长期大田滴灌对新疆农田水盐环境影响的研究进展

大田滴灌在新疆地区大规模应用取得了非常显著的经济、社会和生态效益,但不同区域应用时,对土壤水盐平衡及地下水动态的影响也各异。为准确掌握长期节水灌溉对新疆农田土壤水盐及地下水埋深的影响,本文系统梳理了新疆大田滴灌的发展历程及取得成效,分析了长期大田滴灌以来耕层土壤水分状况、南北疆的主要灌区农田地下潜水埋深、耕层土壤盐分再分布的变化情况,并从维护新疆水土资源可持续利用角度提出4条对策与建议:“两水”统观统用构建安全地下水位埋深、灌溉洗盐结合维持良好农田耕层、区域统防统治实现区域水土可持续、节水降盐为核心提升区域农业资源利用效率,为进一步开展新疆农业水资源可持续利用提供参考和方向。节水抑盐是新疆农业可持续发展的战略举措,但如何实现干旱盐碱区水土资源的高效利用,探索和遵循水盐平衡这个科学问题值得长久关注。

北方旱区保护性耕作对农田土壤水分的影响

土壤水分是中国北方旱区农业生产的主要限制因子,研究保护性耕作技术体系下土壤水分的动态变化,明确不同耕作模式下的水分平衡规律,对于选择适宜的保护性耕作技术,提高北方旱区土壤水分的利用效率具有重要的指导意义。该文在2a田间试验的基础上采用DSSAT模型对4个不同保护性耕作处理的土壤体积含水量、水分平衡以及水分利用效率进行了模拟和检验。结果表明干旱年份保护性耕作处理土壤体积含水量较传统耕作高,RMSE误差在0.025～0.063;干旱年份传统耕作土壤储水量减少最多,为144.6mm,降水较多年份减少也最多,为46.1mm;干旱年份水分利用效率1.52～1.78kg/m3,免耕覆盖水分利用效率最高,降水较多年份水分利用效率1.70～1.71kg/m3,各处理间差异并不显著。研究结果为保护性耕作技术对农田土壤水分的影响研究提供了理论依据。

旱地全膜覆土穴播对春小麦耗水、产量和土壤水分平衡的影响

目的干旱、降水供需错位和春季低温是制约西北黄土高原丘陵沟壑区春小麦生产的主要因子,如何最大限度保蓄自然降水、实现水分的跨季节利用,则是该区春小麦产量稳定提高的根本途径。本文在大田定位观测的基础上,揭示全膜覆土穴播对西北黄土高原旱作春小麦季节性耗水特征、产量、水分利用效率和休闲期土壤水分补给的影响,并评判其年际土壤水分平衡效应。方法试验于2011—2013年在西北黄土高原半干旱区的甘肃省农业科学院定西试验站进行(104°36′E,35°35′N),以春小麦陇春27号为试验材料,设全膜覆土穴播(FMS)、地膜覆盖穴播(FM)和露地穴播(CK)3个处理,测定春小麦不同生育时期的土壤含水量、生物量、产量和产量构成因子,计算休闲效率、耗水量、水分利用效率、收获指数等指标。结果 2011和2012年3个处理的春小麦耗水量无显著差异,但2013年FMS耗水量显著高于CK。FMS和FM可增加春小麦苗期到孕穗期耗水,且此阶段的耗水量在干旱年份分别较CK增加27.2%和9.6%,在丰水年份分别较CK增加52.2%和44.6%。虽然FMS和FM在各生育期的耗水量无显著差异,但FMS在丰水年(2012年和2013年)的耗水量较FM有增加趋势,且这一效果在2013年尤为明显。FMS和FM在休闲期可补充0—80 cm土层土壤水分25.4和18.3 mm,比CK分别低2.2和9.3 mm;补充80—200 cm土层土壤水分78.0和71.0 mm,比CK分别高30.0和23.1 mm;与2011年播前相比,种植3年春小麦后0—200 cm土层的土壤贮水量FMS增加了23.8 mm、FM增加了22.5 mm、CK增加了12.4 mm。FMS的休闲效率为30.5%—52.6%,比CK高12.8%—109.5%,比FM高4.5%—40.9%。FMS的穗粒数、千粒重等产量构成因子均显著高于CK(P<0.05);收获指数为0.4—0.5,比CK高32.5%。FMS的产量为1 750—3 180 kg·hm-2,水分利用效率为5.5—11.5 kg·hm-2·mm-1,分别比CK增加40%—220%、27%—239%,而且干旱年份的增加幅度更高。在干旱的2011年,FMS处理的产量较FM增加26.2%,水分利用效率提高28.2%;在丰水的2013年,FMS处理的产量较FM增加20.9%,水分利用效率提高14.8%,两年均达到显著差异水平,表明FMS较FM具有更明显的丰水年份增产、干旱年份适应干旱胁迫的潜力,能够实现该区春小麦生产稳产高产的目标。结论西北黄土高原半干旱区FMS种植模式有效提高了春小麦播前和生长前期的土壤贮水量,并使春小麦苗期—孕穗期的作物耗水量显著升高,增加春小麦穗粒数,扩大籽粒产量库容和促进灌浆,显著提高春小麦产量和水分利用效率;并在休闲期完全补充春小麦生育期消耗的0—200 cm土壤水分,保持春小麦田的土壤水分年际平衡。

