基于稳定同位素的干旱半干旱区SPAC水分运移过程研究进展

土壤-植物-大气连续体(SPAC)是生态水文学的重点研究对象,其水分运移过程对于干旱半干旱区生态植被建设和水资源综合管理具有重要意义。氢氧稳定同位素较高的灵敏性和准确度有助于揭示这一过程。介绍了氢氧稳定同位素在土壤-大气界面、土壤-地下水界面、土壤-植物界面和植物-大气界面水分补给传输过程中的应用,包括土壤水分来源和蒸发;水分补给入渗机制和滞留时间;植物水分来源和水力再分配;蒸散发分割和叶片吸水的相关研究,同时明确了氢氧稳定同位素技术在应用过程中存在的一些不确定性以及未来亟需加强的方面,以期为利用稳定同位素技术对生态水文过程的研究提供参考依据。

SPAC法在海口江东新区新近纪-第四纪地层精细划分中的应用

微动探测技术作为一种新型的地球物理勘探方法,已成为工程地质勘察及隐伏地质构造探测的重要手段。基于微动探测空间自相关(spatial autocorrelation,SPAC)法基本原理,选取研究区内121个微动测点及6个地质钻孔,比对单点S波速度结构与钻孔岩性结构,结果显示岩性界面探测精度在0.44%~5.54%,表明微动探测法划分岩性差异较大的地层界面是可靠的;结合二维视横波速度剖面识别出区内地层单元及隐伏地质构造,取得了较好的地质效果,为海口江东新区新近纪-第四纪地层单元划分提供数据支撑。

基于SPAC法的微动探测技术在富水砂卵石层地铁工程中的应用

在自稳性差的高富水砂卵石复杂地层中进行地铁盾构施工,施工难度大、工程风险高。为降低施工风险及施工成本,需在盾构施工前获取更全面、更精准的区域地质信息,传统地质勘探方法存在明显不足,难以提供全面精准的地质信息。以成都地铁18号线一期工程土建2标为依托,针对成都富水砂卵石复合地层地质勘探问题,将基于空间自相关法(SPAC法)的微动探测技术引入传统地铁盾构施工项目,该技术能最大程度弥补地质信息盲区,进而帮助施工单位减小地铁盾构区间滞后沉降风险,降低盾构区间地勘施工成本。

植物根系吸水模型研究进展

根系是植物获取水分的主要器官,它直接影响整个植株的输水量以及生命活动。在水资源短缺的状况下,了解根系生长过程中的需水特性并提高农业中水资源的利用率,一直是节水灌溉技术中研究创新的热点。因此,在研究过程中需要对植物根系的吸水量进行精确估算,建立根系吸水模型是定量化研究植物根系吸水特性的重要方法。概述根系吸水的原理及其主要影响因素,对不同研究方法下的根系吸水模型进行分类研究,并阐述其适用范围及优缺点,同时介绍了水盐共同胁迫下的根系吸水模型。最后对目前的根系吸水模型进行分析,提出了今后的研究方向。研究成果为构建水稻根系三维动态吸水模型提供了基础。

浅地下水埋深区潜水对SPAC系统作用初步研究

在地下水埋深较浅的地区，潜水参与和影响了ＳＰＡＣ系统的水分、生物、化学等过程．禹城综合试验站和南通农水科研站试验结果表明，潜水对土壤－植物－大气连续体的水分过程和生物过程都有着显著的作用．禹城试区１９９８年玉米灌浆期腾发量的１５６９％是由地下水蒸发“贡献”的；南通农水站试验表明，潜水通过控制土壤水分分布影响冬小麦根系发育和冬小麦产量，统计结果显示：对于冬小麦，在没有灌溉的条件下，存在着一个最优地下水位埋深，约在１５ｍ左右．研究成果对于深入分析水系统水分运移规律和充分利用地下水、制定合理的节水灌溉方案以及通过控制地下水对农作物生长进行调控等有着一定的理论价值和生产意义．

施磷水平对SPAC水分能量特征的影响

通过对农业生态系统中 SPAC水分热力学函数——偏摩尔自由能 ( ΔG)、偏摩尔焓 ( ΔH)和偏摩尔熵 ( ΔS)的研究得出 :( 1 )高施磷水平下土壤植物间水分ΔG梯度较大 ,有利于土壤水分向植物体的运移 ;施肥增加土壤与植物间水分自由能梯度的影响要大于降低土壤水自由能的影响 ,从而增加了植物的“提水”作用 ,有利于植物对土壤水分的利用 ,这也是“以肥调水”的科学依据。( 2 )高施磷水平可以平抑不同土壤含水量所导致的土壤植物间水分 ΔG梯度的差异 。

