基于AquaCrop模型的水稻多目标灌溉制度优化研究

【目的】优化现有水稻灌溉制度,节约灌溉用水量,减少稻田氮磷流失量以降低面源污染风险。【方法】构建了基于AquaCrop模型和NSGA-Ⅱ算法的水稻灌溉制度模拟优化模型,利用水稻田间试验数据,开展以产量最大、氮磷流失量最小、灌水次数最少的3种目标组合(产量-氮磷流失量(Y-TNP)、产量-灌水次数(Y-N)、产量-氮磷流失量-灌水次数(Y-TNP-N))下的灌溉制度优化模型研究,提出适应不同生育期降水年型的稳产-控污-提效灌溉制度。【结果】(1)与常规灌溉相比,Y-TNP灌溉制度优化水稻产量下降2.14%,氮磷流失量减少23.09%;Y-N灌溉制度优化水稻产量下降1.76%,灌水次数减少53%;Y-TNP-N灌溉制度优化水稻产量下降2.64%,氮磷流失量减少22.83%,灌水次数减少2次。(2)不同典型年以Y-TNP-N为目标优化的稳产-控污-提效灌溉制度水稻产量介于7.74~7.78 t/hm^(2),同时大幅度减少灌水量进而降低氮磷流失量。【结论】AquaCrop模型可模拟试验区水稻的生长发育过程,本文构建的模拟-优化耦合模型可用于优化不同生育期降水年型下稳产-控污-提效的灌溉制度。

基于非恒定渐变流-急变流方程的变流量畦灌数值模型

传统畦灌模型多是基于非恒定渐变流方程建立的,在模拟变流量畦灌水流运动时的精度难以保障。本文综合分析了变流量畦灌过程中田面水流的运动状况,将其按照边界条件的不同划分为恒定流量进水阶段、变流量进水阶段、畦首消退阶段、田面消退第1阶段、田面消退第2阶段等5个阶段,基于非恒定渐变流方程和非恒定急变流方程构建了适用于变流量畦灌系统的渐变流-急变流数值模型,通过2组恒定流量畦灌、4组变流量畦灌的田间试验以及2组文献资料中的畦灌试验数据对模型进行了验证。结果表明,渐变流-急变流畦灌模型模拟值与现场实测结果吻合较好,模拟推进时间决定系数R^(2)均大于0.96、模拟消退时间R^(2)大于0.90。与目前常用的WinSRFR模型相比,渐变流-急变流畦灌数值模型在模拟恒定流量畦灌方面具有相似的精度,且在模拟变流量畦灌方面精度更高。渐变流-急变流畦灌模型可以较精准地模拟变流量畦灌的水流运动状况,可为分析变流量畦灌系统、优化变流量畦灌方案提供支撑。

秸秆还田及过程因素对土壤氮素影响的Meta分析

【目的】评估秸秆还田过程中不同因素对农田土壤氮素水平的影响。【方法】基于Meta分析,在中国知网、Web of Science及Science of Direct搜集秸秆还田文献42篇,共得到314对数据,量化秸秆种类、土壤初始条件、秸秆还田方式、秸秆还田量、氮肥配施量以及秸秆还田年限对土壤氮素水平的影响。【结果】不同种类秸秆还田均能够提高土壤总氮量;相比黏土,秸秆还田更有利于促进砂土和壤土的氮素积累;在碱性土壤条件下进行秸秆还田,土壤固氮效果较好;秸秆还田后土壤氮素提升率随土壤碳氮比的增加而下降;采用翻耕、旋耕和免耕进行秸秆还田分别提升了9.11%、7.84%、5.34%的土壤总氮量;秸秆还田过程中少量(≤150 kg/hm^(2))和中量(150~250 kg/hm^(2))配施氮肥条件下的土壤固氮效果较为接近,氮肥施用量˃250 kg/hm^(2)时,土壤氮素积累效果显著提升;长期秸秆还田(>10 a)与短期秸秆还田(1~4 a)取得的土壤增氮效果接近。【结论】碱性、低碳氮比的非黏性土壤更有利于秸秆腐解及氮素释放,为促进土壤氮素积累,建议在合理配施氮肥条件下将秸秆以翻耕的方式进行中短期(≤10a)还田。