改进综合气象干旱指数对广西农业干旱的适用性分析

【目的】分析改进综合气象干旱指数（IM_CI）对广西农业干旱的监测评估效果，探讨改进综合气象干旱指数对广西农业干旱监测评估的适用性。【方法】利用广西89个台站的气象资料，使用农田土壤水分平衡方程（FSWB）、改进综合气象干旱指数（IM_CI）分别模拟监测1961-2010年的广西农业干旱情况，对比分析两种指数的应用效果。【结果】IM_CI对农业干旱的历史灾情、典型过程的旱情演变、季节干旱频率的时空特征及季节的干湿特点有较好的描述，总体优于FSB。【结论】IM_CI对广西农业干旱的监测评估效果较好，适用于广西农业的干旱监测评估。

应用农田水量平衡模型估算土壤水渗漏量

建立了一个农田水量平衡模型．并据于模型假设的条件，模拟计算了在冬小麦－夏玉米及冬小麦－裸地条件下历年１ｍ土层土壤水渗漏量。结果表明，土壤水渗漏量与季节内降水量呈正相关，但在不同作物种植制度下有不同的相关关系式。不同水文频率年型下的渗漏量具有明显的差异，湿润年型下比干旱年型下的渗漏量多７０～１４０ｍｍ，冬小麦－裸地比冬小麦～夏玉米种植条件下的渗漏量多３０～５０ｍｍ。

FAO56计算水分胁迫系数的方法在田间水量平衡分析中的应用

从作物水分胁迫系数的基本概念和FAO56的相关公式出发，考虑土壤临界含水量的时间变化，推导出了一个水分胁迫系数计算公式，该公式比较全面地表达了土壤供水能力、作物潜在腾发量与作物所受水分胁迫之间的关系。将该公式和另一幂函数公式应用于山西潇河冬小麦田间水量平衡分析，两者对土壤水分的动态模拟都达到了较高的精度，水量平衡计算结果也比较合理，模型的参数基本一致。与幂函数公式建立的模型相比，新公式建立的田间水量平衡模型具有待定参数少、求解结果稳定、易于收敛的优点，同时还能得到0～1m土壤临界含水量变化曲线。该曲线反映了作物在土壤水分消退的过程中遭受不同程度水分胁迫的可能性大小，并得出土壤临界含水量在冬小麦生长前期较小，中期最大，后期较大。在返青～收获期，0～1m深土壤临界含水量最大为290mm，最小为215mm，平均值为247mm。这些结论对于农业用水管理具有一定的参考价值。

西部部分地区农田实际蒸散量分布特征

利用我国西部五省16个农业气象站9年的土壤湿度资料,采用土壤水分平衡法估算了农田实际蒸散量,结合干燥度的计算,分析了时间和空间上的分布特点。结果表明:各地农田实际蒸散量与降水量的变化基本一致:从东南向西北随着干燥度的上升(降水量的减少),农田实际蒸散量逐步增加,其超过降水量的部分逐步增大,说明西部地区农田实际蒸散量的大小与灌溉及降水量密切相关。

