宁夏引黄灌区典型区域农田退水水量与水质特征

宁夏引黄灌区农田退水污染严重威胁着灌区的水环境质量和黄河水质安全。于2010年对宁夏引黄灌区西排水沟的农田退水水量与水质动态特征开展了研究工作,结果显示:2010年4-9月通过西排水沟出口断面排入黄河的总水量为2 173.5万m3,占同期引水量(6 460万m3)的33.6%;农田退水中铵态氮最高浓度为4.0mg/L,平均浓度为1.0mg/L,超过《地表水环境质量标准》Ⅲ类水的准限值,属中度污染,总氮平均浓度为4.6mg/L,远远超过了《地表水环境质量标准》所规定的Ⅴ类水的准限值(2mg/L),属重度污染。4-9月农田退水中铵态氮、硝态氮、总氮和总磷的总负荷分别为1.862 46万kg、7.842 47万kg、11.645 92万kg和541.3kg。

智慧灌溉大数据管理平台设计与应用

以粗放型为主的漫灌方式浪费水资源,探索高效节水农业灌溉意义重大。本研究研制了集数据采集、数据管理、数据可视化、分析决策和远程管理为一体的智慧灌溉大数据管理平台,旨在以数字化管理与智能化控制方式提升水资源利用效率。平台利用嵌入式、物联网、互联网、3S(GIS、GPS、RS)等技术,采取“1+1+N”的设计模式,构建作物需水预报模型与灌溉决策模型,基于B/S构架和Java语言,设计了1个灌溉数据中心、1个灌溉数据管理系统、4个应用系统,打造了智慧灌溉大数据管理平台。平台在河北、河南、山东、江苏等地区设有多个示范基地,汇聚了8个科研小组、24个试验基地的有关多种作物的生长、灌溉、气象、土壤等数据,平均采集数据18829条/天,帮助管理人员摸清家底;集成了多个团队的软件系统和62套物联网设备,及时、定量地呈现了农作物生长状况及环境状态,实现了农作区动态监测,助力生产决策;生成农作物需水预报和灌溉决策方案,完成了远程灌溉目标,并且经过实地试验,验证了自动灌溉的有效性,将灌溉水有效利用系数最高提升了31%以上;形成了大田产业、温室中心、数字科研和区域灌溉等不同专题可视化布局,满足多种农业场景应用需求。为农业生产和跨区域管理提供了便捷工具,为农业灌溉数字化系统搭建和应用提供了参考。

黄河干流 及主要支流 水质时空差异性及其变化特征研究

【目的】了解黄河流域水环境状况可为黄河流域生态保护和高质量发展提供依据。【方法】选取黄河干流及主要支流湟水、渭河和汾河12个水质监测断面和4项水质指标pH值、溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)和氨氮(NH3-N),并利用多元统计方法分析了水质时空差异性及其变化特征,同时引入水污染指数法(WPI)对整体的水环境状况进行评估分析。【结果】黄河干流水质状况最好,湟水和渭河水质状况次之,汾河水质状况最差,且水质指标在空间和时间上均呈显著的差异性;监测断面海东民和桥、渭南潼关吊桥和运城河津大桥的WPI值达到IV类及以上水质标准的频率较高,分别为66.30%、98.91%和78.26%;各监测断面在春季和冬季的水质状况较差,而夏季和秋季水质状况相对较好。各监测断面的WPI值均呈下降趋势,其中海东民和桥、中卫新墩和天水牛背等3个监测断面的下降趋势比较显著;基于WPI指数的时空聚类分析结果与水体污染物浓度的时空分布情况具有一致性,空间上海东民和桥、渭南潼关吊桥和运城河津大桥WPI值的波动性相对较大,时间上1—3月的WPI值波动性相对较大。【结论】黄河干流及主要支流水质状况具有明显的时空差异性,但整体上水环境条件正在逐渐改善。

宁夏引黄灌区退水水质评价研究

针对宁夏引黄灌区退水对地表水体的污染问题,运用灰色聚类法对宁夏灵武试验区西大沟的2个监测断面水质进行了评价。结果表明,灌区退水中氮、磷质量分数超标严重,退水水质受养殖污染、灌水、农业上过量使用化肥等方面的综合影响。应从源头控制入手,通过降低化肥使用量、代替以有机肥和生物肥、调整和优化农村产业结构、发展绿色农业及生态农业等措施,改善农田退水水质,缓解灌区退水对黄河水体造成的污染。

