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基于HYDRUS-1D模型的灌区农田土壤水分渗漏和硝态氮淋失特征研究

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干旱地区农业研究 2023年第5期41卷 32-42页

作者：杨楠段琳博马静蔡焕杰彭雄标王晓云李亮张蓬妍徐家屯西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100 西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学中国旱区节水研究院陕西杨凌712100

为定量分析农田土壤水分渗漏和硝态氮淋失特征,基于3年冬小麦-夏玉米轮作水氮试验,采用HYDRUS-1D模型对泾惠渠灌区农田土壤水氮运移转化过程进行动态模拟。结果表明:HYDRUS-1D模型可以准确模拟不同深度土壤水分和硝态氮的运移过程,根系... 详细信息

为定量分析农田土壤水分渗漏和硝态氮淋失特征,基于3年冬小麦-夏玉米轮作水氮试验,采用HYDRUS-1D模型对泾惠渠灌区农田土壤水氮运移转化过程进行动态模拟。结果表明:HYDRUS-1D模型可以准确模拟不同深度土壤水分和硝态氮的运移过程,根系层下(200 cm)土壤水分渗漏量主要受灌水量影响,冬小麦全生育期根系层下土壤水分渗漏量大于夏玉米全生育期,两者渗漏量分别为15.34~25.38 cm和6.98~9.82 cm。夏玉米和冬小麦全生育期根系层下土壤水分渗漏强度分别为0.06~0.08 cm·d^(-1)和0.06~0.10 cm·d^(-1),冬小麦越冬期灌溉处理的全生育期根系层下土壤水分渗漏量受越冬期灌水量影响明显。夏玉米和冬小麦生育期内根系层下硝态氮淋失通量范围分别为0.003~0.016 mg·cm^(-3)·d^(-1)和0.001~0.032 mg·cm^(-3)·d^(-1)。硝态氮淋失与灌水量、降雨量及土壤剖面硝态氮含量呈正相关关系,并且对降雨和灌溉的响应具有滞后性,约在灌水后12 d时根系层下土壤硝态氮淋失通量达到峰值。根系层下土壤硝态氮淋失通量在夏玉米生育期末和冬小麦生育期初处在较高值。综合而言,生产中应合理规划夏玉米及冬小麦灌水和施肥制度,适当调整冬小麦越冬期灌水量,推荐越冬期灌水量低于90 mm。

关键词：土壤水分渗漏硝态氮淋失 HYDRUS-1D 冬小麦-夏玉米轮作灌区

泾惠渠灌区土壤入渗参数及灌水技术参数优化研究

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泾惠渠灌区土壤入渗参数及灌水技术参数优化研究

作者：徐家屯西北农林科技大学

学位级别：硕士

在我国95%的灌溉面积采用地面灌溉方式。泾惠渠灌区作为关中九大灌区之一的大(Ⅱ)型灌区,灌溉方式主要以传统的地面灌溉为主,灌区水源工程单一,河源水利用率低,田间工程设施不完善。同时,随着土壤翻耕措施,灌溉,降雨,农作物生长等影响,... 详细信息

