膜孔灌土壤湿润体水分分布与入渗特性数值模拟

以非饱和土壤水分运动理论为基础,建立了膜孔灌土壤水分运动的数学模型,并用SWMS-3D软件进行求解,利用室内试验对模拟结果进行分析验证,模拟值与实测值基本吻合,所建模型合理。用所建立的模型和方法对一定灌水技术要素组合下的土壤湿润体水分分布、膜孔入渗量进行数值模拟,结果表明:除膜孔间距大时,膜孔附近土壤水分分布不均匀程度增大外,土壤质地、容积密度、初始含水率、膜孔直径和灌溉水深对膜孔灌土壤水分分布模式影响较小。土壤质地、容积密度对膜孔灌的入渗特性影响显著,土壤初始含水率和灌溉水深对其影响较小。膜孔控制区域内的平均入渗水深主要受开孔率和膜孔直径的影响。

地膜覆盖对滴灌土壤湿润区及棉花耗水与生长的影响

土壤湿润范围是滴灌技术设计中必须考虑的指标。以田间试验为基础,通过测定、分析和对比膜下滴灌和无膜滴灌条件下土壤含水率田间分布、土壤耗水量田间分布、棉花生长状态(株高、叶面积指数、产量等)以及产量的差异等指标,对膜下滴灌土壤湿润区的特征进行了研究。研究结果表明:地膜覆盖条件下,整个土壤覆盖面积均被湿润,其土壤湿润比高于无膜滴灌下的土壤湿润比。地膜阻碍了地表积水区向膜外土壤扩展,导致膜外土壤含水率低,单根滴灌毛管控制面积内的土壤耗水量比无膜滴灌条件的耗水量低,土壤水利用率明显高于无膜滴灌条件。但是,这却造成生长在地膜边缘的棉花长势差于生长在膜中部的棉花。另外,利用土壤适宜含水率指标评价土壤有效湿润区范围,能清楚地说明土壤湿润区与作物耗水之间的关系,它可成为设计土壤湿润比的一个依据。

膜下滴灌土壤湿润区对田间棉花根系分布及植株生长的影响

滴灌条件下的土壤湿润区与作物根系分布和植株生长之间的关系是确定滴灌湿润比的理论依据。以大田膜下滴灌试验为基础,在灌水量相同的情况下,通过调控滴水流量得到不同的土壤湿润区,对不同土壤湿润区下的田间棉花根系分布及株高和叶面积生长均匀性进行了试验研究。结果表明,小的滴水流量形成窄深型土壤湿润区,其土壤水分水平分布均匀性较差,使田间棉花根系分布和植株生长均匀性低;而大的滴水流量形成宽浅型土壤湿润区,其土壤水分水平分布均匀性较好,使田间棉花根系的分布和植株生长均匀性较高;膜下滴灌条件下,宜采用宽浅型土壤湿润区。

土壤湿润条件下基于光谱对称度的盐渍土盐分含量预测

近年来光谱技术以其经济、高效的优势在土壤盐渍化监测研究中得到重视,但是由于土壤水分对反射光谱影响很大,土壤湿润条件下监测精度难以满足农业生产需求。通过对盐土土柱室内模拟蒸发过程中的反射光谱和水分、盐分变化的连续监测,利用多元逐步回归方法,建立了1 370～1 610nm光谱对称度与土壤表层含盐量、含水量之间的线性关系模型,r为0.863;用该模型反演表层土壤含盐量,实测值与预测值之间线性关系的r为0.656(n=54),RMSE为2.059g·kg-1。利用光谱对称度可以实现土壤湿润条件下土壤盐分含量预测。

滴头流量对土壤湿润体的影响研究

滴头流量的变化对湿润体的大小和形状影响很大 ,进而影响作物根系生长和产量。但工程设计中滴头流量的选择缺少科学依据 ,使得设计湿润深度和湿润比不能同时保证。本研究通过对重壤土、中壤土、砂壤土进行不同流量的滴水试验发现 :滴头流量对湿润锋水平运移的影响比对垂直运移的影响大 ;滴灌设计中 。

