基于DRAINMOD-S和-NⅡ模型的黄河三角洲盐碱地玉米施氮策略

玉米是黄河三角洲(简称黄三角)滨海盐碱区主要粮食作物之一,氮肥合理施用对于促进该地区玉米产量提升、养分资源高效利用以及生态环境改善至关重要。为了明确该地区玉米的适宜施氮量和施氮制度,该研究基于2 a(2019—2020年)玉米栽培田间滴灌施肥试验,校验和评估DRAINMOD-S和DRAINMOD-NⅡ模型在该地区的适用性和可靠性,从而确定田间排水沟/管间距和建立玉米适宜施氮量估算模型与施氮制度。结果表明:1)DRAINMOD-S和-NⅡ模型可较准确地模拟黄三角滨海盐碱农田地下水埋深、土壤含盐量和硝态氮含量分布的动态变化,其模拟值与实测值之间的决定系数R2均大于0.80,标准化均方根误差(normalized root mean squared error,NRMSE)均低于25%;2)通过分析排水间距与土壤渍水和盐分胁迫减产效应间的关系,推荐该地区排水间距可设为17 m;3)在兼顾作物氮素需求(即吸氮量满足玉米自身需求)、土壤持续供氮能力(收获后土壤无机氮储量与播种时大抵相近)及养分淋失风险可控(氮淋失量尽量小)等目标的前提下,基于数值模拟确定了不同气候和初始土壤无机氮含量条件下的玉米适宜施氮量,并建立了其与主要环境变量如降雨量、降雨强度和初始土壤无机氮含量之间的定量关系(R^(2)=0.70,P<0.01);4)评估了典型枯水年、平水年、丰水年施肥1~3次下不同施肥时期组合的影响,表明不同水文年里都可选择在玉米拔节期-抽雄期(或拔节期-抽雄期-灌浆期)追施氮肥2(3)次。研究结果可为黄河三角洲滨海盐碱农田玉米氮素管理提供参考。

基于DRAINMOD的长江下游平原农田排水条件对大豆产量影响的模拟

为探讨改善农田排水条件对大豆产量的影响,结合大豆耐渍试验结果,考虑当前高标准农田建设要求,运用DRAINMOD田间水文模型模拟不同排水条件下农田降渍效果及大豆产量的变化规律。研究结果表明:DRAINMOD模型可准确预测研究区农田地下水位动态变化和作物产量;仅改善农田地表排水状况对农田降渍及提高大豆产量的作用有限,通过暗管排水提高地下排水强度,可有效降低农田渍害的发生率,保证大豆因渍害减产的几率低于10%;研究区大豆田除涝降渍的暗管排水系统最优布局为间距15~20m、埋深1.0~1.1m。研究成果可为研究区及类似地区高标准农田暗管排水系统建设及大豆高产稳产提供参考。

用DrainMOD模型模拟稻田排水与氮素流失

稻田排水伴随的氮素流失是造成当前农业面源污染的主要原因之一。DrainMOD排水模型和DrainMOD-N氮素运移模型是模拟田间尺度下土壤水氮运移的有效工具。该文将模型应用于湿润的水稻种植区,对湖北漳河灌区稻田排水和氮素流失过程进行了模拟。结果显示,水稻全生育期模拟排水总量、硝态氮和铵态氮流失总量与实测值吻合较好,相对误差分别为4.6%、16%和2.8%,但从各生育阶段分开的模拟结果来看,还存在较大的误差。经初步分析,观测资料有限,模型参数率定不充分是主要原因。研究总体表明,DrainMOD模型可以有效地描述稻田排水排氮过程,对提高水肥效率,预防面源污染具有重要意义。

利用DRAINMOD模型模拟银南灌区稻田排水过程

宁夏灌区大量的农田排水是目前造成黄河及其周边地表水域污染的原因之一。为了改善灌区水管理状况,该文利用美国农业部所推荐的田间水文模型——DRA INM OD,对宁夏银南灌区稻田排水过程进行了模拟研究。结果表明:模拟的农沟排水量与试验观测值极为接近,年平均排水量误差仅为0.4%;日地下水埋深预测值的N ash Su tcliffe效率系数达到了0.86;由于理论方法无法考虑田间水位的动态变化,按照平均田间水位计算的生长期内排水量超过实测值36%。这表明利用模型可以更详细地描述田间水文过程,并灵活地对灌区长期运行进行预测。