在我国95%的灌溉面积采用地面灌溉方式。泾惠渠灌区作为关中九大灌区之一的大(Ⅱ)型灌区,灌溉方式主要以传统的地面灌溉为主,灌区水源工程单一,河源水利用率低,田间工程设施不完善。同时,随着土壤翻耕措施,灌溉,降雨,农作物生长等影响,导致土壤结构改变,土壤水分入渗性能及其田面糙率系数在年内差异显著,而该灌区入畦流量在年内基本保持不变,从而导致了灌区灌水技术参数的不合理性,造成了灌水质量评价指标不高,田间水灌溉利用效率低,水分深层渗漏损失严重等问题。随着灌区水资源供需矛盾日益突出的条件下,研究灌区畦田节水灌溉关键技术,对建设泾惠渠节约型生态灌区具有重要的意义。本文针对上述问题,利用常用的地面灌溉模拟软件Win SRFR4.1对该灌区不同灌水时期土壤入渗参数、田面综合糙率系数等关键技术参数进行了优化研究;分析了不同灌季土壤入渗参数及其田面综合糙率系数的时间变异程度,模拟研究了时间变异性因子对灌水质量评价指标的影响及其在不同灌水季节的灌水效果;针对不同灌季土壤入渗参数值及其田面综合糙率系数的变异性对该灌区进行了灌水技术参数优化组合研究。本文的主要研究成果有:(1)通过田间实测水流推进、消退数据,利用Win SRFR4.1可以较好地模拟优化出考斯加科夫土壤入渗模型参数值,水流推进及消退过程模拟结果与实测结果吻合度较好。基于此,对不同灌水时期的入渗参数值进行了优化求解,考斯加科夫模型入渗系数值及入渗指数值平均变化范围分别在95.010.0mm?hr-1和0.42.67之间。(2)在夏玉米—冬小麦轮作周期内,由于农耕、灌溉、降雨等因素的影响,耕作层土壤容重存在周期性变化特性,最小值出现在土地深翻冬小麦播种时期为1.15g/cm3,最大值在夏玉米后期为1.35g/cm3,并趋于稳定。利用耕作层土壤容重及土壤质量含水量与土壤入渗参数值进行回归拟合表明,考斯加科夫土壤入渗模型两参数值的回归模型拟合度较好,校正R2值分别为0.846和0.741,由此可以在不同的灌水时期通过测量田间耕作层土壤容重以及土壤质量含水率,确定考斯加科夫土壤入渗模型参数值。(3)对灌区土壤入渗参数值及田面综合糙率系数进行时间变异性分析表明,不同灌水时期土壤水分入渗模型系数K、入渗指数α及田面综合糙率系数值n差异性较为显著,均达到了中等变异程度。通过模拟分析比较土壤水分入渗参数值及田面糙率系数对灌水质量的影响,表明单个时间变异性因子对灌水效率、灌水均匀度、储水效率均有较大的影响,在优化灌水技术参数时,不能忽略这些因子的变异性对灌水质量的影响。(4)不同灌水时期,土壤水分入渗参数值及田面糙率系数的综合变异性作用对畦灌水流推进、消退过程、土壤受水时间及灌水质量评价指标均达到了显著性的影响。基于此,利用WinSRFR4.1模型针对不同畦长,不同灌水时期,不同灌水定额条件下,以入畦单宽流量和改水成数为变量分别进行了灌水技术参数优化组合研究,优化结果表明灌水质量得到了明显的提高,灌溉效果达到了较好的效果。

关键词：畦灌土壤入渗田面综合糙率系数 WinSRFR4.1 时间变异性灌水技术参数优化灌水质量评价指标

河套灌区不同灌溉方式春玉米耗水特性与经济效益分析

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农业机械学报 2020年第9期51卷 237-248页

作者：邹宇锋蔡焕杰张体彬王云霏徐家屯西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院陕西杨凌712100

地处干旱半干旱区的内蒙古河套灌区地表水资源短缺和土壤盐渍化并存。为寻求更加节水高效的灌溉方式,通过连续3年的田间试验,设置畦灌、沟灌和滴灌3种不同灌溉方式,并在沟灌和滴灌下设置高、中、低3个灌水水平,以传统畦灌为对照,分析了... 详细信息

地处干旱半干旱区的内蒙古河套灌区地表水资源短缺和土壤盐渍化并存。为寻求更加节水高效的灌溉方式,通过连续3年的田间试验,设置畦灌、沟灌和滴灌3种不同灌溉方式,并在沟灌和滴灌下设置高、中、低3个灌水水平,以传统畦灌为对照,分析了春玉米耗水特性、产量响应和经济效益。结果表明,畦灌下平均有10%的灌水通过深层渗漏而损失,而滴灌低水处理每个生长季有10.5~29.0 mm的地下水通过毛管上升进入根区而被作物吸收;滴灌条件下玉米籽粒产量水分响应系数Ky(0.684)小于沟灌(0.8215),说明因作物耗水量的减少所引起的减产幅度更小,这更易于在潜在干旱胁迫下维持较高的作物产量;相对于传统畦灌,沟灌高水处理可以增加玉米籽粒产量和净收益,中水处理可以在保持产量和净收益持平的情况下,节约灌溉水31%;滴灌条件下,维持土壤水势-10 kPa和-30 kPa以上的高水和中水处理相对节水分别为19%和57%,且提高春玉米籽粒产量分别为21%和15%,提高净收益分别为28%和22%,水分利用效率较高。因此,综合考虑黄河引水情况、地下水状况和农民接受程度等因素,建议将沟灌中水处理或滴灌中水处理作为替代传统畦灌的最佳方案。

