基于WNMM模型的潮土地区农田水氮优化管理

应用农田水氮管理模型(water and nitrogen management model,WNMM)模拟潮土水氮运移过程,以建立针对该地区气候环境和土壤性质的田间水氮优化管理方案。利用田间试验对WNMM模拟结果进行了校验,结果表明该模型能较好地模拟潮土地区的土壤水氮运移过程,农田蒸散量、土壤含水量和硝态氮含量的模拟值与实测值在α=0.01水平上相关显著,误差范围也令人满意。根据土壤实时水氮含量数据,建立了按作物生长亏缺动态调整灌溉、施氮的优化农田水氮管理方案。在多年平均气象条件下,与传统管理模式相比,优化管理模式不仅能为作物生长提供更好的土壤水肥条件,而且每年可节约灌溉水163.5mm、氮肥130kg.hm-2,减少土壤水渗漏264.6mm、氮素淋失71.1kg.hm-2。

基于RZWQM模型的冬小麦-夏玉米水氮管理评价

利用2010和2011年在中国科学院通州农田水循环与现代节水灌溉试验基地获取的冬小麦-夏玉米轮作条件下不同水肥管理时的试验数据,对RZWQM（Root zone water quality model）模型中的土壤水分、氮素和作物模块进行率定和验证,模型验证结果表明各土层土壤含水率的均方根误差（RMSE）和相对误差（MRE）分别在0.015-0.026 cm3/cm3和-6.66%-5.83%之间变化,土壤贮水量模拟值与实测值一致;冬小麦和夏玉米产量、吸氮量的模拟值与实测值的相对误差（RE）小于25%。该结果表明率定和验证后的RZWQM模型能够用来模拟华北地区冬小麦-夏玉米轮作条件下土壤水、氮及作物动态变化。利用率定和验证后的模型分析对比了常规施氮条件下,不同喷灌灌水频率和传统灌溉方式对作物产量和氮素渗漏的影响。结果表明在灌溉总水量相同的条件下,当20 cm蒸发皿累积蒸发量为30-70 mm时开始灌溉,其作物产量高且氮素渗漏量和损失量小。综合考虑作物产量和环境效应,推荐较优的喷灌灌溉频率为累积蒸发量为30-70 mm时开始灌溉。

基于模糊Borda组合模型的枸杞品质水氮调控效应评价

为筛选出合适的枸杞(Lycium barbarum L.)水氮供应阈值,利用模糊Borda组合模型评价了不同水氮组合对枸杞品质的调控效应。以三年生‘宁杞5号’枸杞为对象,分析了4个水分调控水平(以土壤含水量占田间持水量θ_f的百分比控制土壤水分上、下限),即充分灌溉W0(75%~85%θ_f)、轻度水分亏缺W1(65%~75%θ_f)、中度水分亏缺W2(55%~65%θ_f)、重度水分亏缺W3(45%~55%θ_f),和4个施氮水平,即不施氮N0(0 kg·hm^(-2))、低施氮量N1(150 kg·hm^(-2))、中施氮量N2(300 kg·hm^(-2))、高施氮量N3(450 kg·hm^(-2)),对枸杞外观品质和营养品质的影响,并构建模型对枸杞品质进行综合评价。结果表明:(1)同一水分调控下中低量施氮可提高枸杞果实果径,较高施氮量提高3.39%~5.19%,随水分亏缺程度加剧枸杞果径呈先增后降变化趋势,其中W0、W1和W2较W3分别提高8.01%、9.44%和6.92%;枸杞果长随施氮量增加呈先增后降变化趋势,N2处理提高最大(4.39%),随水分亏缺程度加剧呈降低趋势,各处理较重度水分亏缺提高2.50%~9.57%;水分调控、施氮水平及二者交互作用均对枸杞果形指数影响不显著。W1N2处理的总糖、多糖、脂肪、维生素C和黄酮含量均最高,分别较其他处理提高了3.32%~16.93%、7.49%~54.72%、6.50%~45.89%、2.29%~47.41%和4.14%~28.34%;W2N3处理的氨基酸含量最高,较其余处理提高了11.12%~86.16%;W0N2处理的蛋白质含量最高,较其他处理提高了7.15%~71.67%;W2N1处理的总酚含量最高,较其他处理提高了8.54%~65.98%。即轻中度水分亏缺、低中施氮量水平时有利于枸杞外观品质和营养品质的形成。(2)各处理枸杞品质的评价值因模型不同存在明显不一致。剔除主成分分析后,隶属函数分析、灰色关联度分析和TOPSIS模型3种单一模型各自的评价结果与除该单一模型外其余2种模型评价结果的Kendall相关系数通过了Kendall-W协和系数事前检验,具有一定的相容性,可进行组合评价。(3)对均值法和模糊Borda评价法构建的组合评价模型进行事后检验发现,模糊Borda组合评价模型与各单一模型评价值的Spearman相关系数高于均值法。(4)对基于模糊Borda组合评价模型的枸杞品质评价值进行回归分析得出,水氮供应阈值分别为348.40~385.08 mm和270.46~298.92 kg·hm^(-2)时,枸杞的综合品质较优。