利用DRAINMOD模型模拟不同排水管间距下的作物产量

农田排水工程在防御涝渍灾害、促进农作物正常生长和改善田间耕作管理等方面起着积极的作用,通过合理的排水工程来减轻或消除涝渍灾害的影响是提高产量的主要途径。DRAINMOD模型适用于地下水位管理系统及地下排水水位和产量变化。该文结合淮北平原砂姜黑土地区实测土壤、气象、作物等资料,用DRAINMOD模型进行长序列模拟,得到不同排水管间距对作物产量的影响,结果表明,对于冬小麦来说,排水间距的大小对其相对产量的影响较小,棉花生长期出现涝渍的概率超过50%,若排水间距大于40m,相对产量下降明显,在该试验区地下排水系统的设计应以棉花的设计指标作为设计参数,用于指导排水工程的设计。

基于DRAINMOD模型估算灌区浅层地下水利用量及盐分累积

在灌溉季节,尤其是下游灌区,农田地下水位较高,作物可就地利用部分浅层地下水,从而减少灌溉需水量,达到节水减排的双重目的。大田作物对浅层地下水利用量的估算是合理制定灌溉淋洗制度及控制土壤盐碱化的前提,但其估算存在一定困难。该文假设当农田灌溉、排水等水文气象条件一致时,某一作物对浅层地下水的利用量等于该田块有、无作物(即裸地)2种情况下造成地下水位差异的水量。据此,首先建立了浅层地下水利用量的计算模型,并以某一半干旱灌区为例,利用田间水文模型-DRAINMOD模拟出有、无作物2种条件下农田地下水位变化过程,然后,计算了棉花、小麦轮作期内对浅层地下水的利用量;在此基础上,进一步分析了浅层地下水利用条件下土壤剖面的盐分平衡。结果显示,该文提出的计算模型能够较好的反映大田实际情况;研究时段内,田间地下水埋深平均值为2.1 m,单位面积上作物利用浅层地下水量为305.8 mm,主要发生在作物生长阶段,其中棉花生长季内地下水利用量约为160 mm。盐分平衡计算结果显示,浅层地下水的利用使得水位以上土壤剖面盐分含量增加,但1 m以内根区土壤盐分在降雨和灌溉作用下得到一定的淋洗,未超出作物耐盐极限,不会对产量造成显著影响。研究成果可为相关灌区制定合理的灌溉制度及提高水资源利用效率提供科学依据。

基于DRAINMOD-S模型的滨海盐碱地农田暗管排水模拟

在分析农田暗管排水饱和-非饱和土壤水、盐运移数学模型的基础上,对DRAINMOD-S模型的基本原理和参数输入要求进行了详细描述,利用典型滨海盐碱地区实测土壤、气象、作物等资料,用DRAINMOD模型对不同排水暗管布置方案的地下水埋深进行了长序列模拟,在模拟率定参数的基础上,用DRAINMOD-S模型对0～80 cm土壤层剖面含盐量进行了模拟,结果表明:模型具有良好的水文模拟性能,地下水位及土壤含盐量模拟值与实测值拟合精度较高;可用于预测盐碱地地下水埋深、土壤层剖面中盐分含量,是改良盐碱地农田暗管排水工程设计和水管理的有效工具。

应用DRAINMOD农田排水模型对地下水位和排水量的模拟

农田排水工程在防御涝渍灾害、促进农作物正常生长和改善田间耕作管理等方面起着积极的作用，合理的排水系统设计是保证排水系统正常运行、作物正常生长的关键。以水平衡理论为基础建立的DRAINMOD模型，可用于研究排水系统对作物生长和各水文要素的影响，适用于浅地下水位和较湿润地区。该文对模型的基本原理和参数输入要求进行了详细描述，采用加拿大安大略省南部Eugene F．Whelan试验站自由排水和控制排水—地下灌溉两种水位管理条件下，1992～1994年6～8月地下水埋深观测值、3年地表径流和地下排水水量观测值对模型进行了模拟验证。图形显示和统计参数指标分析表明，模拟值与观测值拟合较好，表明模犁具有良好的水文模拟性能，可用于预测地下水埋深、地表和地下排水量，是农田排水工程设计和水管理的有效工具。

