冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体水热运移的耦合研究II:模型验证与应用

根据北京永乐店试验站的田间试验资料，得出冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体(简称SPAC)水热运移耦合的WheatSPAC模型计算需要的土壤参数与冬小麦遗传参数。将模型的计算值与实测值进行比较，表明模型能够较好地模拟叶面积指数、干物质重、土壤水分温度等。利用WheatSPAC模型对不同灌溉条件下的田间水热状况与作物产量进行分析，得到结论：对于北京地区的气候条件，返青后作物蒸腾消耗占净辐射的50%以上；如果返青后墒情较好，在拔节期进行灌溉对冬小麦的最终产量最为有利；如果在拔节之后进行一次灌溉，则灌溉进行得越早对产量越有利；三水以后，随灌溉量的增加，产量的边际效益递减；返青后，降雨与灌溉的总量约240mm对冬小麦的生长比较适宜。     

冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体水热运移的耦合研究Ⅰ:模型

本文开展了冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体(简称SPAC)水热运移的耦合研究，建立了可以同时动态模拟冬小麦生长过程与SPAC水热运移过程的动力学模型-WheatSPAC模型。模型中，采用有限元差分格式进行土壤水热运移的数值模拟；采用双层模型进行冠层水热运移的模拟；采用改进的Feddes根系吸水模型及负指数分布形式的根系密度模型，实现土壤与冠层的耦合；通过生育阶段、干物质生产、干物质分配等过程的模拟，建立了冬小麦生长的机理性模型；通过对冬小麦叶面积指数、株高、根系分布的模拟，实现冬小麦生长与SPAC水热运移的耦合。     

土壤-植物-大气系统水热传输的研究

近代对水分循环的研究,倾向于将土壤-植物-大气视为物理上的连续体,称之为SPAC系统。本文应用土壤水动力学、微气象学和能量平衡原理,建立了作物生育期SPAC系统的水热迁移和转化模型,并采用全隐式有限差分法进行离散,通过自动调节计算步长和反复迭代等方法设计了数值模拟程序,对冬小麦返青至成熟期的水热状况进行了模拟,结果表明,模型真实地反映了作物生长过程中土壤的水热状况和蒸散发动态过程,可用于田间墒情预报,并制定适宜的灌溉定额。     

田间条件下土壤氮素运移的模拟模型II田间检验与应用

本文通过冬小麦春季生长阶段的田间试验检验了土壤水，热和氮素联合模拟模型，结果表明土壤含水量，土壤温度以及土壤无机氮含量的模拟计算值与实测值吻合程度较好，应用经检验的模型和有关参数，模拟计算了不同灌水条件下土壤氮素动态，结果看出：在本试验条件下，在冬小麦返青到收获期间，各灌水处理１ｍ深处总体不存在土壤无机氮淋洗渗漏，而是不同程度的上升补给，反硝化和氮挥发是氮素损失的主要途径。     

田间条件下土壤氮素运移的模拟模型Ⅱ田间检验与应用

本文通过冬小麦春季生长阶段的田间试验检验了土壤水、热和氮素联合模拟模型，结果表明土壤含水量、土壤温度以及土壤无机氮含量的模拟计算值与实测值吻合程度较好．应用经检验的模型和有关参数，模拟计算了不同灌水条件下土壤氮素动态，结果看出：在本试验条件下，在冬小麦返青到收获期间，各灌水处理１ｍ深处总体上不存在土壤无机氮淋洗渗漏，而是不同程度的上升补给．反硝化和氮挥发是氮素损失的主要途径．     

干旱区微咸水灌溉的水-土环境效应预测研究

本文运用MODFLOW及SWAP模型对微咸水灌溉的水-土环境效应进行了预测.模型参数用2004年的观测资料进行率定,并用2002年的资料对模型的可靠性进行了检验.结果显示,淋洗灌溉定额条件下,不同作物的土壤盐分积累及作物相对减产率分别比正常灌溉定额条件下有所降低;微成水灌溉后土壤盐分的积累随着时间的推移呈递减趋势,大约在10年后盐分达到进出平衡状态,平衡时土壤的含盐量(0.126%)仍属于轻度盐渍土;抽取地下微咸水灌溉后,淋洗灌溉定额条件地下水位的下降幅度及含水层盐分的增加量都比正常灌溉定额条件下有所降低.采用微咸水灌溉,淋洗灌溉比正常灌溉对环境有利.     