泡田期稻田养分流失特征与回用效果分析

[目的]揭示太湖地区泡田期田-沟-河灌排系统稻田养分流失特征及其在尾水回用下养分拦截回用比例及效果。[方法]基于原位试验记录各级灌排单元中的水量、水质,分析泡田期稻田养分流失特征,选用熵权法计算各指标权重,识别各级灌排单元的关键水质因子,并结合水量、水质数据计算尾水回用格局下各水质因子的回用率。[结果]泡田期内各指标浓度在田-沟级呈先升高后降低的趋势,而河道级延后1~2 d后升高,泡田结束时均高于初始水平,各水质指标浓度随水流流向呈梯级递减趋势。田-沟级关键水质因子为氮,随水流至河道级后转变为化学需氧量(COD)。在尾水回用格局下,总回用水量达到泡田定额的45.56%,总氮(TN)、铵态氮(NH_(4)^(+)-N)、总磷(TP)、COD回用率分别达到51.96%、33.68%、57.61%、42.65%。[结论]泡田期灌溉定额大,稻田养分流失风险高,通过尾水回用可有效减少泡田定额,并将稻田排水中的养分回归入田以降低污染物外排风险。本研究有助于从灌排单元尺度上提高节水、减排水平,助力太湖地区农业可持续发展。

MICP加固土质排水沟边坡稳定性分析

【目的】探究应用微生物诱导CaCO3沉淀(MICP)固结土壤技术对于土质排水沟边坡稳定性的影响机制。基于土工直剪试验和数值模拟法研究不同工况下MICP加固的土坡稳定性,为MICP生物护坡措施应用于土坡加固提供理论依据。【方法】选用OD600=0.97的巴氏芽孢杆菌和1 mol/L的固结液(CO(NH_(2))_(2)∶CaCl_(2)=1∶1),固菌比为5∶3,添加15%固结液质量的脲酶抑制剂。布置4个试验土箱,设置对照组CK和固结组C1、C2、C3,对照组喷洒清水,设计入渗10 cm土层,固结组按先固结液后菌液顺序喷洒设计入渗5、10、15 cm土层。对固结后的风干土、饱和土、落干土进行直剪试验,利用直剪结果分析不同工况土坡稳定性。【结果】MICP处理的土体抗剪强度均有所提升;饱和处理后CK、C1、C2、C3的内摩擦角降幅为46.67%,39.73%,28.98%和27.85%,黏聚力降幅76.37%,62.83%,39.09%和51.62%,CK土坡处于欠稳定,C1、C2、C3土坡满足安全要求,黏聚力是影响边坡稳定的主要因素。【结论】MICP可以提高土质排水沟边坡的稳定性,其最佳固结深度是10 cm。

自动调控畦灌系统中调控要素对水流运动过程的影响

自动调控畦灌是提高灌水质量、减少劳动力需求的重要措施。为探究自动调控畦灌系统如何合理选取调控要素,通过畦灌观测试验获取畦田自然参数,结合WinSRFR模型模拟畦灌过程,分析自动调控畦灌系统中停水距离、停水时间和入畦流量对水流运动过程和土壤水分入渗分布的影响规律。结果表明,停水距离和停水时间在田面水流推进过程、消退过程、土壤水分入渗分布以及灌水质量等方面的调节效果相似。对于100 m畦长的典型试验畦田,七成改水、七五改水、八成改水、八五改水、九成改水的调控效果分别对应灌水量70、80、90、100、110 mm。停水时机对畦田后段的水流推进、消退过程影响较大,而对畦田前段的水流推进、消退过程影响较小,不同改水成数或灌水量并不能显著改变畦田前段的土壤水分入渗分布。调控流量较停水距离和停水时间可以更有效地调控畦田前段的灌水效率和灌水均匀度。因此在优先考虑经济性的自动调控畦灌系统中推荐调控灌水量,而在追求精准调控的自动调控畦灌系统中推荐调控流量。