暴雨对引黄灌区土壤与地下水环境影响研究

为了客观评估特大暴雨对人民胜利渠灌区土壤与地下水的环境效应,跟踪研究了2016年7月9—20日特大暴雨降雨过程,分析了暴雨作用下人民胜利渠灌区典型区域土壤盐分及地下水化学组成的演变特征。结果表明:与暴雨前相比,暴雨驱动了80 cm以上根层土壤脱盐,0~10、10~20、20~30 cm土层土壤盐分下降明显,分别较暴雨前降低了63.74%、68.20%、33.41%;典型区域暴雨后0~20 cm根层土壤盐分均值为0.1879 mS/cm;区域地下水埋深较暴雨前上升了0.18 m,区域地下水阳离子水文化学相的分类类型由暴雨前的钙-钠型转化为暴雨后的钠-钙型,区域地下水总溶解性固体含量较暴雨前增加了24.95%,达到1315.09 mg/L,区域地下水钠吸附比较暴雨前增加了54.05%,达到32.94。暴雨驱动了根层土壤盐分向下淋溶,导致0~100 cm根层土壤盐分呈现“扁平化”分布,由暴雨产生的淋溶补给加剧了地下水作为灌溉水的碱化危害风险。

沿黄井渠结合灌区作物适宜灌水模式研究

为了探讨沿黄井渠结合典型灌区地表水与地下水适宜用水比例及灌水定额,以农田小区为研究区域,探索了不同渠井用水比例和不同灌水定额对冬小麦分蘖数、干物质量、株高、叶面积、产量及土壤盐分的影响。结果表明,灌水水源为分蘖数和干物质量的关键影响因素。生育期内仅增加1次渠水灌溉,即可显著降低1m土体内盐分储量。灌水定额为90mm时,渠井用水比例为33%-67%的灌水模式比较适宜。

降雨和蒸散对夏玉米灌溉需水量模型估算的影响

为揭示降雨和蒸散年际波动对作物灌溉需水量的影响机理，以华北平原南部地区夏玉米为研究对象，基于土壤水分概率密度函数建立灌溉需水量计算模型，分析了降雨、蒸散和灌溉需水量的年际波动特征，结合蒙特卡洛方法探讨了降雨和蒸散对灌溉需水量年际波动的贡献。结果表明：研究区夏玉米降雨参数年际波动显著，平均降雨量波动于4.958～25.003 mm，变异系数为0.326；降雨频次波动于0.143～0.457 d-1，变异系数为0.170；平均降雨量和降雨频次均可采用Logistic分布描述：平均降雨量服从Logistic（11.273,2.022），降雨频次服从Logistic（0.318,0.029）。潜在蒸散量年际波动相对平稳，可采用对数正态分布描述：潜在蒸散量服从LogNormal（1.370,0.076）。灌溉需水量多年平均值为133.1 mm，波动于8.1～381.8 mm，变异系数为0.673，年际波动显著高于降雨和蒸散。平均降雨量对灌溉需水量年际波动的贡献率最大，其次为降雨频次，潜在蒸散量最小；在三者的共同作用下，灌溉需水量年际波动呈现出更大的不确定性。因此，在估算灌溉需水量时有必要对这种不确定性进行定量评估，针对不同降雨和蒸散条件制定合理的灌溉策略，为农业水资源管理和决策提供更可靠的科学依据。