涌泉根灌土壤湿润体影响因素的试验研究

滴头流量、灌水量及埋深与土壤湿润体的关系是涌泉根灌设计的依据。通过室内土槽试验,研究了涌泉根灌的滴头流量、灌水量及滴头埋深对均质粘壤土湿润体变化的影响。结果表明:涌泉根灌土壤入渗湿润体在垂直向下距离和水平扩散距离均与灌水时间成幂函数关系,相关系数达到0.98以上;滴头流量和灌水器埋深对土壤入渗湿润体影响较大,而灌水量对土壤入渗湿润体无显著影响。

膜下滴灌土壤湿润区水热耦合对棉花生长的影响

为了探明膜下滴灌土壤湿润区对土壤温度及棉花生长的影响,试验中通过不同滴水流量的设置("1倍滴流量"、"2倍滴流量"和"4倍滴流量")获得了不同的土壤湿润区范围和膜下土壤含水率分布;测定了棉花生育期土壤水分和温度以及棉花生长指标和产量。结果表明,在覆膜保温作用下,膜下滴灌土壤湿润区扩大和土壤含水率的增加对膜下土壤温度没有显著影响;土壤温度受棉花叶面积遮光的影响要大于受土壤水分的影响;棉花的植株生长主要受土壤水分的影响,而受土壤温度的影响很小;随着膜下滴灌土壤湿润区加宽,土壤含水率分布更加均匀,使棉花的铃数和理论产量显著增加。

线源滴灌土壤湿润均匀性的影响因素试验研究

线源滴灌设计中，滴灌管出流均匀性与土壤湿润均匀性有本质不同，前者仅仅是后者必要的基础，但是要保证线源滴灌土壤湿润均匀性，还需要考虑滴头间距、滴头流量、滴水量和土壤质地的差别。对影响线源滴灌土壤湿润均匀性的主要因素进行了试验研究。试验中所用土壤为沙土和沙壤土；滴头间距为30cm和50cm；滴头流量为0．3～4L／h；滴水量为10～25L不等。试验表明，沿滴灌管方向的土壤湿润均匀度取决于湿润区的交汇程度，而湿润区的交汇程度又取决于土壤湿润区水平运移宽度和滴头间距。沙土沿滴灌管方向的土壤湿润均匀度随滴水量的增大而显著增大，沙壤土的相应指标则随滴头流量的增大而增大。土壤湿润均匀度随滴头间距的增大而减小。线源滴灌设计时，粘粒含量较少的土壤应该有一定的设计湿润深度和较小的滴头间距才能保证其湿润均匀度满足设计要求。研究结论对完善滴灌技术设计理论有帮助。

沟灌土壤湿润体空间矩特征参数估算模型

为进一步增加矩分析理论在研究沟灌土壤湿润体运移特性方面的实用性,采用数值模拟和理论分析相结合的方法,定量分析了土壤初始含水率、入渗水深、沟底宽和边坡系数等因素对沟灌自由入渗条件下土壤湿润体空间矩特征参数的影响,并建立了其与主要影响因素间的函数关系式。结果表明,土壤初始含水率、入渗水深和沟底宽对垂直向土壤水分分布的质量重心影响较大;水平向湿润锋的平均离散度主要受土壤初始含水率、入渗水深、沟底宽和边坡系数的影响,而垂直向对土壤初始含水率和入渗水深变化的敏感性较高;选取不同土壤质地对所建模型的可靠性进行了验证,结果表明所建模型估算不同入渗时刻的空间矩特征参数值与根据HYDRUS软件模拟结果所得计算值具有高度一致性,所有验证组合条件下两者相对误差绝对值均值均低于8.5%,且无显著性差异,说明所建模型估算沟灌土壤湿润体空间矩特征参数具有高度可靠性。研究结果可为沟灌灌水方案设计和管理提供理论基础和技术支撑。

小滴头流量下灌水频率对膜下土壤湿润区的影响

为了探明灌水频率对小滴头滴灌土壤湿润区的影响,在实验室对沙土和中壤土进行了膜下间歇滴灌试验,滴头流量分别为0.3、0.5、0.7L/h;灌水频率分别为1、2、3、4次灌完。在灌水量相同的情况下观测了土壤的湿润区运移过程和含水率分布。结果表明,小滴头流量下改变滴水频率对土壤湿润体的大小影响很小;随着灌水频率的增加,土壤湿润锋水平运移速度减小,但是,增加滴灌频率可明显提高膜下浅层土壤含水率水平,为作物根系吸水提供理想的水分环境。