考虑初始含水率沿程不均匀分布的畦灌技术要素调控

畦田土壤初始含水率是影响灌水质量的重要因素之一,由降雨产流导致的畦田土壤含水率沿程不均匀分布是华北平原农田常见的现象。为探究土壤初始含水率空间变异性对畦灌水流运动以及灌水质量的影响,本文开展一维土柱入渗试验与二维土槽灌溉试验,结合WinSRFR地面灌溉模拟模型,优化求解初始含水率沿程不均匀条件下的畦灌技术要素。结果表明:畦田土壤初始含水率沿程增幅越大,畦灌田面水流推进速度越快,田面水流消退速度越慢;相较于初始含水率均匀分布,畦田土壤初始含水率沿程不均匀分布条件下,灌水效率和灌水均匀度有所下降,储水效率无明显变化;当畦田土壤初始含水率沿程增加时,灌水效率和储水效率受畦田长度、入畦单宽流量及改水成数的影响,而灌后土壤水分均匀度仅受畦田长度和单宽流量的影响;当畦田土壤初始含水率沿程由0.1890 m~3/m~3均匀增大至0.4643 m~3/m~3时,畦田长度L为85 m、改水成数G为6、单宽流量q为7.0 L/(m·s)时可取得最优灌水质量。本研究结果可为降雨产流带来的畦田土壤初始含水率不均匀条件下的灌水技术要素调控提供科学依据。

畦田自然要素时空变异性及其对灌水质量的影响

土壤入渗参数、田面糙率、坡度等自然要素是畦灌方案设计的基础参数,其变异性是导致灌水质量远低于预期的重要原因。为揭示畦田自然要素时空变异特征及其对灌水质量的影响,该研究在11组畦田上开展了4 a畦灌观测试验,通过实测数据全面研究了灌前自然要素的畦内空间变异性、畦间空间变异性和年际时间变异性,并结合WinSRFR地面灌溉模型,模拟分析了自然要素时空变异性对畦灌水流运动过程及灌水质量的影响。结果表明:对畦灌灌水质量影响最大的3个自然要素依次是入渗系数、入渗指数和糙率,三者空间变异系数平均值分别为11.00%、4.05%和7.94%,时间变异系数平均值是分别为26.87%、7.73%和21.86%。畦田自然要素变差导致灌水质量整体下降,自然要素的时间变异性对灌水质量的影响大于其空间变异性的影响。入渗参数和糙率的变异性对畦田后半段的水流消退过程影响较大,忽视其年际时间变异性会加大畦尾积水风险。该研究结果可为畦灌方案设计提供指导,为精细地面灌溉发展提供科学依据。

秸秆还田与加气灌溉对水稻泡田期温室气体排放的影响

【目的】探讨秸秆还田与加气灌溉对水稻泡田期温室气体排放的影响。【方法】基于土箱模拟试验,设置3个处理(秸秆不还田+常规水灌溉,CK;秸秆还田+常规水灌溉,ST;秸秆还田+微纳米加气灌溉,SO),采用静态箱-气相色谱法对土箱中的温室气体排放浓度进行监测,分析CH_(4)、N_(2)O、CO_(2)的排放通量以及全球增温潜势的变化趋势,探讨温室气体排放对秸秆还田和微纳米加气灌溉的响应规律。【结果】秸秆还田可显著提高水稻泡田期N_(2)O、CH_(4)、CO_(2)累积排放通量,ST处理下3种气体排放通量分别可提高30.67%、167.08%、76.95%;秸秆还田条件下,微纳米加气灌溉下的CO_(2)累积排放通量相比常规水灌溉略有提高,而N_(2)O和CH_(4)的累积排放通量分别降低10.11%、32.63%;CK、ST、SO处理下的稻田温室气体全球增温潜势(GWP)分别为7.53、14.14、12.14 g/m^(2)。【结论】秸秆还田会促进稻田泡田期土壤温室气体排放,微纳米加气灌溉可以缓解这一负面效应,对秸秆还田背景下稻田土壤温室气体减排具有一定的积极作用。