通过MOC模型对循环水系统进行全面优化管理

通过MOC模型对循环水系统进行全面的信息收集,对收集信息的能力分析评估,结合现场实际情况提出综合管理措施,从而达到全面优化管理的目的。

结合建筑信息模型与目视化管理的输水渠道管理效果评估研究

对长距离输水工程的运行状态实施持续的监测、评估以及预警机制,是确保供水工程平稳运行的重要措施。研究利用建筑信息模型和深度信念网络技术,结合可视化手段,构建输水渠道管理效果评估模型。结果显示,模型的平均绝对误差在0.37以内,均方根误差在0.42以内,均方误差在0.492以内,平均相对误差在0.83%以内。研究表明,该模型精度较高,预测结果与实际结果非常接近。研究结果可为输水渠道的管理提供有力工具,有助于提升管理水平和安全性。

陆地高分辨率水文—生物地球化学过程CNMM-DNDC三维模型的研发及应用进展

CNMM-DNDC模型是本文作者团队研发的陆地高分辨率水文—生物地球化学过程三维模型。本文系统介绍了建模背景和理念、核心过程和模型特点、模拟功能和观测验证、多尺度区域或流域初步应用以及未来发展展望。自2018年刊发首个版本以来,该模型经过了多方面科学过程改进和模拟功能扩展,在元素化学反应、物质相变和机械迁移等基本物理、化学、生物过程层面,完成了对陆地表层系统碳氮磷水循环全耦合的精细刻画。迄今开展的观测验证表明,CNMM-DNDC模型基本普适于不同生物气候带(从热带到寒区多年冻土地带)的流域或区域长时间序列“三高”(时间、空间和过程高分辨率)综合模拟,实现对陆地生态系统的碳、氮、磷、水三维运移、水土流失、水力驱动溶解态和颗粒态碳氮磷横向迁移、碳氮温室气体和污染气体排放、生态系统生产力、水分蒸散发和水分能量平衡等众多可持续发展目标表征变量的预测。该模型广泛推广应用于多尺度区域或流域的复杂过程虚拟科学试验研究和服务于面向生态环境建设与减污降碳的优化调控决策,可望为协同落实联合国多个可持续发展目标提供先进的数值模拟技术支撑。

基于RZWQM模型的夏玉米水氮管理优化及淋溶过程模拟

为优化我国华北平原地区夏玉米种植的水氮管理方案,利用通过位山引黄灌区下游临清市2019-2020年夏玉米田间试验得到的数据,在RZWQM模型中对水分、养分以及生长模块进行参数率定和验证。结果表明:经过模拟参数优化后,土壤含水率、NO_(3)^(-)-N含量与作物产量的均方根误差(RMSE)和平均相对误差值(MRE)均在可接受范围内。利用校准后的RZWQM模型,模拟24种不同水氮条件下的作物产量、水氮利用效率和NO_(3)^(-)-N淋溶过程,综合考虑作物产量、水氮利用以及环境效应,推荐水氮管理方案为灌水量166 mm、施氮量180 kg/hm^(2),研究为位山引黄灌区下游的农田水肥管理优化提供了理论依据。

