基于SHAW模型的北疆地区不同滴灌年限棉田冻融期土壤水热盐动态模拟研究

为探究SHAW(Simultaneous heat and water)模型在北疆地区长期膜下滴灌棉田冻融期土壤水热盐动态模拟的适用性,本研究选用滴灌起始年限为1998年(21 a)的棉田土壤水热盐实测数据对SHAW模型进行率定,以滴灌起始年限为2006年(13 a)、2008年(11 a)、2012年(7 a)和荒地(0 a)的水热盐实测数据进行验证。模型率定结果表明,随土壤深度增加土壤温度的模拟效果越好;土壤水盐的模拟效果先增强后减弱。模拟土壤温度Nash系数(NSE)、均方根误差(RMSE)和R2分别为0.713~0.993、0.209~2.498℃和0.911~0.994;模拟土壤水分NSE和RMSE分别为0.824~0.967和0.009%~0.032%;模拟土壤盐分NSE和RMSE分别为0.609~0.844和0.001~0.012 g/kg。模型验证结果表明,随滴灌年限增加模拟效果越好,模拟除荒地20~60 cm土层土壤温度NSE小于0.600,滴灌7、11和13 a地块各层土壤温度NSE均大于0.600,RMSE介于0.143~3.213℃;滴灌0、7、11和13 a地块模拟的各层土壤水分NSE均大于0.670,RMSE为0.009%~0.057%;滴灌0、7、11和13 a地块模拟的除120~140 cm土层土壤盐分NSE小于0.600,其他各层土壤盐分NSE均大于0.616,RMSE为0.000~0.016 g/kg。总体而言,SHAW模型适用于北疆地区冻融期长期膜下滴灌棉田的一维土壤水热盐模拟。

基于机器学习算法的棉田土壤钾、钠离子量预测

【目的】比较4种机器学习方法对南疆棉田土壤K+、Na+量的预测结果,确定一种预测准确度较高的机器学习模型作为可供参考的方法。【方法】采用支持向量回归(SVR)、随机森林回归(RFR)、K-最近邻回归(KNNR)和梯度提升回归树(GBRT)4种机器学习算法,2020年棉田土壤K+、Na+量数据训练模型,2021年实测数据进行测试验证。使用平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和决定系数(R^(2))对模型预测结果进行评估。【结果】4种模型(SVR、RFR、KNNR和GBRT)对测试样本K+量预测的MAE分别为0.100、0.169、0.169g/kg和0.167g/kg;RMSE分别为0.119、0.218、0.218g/kg和0.223g/kg;R^(2)分别为0.687、0.437、0.430和0.395。对测试样本Na+量预测的MAE分别为0.841、2.841、2.826g/kg和2.856g/kg;RMSE分别为1.154、3.658、3.630g/kg和3.650g/kg;R^(2)分别为0.838、0.299、0.219和0.200。将测试样本K+、Na+量分别按4个土层深度(0~10、10~20、20~30 cm和30~40 cm)进行预测时,SVR模型的误差值最小,其对K+量按照4个深度预测的MAE分别为0.122、0.114、0.056 g/kg和0.106 g/kg,RMSE分别为0.135、0.135、0.069 g/kg和0.126 g/kg;对Na+量预测的MAE分别为0.540、0.619、0.835 g/kg和1.371 g/kg,RMSE分别为0.636、0.748、1.198 g/kg和1.710 g/kg。【结论】SVR模型预测K+、Na+量的精度最高,可推荐作为南疆棉田土壤钾、钠离子量预测的一种方法。