滴头间距对线源滴灌土壤湿润均匀度的影响

通过室内试验研究了滴头间距对线源滴灌土壤湿润均匀度的影响。试验中滴头间距设为10、30、40、50和70cm5个处理,滴头流量和滴水量恒定,分别观测分析了滴头连线方向的土壤湿润均匀度、垂直该连线方向的湿润均匀度、交汇区的湿润均匀度以及地表湿润带的均匀度。结果表明:在试验范围内壤土沿滴头连线方向、垂直滴头连线方向以及交汇区的湿润均匀度均不受滴头间距的影响;滴头间距大于30cm时,沙土沿滴头连线方向的湿润均匀度减小,而垂直滴头连线方向和交汇区的湿润均匀度基本不随滴头间距而变化,但其交汇区土壤含水量却随滴头间距增大而明显降低;滴头连线方向的土壤湿润均匀度是评价线源滴灌质量的最主要指标。以上结果可以为滴头间距和滴灌带间距设计提供参考。

滴灌土壤湿润区对棉花生长及产量的影响研究

针对棉花作物,以桶栽试验为基础,通过控制滴头流量得到不同宽度的土壤湿润区,观测了棉花相应的生长状况及产量。试验结果表明,棉花的生长发育和产量与滴灌土壤湿润区的大小密切相关,宽的土壤湿润区可以使棉花的生长发育提前,其株高、叶面积、产量都比窄的土壤湿润区条件下的棉花相应指标高;宽的土壤湿润区下的棉花叶面积衰老速度比窄的土壤湿润区下的棉花叶面积衰老速度慢。另外,随着土壤湿润区变宽,土壤耗水深度变浅,棉花单铃重、衣分和单株产量增加,但单株铃数减少。

滴灌土壤湿润区对棉花根形与生物量积累的影响

基于桶栽棉花试验,分析了5个土壤湿润区处理下棉花5个生育阶段(苗期、蕾期、盛花期、盛铃期、吐絮期)的根形与根系生物量的增长规律。结果表明,窄深型土壤湿润区下的棉花根形紧凑,而宽浅型土壤湿润区下的棉花根形扩展;整个生育期内棉花根系生物量的积累过程符合"S"型增长曲线,且可用Gaussian Model拟合;滴灌土壤湿润区影响到棉花根系生物量的积累过程,在棉花苗期、蕾期,窄深型土壤湿润区对棉花根系生长有利,而在棉花花期、铃期,宽浅型土壤湿润区对棉花根系生长更为有利;随着土壤湿润区由窄深变得宽浅,进入吐絮期后的棉花根系衰减速度加快。

横坡垄作下土壤湿润速率对褐土坡面侵蚀特征的影响

不同土壤湿润速率和侵蚀类型下团聚体破碎存在较大差异,进而诱发坡面侵蚀特征变化。横坡垄作特有的侵蚀过程可能改变土壤湿润速率对坡面侵蚀特征的影响效应。以褐土横垄为研究对象,基于室内模拟降雨试验,研究5个土壤湿润速率下（10、20、30、60、90 mm/h）不同侵蚀阶段的产流产沙和团聚体迁移规律。结果表明,细沟间阶段径流量随土壤湿润速率的增大而增加,而细沟阶段不同土壤湿润速率间的径流量无显著差异。2个阶段内,侵蚀量均随土壤湿润速率的增大而增加,与土壤湿润速率10 mm/h相比,20、30、60、90 mm/h速率下的侵蚀量分别显著增加25.16%～115.51%、95.02%～144.34%、151.03%～164.49%、249.42%～398.91%。细沟间阶段,土壤湿润速率的变化仅改变了产沙过程,而细沟阶段产流产沙过程均随土壤湿润速率发生了改变。主要迁移粒级-微团聚体流失所增加的细沟间和细沟侵蚀阶段分别主要来自2～5 mm和0.25～0.5 mm团聚体的破碎,而相应控制这2个粒级破碎的关键土壤湿润速率分别为20 mm/h和10 mm/h。不同阶段下迁移团聚体平均重量直径由大到小依次为细沟阶段、湿润处理后、细沟间阶段。

利用工程措施改变地下滴灌土壤湿润模式的试验

通过滴灌带下铺设阻水塑料布 ,明显地改变了地下滴灌湿润体的形状和湿润体内部的土壤水分分布。与普通地下滴灌比较 ,增大了沿毛管纵向的湿润宽度 ,提高了湿润锋向上的运移高度 ,减小了水分向下的入渗深度 ,同时 ,增大了滴灌带上层土壤的含水量。