基于APSIM模型分析播期和水氮耦合对油葵产量的影响

播期调控和补充灌溉是保障北方农牧交错带油葵稳产和增产的有效措施,然而播期和水氮管理对油葵产量的耦合效应尚不明确。该文基于农牧交错带武川试验站2 a分期播种试验数据评估了APSIM-Sunflower模型的适应性,应用验证后的APSIM模型分析了播期和水氮耦合对油葵产量的影响。研究结果表明:油葵生育期模拟值与实测值均方根误差(RMSE)小于2.4 d,地上部干物质量和产量模拟的归一化均方根误差(NRMSE)分别为21.9%和5.5%,表明APSIM模型能够有效模拟油葵的生育期、地上部干物质量和产量。在有补充灌溉条件时,仅灌一水时在现蕾期补灌油葵产量最高,灌两水时在现蕾和灌浆期补灌产量最高。油葵最佳施氮量随着灌溉量的增加而上升;干旱年无灌溉、灌一水、灌两水和灌三水时最佳施氮量分别为40、60、60和70 kg/hm^2,正常年分别为50、70、80和90 kg/hm^2,湿润年分别为50、80、80和90 kg/hm^2。在湿润年和正常年时雨养、灌一水和灌两水条件下播期在5月中旬较其他播期产量分别高6.9%和11.6%,9.3%和12.0%,9.3%和16.4%,灌一水的产量变异系数分别低41.9%和8.9%;灌两水的产量变异系数分别低38.5%和12.5%;灌三水条件下播期在5月上旬时产量最高。干旱年时早播可降低产量年际间变异,但调控播期对提高产量作用较小。研究结果可为北方农牧交错带油葵生产播期和水氮管理提供参考。

水氮耦合条件下烤烟叶面积指数变化的模型研究

在蒸渗仪条件下,对不同水氮互作处理的烤烟叶面积指数随时间(移栽后天数)的变化曲线,建立相关模型,进行拟合分析研究。结果表明,烤烟全生育期内叶面积指数变化呈现缓慢增长,快速增长和衰退3个阶段,水氮互作处理间的叶面积指数相差不大;线性模型和指数模型均能较好的拟合叶面积指数的动态变化,经筛选,指数模型拟合的相关系数和精度较高,参数少,具有更强的实用性。

沙区降解膜覆盖下滴灌农田水氮交互效应与模型研究

为探索干旱沙区可降解地膜覆盖下滴灌农田水氮交互效应及优化组合方案,提高其水氮利用效率,在内蒙古乌兰布和沙区进行2年可降解膜覆盖下的滴灌田间试验,设置了低水(2016年165 mm、2017年195 mm)、中水(2016年247.5 mm、2017年292.5 mm)和高水(2016年330 mm、2017年390 mm)3个灌溉定额水平及低氮(140 kg/hm^2)、中氮(210 kg/hm^2)和高氮(280 kg/hm^2)3个施氮量水平,并以普通塑料地膜覆盖的3个水分处理作为对照,采用随机完全组合设计,共计12个处理。研究了可降解地膜覆盖下不同水氮供应对干旱沙区玉米产量及水氮利用效率的影响,建立了可降解地膜覆盖下滴灌农田玉米水氮耦合模型,并对组合方案进行了优化。结果表明:与普通塑料地膜覆盖相比,可降解地膜覆盖下水分利用效率(WUE)明显较低,而在水分充足条件下(高水)玉米产量及其构成因素、氮肥偏生产力(PFPN)无显著差异。可降解地膜覆盖下灌水量和施氮量均对玉米的产量及其构成因素、WUE和PFPN有显著影响。灌水量与施氮量存在明显的交互效应,较低的灌溉定额限制了氮素利用,从低水到中水处理2年玉米PFPN和产量平均增长36.87%和37.18%,而从中水到高水其增长仅为5.93%和6.22%;同样较低的施氮量也限制了水分的利用,从低氮到中氮处理2年玉米WUE和产量平均分别增长了7.99%和18.81%,而从中氮到高氮WUE增长为-3.66%,产量仅增长3.35%,而2年最大产量均出现在高水中氮处理,分别为13 875.16、13 805.02 kg/hm^2。在沙区可降解地膜覆盖下滴灌农田中,灌溉定额、施氮量与玉米产量之间符合二元二次回归模型,该模型预测玉米产量与实际产量呈高度相关(2016、2017年R2分别为0.978、0.988),通过主因素分析水氮增产效应的因素,由大到小依次为:灌水量、施氮量,产量随水氮量的增加均呈先增加后减小的趋势。经模型寻优,得出不同目标产量下的水、氮最佳组合方案,本试验高水中氮处理的水氮配比下的产量在13 000~14 000 kg/hm^2目标范围内,且WUE、PFPN较高,可作为干旱沙区可降解地膜覆盖下较为合理的水肥管理模式和技术参考。