关键词：春玉米河套灌区灌溉方式作物耗水经济效益水分生产函数

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亏缺灌溉对冬小麦农田温室气体排放的影响

环境科学 2019年第5期40卷 2413-2425页

作者：王晓云蔡焕杰李亮徐家屯陈慧西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100

为研究不同时期亏水量对冬小麦农田土壤温室气体排放的影响,优化灌溉管理措施,试验采用静态箱-气相色谱法对关中平原冬小麦(2016年10月～2017年6月)农田温室气体(CO_2、N_2O和CH_4)排放通量进行了监测研究.试验在冬小麦3个生育期(越冬... 详细信息

为研究不同时期亏水量对冬小麦农田土壤温室气体排放的影响,优化灌溉管理措施,试验采用静态箱-气相色谱法对关中平原冬小麦(2016年10月～2017年6月)农田温室气体(CO_2、N_2O和CH_4)排放通量进行了监测研究.试验在冬小麦3个生育期(越冬期、拔节至抽穗期、抽穗至灌浆期)各设置3个灌水水平(充分灌溉,100%;轻度水分亏缺,80%;重度水分亏缺,60%),共6个处理(CK、T1、T2、T3、T4、T5,其中CK处理为充分灌溉处理,其它处理均为不同程度的水分亏缺处理).阐述了3种气体(CO_2、N_2O和CH_4)在全生育期的动态变化特征,并用作物产量、长远增温效应(net GWP_L)和当季增温效应(net GWPS)这3个指标综合评估不同生育期亏水水平对关中平原小麦经济效应和生态效应的影响.结果表明,生育期灌溉后CO_2、N_2O排放通量基本上呈增加趋势,以CK处理最高,而灌溉后土壤CH_4吸收通量迅速减小,高水分处理甚至出现排放特征.与CK处理相比,T1、T2、T3、T4和T5处理下小麦季CO_2排放总量分别显著降低了13. 32%、25. 98%、5. 55%、15. 47%和17. 52%(P 0. 05).亏缺灌溉显著降低了小麦地温室气体的排放,但会造成不同程度的减产,综合考虑不同生育期亏水水平处理下小麦地的经济效应和生态效应,T3处理更有利于关中平原冬小麦的保产节水减排.

关键词：亏缺灌溉冬小麦农田温室气体(GHG) 净增温潜势(NGWP) 产量

基于主成分分析和参数设计的畦灌技术参数优化

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干旱地区农业研究 2016年第6期34卷 89-96页

作者：徐家屯朱大炯蔡焕杰王健西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院陕西杨凌712100 河南省水利勘测设计研究有限公司河南郑州450000

针对畦灌灌水质量评价指标较多、自然因素存在时空变异性和技术参数有控制误差而造成的灌水质量评价不合理、灌水质量不高且波动大的现状,在田间灌水试验的基础上,利用主成分分析计算灌水质量综合主成分作为评价指标,采用参数设计的方... 详细信息

针对畦灌灌水质量评价指标较多、自然因素存在时空变异性和技术参数有控制误差而造成的灌水质量评价不合理、灌水质量不高且波动大的现状,在田间灌水试验的基础上,利用主成分分析计算灌水质量综合主成分作为评价指标,采用参数设计的方法对畦灌灌水技术参数进行了优化。结果表明,灌水质量综合主成分可以代表99.99%的灌水质量变异信息,且服从正态分布,同时自然参数的变异和技术参数的误差对灌水质量及其稳健性产生了较大影响,经模拟和实测结果验证,泾惠渠灌区畦灌技术参数优化组合为畦宽3.5~4.5 m,畦长120 m左右,单宽流量9 L·s^(-1)·m^(-1)左右,改水成数7成左右,此时具有很好的灌水质量和稳健性。

