滴灌施肥灌溉的水氮运移数学模拟及试验验证

基于土壤水分运动的动力学方程和溶质运移的对流-弥散方程，建立了不同土壤中地表滴灌施硝酸铵（NH4NO3）时水分和硝态氮运移的数学模型及边界条件。利用商业化软件HYDRUS-2D对模型进行了求解。为了验证所建立的模型，分别在壤土和砂土两种土壤上进行了不同滴头流量、灌水量和肥液浓度下的湿润距离、土壤含水率和硝态氮分布试验。模拟结果与试验数据的对比表明，利用HYDRUS-2D求解所建立的模型得到的湿润距离随时问的变化过程、土壤含水率和硝态氮分布与实测值吻合良好。因此，HYDRUS-2D软件可以作为预测滴灌施肥灌溉条件下水分和氮素在土壤中运移的有效工具。     

滴灌系统运行方式对砂壤土水氮分布影响的试验研究

以一种砂粒含量高达95%的砂土为对象，开展了滴灌施肥灌溉条件下，灌水器流量、灌水量和系统运行方式对水分、硝态氮和铵态氮分布影响的室内试验。灌水器流量的变化范围为0.5～2.0L/h，灌水量为6～7.7L；系统运行方式包括不同灌水和施肥次序组成的4种方案。研究结果表明，径向和垂直湿润距离随灌水量的增加呈幂函数关系增加；灌水量相同时，随灌水器流量的增大，灌水器周围的土壤含水率增加，垂直湿润距离减小，而径向湿润距离变化不大；灌水器流量一定时，垂直湿润距离随灌水量的增大而明显增加。对氮素分布的测试结果表明，硝态氮在湿润体边界存在累积现象；铵态氮在灌水器附近出现浓度高峰，且铵态氮集中在灌水器周围15cm范围内。滴灌施肥灌溉系统运行方式对硝态氮在土壤中的分布影响明显，建议采用最初用灌水施肥总时间的1/4灌水，再用1/2时间施肥，最后用1/4时间冲洗管道的运行方式，以便将施入土壤的氮素最大限度地保留在作物根区内，防止硝态氮淋失。     

毛管埋深和土壤层状质地对地下滴灌番茄根区水氨动态和根系分布的影响

通过2年日光温室滴灌施肥灌溉试验,探讨毛管埋深和土壤层状质地对根区土壤水分、NO3(-)-N和番茄根系分布的影响,为地下滴灌的设计和运行提供依据.毛管埋深取0、15和30cm三个水平,设置0、150和225kgN/hm(2)三个施氮量水平,3种土壤包括均质壤土(L)、上砂下壤土壤(SL)和壤土中有砂土夹层土壤(LSL).研究结果表明,番茄生育期内根区平均土壤含水率和根长密度在0～20cm土层中随毛管埋深的增加而降低,在20～70em土层中随毛管埋深的增加而增大.地下滴灌土壤NO3(-)-N含量在0～20cm土层中较地表滴灌有所增加.毛管埋深对番茄总根长密度影响不显著,而最大根长密度随毛管埋深增加而降低,且出现的土层变深.层状土壤质地对土壤水分、NO3(-)-N和番茄根系在土壤剖面上的分布影响较大,与均质壤土处理相比,LSL处理0～20cm土层土壤含水率降低18%,NO3(-)-N含量降低23%.根长密度增加44%,土壤剖面上总根长密度与均质壤土处理相当;SL处理0～20cm土层土壤含水率降低28%,NO3(-)-N含量降低55%,根长密度降低35%,土壤剖面上总根长密度较均质壤土处理降低37%,因此在上粗下细层状土壤中应慎用地下滴灌.     