渭北东部旱塬氮磷水三因素交互作用与耦合模型研究

在旱棚控制条件下，用三因素五水平回归设计，研究了渭北东部旱塬氮磷水三因素的交互作用及耦合模型，结果表明：①氮、磷、水对冬小麦的增产顺序为水＞氮＞磷；②氮磷和氮水的交互作用为协同作用型，氮、磷、水都为李比希限制因素；磷、水交互作用为拮抗型，磷、水为拮抗限制因素；当氮、磷、水同时投入时，磷水拮抗型转变为协同作用型，磷、水也变为李比希限制因素；③水分对目标产量的校正模型为：ｙ＝－３０．６５２±０．９９６６Ｗ＿Ｂ，ｙ＝－１６．５０２＋０．８７５Ｗ＿Ｒ，ｙ＝－１１３．２９７５＋０．６０４１Ｗ＿Ｔ；④水分对施肥量的校正模型为：Ｘ＿１（Ｎ）＝０．７９５６＋０．４７２８Ｘ＿３，Ｘ＿２（Ｐ＿２Ｏ＿５）＝０．４６７９＋０．２１６９Ｘ＿３。

压砂地西瓜光合作用干物质及产量水氮耦合模型及验证

为探明压砂地西瓜光合作用机理以及水氮条件对压砂地西瓜干物质积累和产量的影响,于2009年进行了桶栽对比试验,用高斯积分法计算冠层每日总光合同化量的方法建立压砂地西瓜光合作用干物质累积模型,并用试验实测值对模型进行验证。同时建立水氮耦合回归模型并进行验证。结果表明:1)光合作用干物质模型均方根误差(root mean square of error,RMSE)为22.5 kg/hm^2,相对均方根误差(normalized RMSE,n RMSE)为14.5%,相关系数(correlation coefficient,r)为0.89;2)当蒸发蒸腾量ET≥213~513.8 mm、可利用氮量N≥172.1~226.9 kg/hm^2时,水氮耦合压砂地西瓜干物质积累模型和产量模型的n RMSE均<20%,R2约0.8,说明水氮耦合干物质和产量模型的可靠性。所建立的光合作用干物质累积模型和水氮耦合模型在一定条件下能够准确的预测压砂地西瓜干物质累积和经济产量,但光合作用模型更具有广泛的适用性。

不同数学模型下的乌梁素海水环境氮磷容量模拟计算

本文基于OECD模型、Dillon模型及合田健模型模拟乌梁素海在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级水质标准下TN、TP水环境容量,通过3种模型模拟结果比较,分析得出OECD模型和合田健模型计算出的TN、TP水环境容量值比Dillon模型模拟所得的TN、TP环境容量值大,并采用3种模型计算均值确定2005年TN、TP水环境容量。

不同水氮环境条件下小麦氮素含量和氮素利用效率的遗传模型研究

为了研究不同水氮环境条件下小麦氮素含量和氮素利用效率(NUE)的遗传模型,随机选用8个亲本组配成28个双列杂交组合,在正常和水氮亏缺胁迫两种环境下进行随机区组试验,采用Hayman的分析方法研究了各性状的遗传模型。结果表明,在正常环境下籽粒和茎秆的氮素含量为加性-显性-上位性模型遗传,叶片氮素含量和氮素利用效率为加性-上位性模型遗传。在水氮亏缺胁迫环境条件下,籽粒和叶片氮素含量为加性-显性模型遗传,茎秆氮素含量和氮素利用效率为加性-显性-上位性模型遗传。可见,小麦氮素含量和氮素利用效率的遗传模型在不同的水氮环境中不完全一样。