土壤水分有效性及其影响因素定量分析

为探讨土壤水分有效性及其与大气、土壤和作物因素的定量关系,将作物实际腾发量作为土壤水分有效性的评价指标,采用土壤水分概率模型建立土壤水分有效性系数的计算模型,分析大气、土壤和作物因素对土壤水分有效性的影响效应。研究结果表明:降水量和降水分布均对土壤水分有效性产生显著影响,土壤质地对土壤水分有效性的影响并不明显;在总降水量小于150mm的干旱条件下,凋萎系数小于0.3的土壤质地更有利于作物对土壤水分的吸收;在总降水量小于50mm的极端干旱和总降水量大于750mm的极端湿润条件下,由于降水影响强烈,弱化了潜在蒸发蒸腾量对土壤水分有效性的作用;当总降水量接近300mm时,潜在蒸发蒸腾量对土壤水分有效性的影响明显。在不同的环境中,土壤水分有效性对降水和作物参数的敏感度不一致。以作物实际腾发量为指标评价土壤水分有效性比较全面地反映了土壤水分对作物的有效性与大气条件、土壤质地和作物类型的动态关系,与动力学方法相比,建立在土壤水分概率模型基础上的土壤水分有效性系数解析模型便于分析输入参数与模型结果的响应关系。

气候变化对河南省冬小麦和夏玉米灌溉需水量的影响

利用河南省17个站点1961—2012年的气象资料,分析了降雨和潜在蒸散对冬小麦和夏玉米灌溉需水量的影响效应。结果表明,河南省冬小麦多年平均灌溉需水量为59.8~334.3 mm,夏玉米多年平均灌溉需水量为14.5~131.2mm,自南向北逐渐增大;各站点冬小麦和夏玉米灌溉需水量普遍呈下降趋势,其主要原因是生育期潜在蒸散减少和降雨量增加。降雨是影响作物灌溉需水量的首要因素,降雨在雨量和时间分布上均对灌溉需水量产生显著影响;而潜在蒸散的影响小于降雨,但不容忽视。在降雨和潜在蒸散共同影响下,冬小麦和夏玉米灌溉需水量在年际间呈现出更大的波动趋势。

基于?ngstr?m-Prescott公式的中国太阳辐射与日照时间的关系研究

【目的】揭示中国不同地区太阳辐射与日照时间的定量关系,为缺资料地区太阳辐射的准确估算提供科学依据。【方法】基于114个地面辐射观测站和常规气象观测站1958—2016年的实测数据,在时间和空间上分别评价?ngstr?m-Prescott(?-P)公式的适用性,运用ArcGIS地统计分析工具探索?-P公式系数a、b的空间分布规律,采用空间分析工具获取了各省级行政区的系数a、b。【结果】?-P公式在时间上具有可靠的预测性能,各站点计算值与观测值的标准化均方根误差(NRMSE)和标准化平均绝对误差(NMAE)的均值分别为0.103和0.079;在空间上有良好的扩展性,各站点NRMSE和NMAE的均值分别为0.103和0.078;从全国范围来看,系数a介于0.117～0.345之间,其变化规律为由东南沿海向西北内陆逐渐增大;系数b介于0.345～0.703之间,变化规律与系数a相反。利用各省级行政区系数a、b计算的各站点月平均日太阳辐射量与实测值进行对比,NRMSE和NMAE均值分别为0.105和0.081。【结论】?-P公式能够比较准确地描述中国不同地区月平均日太阳辐射量与月平均日照时间的定量关系,可通过空间插值的方法获取缺资料地区的公式系数,采用各省级行政区系数a、b估算的月平均日太阳辐射量具有较高精度。

灌溉方式对土壤水分与灌水量影响的模拟研究

为明确灌溉方式对土壤水分和灌水量的影响,采用土壤水分概率模型分析了传统灌溉和连续灌溉的土壤水分概率分布特征与土壤平均水分变化规律,研究了灌溉方式对灌水量的影响效应。结果表明:不同灌溉方式的土壤水分概率分布特征差异明显,连续灌溉的土壤水分概率密度极大值出现在s=s*处,传统灌溉的土壤水分概率密度极大值出现在s=sfc处;与传统灌溉方式相比,连续灌溉使土壤平均水分含量保持在相对较低的水平,当降雨发生时,其土壤能够容纳更多的入渗水量。连续灌溉明显减少了土壤水分深层渗漏和地表径流损失水量,显著提高了降雨利用率并降低了灌溉水量,从而提高了农业水资源利用率。