单点膜孔入渗特性的试验研究

膜孔入渗是指在覆膜灌溉中，水通过膜孔渗入土壤的过程．作者对陕北榆林壤土进行了５种膜孔直径的单点膜孔入渗室内试验，观测并分析了累计入渗量、湿润深度及表面湿润半径随入渗历时的变化规律．结果表明：①单点膜孔的累积入渗量变化过程符合Ｋｏｓｔｉａｋｏｖ模型；②相对入渗参数（单点膜孔入渗参数与垂直一维入渗参数之比值）与膜孔直径具有显著的相关关系；③单点膜孔的湿润深度小于垂直一维入渗的湿润深度，并且相对湿润深度（单点膜孔的湿润深度与垂直一维入渗的湿润深度之比值）与膜孔直径具有显著的相关关系；④单点膜孔入渗的表面湿润半径与入渗历时符合幂函数关系，并与膜孔直径存在着显著的相关关系；⑤在相同入渗历时的情况下，与垂直一维入渗相比，膜孔入渗的湿润土体平均含水率较小．

估算土壤入渗参数的改进Mahesh wari法

本文引用Fok和Bishop提出的地表下储水形状系数计算公式 ,通过数学推导 ,变Maheshwari法的模式搜索为直接计算 ,在数据处理方法上进行了改进 .实例计算的结果表明 ,本文提出的改进Maheshwari法在减少计算工作量的情况下 ,其入渗参数的估算结果与Maheshwari法一致 .作者还结合计算实例对计算过程中地表储水形状系数的取值问题进行了分析 ,结果表明 ,地表储水形状系数可以简单地取 0

非充分灌溉制度对Jensen模型的敏感性分析

分析了非充分灌溉中作物各生育阶段最优耗水量及产量对Jensen模型的敏感性。基于灌溉制度优化模型,构建了非充分灌溉制度对Jensen模型的敏感度计算公式,并以北京永乐店试验站1998～1999年度冬小麦的水分生产函数为例,进行了非充分灌溉制度对Jensen模型的敏感性分析。结果表明:1Jensen模型参数λi的波动对最优灌溉制度以及产量的计算结果影响较小;2与返青—拔节、灌浆—成熟阶段相比,拔节—孕穗、孕穗—灌浆阶段的最优耗水量计算结果受参数λi波动的影响比较小;3与返青—拔节、灌浆—成熟阶段相比,拔节—孕穗、孕穗—灌浆阶段的Jensen模型参数λi波动对各阶段最优耗水量及产量的计算结果影响较小。

建立作物水分生产函数的稳健回归方法

针对作物水分生产函数建立中存在对异常值抵抗能力较弱的问题,采用稳健回归方法建立作物水分生产函数的Jensen模型。基于北京永乐店试验站1998～1999和1999～2000年度的冬小麦灌溉试验资料,将Jensen模型线性化后利用稳健回归方法求得各阶段的水分敏感指数,并与常规的多元线性回归方法进行了比较。结果表明,对于Jensen模型的建立,稳健回归方法精度较高、抵抗数据污染的能力较强,优于传统的多元线性回归方法。

Jensen模型敏感指数出现负值的原因及解决方法

对于作物水分生产函数的Jensen模型 ,其敏感指数出现负值的现象是不合理的。从模型的适用范围和其敏感指数估计值的随机波动性两个方面分析了敏感指数出现负值的原因 ,并提出了解决方法 :(1)利用适用范围内的数据来建立Jensen模型 ;(2 )作物生育阶段不宜划分过多 ,一般以 4～ 6个为宜 ;(3)试验处理数可在 9～ 14范围内确定 ;(4 )合理设计试验方案 ,尽量使信息矩阵的行列式值取最大 ;(5 )通过选择土壤空间变异性较小的地块作为试验小区 ,提高灌水均匀度 。