施肥与灌溉对黑土区稻田氮素渗漏淋溶的影响

为明确东北黑土区稻田土壤氮素渗漏规律,在典型黑土区开展了基于农田水平衡的小区试验,分析了不同灌溉方式和施氮水平条件下稻田土壤渗漏水中三氮浓度变化情况,并结合农田水平衡方程计算出了不同水肥条件下的氮素淋失总量。结果表明,渗漏水中铵态氮、硝态氮和总氮浓度与施氮量呈正相关关系,控制灌溉和浅湿灌溉分别可以减少硝态氮渗漏浓度11.89%和14.15%;常规灌溉方式下每公顷每增加1kg施氮量(折合成纯氮),氮素淋失量增加0.117 5kg,控制灌溉和浅湿灌溉则分别增加0.035 9kg和0.055 7kg;在水稻全生育期,控制灌溉氮素淋失总量最小,平均为4.51kg/hm2,约是常规灌溉的1/3、浅湿灌溉的1/2。综合分析认为,浅湿灌溉是适用性更高的灌溉方式,理论合理施肥量为137.30kg/hm2。

华北地区夏玉米田间水分转化规律研究

本文利用一维垂直非饱和土壤水运动计算模型，通过模拟计算夏玉米生育期各生长阶段不同水文年、不同灌水定额下田间水分转化规律，对棵间蒸发，深层渗漏与灌水定额之间的数量关系进行了定量研究，并建议华北地区夏玉米节水灌溉定额为４０ｍ３／亩．

华北平原主要农作物灌溉需水量的估算

本文根据华北平原农田水分循环特点,建立了一个农田土壤水分平衡模型.利用研究区内30个气象台站20～40年的气象资料,模拟计算了华北平原主要农作物(冬小麦、夏玉米和棉花)的历年灌溉需水量.在模拟过程中,考虑到华北平原土壤质地层次排列复杂,土壤持水特性不一,将土壤的最大有效含水量划分了5个等级.根据统计排频分析,确定了在干旱年、中等年及湿润年型下冬小麦、夏玉米和棉花的灌溉需水量.并分析了华北平原的1m 土层土壤最大有效含水量为180～240mm 范围时,3种作物多年平均的及不同年型的灌溉需水量在华北平原的区域分布特征.

基于HYDRUS对稻田不同阶段土壤水分的模拟与分析

为探寻稻田不同阶段土壤水分状况下的差异性,基于重庆丘陵区紫色土常规轮作水稻土壤水分的连续监测数据,利用HYDRUS-1D模型对稻田淹水、排水落干和收获后3个不同干湿阶段(阶段Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)的土壤水力参数和土壤含水量开展验证模拟分析.研究表明:①根据R^(2)与RMSE的误差分析结果,HYDRUS可以实现对不同阶段稻田土壤水分变化的有效模拟.②根据土壤水量平衡分析,阶段Ⅰ的稻田土壤水分以水分补充的形式为主;阶段Ⅱ和Ⅲ的土壤水分以水分损失为主,底层渗漏量分别占总水分损失量的52%和95%.③根据HYDRUS的模拟结果,降雨直接影响土壤上下边界流的变化;阶段Ⅱ的实际作物蒸腾量和实际地表蒸发量低于阶段Ⅰ的,阶段Ⅲ稻田土壤的地表实际蒸发量与日照时数的关系更密切.

东北寒区黑土稻田土壤水分剖面二维运动规律研究

为揭示东北寒区黑土稻田分层土壤水分二维运动规律,选择黑龙江省庆安灌溉试验站稻田土壤开展控制灌溉水层及地下水位条件下分层土壤与均质土壤室内入渗试验。设计装置分层收集侧渗水量,定量识别分层土壤垂直渗漏与侧向渗漏,并基于HYDRUS-2D软件建立水分二维运动模型。结果表明土壤水力特性参数反演效果较好,模型模拟值与实测值吻合;土壤的分层结构抑制了水分入渗,降低了水平侧渗速率及垂直渗漏速率,分层土柱犁底层基本无侧渗输出,耕作层与底土层稳定后的侧渗速率分别为0.007和0.023 cm/h。进行水量平衡分析,分层土柱入渗稳定后侧向渗漏占总渗漏的72.45%,主要通过底土层输出(63.42%);引入"单宽侧渗量"表示不同控制条件下土壤的侧渗输出,灌溉水层的增加显著增大了耕作层与底土层土壤的单宽侧渗量,控制灌溉水层有利于减少侧渗,提高用水效率;犁底层厚度增加主要贡献底土层的单宽侧渗量,反之,地下水位埋深增大则降低了底土层的单宽侧渗量,因此维持稻田适宜的犁底层厚度及地下水位埋深有利于减少深层渗漏损失。