冬小麦生长条件下土壤氮素运移动态的数值模拟

将土壤溶质运移理论和土壤微生物化学、植物生理学有机地结合起来,建立了农田土壤氮素运移、转化与吸收的综合数学模型。运用该模型对中德合作项目试验田1999～2000年冬小麦优化施肥与传统灌溉和优化施肥与优化灌溉两小区的土壤水分和氮素运移动态及干物质产量进行了模拟。模拟结果与实测数据吻合较好。两小区土壤剖面埋深165cm处硝态氮淋失量的计算结果表明：与传统灌溉方式相比,优化灌溉方式的土壤硝态氮的淋失量明显减少。用验证后的数学模型在计算机上进行了几种不同灌溉方案下土壤水氮运移动态及干物质产量变化的数值试验,结果表明：在喷灌条件下,冬小麦以每l0d灌溉一次,每次20mm水量的灌溉方式较优。     

应用根系层水质模型分析冬小麦-夏玉米轮作体系的农田水氮利用效率Ⅱ：模型的验证与情景分析

在就禹城试验站对根系层水质模型（RZWQM）的参数进行灵敏度分析和标定的基础上,模拟了1960—2005年该试验站冬小麦- 夏玉米轮作条件下的冬小麦和夏玉米产量、水分利用效率及氮肥偏生产力,并将模拟的冬小麦和夏玉米产量与禹城市农业统计年鉴显示的 1985—2005年的产量进行了对比。结果表明：经过标定后的RZ?WQM能够较好地模拟夏玉米产量（平均相对误差为-13.3%）,可以模拟冬小麦产量在年际间的变化趋势（平均相对误差-54.2%）。针对所设计的9 种节水省氮的灌溉与施氮方案开展了多组情景模拟分析,结果显示较好的情景是：冬小麦在播前、拔节和开花期各灌溉75mm的水;夏玉米当平水年和丰水年时在播前灌溉一次56mm的水,当枯水年时在播前和抽穗期各灌溉84mm的水,当特枯水年时在播前和抽穗期各灌溉111mm的水。冬小麦在播前和拔节期分别施氮77.7kg/hm2 155.3kg /hm2,整个生育期施氮量为233kg/hm2;夏玉米在苗期（播后5d）和大喇叭口期各施氮70.7kg/ m2和141.3kg/hm2,整个生育期施氮量为212kg/hm2。这样优化的灌溉与施氮方案能够取得较好的增产效果和较高的水氮利用效率,即：冬小麦- 夏玉米轮作体系的粮食产量为10302kg/hm2、水分利用效率为1.40kg/m3、氮肥偏生产力为23.2kg/kg。     

利用SPAC模型对冬小麦蒸散发的研究

根据SPAC模型对不同灌水处理下冬小麦返青至成熟期田间水热传输及转化规律的数值模拟结果，拟合了根据地表以下1m土层贮水量和参考作物腾发量进行农田蒸散发估算的经验公式。利用经验公式和SPAC模型对不同灌水处理和不同潜水埋深下冬小麦返青至成熟期的蒸散发进行了计算，结果吻合良好。     

