新疆地下滴灌棉田一次性滴灌带埋深数值模拟与分析

由于灌水频率高、定额小,在新疆地区大面积应用膜下滴灌进行棉花种植时,常出现根系分布浅、植株易早衰等影响产量的问题,灌水湿润区域相对较深的地下滴灌可能是解决上述问题的方法之一。但因顾及机械耕作和多次使用,传统地下滴灌带通常埋深较大,致使苗期灌水及管理维护极其不便。随着工艺水平提高和生产成本降低,地下滴灌生产实际中采用一次性滴灌带已成为可能,本研究通过数值模拟方法来探讨地下滴灌一次性滴灌带的合理埋深问题。为了验证所建立的数值模型和选用的土壤物理参数,首先在新疆玛纳斯地区开展了地下滴灌田间试验,继而采用HYDRUS-2D/3D软件对该试验条件下的土壤水盐动态进行了模拟。结果表明,模拟值与实测值之间整体吻合较好,其中土壤含水量分布的平均绝对误差Me和均方根差Rm分别不高于0.034、0.040 cm^3/cm^3,相关系数R最小值为0.8,Nash效率系数Ns在0.34~0.62之间;含盐量Me、Rm也分别不超过3.31、4.24 g/kg,R最小值为0.6,Ns在-0.06~0.38之间,相关模型和参数较为合理可靠。在此基础上,对该地区不同滴灌带埋深(分别设为5、15、30 cm)情景下灌水过程中的水盐运动规律进行了进一步模拟与分析,结果表明:不同埋深导致土壤淡化和积盐区域分布不同,淡化区域主要集中在滴灌带附近,在远离滴灌带的湿润锋边缘出现积盐;随着滴灌带埋深加大,土面蒸发损失逐渐降低,但对表层土壤供水能力也相应减弱;综合考虑回收利用、棉花苗期水分供应、根区淡化脱盐需求及单方水的淡化脱盐效率等因素,当地地下滴灌棉田一次性滴灌带不宜埋设过深,建议布置在15 cm左右。

新疆棉花膜下滴灌技术存在的问题及改进措施——双层可降解膜覆盖与地下滴灌技术结合应用探讨

膜下滴灌技术便于机械化操作,且具有节水节肥等优点,因此在新疆地区得以迅速发展。然而,随着膜下滴灌推广面积的不断增加,一些在生产实际中普遍存在且亟待解决的问题逐渐暴露出来,如苗孔覆土裸露,低温天气条件下幼苗容易受到伤害,尤其是降雨过后表层土壤干燥结壳,阻碍幼苗生长、降低出苗率;大量地膜残留造成环境污染;地面滴灌条件下棉花根系总量少且分布浅,导致植株抗性弱、易早衰等。针对以上问题,在综合分析现有研究成果及实践经验的基础上,提出采用可降解膜进行双膜覆盖,并与地下滴灌技术相结合,对目前广泛应用的膜下滴灌技术模式进行改进,可提高出苗率,有效避免地膜环境污染和植株根系浅、抗性弱等缺陷,相关技术模式(如可降解膜覆盖方式及降解过程控制、合理灌溉制度的制定等)的实际应用有待进一步研究。

新疆膜下滴灌棉田暗管排盐的数值模拟与分析Ⅰ：模型与参数验证

新疆地区广泛应用膜下滴灌技术进行棉花种植,易在膜下浅层根区(0~40 cm)形成淡化区域,而深部根系层(40~60 cm)却始终处于积盐状态,具有较大的积盐和返盐隐患。为了更为便捷地探索节水、高效的暗管排盐模式,在开展蓄水淋洗条件下暗管(埋深60 cm、间距500 cm)排水、排盐田间试验和分析建立相应数值模型的基础上,利用HYDRUS软件和田间试验数据对所建立的数值模型和水盐运动参数进行了校验,结果表明模拟值与实测值之间整体吻合较好,剖面土壤含水量分布的最大均方根差(RMSE)和最小决定系数(R2)分别为0.025 cm^3/cm^3和0.88,含盐量分布的最大RMSE和最小R2分别为2.74 g/kg和0.93,基本在可接受范围之内。尽管剖面土壤脱盐率可达77.5%,但绝大部分盐分都被淋洗至暗管以下土层,暗管排盐量十分有限,仅占60 cm以上土体盐分总量的11.7%,因此有必要探索膜下滴灌棉田暗管排盐的改进模式或方法,以有效提高其排盐效率。本文所建立的数值模型和相关水盐运动参数可以较好地描述暗管排水、排盐过程中的土壤水盐动态,并进一步用于当地膜下滴灌棉田不同暗管排盐模式的数值模拟与分析,从而为新疆膜下滴灌棉田高效排盐模式的探索提供科学依据。

新疆膜下滴灌棉田暗管排盐的数值模拟与分析Ⅱ:模型应用

为了降低新疆地区盐碱棉田根区土壤盐分含量,尤其是排走长期使用膜下滴灌技术造成的下部根系层(40~60 cm)累积盐分,针对当地实际情况设计了2种改进排盐模式,分别是淋洗防渗排盐模式(情景1)和暗管局部冲洗排盐模式(情景2),利用经过校验的模型和参数对不同模式下暗管排水、排盐动态过程进行模拟。情景1在暗管下方铺设一定宽度(L_f,分别设定为20、50、100、250和500 cm)的防渗材料以增加汇流面积,提高排水、排盐量;情景2先通过暗管直接供水湿润周围土壤,达到设定时间(T_i,分别设定为0.25~10 d的9种情形)后停止供水,然后再通过暗管进行排水、排盐,以期利用较小的冲洗定额达到排盐的目的。对情景1进行模拟时,以0~40 cm和40~60 cm土壤含盐量分别低于3 g/kg和6 g/kg作为结束淋洗的标准进行对比分析,结果表明:当暗管处于非饱和区域、下方无防渗处理(传统暗管排盐模式)时,其排盐率仅为9.8%,单方水的排盐效率约1.86 kg/m^3;在暗管下方进行防渗处理有利于增加暗管排盐量,排盐率可达11.9%~32.1%,排盐效率可提高至2.27~3.15 kg/m^3;然而,随着Lf增加,施工难度和成本均会大幅上升,尤其是当Lf>100 cm,单方水排盐效率的提高程度却较为有限,因此建议Lf在100 cm以内。而采用暗管供水进行局部冲洗(情景2)时,即使在暗管下方进行防渗处理,其单方水的排盐效率最高也不超过0.6 kg/m^3,整体表现并不理想,在新疆地区使用不太现实。