南方丘陵区多层土壤结构水平和垂向渗流特征试验与模拟研究

南方丘陵地区地形起伏,上下游田块及田块内部不同层之间土壤质地差异较大,存在复杂的水分转化关系。为揭示该地区田块内多层土壤水分运动规律,在湖北省漳河水库灌区团林灌溉试验站,开展田块变化水层条件下水分通过犁底层垂直入渗以及通过耕作层侧向入渗试验,观测土壤累积入渗量及各层含水率的变化过程;建立基于HYDRUS-2D的土壤水分二维渗流模拟模型。经验证,模型模拟值和田间实测值基本吻合;试验发现由于土壤性质差异,田块犁底层的存在会抑制水流的垂直运动,减少深层渗漏,但同时增强了水流沿耕作层侧向运动的能力。试验期间,水分沿犁底层平均垂向入渗速率为0.094 cm/min,沿耕作层平均侧向入渗速率为0.138 cm/min;入渗稳定后,渗漏水量占田面累积入渗量的21.11%,其中垂直渗漏水量占0.46%,侧向渗漏水量占20.65%,耕作层侧向渗漏水量占侧向渗漏水量的81.06%。结果表明,土壤侧向渗漏对水量损失的贡献较大,控制田块渗漏特别是耕作层侧向渗漏对南方地区节水减排具有十分重要作用。     

寒地黑土区调亏灌溉对水稻蒸散影响 及其节水效果

为了确定寒地黑土区调亏灌溉对水稻蒸散量的影响及节水效果,采用蒸渗器试验法和田间水量平衡分析,开展水稻本田期不同灌溉模式需水规律与降水利用研究。结果表明,试验区域相对于调亏灌溉管理的水稻蒸散需水要求,多年平均降水量仅在返青、分蘖期有所亏缺,灌溉水主要满足泡田期用水和深层渗漏导致的水量消耗。为此,调亏灌溉的净用水量可降低到390 mm,节水效果比浅晒浅灌节约灌水量51.9%,地下渗漏量是浅晒浅灌的37.43%,降水有效利用率较充分灌溉模式提高4.2%以上。     

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。     

控灌中蓄及减量施肥对稻田氮素动态的影响

为寻求高效生态的水-肥管理模式以减轻稻田施肥所引起的面源污染,在浙江省余姚试验区采用对比试验观测田面水与各土层土壤水中氮素形态及其质量浓度,对不同水肥管理模式下稻田氮素的变化规律进行分析。结果表明:施基肥7 d后减量施肥,田面水的NH+4-N质量浓度均值为常规施肥的46.14%,NO-3-N质量浓度均值为常规施肥的83.62%;控灌中蓄节水灌溉模式与减量施肥耦合能延长田间水的滞蓄时间,使稻田氮素肥料快速入渗并较多地保留在作物耕层,提高氮肥的有效利用率,降低田面排水的氮素浓度,减少氮素的深层渗漏;施肥后4 d内田面水的氮素浓度较高,应控制排水以避免氮肥流失,减轻稻田氮肥施用所引起的农业面源污染。     

水稻作物系数与稻田渗漏模型参数的同步估算

根据田间水量平衡模型,以田面水层深度误差平方和最小为目标函数,采用多变量非线性规划方法同步估算水稻作物系数和稻田渗漏模型参数,并利用统计学方法中的模型效率系数、平均相对误差、平均绝对误差等指标对模拟效果进行评价。实例计算结果表明,计算得到的水稻作物系数和稻田渗漏模型参数与经验值接近,田面水层深度的模拟值与实测值吻合良好,所提出的同步估算方法可用于水稻作物系数与稻田渗漏模型参数的估算。     

基于MODCYCLE模型的农田降水入渗补给研究

利用MODCECLE模型对衡水野外试验田田间尺度下地下水的补给规律进行了研究.结果表明:2009年6-10月该典型区无灌溉条件下降水入渗补给量为12.1 mm,占总降水量的2.5%,有灌溉量的试验田块的入渗补给量为75.9 mm,占降水和灌溉量之和的13.64%;降水入渗补给曲线呈脉冲状;该地区降水强度大,入渗补给量就大,频率高、降水强度小的降水补给量相对较小;有效供水能力和初始含水率对入渗补给量的影响最为灵敏.     