基于SWAT的浑河流域上游地区硝态氮淋失量估算

以浑河流域上游地区为研究流域,应用SWAT模型估算了该流域硝态氮淋失量的空间和时间分布以及不同土地利用类型硝态氮的淋失量。利用2008—2010年实测径流资料对模型进行了校核与验证,结果表明,流域硝态氮的淋失量与施氮量在空间分布上是一致的,且与水分渗漏有较好的相关关系,降雨、施肥是影响流域硝态氮淋失的主要因素;此外,不同土地利用类型的硝态氮淋失量的差异也非常明显,耕地的硝态氮淋失量最高,林地次子,居民区、裸地等最小。

灌区水资源合理配置研究进展

灌区水资源合理配置是提高灌区水资源利用效率及保障粮食安全的重要途径,也是实现灌区水资源可持续利用的有效调控措施。从灌区水资源管理政策、水资源循环转化规律、水资源优化配置模型与方法和水文生态4个方面,对国内外该领域的研究现状进行了对比分析。研究发现,国内灌区水资源配置主要存在4个方面的问题:水资源合理配置与保护政策落实不到位、水资源的统一管理机制不健全、水资源优化配置模型实用性不强和水资源优化配置基础条件较为薄弱。建议加强灌区水资源的统一管理政策与机制、变化环境下水资源循环转化规律、水资源承载力基础理论与评价新方法、水文生态调控技术、水资源实时风险调度与智能化管理技术以及水资源优化配置耦合技术研究。

分根区交替灌溉对马铃薯水氮利用效率的影响

分根区交替灌溉已被证实是一种有效节水灌溉技术同时保持作物产量,但有关分根区交替灌溉提高作物氮素利用效率、降低对水土环境的影响机理还不是很清楚。为了探明地下滴灌条件下充分灌溉及分根区交替灌溉(APRI)对马铃薯水氮利用效率的影响,通过田间小区试验,对各处理马铃薯全生育期灌水量、植株体氮素残留、土壤氮素残留及水氮利用效率进行了比较分析。研究结果表明:收获后,APRI处理(E、I、K)与充分灌水处理产量(F、J、L)差异不大,但APRI处理灌溉水利用效率显著高于充分灌水处理(p=0.05);充分灌水处理不同土层(0～30cm和30～60cm)土壤中残留硝态氮、矿物质氮较APRI处理高;APRI处理(I、K)作物氮利用效率及农田氮利用效率显著高于充分灌水处理(J、L)(p=0.05)。因此,APRI处理不仅能够显著提高作物的水分利用效率,而且还能显著提高土壤矿质氮的活性,有利于作物对土壤氮素的吸收利用。

不同地下水埋深条件下再生水灌溉对冬小麦生长的影响

为给地下水浅埋区再生水作物安全灌溉提供科学指导,该文利用地中渗透仪控制地下水位,研究不同地下水埋深条件下再生水灌溉对冬小麦生长的影响。结果表明:灌水量相同时,地下水埋深对作物生长影响顺序为:埋深2 m>埋深3 m>埋深4 m;灌水量不同时,地下水埋深为2 m的处理,低水处理较高水处理更能促进冬小麦干物质量和产量的增长;地下水埋深为3 m和4 m时,高水处理较低水处理更能促进冬小麦干物质量和产量的增长。再生水灌溉对冬小麦生长有一定的促进作用。

猪场废水灌溉对土壤氮素时空变化与氮平衡的影响

利用地中渗透仪测坑开展了田间灌溉试验,研究了猪场废水和等氮投入清水处理土壤铵态氮、硝态氮含量在时间、剖面上的变化规律,根据氮平衡原理对不同处理氮输入和氮输出项进行对比分析,估算了不同处理的氮矿化量。结果表明:各处理土壤铵态氮和硝态氮含量在时间上的变化规律基本一致,表现为追肥期出现峰值,随后下降的趋势;土壤铵态氮含量随土层深度的增加而迅速下降,土壤硝态氮含量随土层深度的增加变化规律不明显,且易淋移至下层土壤并累积。PWH(猪场废水高氮)处理土壤铵态氮、硝态氮含量在追肥期出现峰值后下降的幅度较慢,而CKH(清水高氮)处理下降的幅度较快。猪场废水高氮处理PWH作物吸氮量及氮矿化量比等氮清水处理CKH分别高6.91%和21.29%,表明该处理有利于土壤有机氮的矿化,但同时硝态氮深层淋溶量也较大,比CKH高出11.82%。

