越往土壤较浅层分布,特征参数呈现降低趋势。冗余分析表明,土壤温湿度呈正相关关系时,两者主要通过影响根径大于0.5 mm的根来影响根系参数;呈负相关关系时,根系在土壤表层对土壤温度的变化更为敏感。     

城镇居民生活弹性用水测算与节水潜力分析

近年来随着城镇人口的快速增长和生活水平的提升，我国城镇居民生活用水呈现显著增加趋势。居民生活用水用户分散，又与居民生活品质保障密切相关，因此居民生活节水既是重点也是难点。文中基于4271份居民生活用水调查问卷，分析了不同属性的影响要素对居民生活用水的影响，进而界定了居民生活弹性用水的概念，建立了弹性用水占比测算方法，测算了不同节水情境下的弹性用水占比。结果表明：在现状节水情境下，2020年我国城镇居民生活用水的弹性占比为17%,分用水环节来看，烹饪、洗浴、洗衣、冲厕用水弹性占比均在20%以上；在用水器具实现Ⅰ级水效全覆盖的节水情境下，我国城镇居民生活用水弹性占比可降低到9%,全国居民生活用水总量可减少20亿m³。基于计算结果，文中进一步提出了居民生活节水关键环节与主要路径，研究结论可为新时期居民生活节水工作提供指导和依据。     

具有排气功能的毛管末端自动冲洗阀设计与结构优化

该研究创制一种具备自动排气功能（Auto-Exhaust function, AE）的毛管末端自动冲洗阀,以提高冲洗时长和冲洗水量。选取延时流道齿长和齿宽、上腔体容积和冲洗阀进口压力共4个因素,采用L18（37）正交试验设计18种规格的AE冲洗阀,并设置4种无排气装置（Non-Exhaust function, NE）的冲洗阀为对照,探究排气装置提升冲洗阀水力性能的作用机理和AE冲洗阀性能参数对试验因素的响应规律。结果表明,当进口压力为0.06～0.14 MPa时,AE冲洗阀的冲洗时长、冲洗水量和冲洗流速分别为18.2～67.7 s、3 904～12 367 mL和0.88～1.40 m/s。冲洗时长和水量与流道齿长、齿宽和上腔体容积均为正相关关系,与进口压力为负相关关系,冲洗流速只与进口压力有关,为正相关关系。流道齿长、齿宽和上腔体容积对冲洗时长和水量影响显著,进口压力对冲洗时长和流速影响显著（P<0.05）。AE冲洗阀能自动排出上腔体中的空气,增加蓄水容积,使其冲洗时长和水量分别比NE冲洗阀提高83.5%与75.4%以上。综合考虑延时流道抗堵塞性能、冲洗时长和水量等因素,推荐AE冲洗阀流道齿长、齿宽、上腔体容积和进口压力分别为1.2 mm、2.2 mm、19.1 mL和0.06 MPa,其冲洗时长和水量分别是NE冲洗阀的2.8和2.7倍,是进口冲洗阀的7.4和7.0倍,为67.7 s、12 194 mL。研究结果可为具有排气功能的毛管末端自动冲洗阀的研发提供依据。     