不同灌溉制度对南疆棉田水盐分布及作物生长的影响

【目的】探究不同春灌策略下膜下滴灌棉田生育期适宜灌溉定额。【方法】通过大田小区试验,设计播前滴水春灌(春灌量90 mm)和常规春灌(春灌量180 mm)2种春灌模式,每种模式下在棉花生育期设计3种灌水定额(W1:30 mm、W2:37.5 mm、W3:45 mm)处理,研究春灌模式与灌水定额对膜下滴灌棉田土壤水盐动态变化、棉花生长、干物质积累、产量和水分利用效率的影响。【结果】与常规春灌相比,滴水春灌能够保证棉花苗期出苗所需的土壤水分,且能显著提高生育期0~80 cm土层的土壤含水率;与苗期相比,滴水春灌棉花生育期0~40 cm土层出现积盐区,蕾期和花铃期0~40 cm土层电导率分别增加了7.84%和8.75%,滴水春灌生育期末0~100 cm土层土壤电导率较常规春灌增加8.37%;不同灌水定额下0~100 cm土层土壤电导率均呈增加趋势,但随着灌水定额的增加土壤剖面电导率显著降低,W1、W2、W3处理积盐率分别为30.11%、12.12%和11.11%;随着灌水定额的增加,株高和茎粗显著提升,干物质积累量明显增加,产量增加,而灌溉水利用效率(WUEI)减小,水分利用效率(WUEET)增大;在W1、W3灌水定额下,不同春灌模式间产量和水分利用效率无显著差异,但在W2灌水定额下,不同春灌模式间产量和水分利用效率差异显著。【结论】从棉花产量和水分利用效率方面综合考虑,滴水春灌模式下,灌水定额推荐为45 mm(W3);常规春灌模式下,灌水定额为37.5 mm(W2),全生育期灌水10次,可以获得合理的盐分分布与脱盐效果,籽棉产量为7 207.81 kg/hm^(2),是实现抑盐、控水、高产的适宜棉花灌溉制度。

膜下滴灌棉田土壤水盐运移规律研究

基于田问试验，分析了不同滴灌年限下棉田土壤水盐变化。结果表明，土壤水分与盐分负相关，滴灌对土壤盐分有淋洗作用，且随着滴灌年限的延长，对土壤盐分淋洗作用减弱。滴灌1a对土壤盐分淋洗作用明显，尤其是对上层土壤（0-40cm）盐分的淋洗作用更明显。

干旱地区棉田膜下滴灌盐分运移规律

以田间实测数据为基础,研究棉田膜下滴灌对土壤盐分的变化。通过对棉田4个不同的生育期以及不同滴灌年限棉田盐分的变化进行了分析,初步得到,棉田在生育期盐分变化特征是0～20cm含盐率从播前到苗期减小、盛铃期增大、吐絮期减小的趋势,>40～80cm从播前缓慢增加、盛铃期～吐絮期逐渐减少;水平方向滴头处盐分累积最少,膜间处盐分累积较多;垂直方向上0～20cm土层盐分减少,>60～100cm土层累积程度较大;不同滴灌年限棉田随滴灌年限的延长各层土壤含盐率相应增加并且在>60～100cm增加的趋势显著,且滴头、行间、膜间的总含盐率是依次增加;>60～100cm已成积聚盐分的最大区域;在棉花生育期内,0～60cm土壤呈脱盐状态,60～100cm土壤呈积盐状态。该结果可为干旱区棉花膜下滴灌水盐的治理与防治提供参考。

莫索湾垦区不同滴灌年限及不同水质灌溉棉田盐分运移规律研究

为分析莫索湾垦区不同滴灌年限及不同水质灌溉棉田膜下滴灌盐分的运移规律,从不同土壤质地、不同生育时期、水平方向不同土层、垂直方向不同土层、总盐含量与产量间关系等5个方面对膜下滴灌盐分的运移进行了分析比对,初步得出:黏土中的盐分积累最重,壤土中次之,砂土积累最少;随着生育时期的推后,各土层含盐量都有不同程度的加大;水平方向露地行中央土层盐分积累最多,滴头处盐分积累最少;垂直方向盐分的积累在0—60cm土层逐渐增加,60—100cm土层盐分积累受膜下滴灌影响较小;总盐含量越高产量下降越严重;总体来说,井水灌处理要比河水灌各处理积盐多。分析认为,井水与河水轮灌,定期大水漫灌洗盐,恢复排碱渠功能以及合理的轮作是土壤脱盐的必要手段。

北疆棉田不同冬灌方式对土壤水分、盐分和温度分布的影响

为探究北疆棉田不同冬灌方式对土壤水分、盐分和温度的影响,确定适宜北疆棉田的冬灌方式及最优灌水定额,通过大田试验,从土壤水分、盐分、灌溉水综合调控的角度,以非冬灌大田为对照,对棉田进行滴灌和漫灌2种灌水方式下5种灌水定额(1 200,1 800,2 400,3 000,3 600m3/hm2)的冬灌试验,对比分析灌水后0-300cm土层的水分、盐分和温度的动态变化。结果表明,滴灌条件下土壤水分入渗均匀,入渗速度较慢,小定额滴灌在耕作层水分易蒸发,保水效果较差。漫灌时,灌水速度快,入渗不均匀,耕作层易积水,不利于来年耕作。综合考虑不同灌水方式不同灌水定额的盐分淋洗效果,认为大定额滴灌与大定额漫灌均能够起到非常关键的压盐作用,灌水定额3 000m3/hm2的滴灌方式更有益于保水保墒压盐。