基于DRAINMOD的农田地表径流氮素流失动态模拟

为了解水旱农田地表径流氮素流失机理及过程,于2008年6～9月在湖北省漳河灌区开展了田间试验,并利用DRAINMOD模型对其进行模拟。研究结果表明:水田地表径流铵态氮和硝态氮的流失率均高于旱地,水田地表径流以铵态氮为主,而旱地以硝态氮为主。水旱农田地表径流氮素流失模拟值与实测值都非常接近,水田地表径流硝态氮和铵态氮模拟的相对误差分别为8.35%和10.99%,旱地分别为5.45%和14.11%;水田硝态氮和铵态氮模拟的效率系数分别为0.961和0.974,旱地的分别为0.993和0.938,效果都很好。因此,利用DRAINMOD模型进行该地区农田氮素流失动态模拟是可行而有效的。

DRAINMOD-S模型参数的全局灵敏度分析

为有效进行DRAINMOD-S模型参数的优选,更好地理解参数变化对模拟结果的影响,开展了模型参数灵敏度分析。以南通市九龙垦区暗管排水脱盐试验为例,采用Morris全局定性分析方法检测了DRAINMOD-S模型模拟土壤剖面含盐量时侧向饱和导水率Ksat、水动力弥散系数D、地表最大蓄水深度Sm、相对不透水层深度Im、排水系数Dr及地下水初始埋深W 6个参数的灵敏度。结果表明:Ksat对模拟结果影响最为显著,D、Sm和Dr次之,而W与Im影响最小;各个参数间的非线性作用存在差异,以Ksat最为显著。为保证模型模拟质量,对敏感性参数应提高现场测试精度,在模型运行时,对灵敏度大的参数应进行重点调整,同时也不可忽视非线性作用较强的参数,从而有效地指导模型的参数率定,提高模型的适用性。

DRAINMOD-NⅡ模拟暴雨后稻田排水及氮素变化

为探究暴雨后稻田排水与氮素流失规律，在宿迁市运南灌区试验基地开展了常规与控制灌排模式下暴雨后排水量及其NO-3-N和NH＋4-N浓度的观测试验，并利用DRAINMOD-NⅡ模型模拟排水量及其NO-3-N和NH＋4-N浓度。实测结果表明：控制模式与常规模式相比，排水量减少4.2%-54.9%，NO-3-N负荷减少39.9%-62.9%，NH＋4-N负荷减少30.0%-63.3%，表现为次降雨量越大，减排量越大。模拟结果表明：2种模式各次暴雨排水量模拟值的误差均在10.0%以内，4次暴雨排水总量模拟值的误差在5.0%以内；4次暴雨排出的NH＋4-N与NO-3-N负荷模拟值常规模式最大误差为6.0%左右，控制模式误差均在5.0%以内，2种模式的相关系数R与效率系数NS指标均较好。采用控制灌排模式能够有效减少排水量，提高雨水利用效率，减少NO-3-N和NH＋4-N流失；DRAINMOD-NⅡ模型能够有效地描述暴雨后稻田排水及氮素运移过程。

应用DRAINMOD-NⅡ模型对暴雨后稻田排水量和氮素模拟

为研究暴雨后稻田氮素的排放过程,在宿迁市船行灌区开展了试验,测定了常规灌排和控制灌排模式下暴雨后NH_4^+—N、NO_3^-—N的浓度和稻田排水量,并用DRAINMOD-N Ⅱ模型对暴雨后稻田排水量、NH_4^+—N和NO_3^-—N流失负荷进行模拟。试验结果表明:控制灌排模式可以显著减少雨后稻田排水量和氮素排放量;在两种灌排模式下,DRAINMOD-N Ⅱ模型对雨后排水量模拟值与测量值的相对误差RE在2%以内,相关系数R在0.98以上,模拟效率系数NS在0.96以上,对NH_4^+—N和NO_3^-—N流失负荷的模拟值与测量值的相对误差在5%以内,相关系数R在0.95以上,模拟效率系数NS在0.90以上,因此通过模型率定得到的各参数值较为合理,可以利用该DRAINMOD-NⅡ模型对未来暴雨后稻田排水量、NH_4^+—N和NO_3^-—N流失负荷进行预测。