间歇供水对点源入渗土壤湿润体及水分分布的影响

对间歇供水和连续供水方式下的地表点源入渗进行了室内对比研究,得到以下初步的结果:2种供水方式下水平和垂向湿润锋与入渗时间均存在显著的幂函数关系;在灌水定额相同的条件下,采用大滴头流量(2L/h)间歇滴灌同采用小滴头流量(1L/h)连续滴灌相比较,间歇供水能有效增加水平与垂向湿润距离的比值;在连续供水条件下,土壤湿润体内平均含水率保持为一常量,而间歇供水处理的湿润体内平均含水率有一周期性的动态变化,供水期持续增大,在停水期降低接近于连续供水处理。

滴灌土壤湿润体与作物根系优化匹配研究

研究滴灌土壤湿润体与作物根系优化匹配结果表明 ,滴灌土壤湿润体是滴灌系统对作物根系的作用区域 。

不同滴头流量和灌水量下农田土壤湿润体特征及其估算模型

为了准确估算滴灌条件下农田土壤湿润体,利用亮蓝染色剂示踪技术分别在陕西杨凌(粘壤土)、甘肃武威(沙壤土)和宁夏盐池(沙土)3个试验站点开展了农田滴灌试验。试验设不同灌水量和滴头流量,研究不同土壤质地条件下灌水量和滴头流量组合对农田土壤湿润体的影响,进而探求不同土壤质地的土壤湿润体估算模型。结果表明:在相同的土壤条件下灌水后农田土壤形成的湿润体随灌水量的增加而增大,在相同灌水量下增加滴头流量能够显著增加水平方向的湿润距离,相较于小滴头流量(1.38 L·h^-1)而言,大滴头流量(3.0 L·h^-1)形成宽浅形湿润体。在相同的灌水量和滴头流量下,农田土壤湿润体的垂向湿润距离随土壤饱和导水率(Ks)的增加而增加,随灌水前土壤有效持水能力(Δθ)的增加而减小,而水平方向的湿润距离随土壤饱和导水率(Ks)和有效持水能力(Δθ)的增加而减小。在试验的基础上,利用土壤饱和导水率(Ks)、灌水前土壤有效持水能力(Δθ)、灌水量(v)和滴头流量(q)建立了湿润体垂直和水平方向湿润距离的估算模型(幂函数连乘模型),并结合湿润体形状利用椭圆方程描述湿润体的轮廓形状(湿润体估算模型)。经试验数据验证,农田土壤湿润体估算模型能够很好估算湿润体轮廓,模拟值和试验实测值的决定系数(R^2)在0.93~0.99之间,均方根误差(RMSE)在1.3~4.1 cm之间。

滴灌条件下土壤湿润比的田间试验研究

以田间试验实测资料为基础,通过计算有膜和无膜滴灌条件下土壤含水率占田间持水率的百分比,评价了土壤湿润的有效区域,并进一步与滴灌土壤湿润比的工程设计值进行比较,从而验证了在工程设计中选取的土壤湿润比是否满足作物对土壤水分的需求。结果表明,地膜覆盖条件下,其土壤湿润比高于无膜滴灌条件下的土壤湿润比,由于地膜在一定程度上降低了土壤的蒸发作用,从而使得其土壤湿润体大于无膜滴灌。无膜滴灌低水处理实测的田间土壤湿润比较设计值低0.28,不符合设计要求;覆膜滴灌高水处理土壤湿润比的实测值较设计值高0.27,虽然符合设计要求,但其没有达到滴灌节水的目的。其次,利用土壤适宜含水率指标评价土壤有效湿润区范围,能在一定程度上体现出土壤湿润区与玉米灌水定额之间的关系。

宁南山区不同灌溉方式下土壤湿润范围研究

宁夏南部山区的半干旱及同类地区作物灌溉主要采取补充灌溉,试验掌握在不同灌溉方式、不同灌溉量下的土壤湿润情况,可以为实施作物精量控制灌溉提供设计、灌溉依据。本研究选择滴灌和点灌2种灌溉方式,设计5个水平的灌溉量,在宁夏彭阳县王洼镇姬阳洼小流域进行实地试验,摸清了不同灌溉方式、灌溉量下的土壤湿润范围、深度、土壤湿润比及灌溉量与湿润土体体积的关系。