少免冬春灌对棉田非生育期土壤水盐分布的影响

为了探寻南疆节水灌溉棉花种植的最佳非生育期灌水量。通过对棉田非生育期进行少免冬春灌水定额控制试验,研究了少免冬春灌对棉田水盐分布的影响。少免冬春灌处理棉田的非生育期土壤水盐分布由不同土层含水率、含盐量的变化幅度可知,在土层0～40cm之内变化较大,说明在40cm深度的含水量、含盐量受灌水量影响较大。在相同灌水定额下,冬灌对土壤盐分的淋洗效果高于春灌灌水。由于水资源紧缺,又要达到洗盐保墒的目的,建议采取冬灌＋春灌的模式,冬春灌水定额应控制在3 750m^3/hm^2。适宜的少免冬春灌灌溉定额可以充分淋洗非生育期土壤的盐分,为棉种出苗提供适宜水盐保证。

膜下长期滴灌棉田土壤盐分的时空变化规律

通过田间试验,研究了新疆地区不同滴灌年限下棉田土壤盐分连续4a的时空变化。结果表明,一定时间内,随着滴灌年限的延长,滴灌对土壤盐分有淋洗作用,土壤盐分呈下降趋势,其中滴灌1a下土壤盐分呈直线下降趋势,而滴灌5a和滴灌10a下土壤盐分呈波动变化,下降趋势不显著。

新疆棉田地下滴灌土壤水盐运移规律的初步研究

为探讨新疆棉田地下滴灌条件下土壤水盐运移的规律,在棉花各个生育阶段运用TDR和取样从水平方向和垂直方向测定棉田距滴灌带不同位置的土壤水分和盐分,研究分析后认为地下滴灌条件下棉花整个生育期土壤中盐分运移规律为:苗期较高,花铃期较低,吐絮期又较高。盐分经过长时间的水平和垂直运移,水平方向在距滴灌带较远的地方含盐量较高,最后在滴灌带中间位置积聚;垂直方向在耕作层的盐分含量有所降低,耕作层处于脱盐过程,盐分主要向深层运移,在80 cm以下的土层处于积盐过程。

北疆棉田不同冬灌方式下的土壤水、盐分布的特点及适宜灌水定额

新疆地处西北干旱区,水资源严重不足,为探寻解决干旱区棉田冬季灌水问题,明晰北疆滴灌棉田不同灌水方式下冬灌灌水定额及其对水分、盐分和温度的影响,通过田间试验,从土壤的水分、盐分、灌水定额等综合调控以及非冬灌棉田作为对照(CK),设置滴灌和漫灌2种灌水方式,5个梯度的灌水定额(1 200,1 800,2 400,3 000,3 600m^3/hm^2)进行冬灌试验;通过对滴灌、漫灌和非冬灌的对比以及不同灌溉定额对水分、盐分的变化情况的分析,结果表明,冬灌对土壤水盐分布和含量的大小均有一定的影响,滴灌和漫灌均随灌水定额的增加,土壤水分和盐分影响深度随之加深,灌水定额为1 200~2 400 m^3/hm^2土壤水盐影响深度在150 cm左右,灌水定额为3 000~3 600 m^3/hm^2土壤水盐影响深度达到300 cm,滴灌和漫灌均有效淋洗并降低上层土壤盐分含量;相对漫灌方式而言,滴灌冬灌方式土壤水分入渗均匀和洗盐效果明显。综合考虑,在冬灌条件下,不同灌水方式的优劣秩序是:滴灌>漫灌>非冬灌;大定额灌溉比小定额灌溉(1 200~2 400 m^3/hm^2)保水储水更好,且洗盐压盐的效果更明显;综合水盐运移的复杂性以及洗盐效果,初步确定滴灌方式下灌溉定额为3 000 m^3/hm^2为宜。

棉花膜下滴灌土壤盐分运移规律分析

为探讨棉花滴灌方式下土壤水盐运移规律,在棉花不同生育期运用烘干法和电导法,从水平方向和垂直方向测定距离滴灌带不同距离的土壤含水量和土壤盐分,结果表明:膜下滴灌条件下棉花整个生育期土壤盐分含量的运移规律为:一水前土壤中的含盐量以垂直方向0-10cm土层内最大,随生育期的推后各土层含盐量都有不同程度的增加,土壤产生积盐现象。滴头处各土层含盐量相对较低,主要因为滴头下水分不断下滴下渗,使该处各层土壤中的盐分亦随水移动而被淋洗到浸润体外缘,从而使主要根系层的土壤形成了一个低盐区。