DRAINMOD和HYDRUS-1D模型对水稻控制灌排条件下农田水位的模拟

为研究水稻控制灌排条件下农田水位的变化,根据2017年的水稻测坑种植试验资料,率定DRAINMOD模型和HYDRUS-1D模型参数,以相关系数、平均偏差及纳什效率系数为评价标准,通过比较2018年农田水位模拟值与实测值的吻合程度,分析2种模型模拟稻田干湿交替条件下农田水位的可靠性。结果表明:DRAINMOD模型和HYDRUS-1D模型的模拟结果均能较好地反映农田水位的实际变化情况,模拟值与实测值的相关系数分别为0.778和0.849,平均偏差分别为2.051 cm和1.809 cm,纳什效率系数分别为0.509和0.360,且2个模型模拟结果没有显著差别;DRAINMOD模型和HYDRUS-1D模型均可用于模拟水稻控制灌排条件下农田水位变化,为稻田水分运移研究提供方便可行的方法。

DRAINMOD模型参数灵敏度分析

参数灵敏度分析对于合理确定模型参数具有重要意义。以五道沟水文水资源实验站为研究区域,采用局部灵敏度分析方法分析了DRAINMOD模型逐日排水量对侧向饱和导水率k、排水系数D.C以及地表最大积水深度Sm的灵敏度。理论分析与计算表明:不同的参数在不同的阶段对排水过程的影响呈现不同的规律,土壤侧向饱和导水率对排水过程的模拟结果影响最为显著,而其他参数的影响则相对较小。根据灵敏度分析结果进行调参,来有效地提高模型模拟的精度。

DRAINMOD模型在农田排水系统中的应用及进展

由于农田排水系统与农业生产过程有重要的关联效应,相关问题的深入研究对进一步发展农业水土资源高效利用具有重要理论意义。DRAINMOD作为一种典型田间水文排水模型,在农田生产研究工作中应用较为广泛,其优点包括模拟过程需求参数较少,适用于长时间序列模拟农田排水、盐分运移、氮素流失、非点源污染等过程。该文阐述了DRAINMOD模型的基本原理,介绍了其几种常用的分析模块和需求参数等。在此基础上,从该模型的实际应用方向入手,回顾了该模型的开发及完善过程,比较了该模型与国内外常见的SWAP、Mike-she、HYDRUS、EPIC、RECHARGE、RECARGE及SWMM等模型在田间排水过程分析上的主要差异。对该模型近几年来在国内外不同研究方向的应用进行评述,重点包括农田排水及排水系统优化、盐碱地盐分运移模拟、氮素流失及非点源污染防治、城市雨水花园水文循环过程的应用及模型敏感性分析等。最后,针对研究现状提出了现有研究中的若干关键科学问题,为DRAINMOD的进一步完善及在农田生产过程中高效应用提供实践指导。

利用DRAINMOD模型模拟水田旱地排水径流过程

为了掌握水稻田在调洪滞涝中的作用及其影响因素,以湖北省汉川市的洪西垸径流区为例,分析了水田旱地的排水径流特点,利用DRAINMOD模型对水田旱地的排水径流过程进行了模拟分析。结果表明,模拟的排水径流量与实测值吻合较好,且旱地的模拟效果优于水田;在汛期即水田旱地作物生长期内,水田区的排水径流量小于旱地区,水稻田可较好地起到拦蓄径流的作用。

