基于COMSOL软件的绿洲盐渍化土壤中多离子耦合运移模型构建

了解盐分离子在土壤中的迁移规律可以为盐渍土的综合治理以及高效利用提供科学依据,在COMSOL多孔介质和地下水流模块模拟非饱和土壤水流的基础上,自定义偏微分方程组构建盐渍化土壤SO42–、Ca2+、Na+、Cl–、Mg2+耦合运移模型,考虑阳离子交换过程以及硫酸钙的沉淀溶解反应,并通过新疆绿洲膜下滴灌田间试验对模型进行检验,对比不同活度系数估算方法对模拟结果的影响。结果表明,各离子模拟值与实测值吻合较好,平均相对误差介于9.15%~28.57%,决定系数介于0.41~0.88,该模型能够较好地反映土壤中盐分离子的动态变化规律;在膜下滴灌条件下,膜下0~40 cm土层的盐分离子有不同程度的淋洗,Cl–和Na+的淋洗效果好于Ca2+和SO42–;活度系数的估算对模拟结果的准确性有重要影响,尤其是盐分含量较高时,采用通用的函数关系可能会带来较大的模拟误差。     

微喷灌结合滴灌对温室高温环境和作物生长生理特性的影响

微喷灌结合滴灌是指在作物根区滴灌的基础上对作物冠层进行微喷灌来改善作物生长环境的一种灌水方式。为了探明微喷灌结合滴灌（micro-sprinkler irrigation combined with drip irrigation,MSDI）和地表滴灌（surface drip irrigation,SDI）2种灌水方式下温室高温环境及作物生长生理特性的差异及响应规律,该研究以黄瓜为试验对象,于2017年2－6月开展了2种灌水方式下温室环境及黄瓜生长生理特性的观测试验。结果表明：在改变温室环境方面,MSDI灌水方式较SDI可增加温室内相对湿度,降低气温,同时降低叶片温度约4℃;在作物生长生理特性方面,采用MSDI可增加黄瓜株高与茎粗,降低作物茎流速率,促进黄瓜生长;2种灌水方式下黄瓜最大光合效率几乎一致,分别为0.74和0.77,但日平均实际光合效率差异明显,分别为0.57和0.47,MSDI灌水方式下黄瓜叶片日平均气孔导度和光合速率比SDI方式分别高182.8%和92.4%。该研究成果对于合理调控温室高温环境、提高温室作物产量具有重要的指导意义。     

地表滴灌水氮耦合对毛白杨幼林生长及土壤水氮分布的影响

为探究地表滴灌水氮耦合对毛白杨生长及土壤水氮分布的影响,以2年生三倍体毛白杨人工林为研究对象,研究2种灌水处理（W20、W45）和3种施氮水平（80、150、220 kg/(hm2·a)）下滴头正下方0～80 cm土层土壤含水率（soil water content,SWC）和无机氮（Nmin）的动态变化规律,结合林木生长情况,明确2年生三倍体毛白杨最佳水氮耦合策略。结果表明：W20处理能显著促进4－7月林木胸径生长（P<0.05）,水氮因子尚未表现出交互作用（P>0.05）。灌溉能显著影响SWC,旱季（4月底至6月中旬）W20处理平均SWC达到11.3%,较空白对照（CK）提高37.5%;雨季（6月下旬至8月初）SWC受降雨影响整体提升,处理间差异不显著（P>0.05）。旱季Nmin在0～80 cm土层逐渐积累,集中分布在0～20 cm表土层,且随施氮量增加而增加;雨季Nmin向深土层移动,W20处理Nmin出现深层淋溶,W45处理各土层Nmin分布均匀,其中W45N150处理0～80 cm土层Nmin平均质量分数达到44.27 mg/kg,显著高于其他处理（P<0.05）。生长季末各处理Nmin均增加,在土层中产生积累。综上,N150处理能保证整个生长季内0～80 cm土层充足的氮素含量,结合林木生长情况判断,4－7月W20处理能显著促进毛白杨幼林生长（P<0.05）,8月份开始W45处理即可满足林木生长对水分的需求。     