南疆棉田表层土壤盐分的空间变异特征分析与应用

通过研究土壤盐分的空间变异,快速准确获取土壤盐分的空间分布是精准农业和环境保护的基础。使用土壤电导率仪（PET2000）网格法在50 m×70 m面积的田块内布点（网格边长5 m）,测量棉田表层土壤（0~25 cm深度,每5 cm为一层）电导率;应用ArcGIS9.2中地统计学模块构建、筛选和验证模型;利用地统计学方法研究表层土壤盐分的空间变异规律,进行空间分布预测,并针对棉田表层积盐问题提出了相应的解决措施。结果表明：克里格（Kriging）插值方法中的Rational Quadratic模型适宜预测表层土壤电导率,区内棉田表层盐分的空间变异特征明显,变异系数达到0.578,土壤盐分的空间变异性随深度增大逐渐降低;产生空间变异的主要原因是土壤岩性的空间差异和微咸水灌溉;解决棉田局部积盐的措施是根据土壤盐分空间差异特征的分析与预测进行适时定位灌溉,从而合理利用水资源并改善作物生长环境。

冬春灌条件下棉田水盐对产量的影响研究

南疆灌区是以棉花为主栽作物的灌溉农业区,土壤普遍含盐量高,且棉花收获至来年春播棉田休闲期长,蒸发返盐明显,采取冬春灌可压盐提墒促进棉花生长发育。然而大定额的冬春灌又使灌区地下水位普遍抬升,土壤次生盐渍化问题日益凸显。为此,本文开展了冬春灌不同灌水定额下棉田水盐变化及其对棉花产量的影响研究。结果表明:各处理生育期灌溉制度相同时,冬春灌总灌溉定额较高的处理,全生育期土壤含水率相对较高;在冬春灌条件下棉田盐分含量呈现以下变化趋势:苗期到蕾期下降,蕾期到花铃期上升,花铃期到吐絮期下降;冬灌2 000 m3/hm2与春灌1 000 m3/hm2的组合灌溉定额下增产效果明显,能够确保棉田实现较高产量。

积雪消融对北疆棉田土壤水盐运动的影响研究

以常年膜下滴灌北疆棉田为研究对象,探讨了积雪消融对土壤水盐运动的影响。结果表明,气温对土壤温度的影响随着土壤深度的增加而不断减小,昼夜温差的变化和地表土壤水分蒸发使得土壤水分和盐分自下而上运动,并且使得上层冻结土体的消融速度快于下层;融雪下渗增加了30～50cm处土壤含水率,从而阻止了下层土壤水分上移的趋势,使得积雪区各层土壤含水率高于对照区;消融积雪淋洗使得表层土壤盐分向下运移,从而改变了土壤盐分上移的趋势,暂时抑制了盐分,推迟了土壤返盐的时间。消融期积雪对土壤水分调控以及保墒、抑盐有着十分重要的作用。

基于HYDRUS-2D滴灌棉田不同深度排盐沟土壤水盐运移的试验及模拟

针对膜下滴灌引起的盐分累计问题,为探求不同深度排盐沟对滴灌棉田土壤水盐运移规律的影响,设计测坑排盐浅沟滴灌棉花种植试验,通过建立HYDRUS-2D模型对10 cm深度排盐沟、30 cm深度排盐沟土壤水分、盐分运动规律进行模拟,利用土壤实测数据与对模拟结果进行验证。结果表明:土壤电导率受到排盐浅沟影响较为明显,排盐浅沟深度越大,排盐效果越明显;深度为30 cm排盐沟滴头处形成盐分淡化区域,排盐沟处0-15 cm土层盐分呈现不同程度积累;相对于深度为10 cm的排盐沟,30 cm深度排盐沟盐分聚集区更接近于土壤裸露处,有利于进一步开展大水洗盐、机械刮盐等工作;由于试验在测坑中展开存在一定人为因素,因此需继续开展大田试验,以期对结果进行充分验证。