利用SPAC模型对冬小麦蒸散发的研究

根据SPAC模型对不同灌水处理下冬小麦返青至成熟期田间水热传输及转化规律的数值模拟结果 ,拟合了根据地表以下 1m土层贮水量和参考作物腾发量进行农田蒸散发估算的经验公式 .利用经验公式和SPAC模型对不同灌水处理和不同潜水埋深下冬小麦返青至成熟期的蒸散发进行了计算 ,结果吻合良好 .

油松人工林SPAC水势梯度的时空变异

为了解油松林水分运作机制 ,给干旱区造林树种的选择提供依据 ,该文利用压力室、露点水势仪对京西低山油松人工林土壤 植物 大气连续体 (SPAC)的水势梯度及相关因子进行了连续同步测定 .结果表明 :在空间水平上 ,油松林地SPAC各要素水势由土壤到植物再到大气逐步下降 ,梯度比约为 1∶5∶30 ;灌水后SPAC相临界面水势差增大 ,水势梯度比提高至 1∶15∶90 .在时间序列上 ,持久干旱条件下的油松林SPAC各要素水势的日变化和连日变化均呈下降趋势 ,下降的幅度以大气最甚 ,叶片次之 ,土壤最小 ;叶片水势日变化波峰出现于 14:0 0 ,较土壤和大气(18:0 0 )早 4h ;土壤水势的下降幅度随土层由浅而深逐渐减小 .灌水后各层土壤水势由浅而深水势先后升高 ,升高幅度表层和中层较大 ,深层较小 ;叶片水势虽提高 ,但幅度明显小于土壤 .在影响油松林SPAC水势的环境因子中 ,空气温湿度与大气水势和土壤水势相关性显著 ;空气和土壤湿度则是影响叶片水势的主导因子 .

实验室模拟高负荷SPAC厌氧反应器运行

采用模拟废水,对新型高负荷螺旋式自循环(Spiral automatic circulation,SPAC)厌氧反应器的运行性能进行了实验室模拟研究。结果表明:在30oC,水力停留时间(HRT)为12h,进水COD浓度从8000mg/L升至20000mg/L的条件下,反应器的COD去除率为91.1%～95.7%,平均去除率为93.6%。在进水浓度为20000mg/L,HRT由5.95h缩短至1.57h的工况下,COD去除率从96.0%降低至78.7%,反应器达到最高容积负荷率306gCOD/(L·d),最大容积COD去除率240g/(L·d),最高容积产气率131L/(L·d)。该反应器对基质浓度的连续提升具有良好的适应能力。进水COD浓度由8000mg/L提升至20000mg/L时,出水COD浓度一直处在较低水平(平均为852mg/L),容积COD去除率和容积产气率分别提高162%和119%。该反应器对HRT的连续缩短也有良好的适应能力。HRT由5.95h缩短至1.57h时,反应器容积COD去除率和容积产气率分别升高191%和195%。

SPAC系统中的水热CO_2通量与光合作用的综合模型(Ⅰ)模型建立

本文建立了模拟农田SPAC (Soil Plant AtmosphereContinuum)系统中土壤水分动态 ,蒸发蒸腾、CO2 通量和光合作用的模型 .模型包括土壤水流子模型 ,根系吸水子模型 ,蒸发蒸腾子模型 ,冠层阻力 -光合作用 -CO2 通量子模型几个组成部分 .土壤水流子模型采用土壤水流的连续方程来描述 ;根系吸水子模型采用了根据Feddes模型改进得到的模型 ;蒸发蒸腾子模型采用Shuttleworth Wallace公式 ;采用叶片水平的气孔阻力 光合作用模型 ,并将其扩展到冠层尺度来确定冠层阻力、光合作用速度以及叶片气孔下腔的CO2 浓度 ,并进而确定冠层的CO2 通量 .本模型的特点是尽可能采用简便的处理方法来描述SPAC系统中的水、热、CO2 传输过程与光合作用过程 ,同时各个子模型又具有较强的机理性 .