推求土壤入渗参数的改进Esfandiari法

在深入研究现有土壤入渗参数推求方法的基础上 ,提出了推求土壤入渗参数的改进Esfandiari法 ,在数据计算方法上将 Esfandiari方法的寻优计算改为直接计算 ,减少了计算次数 ,提高了计算效率。实例计算表明 ,改进 Esfandiari法的计算、试验工作量小 ,其入渗参数的推求结果与现有的几种方法的推求结果接近。

畦灌表施肥料条件下氮素入渗量估算模型

研究畦灌表施肥料条件下的氮素入渗量估算模型,旨在可以利用水分入渗模型及地表水流运动与氮素浓度观测值,估算出灌后肥料在土壤中沿畦长方向的分布,避免取土样化验测定灌水前后土壤中氮素含量方法工作量大的缺陷.试验于2010年3月在河北省南皮县双庙育种农场的冬小麦畦田中进行,共设计6个试验方案,分别观测地表水流的推进与消退时间、地表水流中尿素浓度及灌水前后土壤中硝态氮、铵态氮和尿素态氮浓度.与取土化验的实测值相比,利用本文氮素入渗量估算模型得到的氮素入渗量值的相对误差均值在6.71％～12.35％之间.结果表明,构建的畦灌表施肥料下氮素入渗量估算模型,只需观测田面水流推进、消退过程和地表水流中的浓度变化过程,便可估算沿畦长方向各点氮素入渗量并评价施肥质量,观测方便,田间试验工作量小.

膜沟灌溉入渗规律试验初报

膜沟灌溉是与地膜覆盖技术相结合的沟灌,它将带有渗水孔的地膜敷贴在灌水沟内形成膜沟,灌溉时水在沟内的膜上流动,并通过膜孔渗入土壤。针对膜沟灌溉的累积入渗量、湿润深度随入渗历时变化规律进行了研究。研制了膜沟灌溉入渗试验装置,针对2排3列膜孔布置方案进行了膜沟灌溉入渗试验,观测得到了不同入渗历时的累积入渗量和湿润深度。结果表明,累积入渗量与入渗历时之间的关系符合Kostiakov-Lewis模型,湿润深度随入渗历时的变化符合幂函数关系,因此可用该2个模型描述膜沟灌溉的入渗规律。

全生育期覆膜冬小麦灌溉制度的试验研究

冬小麦全生育期覆膜是近年发展起来的一种新的栽培技术。该技术采用冬小麦穴播方式，自播种至收割的整个生育期内，地膜始终覆盖在地面。根据１９９７ 年１０ 月至１９９８ 年６ 月在东光县龙王李乡进行的灌溉试验，初步确定了冬小麦全生育期覆膜灌溉的适宜灌溉制度，在偏湿润年为：灌３ 次水（ 包括播前水） ；播前水定额根据土壤墒情确定，一般为４５０ ～９００ ｍ ３ ／ｈ ｍ ２ ；起身～拔节期的灌水定额为６００ ｍ ３／ｈ ｍ ２ ；抽穗～灌浆期的灌水定额为４５０ ｍ ３ ／ｈｍ ２ ；总灌溉定额为１５００ ～１９５０ ｍ ３ ／ｈ ｍ ２ ；试验结果表明，与不覆膜的相比，全生育期覆膜冬小麦，节水４１２ ％ ，产量提高２２８ ％ 。

利用BP神经网络描述作物-水模型

研究了利用 BP神经网络描述作物 -水模型的方法。将各生育阶段的耗水量作为输入 ,将作物单产作为输出 ,构建了具有 1个隐含单元层的 BP神经网络结构。利用北京永乐店试验站 1998～ 1999年度的冬小麦灌溉试验资料作为样本进行训练和检验 ,得到了作物 -水模型的人工神经网络模型。结果表明 ,作物

依靠新的理论技术推动节水灌溉研究的突破

在总结我国节水灌溉研究现状的基础上 ,分析了新的灌溉评价理论、3S技术 (地理信息系统、卫星定位系统、遥感 )、转基因工程等理论与技术在节水灌溉研究方面的应用前景。作者认为 ,节水灌溉研究的突破必须依靠新的相关理论与技术来支撑。