不同灌溉制度对棉田盐分分布与脱盐效果的影响

以直径20cm蒸发皿蒸发量为基础，采用双因素组合随机区组设计，研究了不同灌溉制度对膜下滴灌棉田土壤盐分分布与脱盐效果的影响。结果表明：增大灌水频率与灌水定额，有利于对棉花根区盐分在水平方向的淋洗，5d和8d灌水频率对水平方向含盐量有影响的土层深度分别为0～20cm和0～30cm；5d灌水频率的土壤盐分随深度的增加呈现先降后升趋势，8d灌水频率0～100cm深度内各土层含盐量相差不明显，中等灌水定额（T60）0—60cm土层含盐量小于高水（T80）和低水（T40）处理；与播前相比，棉花收获时0—20cm含盐量降低，但30—60cm土层含盐量增加，0～60cm土层含盐量总体表现增加，中等灌水定额（T60）处理含盐量变化幅度最小，脱盐率为0．44％。灌水处理对0～100cm深度土壤总含盐量无明显影响。此外，灌水量过高与过低均不利于提高棉花产量，与其他处理相比，高频（5d）中定额灌溉（T60）处理不但可以获得合理的盐分分布与脱盐效果，且籽棉产量最高，为9．18t／hm^2，是实现抑盐、控水、高产、高效的适宜棉花灌溉制度。

冻融期膜下滴灌棉田土壤温度盐分迁移特征

采用大田试验与室内分析相结合的方式研究了冻融期气温、土壤温度及盐分间的相互作用关系。结果表明：外界气温对冻融期土壤温度的影响随深度的增加而减弱;土壤消融前,地温随深度呈现递增趋势,土壤消融后,地温呈现随深度增大而减小的趋势;冻融期相邻两土层间地温在0.01的置信水平下保持极显著相关性,其决定系数均在0.8以上,且随深度的增加,各土层地温的相关性减弱;试验区土壤冻融期长达120 d左右,最大冻土深度约为80 cm,至3月上旬土壤完全解冻;整个冻融期可分为冻结带发育阶段、稳定冻结阶段及消融三个阶段,且此三阶段地温与土层深度间关系均可用公式精确拟合;冻融期土壤剖面盐分呈现随深度增加先增大后减小的趋势;处于冻结带中的土壤盐分保持0.3%以内的较低水平,属于非盐化土;80~120 cm深度存在稳定积盐层,且其盐分值基本表现出中度及重度盐化土的特征。

干旱区绿洲棉田土壤水盐运动数值模拟

本文中利用预报校正法求解土壤水分运动的ｈ型Ｒｉｃｈａｒｄｓ方程。同时利用具有二阶高精度的差分法求解土壤盐分运移的对流扩散方程，此格式可避免利用一般差分格式时出现的数值弥散问题。最后，将上述数学模型对于旱区绿洲棉田，在蒸发条件下土壤水分运动和土壤盐分向上运动积累过程进行数值模拟，计算结果与测量值吻合较好。可为预报土壤盐碱化提供科学依据。

膜下滴灌间作盐生植物棉田水盐运移特征及脱盐效果

盐生植物改良盐碱地作为改良盐碱地最有效的方法之一,具有成本低,效率高,环境友好等特点,有良好的应用前景。该文包括2个研究目标:1)研究间作不同盐生植物的膜下滴灌棉田水盐运移特性;2)研究不同地下水埋深条件下盐生植物的盐碱地改良效果。针对第1个研究目标,设置了3种(孜然、碱蓬、苜蓿)间作盐生植物,进行大田试验,分析地下水埋深相似条件下间作不同盐生植物时土壤水盐分布状况;针对第2个研究目标,设置了4种地下水埋深(1.5、2.0、2.5、3.0 m),进行均衡场试验,研究不同地下水埋深条件下间作盐生植物时地下水的补给比例和土壤脱盐效果。结果表明:1)膜下滴灌棉田间作盐生植物能明显提高棉花生育期膜间和膜内0~30 cm土层平均含水率,且碱蓬效果最明显;间作条件下苜蓿、碱蓬、孜然、对照0~100 cm土层平均脱盐率依次为55.97%、-18.77%、-21.43%、-307.52%,即苜蓿的总脱盐率效果最好;间作盐生植物能在一定程度上抑制0~100 cm土层钠离子和氯离子的聚集,同时增加棉花产量和提高其水分利用效率,且碱蓬对抑制盐离子累积的效果最好;2)间作条件下,地下水埋深越浅,0~100 cm土层平均含水率越高,膜内膜间的含水率差异越小,土壤的脱盐率越低。与未间作相比,间作种植有效的提高了土壤脱盐率,增加了棉花产量、提高了地下水补给比例和水分利用效率。可见,膜下滴灌棉田间作盐生植物不仅可以有效降低土壤含盐量,增加其含水率,还可以增加棉花产量和提高其水分利用效率,且间作碱蓬和苜蓿的节水、脱盐、增产效果较好,这为膜下滴灌土壤盐碱地改良提供了有效的理论支撑。