应用DRAINMOD对测坑控制排水条件下地下水位的模拟分析

为研究控制排水措施对农田地下水位的影响,在湖北省荆州市四湖工程管理局丫角排灌试验站进行了测坑控制排水试验,并利用DRAINMOD模型对不同试验方案下地下水位进行数值模拟。模拟结果表明:在棉花生育期内,地下水位模拟结果和实测结果的一致性较好,该模型可有效地模拟预测水测坑控制排水条件下地下水位特性;控制排水措施能有效调控地下水位。

满足机械收割农艺条件下稻田排水暗管布局DRAINMOD模型模拟

在长江中下游稻麦轮作区,水稻秋收期阴雨连绵现象时有发生,收割机械因农田土壤过湿而无法及时下田收割。如果建设暗管排水系统,则可及时降低地下水埋深,保证机械收割的顺利进行。该文以江苏省扬州市江都区昭关灌区为例,以地下水埋深降至60~80 cm作为适于一般机械收割的田间排水要求,运用田间水文模型-DRAINMOD模拟了满足1~5 d机械下田条件的暗管排水布局,并分析了相应的田间水文效应以及模型主要输入参数的敏感性。根据研究区1954-2016年逐日气象数据(包含降雨、气温、湿度、风速和日照时数等)的模拟结果显示:考虑大型机械收割要求(地下水埋深大于80 cm),当暗管埋深为90~150 cm时,满足98%、95%和90%保证率的最大暗管间距分别为7.42~18.74 m、13.01~26.20 m和15.27~28.72 m;满足小型机械收割要求(地下水埋深大于60 cm)的暗管布置间距则可更大,满足98%、95%和90%保证率的最大暗管间距分别为10.36~19.59 m、18.17~30.90 m和22.88~33.02 m。多年平均机械收割天数对侧向饱和导水率、不透水层深度、土壤蒸发蒸腾量、潜水上升通量和土壤可排空体积5类参数最为敏感。研究成果可为类似水稻种植区基于机械收割要求的农田暗管排水系统设计提供理论依据。

基于DRAINMOD模型的雨水花园运行效果影响因素

为研究雨水花园对暴雨径流水文调控效果受不同设计参数的影响,在试验研究的基础上,利用排水模型DRAINMOD分析了雨水花园长期运行效果受其蓄水层深度、汇流面积比以及降雨特征等因素的影响。模型测试结果显示,DRAINMOD可以较好地模拟雨水花园内部水文过程;长序列(1951—2007年)模拟结果发现,试验雨水花园对暴雨径流量削减率的年均值为18.5%,经介质净化的水量占雨水径流总量的76.1%;雨水花园蓄水层深度超过某一临界值后对其滞留效果没有影响;汇流面积比增大,排水量和溢流量均增大;在雨水花园内部增加30 cm反硝化作用蓄水层后,排水量下降了19.2%,雨水花园对径流量的削减率提高到33.5%。可见,增加内部蓄水层后雨水花园对水量削减和污染物浓度去除都具有积极作用。

基于DRAINMOD模型的不同灌排模式稻田水氮运移模拟

【目的】研究不同灌排模式稻田水氮动态变化,为南方稻作区节水减排提供科学依据。【方法】基于实测的田间灌排水量及氮素变化数据,采用Morris方法检测DRAINMOD模型水氮运移相关参数的灵敏度,并利用DRAINMOD模型对传统灌排模式和控制灌排模式下稻田水氮动态进行模拟。【结果】20~40 cm土层侧向饱和导水率对稻田水分运移模拟结果影响最大,弥散系数、反硝化参数、硝化反应参数、有机质适宜分解温度对稻田氮素运移模拟结果影响较大;DRAINMOD模型能够较好地模拟不同灌排模式稻田水氮动态变化、灌排水量、氮素径流总负荷模拟值与实际值差别小于11%;与传统灌排模式相比,控制灌排模式排水量减少33.0%~72.6%,灌水量减少9.7%~37.1%,铵态氮径流负荷减少43.6%~45.0%,硝态氮径流负荷分别减少29.8%~53.1%。【结论】控制灌排模式稻田节水减排效果较好,利用DRAINMOD模型进行不同灌排模式稻田水氮动态模拟可行有效。