毛管埋深和土壤层状质地对地下滴灌番茄根区水氮动态和根系分布的影响

通过2年日光温室滴灌施肥灌溉试验,探讨毛管埋深和土壤层状质地对根区土壤水分、NO-3N和番茄根系分布的影响,为地下滴灌的设计和运行提供依据。毛管埋深取0、15和30cm三个水平,设置0、150和 225kgN／hm\+2三个施氮量水平,3种土壤包括均质壤土(L)、上砂下壤土壤(SL)和壤土中有砂土夹层土壤 (LSL)。研究结果表明,番茄生育期内根区平均土壤含水率和根长密度在0～20cm土层中随毛管埋深的增加而降低,在20～70cm土层中随毛管埋深的增加而增大。地下滴灌土壤NO-3N含量在0～20cm土层中较地表滴灌有所增加。毛管埋深番茄总根长密度影响不显著,而最大根长密度随毛管埋深增加而降低,且出现的土层变深。层状土壤质地对土壤水分、NO-3N和番茄根系在土壤剖面上的分布影响较大,与均质壤土处理相比,LSL处理 0～20cm土层土壤含水率降低18％,NO-3N含量降低23％,根长密度增加44％,土壤剖面上总根长密度与均质壤土处理相当;SL处理0～20cm土层土壤含水率降低28％,NO-3N含量降低55％,根长密度降低35％,土壤剖面上总根长密度较均质壤土处理降低37％,因此在上粗下细层状土壤中应慎用地下滴灌。     

不同灌水量下土壤水氮运移及氨挥发特性研究

为了解地面灌施条件下土壤水中氮素运移及氨挥发特性,通过直径为14 cm的垂直土柱模型试验模拟地面灌施条件下不同灌水量对土壤水中氮运移以及氨挥发的影响。结果表明:垂向0~55 cm范围内硝态氮含量均低于土壤初始值;铵态氮呈先增大再减小的分布规律,深15 cm处土层的铵态氮含量较高;湿润区内的土壤硝态氮含量低于初始值,随水运移的硝态氮积聚在湿润锋处,硝酸根离子浓度锋推进距离随着时间的推移而逐渐增大;灌水量为2.6 L时土柱土壤的氨挥发损失量最小。     

滴灌施肥条件下土壤氮运移研究浅析

文章通过对国外滴灌施肥条件下氮素运移的模拟和试验研究进行整理综合,得出滴灌施肥条件下土壤氮的运移和分布主要受土壤特性、灌水器流量、肥液浓度、时间和历时及灌水量的影响,而灌水器周围饱和区半径的确定是影响土壤氮素运移模拟精度的关键因素,土壤参数的量化是影响试验结果的重要因素。     

模拟降水量对土壤水氮运移及氨挥发特性的影响

为了解不同降水量对土壤氮素迁移的影响,通过室内土柱模型试验模拟不同降水量对土壤氮素运移及氨挥发的影响。结果表明:土壤含水率及其湿润深度随灌后模拟降水量的增加而增大。降水后铵态氮主要分布在垂向0～65cm土层范围内,呈先增大后减小的单峰曲线分布;0～35cm层深范围内,降水量越大同一土层位置处的铵态氮浓度越低,35cm以下反之。硝态氮随水运移并大量积聚在湿润锋处。降水量越大,湿润锋处硝态氮的浓度越大。模拟降水量0.3L、0.6L、0.9L较参照(灌后无降水)分别降低了51.71%、45.83%、58.24%的氨挥发损失。水肥灌施后适宜的降水量既能改变土壤氮的分布,又能降低土壤氮的氨挥发损失。     