随机模拟田面微地形空间分布状况的方法研究

微地形是影响畦灌性能的重要要素，而实测地形数据的有限性必将影响数值模拟手段在灌溉设计和管理中的灵活运用。本文首先基于田间实测的116个典型试验田块的田面相对高程数据，采用地质统计学方法分析其空间变异特性，结果表明田面相对高程的空间变异结构函数可采用球状半方差函数进行描述，空间变异特征参数可根据田块参数进行估算；其次在同时考虑田面相对高程既具有随机性又具有空间结构相关性的基础上，将Monte-Carlo方法与Kriging插值方法相结合，构建田面微地形随机模拟方法。借助数理统计学方法解决了随机模拟方法在实际应用中所遇到的最小样本容量的确定问题。根据田间实测数据验证了基于随机生成的田面相对高程最小样本容量，采用田面微地形随机模拟方法获得任意给定田块的田面微地形数据对其灌溉性能进行评价的可行性。     

气候变化和灌溉方式对稻田需水量的影响

气候变化改变了水稻的耗水过程和灌溉需水。基于高邮灌区历史气象资料(1955—2013年),利用稻田水量平衡和MK检验方法,分析了不同灌溉模式下稻田耗水与灌溉需水量的变化。结果表明:高邮灌区水稻全生育期积温随时间序列显著增加,而降雨量略有减少,但趋势不明显;不同灌溉模式下水稻需水量ET_c和渗漏量均随时间序列缓慢增加;节水灌溉模式能有效降低稻田耗水量;节水灌溉稻田灌溉需水量随时间序列缓慢降低,而常规灌溉稻田呈增加趋势,但趋势均不明显;节水灌溉模式能够有效降低稻田灌溉需水量,提高降雨利用率。因此,节水灌溉能够有效缓解气候变化给水稻种植带来的不利影响,是变化环境下灌区可持续发展的重要技术措施。     

节水灌溉稻田水量平衡模型计算方法探讨

稻田水量平衡模拟是研究水稻节水理论的重要环节。将稻田水量平衡分为田间有水层和无水层2种情况,提出了节水灌溉稻田水量平衡模型参数的计算过程和方法,为其它地方建立适合本地区情况的节水灌溉稻田水量平衡模型提供了理论参考。     

不同水肥模式对水稻需水量及产量的影响——以洱海流域为例

本文以洱海流域为背景,采用两季田间小区试验,研究不同水肥模式对水稻需水规律、田间水量平衡及产量的影响。结果表明:灌溉模式及施肥制度对水稻需水规律及产量等有显著影响。与传统淹水灌溉模式相比,间歇灌溉降低了水稻ETc、灌水量、排水量及田间渗漏量,提高水稻产量3.8%～5.5%。间歇灌溉在平水年可显著减少排水,在不同水文年均可提高水稻产量。增加施肥次数使得水稻成熟期延后,Kc在后期下降趋势减弱并使得水稻产量显著增加。综合来看,W1N1F2处理不仅可以显著提高水稻产量,还可以降低化肥施用量,降低面源污染产生的风险,是水稻水、肥处理的最优选择。     

投影寻踪模型在农田水位优选中的应用

在综合考虑资源、环境和效益相统一的基础上,利用基于加速遗传算法的投影寻踪技术提出了稻田控制排水的评价指标体系,构建了多目标优化的水稻田间控制排水评价模型,通过对测坑控制排水方案中稻田排水产生的污染负荷、籽粒产量和作物耗水量3个因素的评价和优选,确定了水稻田间全生育期最优控制排水方式,为指导水稻田间灌排实践提供依据。     

Mass balance analysis and water quality model development for loading estimates from paddy fields.

Mass balance analysis and water quality model development for paddy field were performed using field experimental data during 2001-2002. About half (47-62%) of the total outflow was lost by surface drainage, with the remainder (490-530 mm) occurring by evapotranspiration. Most of nutrient inflow and outflow were mediated by fertilization and plant uptake, respectively. Nutrient outflow by surface drainage runoff was substantial about 15%-29% for T-N and 6%-13% for T-P. However, the responses of yield and drainage outflow to fertilization were not significant in this study. A water quality model applicable to paddy fields was developed and it demonstrates good agreement with observed data. The nutrient concentration of ponded water was high by fertilization at early culture periods, so reducing surface drainage during fertilization period can reduce nutrient loading from paddy fields. Shallow irrigation, raising the weir height in diked rice fields, and minimizing forced surface drainage are suggested to reduce surface drainage outflow.     