绿洲-荒漠过渡带芨芨草地SPAC系统蒸散与①多环境因子关系分析

利用波文比能量平衡法对天山北麓绿洲荒漠过渡带芨芨草地的夏季蒸散量进行测定,采用通径分析与相关分析相结合的方法探讨了蒸散与主要环境因子之间的关系,建立了适合该地区的蒸散预测模型。结果表明:(1)各种环境因子对蒸散影响的大小排序为:净辐射(R n)>土壤热通量(G)>空气温度(T气)>空气相对湿度(RH)>5 cm土壤温度(T土-5 cm)>实际水汽压(e a)>风速(Vwind)>5 cm土壤含水率(S土-5 cm);(2)各因子通过R n对蒸散产生的间接作用都大于其自身直接作用,反映出净辐射是制约蒸散大小的主导因子,是决定干旱区蒸散量的关键;(3)土壤热通量对蒸散的直接负效应远小于通过其他因子的间接正效应,出现其直接负效应与综合效应相反的结果;(4)建立并经过检验的蒸散预测模型表明:与温暖湿润区蒸散依靠水、热并重情况不同的是,极端干旱区主要依靠热量因子强度的增加,才能有较大的蒸散量。

不同肥力水平农田生态系统SPAC水分状态及能量特征

通过对农田生态系统土壤 -植物 -大气连续体系 (SPAC)水分、温度等昼夜观测 ,确定温度是影响 SPAC水分能量的重要因素 ,土壤水势呈现温度正效应 ,植物、大气水势呈现温度负效应。温度与土壤 -植物间水势差 (ψS- P)和植物 -大气间水势差 (ψP- A)呈正相关。农田生态系统 SPAC水分热力学函数研究得出 ,不论高、低肥区 ,冬小麦在不同生长发育时期 ,水分的相对偏摩尔自由能 (ΔG)均为土壤 >植物 >大气 ;水分相对偏摩尔熵 (ΔS)、焓 (ΔH)均为大气 >植物 >土壤 ;冬小麦在拔节期和扬花期 ,土壤水 ΔG皆为高肥区 <低肥区 ;植物水分 ΔG拔节期为高肥区 >低肥区 ,扬花期相反为高肥区 <低肥区 ;两个生育期大气水分 ΔG均为高肥区 >低肥区。在拔节期土壤 -植物间水分的 ΔG差值 (ΔGS- P=ΔGS-ΔGP)、植物 -大气间水分ΔG差值 (ΔGP- A=ΔGP-ΔGA)均为高肥区 <低肥区 ,扬花期ΔGS- P为高肥区 >低肥区 ,而ΔGP- A为高肥区 <低肥区。

基于水分运移的若尔盖湿地SPAC模型研究

为正确评价与合理利用若尔盖湿地水资源,对湿地SPAC系统的水分运移规律进行研究。在分别研究土壤-植物-大气各子系统及其界面的基础上,输入模型计算所需参数数据,建立湿地SPAC耦合模型。采用实测的参数验证模型,并取一定幅度变动主要参数来运算,判别模型对不同参数的敏感性。结果表明,耦合模型可以较好地描述湿地的生态-水文过程,并得到湿地植物生长的“理想”的地下水埋深（60-100 cm）和“适宜”的地下水埋深（0-60 cm和100-250 cm）。

地膜覆盖条件下SPAC系统水热耦合运移模型的研究

本文建立了地膜覆盖条件下SPAC系统水热耦合运移模型 .该模型由大气、植物冠层、地膜覆盖层和土壤四层组成 .根据能量平衡原理建立了各层的能量平衡方程 .采用牛顿 -莱普森方法和有限差分法求解了各能量平衡方程和土壤水分及温度剖面 ,并用冬小麦的实测资料对模型进行了验证 ,结果表明模型具有一定的精度 .此外 。

基于SPAC理论的田间腾发量计算模式

基于SPAC理论,从能量平衡方程与空气动力学方程出发,提出了根据气象条件、作物长势与土壤表面温湿度估计田间腾发量的计算模式。该方法假定作物叶片表面饱和并进行线性化处理,同时给出土壤表面水汽压的经验表达,通过冠层模型的求解可以分别计算出作物蒸腾量、棵间蒸发量与腾发量。利用土壤水分运动数值计算的结果,验证了该方法的可靠性。此外,还分析了该方法与Penman模式、Shuttleworth-Wallace模式之间的联系。由于模型所需的输入均可以通过常规的田间观测获得,该方法在生产与科研实践中具有一定的应用价值。