滴灌系统运行方式和施肥频率对番茄根区土壤氮素动态的影响

在日光温室内开展田间试验，研究了滴灌施肥灌溉系统运行方式和施肥频率对番茄根区硝态氮在生育期内随时间的变化动态、空间分布特征以及氮肥利用效率和回收率的影响。系统运行方式包括不同灌水和施肥次序组成的3种方案。结果表明，在整个生育期内，在灌溉过程的前期施肥，硝态氮在各土层中的分配较为均匀；随着施肥次序向后推移，硝态氮在0～20cm土层的累积逐渐明显。随着施肥频率降低，硝态氮在生育期内随时间的变化逐渐加剧。在滴头的周围，硝态氮易随水流运动，并在湿润土体的横向边缘产生累积。随着施肥次序向前推移，硝态氮向湿润土体边缘运移的趋势愈加明显。剖面内的硝态氮总量随着施肥频率的降低而降低。随着施肥次序向后推移，氮回收率逐渐增大，氮肥利用效率逐渐减小。氮肥利用效率随施肥频率提高而增加。在滴灌施肥灌溉条件下，运行方式选用最初灌溉总时间的1／4时间灌水，再用1／2时间施肥，最后用1／4时间冲洗管道，施肥频率取每周一次较为适宜。     

灌水频率和施氮量对番茄生长及水氮淋失的影响

不合理灌溉水氮管理引起的水氮淋失越来越受到关注。本文以日光温室滴灌番茄为对象,研究充分供水条件下水氮管理参数对土壤水氮淋失和番茄生长的影响。试验选取灌水频率和施氮量2个因素,灌水间隔设3、6和9 d 3个水平,施氮量设0、180和300 kg/hm23个水平。在番茄生育期内观测土壤含水率、土壤水势和土壤氮素含量,番茄收获时测定地上部分干物质、产量和氮素吸收量。结果表明,土壤水分深层渗漏和硝态氮淋失几乎发生在番茄整个生育期内,表现出深层渗漏量增大时硝态氮淋失量也增大的同步特征。灌水间隔3 d和6 d处理的生育期累积渗漏量接近,占灌水量的12%,而当灌水间隔增加到9 d时,生育期深层渗漏量明显增加,占灌水量的18%。同一灌水频率下,硝态氮累积淋失量随施氮量的增加呈增加趋势,生育期累积最大水氮淋失量发生在低灌水频率高施氮量处理。灌水频率和施氮量对番茄植株吸氮量和产量的影响未达到统计学上显著水平(P=0.05)。从减少水氮淋失和方便管理两方面考虑,建议温室滴灌番茄适宜的灌水间隔为6 d。     

冬小麦表施尿素畦灌下土壤水氮分布试验研究

基于冬小麦生长期表施尿素畦灌下获得的田间试验结果,对不同入畦单宽流量和施肥量下土壤水氮空间分布状况及变化趋势开展研究,评价作物有效根系层土壤水氮贮存效率及其沿畦长分布均匀性,探讨适宜的施肥灌溉模式。结果表明,灌后2d土壤水分均布在0～100cm土层,而土壤硝态氮则聚集在0～40cm土层,土壤水分空间分布差异明显小于土壤硝态氮,作物有效根系层土壤硝态氮贮存效率明显高于土壤水分,表施尿素畦灌下的土壤水氮空间分布同步性并不明显。入畦流量和施肥量对作物有效根系层土壤水氮贮存效率和均匀度影响较为明显,高施肥大流量下作物有效根系层土壤水氮贮存效率及其沿畦长分布均匀性明显高于低施肥小流量下的相应值。     

无压条件下微孔陶瓷灌水器入渗特性模拟

为探究微孔陶瓷灌水器在地下灌溉的入渗特性,基于土壤水动力学原理,在前人对微孔陶瓷灌水器周围土壤水势分析的基础上,建立了无压条件下微孔陶瓷灌水器在土壤中的出流模型,并通过室内土桶试验验证了模型的准确性。结果表明:该文提出的出流模型可以较好地模拟无压条件下微孔陶瓷灌水器土壤中的出流现象。在0m工作水头下,灌水器周围土壤含水率变化是造成灌水器流量变化的根本原因,土壤含水率较低时,灌水器可以较大流量出流;随着灌溉的进行,土壤含水率逐渐增加,使得灌水器流量减小;当土壤含水率达到饱和后,灌水器就会停止出流。而当土壤水分耗散时,灌水器又可恢复出流,灌水器出流量与土壤水分耗散量基本相当,因此灌水器出流可以实时补充土壤水分。本研究可为微孔陶瓷灌水器的推广应用提供参考。     