黑龙江省水田发展战略北移的新思考

黑龙江省从2000年开始提出水田发展战略北移起,至今已过去10 a。伴随着种植技术的进步,在政府要粮、农民要经济效益的双重动力下,＂到北部种水田＂的目标正在逐步推进。但在黑龙江省南部原有超水资源承载能力的水田并没有被＂移出＂,灌溉期断流、地下水超采等生态难题和水事纠纷并没有缓解,局部地区有愈演愈烈之势。用＂转移＂水田去抗旱的初衷基本没有实现。未来如何在保护水生态环境和种粮之间找到平衡点,只有靠明确水权后,赋予并提高政府的执行力来强制执行。同时,用控制灌溉等节水技术来尽可能的扩大种植面积以缓解政府强制北移水田的矛盾。     

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。     

基于SWAT的灌区分布式水文模型——Ⅰ.模型构建的原理与方法

针对中国南方丘陵水稻灌区水文特点,在对自然流域水文模型SWAT改进的基础上,构建了灌区分布式水文模型,改进了SWAT的灌溉水运动模块、稻田水分循环模块、稻田水量平衡各要素和产量模拟的计算方法,改变了陆面水文过程的计算结构,增加了渠系渗漏模拟模块及其对地下水的补给作用、塘堰的灌溉模块等。以湖北省漳河灌区内的一个闭合小流域为例,对构建的灌区分布式水文模型进行校正和验证,模拟结果显示,该模型适合于水稻灌区水分循环的模拟。     

河北省 5 个县域冬小麦-夏玉米连作灌溉需水特性分析

利用河北平原区5个县域及周边的雨量站、气象站和农气站资料,综合考虑降水、土壤和作物特性,提出修正的SCS-CN模型用于计算作物有效降水量,采用FAO推荐的Penman-Monteith公式和作物系数法计算作物需水量,探讨研究区不同水文年份作物灌溉需水量的时空分布特性。结果表明,研究区冬小麦-夏玉米连作多年平均作物有效降水量、作物需水量和灌溉需水量分别为389、736和347mm,丰水年、平水年和枯水年冬小麦-夏玉米连作灌溉需水量分别为321、382和423mm。冬小麦生育期灌溉需水量271～350mm,返青-拔节期、拔节-抽穗期和抽穗-成熟期灌溉需水量各占全生育期的26%、26%和29%;夏玉米全生育期灌溉需水量0～49mm,抽雄期和成熟期分别占全生育期的52%和48%。作物有效降水量空间分布,石家庄3县西高东低,邯郸2县西低东高;作物需水量石家庄3县高于邯郸2县;研究区灌溉需水量空间分布不均,大致呈带状分布。     

Nutrient balance in a paddy field with a recycling irrigation system.

We studied nutrient balance in a paddy field that had a recycling irrigation system and evaluated the effect of the irrigation system on nutrient balance during the irrigation period, from April to August 2002. Chemical fertilizer was the main input of phosphorus; the soil absorbed about 56% of it. The amount of nitrogen supplied by the irrigation system was higher than in a representative paddy field, and the amount of nitrogen fertilizer used was decreased because the irrigation water was partly reused. About 20% of applied nitrogen was lost by denitrification. The net outflows of phosphorus and nitrogen were -0.37 and -3.98 kg ha(-1), respectively. These results indicate that our study paddy field performed well in removing phosphorus and nitrogen compounds from runoff water. A recycling irrigation system can be considered an effective way of reducing the amounts of water and fertilizer used and reducing the outflow nutrients.     

基于水田退水系数的研究——黑龙江省千亿斤粮食产能工程规划环境影响评价成果

根据地理位置、气候条件将黑龙江省分为东部和中、西部两个大区,结合水稻生育期不同阶段特点,明确退水量是由泡田期和生育期降雨排水两部分组成,并以不同水平年灌溉定额的差异分别计算出不同地区不同水平年的水田退水系数.水田退水系数研究为黑龙江省千亿斤粮食生产能力战略工程规划环评进行农田退水对承泄区水质提供了基础的技术支撑.