场次降雨条件下考虑田梗高度的农田产流规律模拟

条块分割、田埂密集是海河平原农田的典型特征,科学认知田埂作用下的农田产流规律对解析平原区水循环演变过程至关重要。目前,流域尺度的农田产流规律的研究较少,关于降雨特征-田埂高度-农田产流三者之间的影响关系还不明晰,田埂作用下的农田产流规律是平原区水循环演变解析的薄弱环节。该研究基于CMOPRH遥感降水数据产品分析了海河平原场次降雨特征,并以Smith & Parlange入渗模型为核心构建农田积水产流模型,模拟海河平原降雨-产流过程。结果表明：1）海河平原场次降雨总量以小于25 mm为主,占降雨总场次的95%,10 h以内的场次降雨占比为96%,降雨总量和降雨强度由东北部向西北部递减;2）在2008-2019年降雨条件下,模拟无田埂、10 cm田埂、12 cm田埂、15 cm田埂四种情景的农田年均产流量,结果分别为62.4亿m3/a、19.7亿m3/a、13.1亿m3/a、5亿m3/a;3）田埂高度已知的条件下,降雨历时和降雨强度是影响农田产流的关键因素,以降雨历时为横坐标、降雨强度为纵坐标,可以通过拟合反比例函数曲线划分一场降雨是否产流;4）根据海河平原历史农田面积变化估算,2000年海河平原农田产流量相对1979年减少10.2亿m3,2016年农田产流量相对2000年减少5.1亿m3。该研究定量解析了降雨特征、田埂高度对农田产流的影响,为解析海河平原区地表水资源衰减原因提供了重要的规律认知。     

基于EPANET的再生水滴灌系统余氯分布模型构建

加氯处理是保证滴灌系统安全的重要措施之一,但是氯与灌溉水及滴灌管壁发生反应而引起的衰减会对余氯分布均匀性造成不利影响。该研究采用EPANET软件构建了再生水滴灌系统水力性能及余氯运移、衰减和分布模型,基于试验数据对模型水力和水质模拟参数进行率定和验证,并应用该模型分析了加氯模式(浓度-时长:1.3mg/L-185min、3 mg/L-80 min、6 mg/L-40 min和8 mg/L-30 min)和毛管长度(10～150 m)对系统余氯分布特征的影响。结果表明,EPANET软件可以较好地模拟滴灌系统水力性能及余氯分布特征,沿毛管方向余氯浓度模拟值与实测值一致性指数达到0.75以上。当毛管长度由10 m增加至150 m时,灌水单元平均余氯浓度与毛管末端余氯浓度随毛管长度增加呈先升高而后降低趋势,高浓度加氯处理平均余氯浓度和毛管末端余氯浓度随毛管长度增加衰减速率相对较小。较短的加氯历时(40 min)和过低的加氯浓度(如1.3 mg/L)均易造成余氯质量偏差率升高和均匀系数降低;建议使用加氯浓度3 mg/L且加氯时长80 min的加氯模式,该模式毛管极限铺设长度达到66 m,余氯质量均匀系数超过90%。     

尿素浓度对喷灌夏玉米生长和产量的影响

喷灌施肥灌溉时叶片对尿素的直接吸收作用是提高氮肥利用率的潜在因素之一。以地面灌溉、尿素撒施处理为对照(CK),通过设置不同的尿素喷施浓度,研究夏玉米生理生态指标和产量的响应特征。结果表明,追施尿素后叶片相对叶绿素含量(SPAD)增加,但不同尿素喷施浓度处理的夏玉米株高、SPAD无显著差异(P>0.05)。尿素喷施浓度对叶面积指数(leaf area index,LAI)和产量的影响具有较大的年际变化,2017年不同尿素喷施浓度处理的产量差异达到了显著水平,尿素喷施浓度为0.146%处理的产量(12.5 t/hm^2)显著高于尿素喷施浓度≥0.178%处理的产量(11.3 t/hm^2),2018年尿素喷施浓度为0.188%处理的LAI在喷灌施肥后的一段时间内出现了显著降低。喷灌施肥后,叶片吸收尿素对光系统活性和光化学效率的影响与SPAD有关,2017年SPAD较高时,喷施尿素后光系统活性和光化学效率呈先减小后增大规律,且尿素喷施浓度≤0.146%处理的抑制作用仅发生在施肥后1 d,尿素喷施浓度≥0.178%处理的抑制作用持续至施肥后3~5 d;2018年SPAD较低时,与CK处理相同,喷施尿素后所有处理的光系统活性和光化学效率均呈先增大后稳定规律。与CK处理相比,施氮量小于等于CK的喷灌处理的产量和水分利用效率与CK处理无显著差异,但氮肥偏生产力显著高于CK处理,证明了喷灌施肥灌溉的可行性及其节肥、增产潜力。