黄土旱区作物-水分模型

本文依据田间试验数据，采用Jensen模式，研究了黄土旱区冬小麦、春玉米这两种优势作物的 水分模型。研究结果表明，小麦在播种～返青期缺水敏感指数(λ)最大，对缺水最为敏感；拔节～抽穗期次之，然后是抽穗～灌浆期，而灌浆～成熟期和返青～拔节期的敏感性最小。总耗水量在320～420mm之间，灌水量为260～300mm左右、且分布在冬前和拔节～抽穗期是节水高产高效的灌水模式。玉米拔节-抽穗期和抽穗-灌浆期对缺水最敏感，拔节前和灌浆-成熟期敏感性小。说明拔节后到抽穗期补水对产量作用最大，其次为抽穗-灌浆期。这为黄土旱区制定灌溉制度提供了重要理论依据。     

河套灌区不同盐渍化土壤冬小麦优化灌溉制度研究

土壤水盐是影响干旱盐渍化地区农作物产量的重要因素,近年来内蒙古河套灌区开始推广种植冬小麦,在重点考虑不同土壤盐分状况,通过设计不同盐渍化土壤条件下冬小麦灌溉制度方案,分析田间对比试验数据成果,在此基础上利用ISAREG模型开展不同方案的优化决策研究。研究表明:考虑盐分胁迫和冻融因素条件下,ISAREG模型可以对河套灌区冬小麦进行灌溉制度优化;通过建立基于水盐胁迫的ISAREG灌溉制度模型,制定了不同盐渍化条件下考虑土壤冻融的冬小麦优化灌溉制度;优化得出河套灌区冬小麦全生育期灌水定额情况为:当土壤含水率低于适宜含水率的85%时进行灌水,通过ISAREG模型即可推导出不同含盐土壤的灌水定额与灌水日期;土壤含盐量较低的情况下冬小麦全生育期适宜灌水5次,优化灌水定额分别为66、54、79、83和83 mm,灌溉定额365 mm;中度含盐土壤冬小麦全生育期适宜灌水5次,优化的灌水定额分别为78、54、90、97和97 mm,灌溉定额为416 mm。     

农田水分转化模型参数优选与应用

本文介绍了农田水分转化关系模型参数的确定方法。以在北京市水科所试验站观测的不同灌溉水平条件下的土壤水分资料为依据，进行了参数优选实例计算。并用该模型及其参数求得了该站１９９５年冬小麦不同灌溉供水量条件下的腾发量与根区下界面水分通量。该模型参数求解方法，对于充分利用大量的田间土壤水分观测资料研究农田水分转化规律和农田高效用水技术具有十分重要的意义。     

山西省主要农作物水分生产函数中参数的试验研究

以Ｊｅｎｓｅｎ模型为基础，采用山西省近年来冬小麦、玉米、棉花３种作物坑测试验资料求出了模型参数，用全省２３个灌溉试验站历年来试验的田测资料进行了检验评价．其模型计算产量与坑测试验产量相对误差，冬小麦、玉米、棉花３种作物依次是５％，０１％，１５％．模型计算产量与田测试验产量的相对误差小于１５％的试验组数占总试验组数的百分数，冬小麦、玉米、棉花３种作物依次是７５％、７９％和８５％，表明这些参数是可用的．其次，本文对近年来有关模型参数的几个问题做了简要评述，认为水分敏感指数λ小于零不合理、λ的累加划分不合理，λ随时间变化连续曲线描述不合理     

不同施肥水平对冬小麦产量影响研究

灌溉和施肥是粮食增产的两个重要可控措施,在保障国家粮食安全中占有重要地位,合理施肥对其产量提高起着关键作用。2011—2013年在临汾市灌溉试验站进行了冬小麦灌溉试验,研究了冬小麦关键生育期施肥对其产量的影响程度,试验表明:冬小麦不同生育期土壤有机肥相关元素的分布情况对作物产量影响显著,冬小麦在返青、拔节、灌浆期对肥料的需求较大。     