关键词：畦灌灌水质量评价主成分分析参数设计稳健性灵敏度技术参数优化

加气条件下土壤N_2O排放对硝化/反硝化细菌数量的响应

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农业机械学报 2018年第4期49卷 303-311页

作者：陈慧李亮蔡焕杰朱艳王云霏徐家屯西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院陕西杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100

为揭示加气灌溉及不同灌水量处理设施番茄地土壤N2O排放对土壤微生物的响应,于2016年8—12月在日光温室内进行试验,以充分供水的灌水量(W)为基准,设置0.6W、0.8W和1.0W 3个灌水定额,每个灌水定额又设置加气和不加气处理,共计6个处理:0.6... 详细信息

为揭示加气灌溉及不同灌水量处理设施番茄地土壤N2O排放对土壤微生物的响应,于2016年8—12月在日光温室内进行试验,以充分供水的灌水量(W)为基准,设置0.6W、0.8W和1.0W 3个灌水定额,每个灌水定额又设置加气和不加气处理,共计6个处理:0.6W加气(AI0.6)、0.6W不加气(CK0.6)、0.8W加气(AI0.8)、0.8W不加气(CK0.8)、1.0W加气(AI1.0)和1.0W不加气(CK1.0)。结果表明,番茄生育前期,不同灌溉处理的土壤N2O排放通量呈下降的趋势;移植25 d后,N2O气体维持在较低且稳定的排放水平。与不加气处理相比,不同灌水定额的加气处理增加了土壤N2O排放,平均增加了4.7%;且随着灌水量的增加,土壤N2O排放也在增加,平均增加了1.9%,但处理间差异性均不显著(P>0.05)。就番茄全生育期微生物数量均值而言,加气较不加气处理增加了土壤硝化细菌数量,平均增加了2.1%;但加气减小了土壤反硝化细菌数量,平均降低了9.7%(P>0.05)。而随着灌水量的增加,土壤硝化细菌和反硝化细菌数量均逐渐增加(P>0.05)。相关分析表明,土壤N2O排放与土壤水分和土壤温度呈极显著正相关关系(P<0.01),与土壤反硝化细菌数量呈极显著负相关关系(P<0.01)。试验结果为研究设施菜地土壤硝化和反硝化反应过程及氮循环奠定了理论基础。

关键词：加气灌溉灌水量硝化细菌反硝化细菌 N2O排放

基于WinSRFR模拟灌溉农田土壤入渗参数年变化规律

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农业工程学报 2016年第2期32卷 92-98页

作者：蔡焕杰徐家屯王健陈新明朱大炯谢菲西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院杨凌712100 西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100

土壤入渗参数是确定地面灌溉灌水技术参数的主要依据之一,而农田土壤入渗特性随着灌水与耕作存在着周期性变化。为了探究这种周期性变化规律,在冬小麦-夏玉米轮作体系下,基于泾惠渠灌区2012-2015年不同灌水时期的灌水资料,利用Win SRFR... 详细信息

土壤入渗参数是确定地面灌溉灌水技术参数的主要依据之一,而农田土壤入渗特性随着灌水与耕作存在着周期性变化。为了探究这种周期性变化规律,在冬小麦-夏玉米轮作体系下,基于泾惠渠灌区2012-2015年不同灌水时期的灌水资料,利用Win SRFR4.1软件与拟合度检验相结合的方法对考斯加科夫土壤入渗模型参数值进行模拟反推得出最佳优化结果,结果表明模拟与实测的水流推进及水流消退过程的均方根误差分别为0.15-2.1和2.5-7.8 min,决定系数均在0.7以上（P〈0.05）。在此基础上,根据影响土壤水分入渗的主导因素土壤容重及土壤质量含水率,建立考斯加科夫土壤水分入渗模型2参数值与影响因素间的定量关系,分析土壤入渗参数在年内的变化规律,结果表明：在冬小麦-夏玉米轮作体系下,不同灌水时期的土壤入渗系数和入渗指数变化明显,变化范围分别在95.0-210.0 mm/h和0.42-0.67之间,土壤水分入渗模型两参数值与土壤含水率及土壤表层容重之间存在较好地复合对数关系,决定系数分别为0.846和0.741（P〈0.05）。研究结果可为年内不同灌水时期确定农田地面灌水技术参数提供依据。