通辽玉米滴灌灌溉制度

为更加合理制定玉米滴灌灌溉制度,以我国“节水增粮行动”为背景, 于2016年在内蒙古通辽开展玉米滴灌灌溉制度试验研究.根据试验区34 a的降雨资料进行降雨频率分析,选取不同水文年型的代表年,结合玉米滴灌试验得到实际耗水规律,对比6种灌溉处理在各生育阶段的变化情况,测定了株高、叶面积指数、玉米产量等指标.结果表明:中水处理作物性状及产量较高,且水分利用效率最高,为最佳灌水处理;以中水处理作为滴灌灌溉制度的参考依据,通过气象数据计算参考蒸发蒸腾量ET₀.利用实际耗水量获取各生育阶段作物系数,结合代表年型的ET₀计算需水量.根据降雨量,得到不同水文年型滴灌灌溉制度:枯水年覆膜滴灌灌溉定额1 575 m³/hm²,无膜滴灌灌溉定额1 785 m³/hm²;平水年覆膜滴灌灌溉定额1 125 m³/hm²,无膜滴灌灌溉定额1 425 m³/hm²;丰水年覆膜滴灌灌溉定额600 m³/hm²,无膜滴灌灌溉定额900 m³/hm².     

水肥耦合对南疆沙区滴灌红枣光合特性及叶绿素相对含量的影响

为了探索南疆沙区水肥耦合对红枣光合特性及叶绿素相对含量的影响,以大田“8a成龄骏枣树”为供试材料,在滴灌条件下进行水肥二因素三水平完全处理小区试验.结果表明:红枣叶片净光合速率(P_n)与气孔导度(G_s)日变化呈“双峰型”,蒸腾速率(T_r)日变化呈 “单峰型”,细胞间隙CO₂浓度(C_i)和叶片水分利用效率(WUE)日变化呈 “单谷型”;W2F1处理的P_n,T_r,G_s第一次峰值的最大值比常规漫灌(CK)分别提高34.8%, 10.74%,7.14%; W2F3处理C_i和WUE谷值比常规漫灌分别提高29.04%和8.33%,叶绿素相对含量和氮含量均在W3F3处理获得最大值,比常规漫灌分别提高6.00%,9.49%;W3F3处理与W2F1处理差异不具有统计学意义(P>0.05);红枣叶片P_n与T_r,G_s之间密切相关,P_n与叶绿素相对含量及氮含量有一定相关关系,但不密切,叶绿素相对含量与氮含量之间密切相关,与WUE之间相关性较低.根据试验结果,初步认定灌水量820 mm、施肥量450 kg/hm²(W2F1处理)为南疆沙区节水节肥的最佳水肥供应模式.     

多因素下全射流喷头射程计算模型及试验

为了深入研究多因素条件下全射流喷头射程公式,预测全射流喷头射程模型.采用组合法对全射流喷头射程进行试验设计,包括测量喷嘴直径、喷头仰角、工作压力、安装高度等因素,总结全射流喷头射程在不同因素下的变化规律,利用1stOpt软件进行数据分析得到全射流喷头射程计算公式,并利用此公式与当前常用的2个喷头射程公式进行对比分析.结果表明:随着工作压力的变化射程出现较大的变化,喷头射程随喷头仰角的增大呈先增大后减小的抛物线型变化,喷头安装高度对射程的影响较小,喷嘴直径越大喷头射程越大.全射流喷头射程与单个因素之间的关系与所建立的模型拟合较好,呈幂函数关系,计算射程与试验射程相差小于8%,研究结果可为全射流喷头射程的预测提供理论依据.     