Approach of water–salt regulation using micro-sprinkler irrigation in two coastal saline soils

This study aimed to investigate whether saline silt and sandy loam coastal soils could be reclaimed by micro-sprinkler irrigation. The experiments were run using moderately salt-tolerant tall fescue grass. Micro-sprinkler irrigation in three stages was used to regulate soil matric potential at a 20-cm soil depth. Continued regulation of soil water and salt through micro-sprinkler irrigation consistently resulted in an increasingly large low-salinity region. The application of the three stages of soil water–salt regulation resulted in an absence of salt accumulation throughout the soil profile and the conversion of highly saline soils into moderately saline soils. There were increases in the plant height, leaf width, leaf length, and tiller numbers of tall fescue throughout the leaching process. The results showed that micro-sprinkler irrigation in three soil water and salt regulation stages can be used to successfully cultivate tall festuca in highly saline coastal soil. This approach achieved better effects in sandy loam soil than in silt soil. Tall fescue showed greater survival rates in sandy loam soil due to the rapid reclamation process, whereas plant growth was higher in silt soil because of effective water conservation. In sandy loam, soil moisture should be maintained during soil reclamation, and in silt soil, soil root-zone environments optimal for the emergence of plants should be quickly established. Micro-sprinkler irrigation can be successfully applied to the cultivation of tall fescue in coastal heavy saline soils under a three-stage soil water–salt regulation regime.     

积水动边界条件下滴灌土壤水分入渗研究(Ⅱ)——数值模拟改进

针对CHAIN_IR模型无法处理积水动边界条件的缺陷,对CHAIN_IR模型进行了有针对性地修改。通过对比室内试验实测数据与数值模拟结果,结果表明对CHAIN_IR模型的修改是成功有效的。模型应用表明:积水动边界条件下,滴头流量增大会导致积水范围的不显著增大,但会引起水分沿垂向分布相对较多;同一滴头流量时,随着灌水历时的增加,积水范围也会不显著增大,但会使含水率高的区域主要沿水平方向分布。     

考虑残留氮对非稳定流场硝态氮淋失贡献的传递函数模型Ⅰ.地中渗透计验证

本文通过引入溶质迁移距离的概率密度函数的修正系数，将Jury等提出的模拟非稳定流条件下土壤保守溶质运移的传递函数模型理论扩展到考虑土壤剖面存在残留氮分布的土壤中，构造了一个能估算表施和残留氮对土壤硝态氮淋失动态贡献的传递函数模型。通过与野外地中渗透计实验资料的对比，表明该模型具有一定的仿真精度，模拟的土壤硝态氮累积淋失量的相对误差小于15％。     

黄河水滴灌系统灌水器结构-泥沙淤积-堵塞行为的相关关系研究

传统的黄河水沉淀-过滤系统存在沉沙池建设成本高、过滤器频繁反冲洗能耗高等问题,让更多的细颗粒泥沙随水流排出灌水器体外是解决黄河水滴灌系统灌水器堵塞的新思路,而摸清泥沙在黄河水滴灌系统内部的淤积特性以及灌水器结构-淤积泥沙特性-堵塞特性参数间的相关关系是探索其排沙能力的前提和基础。为此,本文在河套灌区开展了黄河水滴灌系统灌水器堵塞原位试验,系统分析了6种内镶贴片式灌水器内部细颗粒泥沙含量及粒径分布动态变化特征,探索了三者间的级联关系。结果表明：进入灌水器内部的泥沙99%以上可以排出体外,淤积在灌水器内部的泥沙以粉粒为主、砂粒次之、黏粒最少。随着灌水器堵塞加剧,内部淤积泥沙的黏粒、粉粒比例相对降低,而砂粒比例相对增加,泥沙进入灌水器后存在聚集等行为,使得灌水器内部淤积泥沙粒径明显高于毛管入口。泥沙比表面积淤积量、粉粒比例、砂粒比例、D₅₀、D₉₅对黄河水滴灌系统Dra、克里斯琴森均匀系数CU影响显著（p<0.05）,不同灌水器淤积泥沙粒径明显不同,D₅₀与灌水器结构无量纲参数（流道宽深比W/D、面积长度比A^1/2/L）及断面平均流速v显著（p<0.05）相关。本研究对引黄滴灌灌水器设计及灌溉系统过滤配置具有指导意义。     