3种冷季型草坪草蒸散量的SPAC法研究

以北京地区常见的3种草坪草多年生黑麦草Loliumperenne、草地早熟禾Poa pratensis和高羊茅Festuca arundinacea为研究对象,采用田间试验和实验室内分析相结合,对3种冷季型草坪草年季间蒸散量(ET)动态变化进行初步研究。结果表明:3种草坪草ET每15d的动态变化趋势基本一致,草种间的ET和蒸散强度,除了4月下旬到5月初这段时间之外,多年生黑麦草的ET均高于高羊茅和草地早熟禾。3种草ET在不同季节变化很大,6月上中旬为整个生长季的最高值,随后下降,8月下旬到9月中旬又回升,越冬前ET再次下降并达到整个生长季的最低点。3种草坪草坪草系数(KC)多年生黑麦草最高为1.03,高羊茅和草地早熟禾分别为0.89和0.87。

内陆绿洲灌溉农田SPAC系统土壤水分动态模拟研究

基于土壤水动力学原理,建立了内陆河流域山前农田绿洲SPAC系统土壤水分运移的子模型。应用该模型对土壤剖面含水率、农田棵间蒸发和叶面蒸腾量进行了模拟研究,并以实测值进行了验证。对相同种植与田间管理条件下的春小麦生长季田间土壤水分、土壤蒸发和叶面蒸腾量进行了预报,得到了较满意的结果。对模型主要参数土壤饱和导水率Ks、土表排水系数Wmax、净辐射Rn、风速Uz、饱和差D、作物叶面指数LAI进行了敏感性分析,得出这些参数对土壤水分运移的影响显著。应用该模型对西北干旱区内陆河流域山前绿洲灌溉农田的土壤水分均衡和作物根系吸水规律以及SPAC系统中土壤水分运移规律进行了模拟研究。

SPAC界面水分通量调控理论及其在农业节水中的应用

提出了农田五水(降水、土壤水、地表水、地下水与作(植)物水)的系统概念,讨论了SPAC(土壤-植物-大气)系统中水分运动过程.内容包括SPAC界面水分通量.基于SPAC界面水分耗散与调控研究,提出了农艺节水模式与应用效果.旨在推进农业节水中应用低成本高效益的农艺节水理论与技术.

高浓度制药废水毒性与SPAC反应器运行性能

采用发光细菌法测试了高浓度硫酸盐制药废水中典型污染物(硫酸盐)、转化产物(硫化物)、供试制药废水原水、稀释6倍厌氧处理出水和稀释3倍厌氧处理出水的毒性,硫酸盐、硫化物的半抑制浓度分别为12077.8、78.1mg.L-1;供试制药废水原水、稀释6倍厌氧生物处理出水和稀释3倍厌氧生物处理出水的半抑制浓度分别为64.5、44.7和78.9倍。试验了SPAC厌氧反应器处理高浓度硫酸盐制药废水的运行性能,高浓度低流量运行时,反应器最大容积COD、硫酸盐(以SO24-计,下同)去除速率分别为5.76、1.83kg.m-3.d-1,COD和硫酸盐去除率分别为54.1%和71.8%;低浓度高流量运行时,反应器的最大容积COD、硫酸盐去除速率分别为7.52、1.90kg.m-3.d-1,COD和硫酸盐去除率分别为72.8%和80.0%。低浓度高流量运行更易使反应器取得高效。试验了SPAC厌氧反应器对高浓度硫酸盐制药废水毒性抑制的适应性能,运试初期宜将废水稀释5.13倍以上,运试后期可将原水稀释3.32倍。

氢氧稳定同位素在SPAC水分循环中的应用研究进展

氢氧稳定同位素是广泛存在于自然界水体中的环境同位素,其在不同水体中组成特征的差异可以指示水分循环过程及植物用水机制等,从而成为广泛应用于水分循环研究中的重要手段。本文介绍了稳定同位素技术在土壤植物大气连续体(SPAC)水分循环中的应用原理及研究进展,并阐述了其在SPAC水分循环应用中存在的问题及发展前景,以期为氢氧稳定同位素技术在SPAC水分循环研究中的深入应用提供参考,为研究水资源、水环境问题,特别是干旱、半干旱地区的水分利用效率、水分分配机制等关键性问题提供理论依据和技术支持。