新型三折叠喷洒臂结构设计及动力学仿真

针对目前卷盘式喷灌机配套单喷头车水力能耗高,而水力能耗低的桁架式喷洒车不能折叠的问题,设计了1种新型三折叠喷洒臂桁架结构,确定了各杆件的长度以及连接关系,建立了基于多刚体系统动力学理论的拉格朗日法机构动力学方程,结合ADAMS虚拟样机技术仿真分析了三折叠喷洒臂结构在正弦函数驱动下的各杆件运动响应以及动力学特性.根据分析结果对结构进行了改进,结果表明,三折叠喷洒臂结构折叠过程运动平稳,完全收拢后内侧杆件折叠角为86.2°,各杆的最大受力突变出现在折叠收拢角为85.6°时,此时液压缸输出最大推力为2 800 N,各杆最大应力为10 MPa,远远满足管用防锈铝合金材料130 MPa的许用应力要求.由此表明,三折叠喷洒臂结构具有较好的折叠收拢效果,各杆件受力满足结构强度要求,为验证三折叠喷洒臂结构设计的合理性及加工物理样机的可行性提供了依据.     

改进CERES-Maize模型在玉米膜下滴灌模式下的适用性

针对CERES-Maize模型没有覆膜处理模块而无法从机理上实现对覆膜玉米生长发育及产量形成过程进行模拟的问题,依据作物生长发育的有效积温原理,利用膜地增温对有效气积温的补偿效应,量化覆膜地温对气温的补偿值,改进模型气象模块中的气温输入数据,同时将模型中影响腾发量及水量平衡计算的冠层能量消光系数K调整为0.5,构建了适宜于膜下滴灌的改进型CERES-Maize模型,并依据2014和2015年膜下滴灌玉米田间试验数据对改进模型进行验证.结果表明覆膜地积温对气积温的增温补偿系数C_c:播种-出苗期为0.45,出苗~抽雄前期为0.20;随着K降低,地上生物量与籽粒产量的相对误差绝对值ARE降低并趋近于0;改进后的模型能够较好地模拟覆膜玉米开花期天数、成熟期天数、收获期地上生物量和籽粒产量,其模拟值和实测值的ARE分别为0.58%,0.37%,7.65%和16.95%,相对均方根误差RRMSE分别为0.84%,0.51%,8.75%和17.50%.     

痕灌带地埋下水力特性

为了获得痕灌带在田间应用的设计参数及其水力性能,通过室内与室外试验相结合的方法,针对流量规格为900 mL/h的痕灌带在自由出流时的制造偏差系数、流量与压力关系及其地埋后的水力特性以及痕灌毛管的地埋极限铺设距离进行了计算与评估.试验结果表明,试验痕灌带制造偏差系数为0.04,制造精度较高,且痕量灌水器压力-流量关系符合微灌灌水器幂函数关系式;痕量灌水器在地埋条件下,流量对压力变化的敏感性要高于自由出流.痕灌带(900 mL/h)在地埋后其流量减小幅度不明显,与室内自由出流相比,在额定工作压力条件下(10 m),地埋后痕量灌水器平均流量减少3%~8%;此外,在满足系统流量偏差系数(q_v)不大于20%条件下,并结合田间土壤含水率空间变异性的研究验证,试验痕灌带(900 mL/h)在平坡铺设、砂壤土中的地埋铺设极限距离为150 m左右.     

磷肥和钾肥不同配施方式对其养分在土壤中迁移的影响

采用单点源滴灌试验方法,模拟滴灌条件下磷(P)、钾(K)肥作为基肥一次施入和随水分施入两种不同的配施方式下速效P、K含量在土壤中的时空分布变化情况。结果表明:对于可溶性较好的磷、钾肥作为基肥施入土壤后,均随着滴灌水的下渗运移而发生迁移,速效磷的高值区出现在湿润区的边缘附近,速效钾则比较均匀的分布在湿润区内;随水分施磷肥,仅在湿润区深度20cm,水平方向15cm以内的土层发生积累。在施加磷肥总量一致时,随水分施入土壤速效磷含量的最大值明显高于作为基肥施入的最大值;随水分施钾肥,速效钾在土壤中的分布也趋于均匀,但是在滴水点附近形成高值区,且随水分施钾肥可在一定程度上减缓速效钾在土壤中的迁移速度。