考虑残留氮对非稳定流场硝态氮淋失贡献的传递函数模型

本文通过引入溶质迁移距离的概率密度函数的修正系数，将Jury等提出的模拟非稳定流条件下土壤保守溶质运移的传递函数模型理论扩展到考虑土壤剖面存在残留氮分布的土壤中，构造了一个能估算表施和残留氮对土壤硝态氮淋失动态贡献的传递函数模型。通过与野外地中渗透计实验资料的对比，表明该模型具有一定的仿真精度，模拟的土壤硝态氮累积淋失量的相对误差小于15%。     

考虑残留氮对非稳定流场硝态氮淋失贡献的传递函数模型Ⅱ农田应用

应用田间冬小麦-夏玉米生长条件下土壤硝态氮淋失动态的试验资料，对所提出的可估计表施和残留氮对土壤非稳定流场中硝态氮淋失贡献的传递函数模型进行了检验。首先，对所选定的农田中的两个土壤剖面，估算了硝态氮和氯离子的中值与均值迁移时间，然后，利用我们的模型，使用其中一个土壤剖面标定硝态氮和氯离子运移的概率密度函数的参数，接着，应用标定后的传递函数模型，模拟了另一个土壤剖面的硝态氮淋失浓度和累积淋失量动态，并分别估算了表施和残留氮占硝态氮总淋失量的分数。结果表明：提出的传递函数模型在农田条件下对土壤硝态氮累积淋失量模拟的相对误差为14.89%。     

基于智能算法推求Van Genuchten方程的参数

引入遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法等智能算法,应用于土壤水分特征曲线Van Genuchten方程参数确定的非线性拟合问题,分别针对粉壤土、细砂土、砾石的吸湿和脱湿曲线得到了Van Genuchten方程的相关参数。结果表明:三种算法的模拟结果非常接近,模拟精度较高;不同算法在细砂土和砾石上的模拟结果十分接近,而遗传算法在粉壤土上应用的误差稍大;与实测结果相比,模拟结果在土壤水吸力高于1000cm的高吸力范围和曲线由快速下降转为平稳阶段的过渡阶段(土壤水吸力约为200cm)模拟误差较大。     

基于集合卡尔曼滤波法的二维土壤水流状态变量和参数联合估计

集合卡尔曼滤波方法(EnKF)显式地考虑了模型输入、输出以及模型结构等因素的不确定性,近年来被广泛应用于水文模型参数估计研究中。本文基于EnKF方法开展二维土壤水流运动模型状态变量和参数联合估计研究,设计数值实验探究了在线源入渗条件下EnKF方法对粉壤土、壤土和砂壤土的饱和导水率和进气值参数的估计以及压力水头的同化效果,分析了观测点布置方式和观测点数量对同化效果的影响。研究结果表明,粉壤土条件下观测点垂向布置方式更好;壤土和砂壤土条件下,在0～30cm深土壤中水平向布置观测点可以得到较好的参数估计值。观测点水平向布置时应尽量靠近地表,同化系统可以有效地利用观测信息更新状态向量,参数更快地收敛于真值,但压力水头的同化效果仅限于一定深度的土壤。增加观测点数量可以有效地减小参数估计偏差,进而提高土壤剖面压力水头的预测精度。