水氮耦合对黑土稻田土壤呼吸与碳平衡的影响

为探明不同水氮耦合方式对东北黑土区稻田碳循环的影响,以黑龙江省黑土稻田为研究对象,于2018年进行大田试验,试验设置常规灌溉(F)与控制灌溉(C)两种灌水方式,全生育期施氮量设置0、85、110、135 kg/hm24个水平(N0、N1、N2、N3),测定了8种不同水氮耦合方式下水稻不同生育期平均土壤呼吸速率、微生物呼吸速率和根呼吸速率的变化以及水稻收获后各器官的固碳量。结果表明,水稻植株总固碳量为446.49~716.92 g/m2,各处理水稻收获后各器官固碳量从大到小依次为穗、茎、叶、根,分别占植株总固碳量的53.69%~59.44%、27.42%~30.12%、7.24%~8.96%、4.71%~8.35%。控制灌溉模式能提高水稻植株固碳量,其中CN2处理的总固碳量最大。相同施氮量、控制灌溉模式下,茎、叶、根固碳量均大于常规灌溉模式,除CN0处理穗固碳量低于FN0处理外,其余相同施氮量、控制灌溉模式下的穗固碳量均大于常规灌溉模式。不同水氮耦合方式下,水稻从返青期至乳熟期各生育期平均土壤呼吸速率、微生物呼吸速率、根呼吸速率均呈先升高、后降低的趋势,且均在分蘖期达到峰值。除返青期外,与不施肥处理相比,施肥后各生育期平均土壤呼吸速率、微生物呼吸速率和根呼吸速率均增大,且随着施氮量的增加而增大。控制灌溉模式下各施氮量处理水稻各生育期(除返青期外)平均土壤呼吸速率、微生物呼吸速率和根呼吸速率均高于常规灌溉模式下相同施氮量处理。8种不同水氮耦合方式下黑土稻田均表现为较强的碳“汇”,控制灌溉模式能够增加碳“汇”强度,其中CN2处理碳“汇”强度最大。本研究结果可为提高黑土稻田固碳减排潜力提供理论基础,为估算区域乃至全球碳平衡提供数据支撑。

氯离子守恒法确定土壤生态蓄水量

通过实验测得降水及土壤水的氯离子浓度,依据化学守恒原理,即降水与包气带土壤水中氯离子的质量守恒关系,计算出长春市丘陵、台地、阶地3类不同地貌区土壤一年内所得水量,该水量为土壤生态蓄水量。将土壤生态蓄水量与土壤的田间持水量、作物的生态需水量进行对比分析,评述了三者之间的关系。阐明土壤生态蓄水量不仅能客观反映土壤中的水分含量情况,也能对植被生态需水量的满足情况给予客观评价。

基于盾构掘进效果的富水砾砂地层渣土改良试验研究

为解决土压平衡盾构在富水砾砂地层中掘进时螺旋输送机出口易发生喷涌的难题,依托昆明地铁4号线盾构隧道工程,开展富水砾砂地层渣土改良研究。首先通过大型渗透试验评价地层的渗透性,然后对试验段内每环的渣土进行坍落度试验,分析渣土改良对盾构掘进参数的影响,检验并评价渣土改良的实际效果,进而给出昆明地区富水砾砂地层的合理改良建议。研究结果表明:1)昆明地区砾砂土的坍落度与含水率呈明显的正相关关系,而其渗透系数随测试时间的增加而降低,在2 h后减小为0;2)塑流性较好的渣土对应着较低的刀盘转矩、推力和较高的掘进速度;3)通过对掘进参数的分析可知,坍落度达到5~10 cm即可满足施工要求。