关键词：入渗模型土壤水分冬小麦-夏玉米综合糙率系数

泾惠渠灌区冬小麦夏玉米连作需水量及灌水模式研究

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灌溉排水学报 2017年第1期36卷 52-56,84页

作者：宋同蔡焕杰徐家屯西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100

为了寻求冬小麦-夏玉米连作下的节水高效灌溉制度,采用大田小区试验,在连作种植模式下,统筹分析了冬小麦和夏玉米的需水量及生育期内降雨量,并与当地传统灌溉制度进行了产量对比。结果表明,连作种植模式下,泾惠渠灌区冬小麦、夏玉米全... 详细信息

为了寻求冬小麦-夏玉米连作下的节水高效灌溉制度,采用大田小区试验,在连作种植模式下,统筹分析了冬小麦和夏玉米的需水量及生育期内降雨量,并与当地传统灌溉制度进行了产量对比。结果表明,连作种植模式下,泾惠渠灌区冬小麦、夏玉米全生育期需水量分别为410 mm和400 mm。在年降雨量为490 mm时,连作种植1 a内的经济灌溉定额为305 mm,相比于传统灌溉能节水8.9%。连作条件下作物总产量为12 010 kg/hm^2,产量相对于传统单作种植增加了6.2%,达到了增产目的。在冬小麦抽穗期和夏玉米播种期减少灌水,可在保证产量的基础上有效提高水分利用效率,是更为优化的连作灌水模式。

关键词：冬小麦夏玉米需水量产量灌溉定额

基于SPEI和MI分析陕西省干旱特征及趋势变化

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中国农业科学 2019年第23期52卷 4296-4308页

作者：丁怡博徐家屯李亮蔡焕杰孙亚楠西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院西北农林科技大学水利与建筑工程学院

【目的】目前干旱研究多为基于历史干旱事件分析成因与变化趋势,而结合过去与未来长时间序列数据更能揭示干旱变化特点。寻找在基于CMIP5模型输出未来气象数据时模拟干旱指数方法并探究陕西省过去与未来干旱变化特点,为陕西省未来农业... 详细信息

【目的】目前干旱研究多为基于历史干旱事件分析成因与变化趋势,而结合过去与未来长时间序列数据更能揭示干旱变化特点。寻找在基于CMIP5模型输出未来气象数据时模拟干旱指数方法并探究陕西省过去与未来干旱变化特点,为陕西省未来农业水资源管理提供依据。【方法】根据陕西省18个气象站历史数据以及CMIP5模式输出未来气象数据,比较了3种模型模拟参考作物蒸发蒸腾量(ET),并基于参考作物蒸发蒸腾量(ET)和降水数据计算标准降水蒸发指数(SPEI)和相对湿润指数(MI)反映干旱程度,比较过去(1958—2018年)与未来(2019—2100年)干旱的时空变化特点。【结果】多元线性回归模型(Multiple Linear Regression, MLR)能较准确的模拟参考作物蒸发蒸腾量(ET)(RMSE=0.457 mm·d);在RCP2.6和RCP8.5情景下未来干旱指数呈现上升趋势,在RCP8.5情景下,21世纪40年代存在干旱指数的突变年份;陕西省未来干旱程度降低,年内干旱分布更加不均匀;未来时期夏玉米生长季干旱程度减小,冬小麦生长季干旱程度增加。【结论】在不同RCP情景下,未来干旱变化特征存在差异,相同RCP情景下,SPEI和MI反映的干旱特征变化基本一致,但部分时段存在变化差异。为有效应对气候变化对旱作作物产量造成的负面影响,应当增强土壤蓄水保墒能力,尤其加强冬小麦生长季的抗旱工作。

关键词：标准降水蒸发指数(SPEI) 相对湿润指数(MI) 蒸发蒸腾量(ET0) 多元回归神经网络典型浓度路径(RCP) 趋势检验(Mann-Kendall) 陕西省