海河流域二元水循环模型开发及其应用——Ⅱ.水资源管理战略研究应用

综合考虑水文气象、南水北调工程、地下水超采控制、入海水量控制目标等因素,以及现状(2005年)、2010年和2020年3个水平年,设置了9个情景方案,应用海河流域二元水循环模型(简称"二元模型")进行了水资源管理战略情景模拟分析。采用GDP、粮食产量、ET(蒸散发量)、入海水量、总用水量、减少地下水超采量等评价指标对9个情景方案的模拟结果进行了评价,给出了各规划水平年的推荐方案。在此基础上,对今后海河流域水资源管理战略问题如ET控制、地下水超采量控制和入渤海水量控制等进行了讨论。研究表明,未来虽然有南水北调工程对本流域的补水,但需要严格控制流域用水量和耗水量,才能做到逐步减少地下水超采量、增加入渤海水量,实现国民经济与生态环境的和谐发展。

作物生长与土壤水氮运移联合模拟的研究Ⅱ——模型验证与应用

在华北平原中国农业大学东北旺实验田开展了水肥耦合灌溉实验,设置了传统和优化水肥4个组合处理,同时应用作者提出的联合模拟模型SPWS对2000年夏玉米生育期内的土壤水分、氮素转化运移以及水氮限制条件下夏玉米的叶面积指数、干物重、吸氮量及籽粒产量进行了模拟,模拟结果与实测数据均吻合良好。水氮平衡分析结果表明,优化灌溉和优化施肥管理措施均能明显减小水分渗漏、硝酸盐淋失和氮素的气体损失,且均有不同程度的增产作用,其中优化水肥处理下水氮利用率分别为1.33kg/m3和31.6kg/kgN,为4个组合处理中最高。

基于生态用水的地下水系统模拟与优化管理模型

通过对地下水系统与生态用水相互作用过程的研究,把生态用水作为重要的用水项目纳入到地下水系统模型考虑范畴,兼顾地下水的经济、环境和生态功能三者统一,在吉林省大安试验区建立了基于生态用水的地下水系统三维模拟与优化管理模型。采用该模型,分别模拟出试验区1998年和1999年地下水系统水资源各项均衡量,并确定了2000年地下水最佳开采利用方案,实现了地下水资源持续高效利用,取得了良好的经济、生态和社会效益。

盐分条件下水氮对向日葵影响及其产量模型研究

为了提高盐渍化地区水肥利用效率,在内蒙古河套灌区沙濠渠试验站利用盆栽试验,采用三因素五水平二次通用旋转组合设计,以土壤含水量、施氮肥量、土壤EC值为因子,对水氮盐耦合效应展开了试验研究,并构建了水氮盐产量模型,结果表明:水氮盐最优组合方案为土壤水分为相对田间持水率58.4%～78.03%,施氮量392.25～414.75kg/hm2,土壤EC值0.25～0.45ms/cm。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)发动机循环水管理模型

首先测试了北京飞驰绿能电池技术有限公司设计制造的 18kWPEMFC电堆 ,得到了输出电流、电压、反应气体流量、加湿温度、电池堆上循环水入口和出口温度、以及电堆尺寸、质量等一系列参数。为了优化循环水管理 ,建立了循环水管理物理模型 ,该模型仅依赖于电堆输入和输出等宏观参数 ,不必考虑诸如质子交换膜的水迁移系数和冷却板、双极板上流场结构等微观参数。该模型在优化循环水系统配置、简化控制系统参数等方面具有一定优势。模型分析指出 ,在该发动机散热机制中 ,可以忽略热辐射以及反应物质流入流出对电池堆温度影响 ,循环水散热量占 97%。 18kWPEMFC发动机对散热器部分有较高要求 ,现阶段尚缺少燃料电池专用设备 ,采用中档轿车用散热器在经济和技术上都比较合适。为了达到快速启动目的 ,PEMFC电动汽车必须配备功率较大的二次电池 ,二次电池功率依启动时间而定。

淮河流域水质管理模型

淮河流域水质管理模型作为分析研究淮河流域水污染规律的工具 ,以淮河入洪泽湖河口以上流域为研究区域。在深入分析研究区域内水文气象、自然地理、河道和水流特性以及水污染特点的基础上 ,利用Mike 11,MIKEBASIN和ArcView软件研制和开发水质管理模型 ,为有效实施水污染防治和水资源管理提供依据。简要介绍模型的结构 ,主要参数的确定 。