再生水分根交替滴灌对马铃薯根-土系统环境因子的影响研究

分根交替（PRD）滴灌技术是很有节水潜力的灌水技术。利用再生水,采用分根交替滴灌技术对马铃薯根长密度、根重密度及土壤水盐的空间分布影响进行了研究。结果表明,马铃薯根系主要分布在0-60 cm的土层内,以植株为中心,呈放射状沿不同方向减小。通过研究所建马铃薯根长密度的空间分布函数能较好地反映根系的三维分布趋势。PRD灌溉可以刺激马铃薯根系生长,水分利用效率提高39%。进行PRD灌溉时应重点考虑滴头位置处及垄坡上的水盐变化,最好能起到节水控盐的双重作用。再生水PRD地下滴灌是对传统地表滴灌的优化和提升。

渠井用水比对灌区降水响应及其环境效应分析

渠井结合灌区适宜渠井用水比例关系灌区地下水环境和区域农业可持续发展。该文以人民胜利渠灌区为例,集合了灌区1954-2014年农业用水量及降水量、研究区域2008-2014年渠井用水比、地下水埋深、地下水水化学特征数据,分析了降雨量、地下水动态特征与渠井用水比例的相关性,以期探明渠井结合灌区渠井用水比对降雨的响应及其对土壤和地下水环境的影响。结果表明,典型渠井结合灌区渠井用水比与年降水量呈线性正相关;渠系上游地下水水位变化较下游更为剧烈,在用水水平、用水方式一致条件下,渠井用水比例越大,地下水埋深超过11 m区域增幅越小,较大的渠井用水比例对于上游地下水位下降减缓效果明显;平水期、枯水期,由于渠井用水比例不合理,地下水无序开采且超采严重,区域地下水碱化趋势明显;受气候变化影响,近5 a渠灌水量仅为多年均值的75.52%,未来区域降水量具有减小趋势,这势必进一步加剧农业水资源紧缺的形式。为了满足农业的正常生产,增加灌区地下水开采成为唯一解决途径,这势必加剧地下水的碱化趋势及地下水超采区的扩大。因此,确定灌区适宜的渠井用水比例对于灌区水资源的科学利用与农业的可持续发展具有重要意义。

变饱和带条件下污水灌溉对土壤氮素运移和冬小麦生长的影响

为了研究地下水浅埋区污水灌溉对土壤环境及作物生长的影响,设置地下水埋深(2、3m和4m)和灌水水量(900 m.3hm-2和1200m.3hm-2)2个因素,对冬小麦全生育期土壤氮素和冬小麦生长发育指标进行试验,试验在地中渗透仪中进行。结果显示:灌水后,不同处理土壤中硝态氮含量均显著增加,灌水水平越高,土壤中硝态氮含量增加越多;灌水后,灌水水平B1(900 m3.hm-2)不同潜水埋深地下水硝态氮分别增加34.67%、24.94%、20.88%;灌水水平B2(1200 m.3hm-2)不同潜水埋深地下水硝态氮分别增加58.42%、38.98%、27.21%。潜水埋深越浅,地下水中硝态氮的浓度增加越大,这也就表明由于淋溶和硝化作用产生的硝态氮造成浅层地下水污染的风险越大。污水灌溉对冬小麦的生长发育指标和产量有促进作用;相同灌水水平(B1和B2),地下水埋深影响冬小麦生长发育指标的大小顺序为:2m>3m>4m。

不同pH值对重金属Pb^(2+)形态的影响研究

采用Tissier同步提取法分析大pH值跨度范围内,不同pH值变化对重金属Pb2+存在形态的影响,研究表明,在pH值3～5,浓度小于200 mg/L的范围内,重金属Pb2+向易吸收的形态转变,生物有效性系数较大。随土壤重金属Pb2+浓度的增加,生物有效性系数先增大后减小,小于200 mg/L的浓度范围内,铁锰氧化物结合态含量最大,重金属Pb2+的生物有效性系数较大。在200～1 000 mg/L浓度范围内,残渣态含量远远大于其他形态,生物有效性较低。