山西省水科所部分科技成果介绍

1 山西省冬小麦、玉米和棉花节水灌溉制度 该成果应用产量与水分关系递推模型及其参数求解程序,求得冬小麦、玉米、棉花的模型参数,并采用多阶段灌溉决策动态规划模型,得出不同水文年山西省各地区冬小麦、玉米和棉花在各种供水水平及初始土壤墒情条件下的节水灌溉制度。在屯绛灌区2267公顷     

叶尔羌灌区冬小麦生育期SPAC水热传输的模拟研究

本文应用土壤水动力学、微气象学和能量平衡原理，建立了作物生育期土壤-植物-大气连续体(SPAC)的水热迁移和转化模型，并采用全隐式有限差分方法进行离散，通过自动调节计算步长和反复迭代等方法设计了数值模拟程序.运用本模型对新疆叶尔羌河流域地下水均衡场1995年3月～6月冬小麦返青至成熟期的田间水热状况进行了模拟.结果证明，该模型较真实地反映了非冻结期作物生长过程中土壤中的水热状况以及地表和作物蒸散发的动态变化过程，可用于墒情预报以及农田蒸散发的研究。     

基于半定量方法的华北冬小麦施氮量优化管理研究

利用田间实测数据对AquaCrop模型进行校验，获取了模型的关键参数，并量化不同施氮量水平与肥胁迫相关的压力系数；以此为基础，提出了半定量方法的参数化方案，实现了华北冬小麦施氮量的优化管理。结果表明：(1)模型校验过程中冠层覆盖度的决定系数R²大于0.876、NRMSE小于15.554%;土壤含水率模拟值与实测值的R²大于0.840、NRMSE小于9.960%;所有处理下产量模拟值与实测值的R²大于0.964。说明经校验的模型能较好地模拟不同施氮处理下作物生长及产量产出过程，可利用该模型进行施氮量优化管理研究。(2)利用半定量方法实现了氮肥的多情景模拟，根据模拟结果建立了施氮量与产量之间的关系，当施氮量达到355.30 kg/hm²后，继续增加施氮量，冬小麦的产量出现了降低的趋势。     

黄河河套灌区成水灌溉试验研究

2002年在内蒙古河套灌区红卫节水示范园进行了咸水灌溉试验，经对灌溉土壤水盐动态变化分析得到：在矿化度小于2．5g／L的咸水灌溉后，土壤盐分有一定的积累，但经过秋浇后土壤含盐量可以降到咸水灌溉前的水平。应用示范园的土壤、水分、盐分试验资料对SWAP模型的参数进行了率定和验证，模型模拟结果和田间试验结果符合较好，可以用来进行灌区水盐变化的计算预测。     

农田控制排水与补充灌溉对作物产量和排水量影响的模拟分析

农田控制排水是减少硝态氮流失最直接有效的方法之一。本文利用典型涝渍区-淮北平原砂姜黑土地区实测土壤、气象、作物等资料,用DRAINMOD模型进行了长序列模拟分析,结果显示在当地气象条件下,干旱是影响冬小麦产量的主要因素,而涝渍则是影响棉花产量的主要因素。补充灌溉条件下,采用传统排水与控制排水两种措施的模拟结果显示,灌溉可使冬小麦产量得到大幅提高,但对棉花产量的影响不大。采取控制排水措施后,地下排水量大大减少,排水总量也显著降低,从而有利于区域水质的保护。     

基于层次分析和变异系数法的土壤含水率计算

土壤墒情实时监测是开展作物实时灌溉预报的重要前提,而根区土壤含水率精确数值的获取对提高实时灌溉预报的精度具有重要意义。采用层次分析和变异系数法组合赋权的方法计算了冬小麦计划湿润层内各土层土壤含水率的权重,并应用在郑州地区不同水分处理的冬小麦实时灌溉模型中。结果表明:组合赋权计算的日土壤含水率和灌水总量更符合试验区冬小麦自身生长规律和节水灌溉要求。通过组合赋权计算的日土壤含水率具有较高的准确性,可为冬小麦实时灌溉预报提供良好的基础数据支持。