HYDRUS-1D模型模拟渭北旱塬深剖面土壤水分的适用性

黄土高原生态恢复过程中,深剖面土壤水分平衡状况发生了重要变化,但传统观测方法难以量化深层渗漏等水文变量,需要借助模型进行分析.本研究利用HYDRUS-1D模型,模拟渭北旱塬长武塬农地和苹果园10 m深剖面土壤水分的垂直分布和时间变化,评价模型的适用性.基于2011年9月—2013年10月观测的土壤水分数据,通过优化土壤水力参数,模拟深剖面土壤水分空间和时间的离散化过程.结果表明: 校准期和验证期,HYDRUS-1D模型的决定系数在0.65～0.85、模型效率系数在0.55～0.83、土壤水分的均方根误差在0.01～0.02 cm³·cm^-3.实测与模拟土壤水分的剖面分布和时间变化状况具有很好的一致性,表明HYDRUS-1D可以用于模拟渭北旱塬深剖面的土壤水文状况.     

山桃山杏苗木耗水特性研究

在不同土壤水分条件下,研究了苗木定植后耗水特性。结果表明：两个树种耗水特性很接近,只是在严重干旱下两者才表现出差异,由于生物产量的差异,使其耗水系数相接近。     

基于SHAW模型对拉萨河谷冬小麦农田生态系统水分传输特征的模拟研究

以青藏高原的拉萨河谷下游的农田为研究对象,利用中国科学院拉萨高原生态试验站的观测数据,通过模型模拟的方法分析了高原冬小麦农田生态系统水分传输的主要特征并结合当地的气象条件和灌溉情况对当地制定适宜的冬小麦农田灌溉制度进行了初步探讨.采用2004年5～10月的土壤水分观测数据对SHAW模型进行参数率定,然后,利用2004年10月～2005年10月的土壤水分观测数据对率定的参数进行验证并评价SHAW模型的在该地区的模拟性能.通过分析2004～2005年冬小麦农田水分传输过程的模拟结果,得出该地区农田生态系统水分传输的主要特征:①拔节-灌浆期是冬小麦耗水旺期,水分主要在土壤-植物间传输.②冬小麦生长期间耗水量为826mm,是华北平原的1.7～1.9倍,其中土壤蒸发占了37.5%.③冬小麦根系吸水主要集中于10～40cm土层,在浅层土壤水分供应不足时,冬小麦才倾向于利用深层土壤水分(40cm以下).④整个冬小麦生长期间农田的总深层渗漏量达到约占总灌溉量的50%.其中,播种-返青期间灌溉量的72%渗漏到70cm土层以下.最后,基于研究得出的冬小麦农田生态系统水分传输特征,对该地区适宜的灌溉制度进行了分析探讨.     

MTCLIM模型日平均温度调和系数获得算法的改进

MTCLIM模型对日平均温度的模拟结果是基于日平均温度调和系数（TEMCF）的值,而国内外目前对该系数的估计多直接基于简单的最小二乘法进行该系数的本地化,我国学者的相关工作多直接引用原模型在北美干旱气候条件的测定默认值,因而往往造成模拟结果误差较大。首次提出了根据不同水热条件的影响确定TEMCF值的方法,大大改善了最后模拟结果的精度。以长白山地区为例,通过对我国典型山地条件下日平均温度的推算方法的对比,对不同水热条件下MTCLIM模型日平均温度调和系数的获得算法进行了验证。结果证明不同水热条件对该模型日平均温度估算算法中TEMCF的值有较大的影响。随着降水量的增加和日照时间的缩短,TEMCF的取值呈减小趋势,这也解释了原MTCLIM模型在我国山地地区的应用研究的结果中较大时空差异性的原因。通过不同水分和热量等级下的模拟结果表明,将TEMCF值根据水热条件情况分别模拟日平均气温将能够大大改善MTCLIM模型在典型山地地区中的模拟结果,从而为山地地区的研究工作提供更准确的基础性参考资料。     

梨枣花果期耗水规律及其与茎直径变化的相关分析

设置4个水分处理,研究了4年生梨枣2010年及2011年花果期不同供水条件下土壤水分动态和耗水规律,分析了梨枣日耗水量与茎直径变化间的相关性,建立回归模型.结果表明:(1)2a内各处理梨枣耗水量随土壤供水量的增加而增大,其日耗水量最大值均出现在灌水后1周内;各处理果实膨大期日耗水强度大于开花坐果期.(2)2a内各处理茎直径日变化平均值(MTD)、茎直径日最大值(MXTD)均符合Logistic函数关系,MXTD与MTD在表征梨枣茎秆生长规律方面效果一致,各处理茎直径变化指标(MTD、MXTD)增长率因水分处理的不同而存在差异.(3)高水分(T1处理)条件下茎直径变化指标(MTD、MXTD、MDS(茎直径日最大收缩量)、DG(茎直径日生长量))在表征枣树耗水状况方面不敏感;在低水分(T4处理)条件下,日耗水量与茎直径日最大收缩量(MDS)相关系数较其他3个茎直径变化指标(MTD、MXTD、DG)高且达极显著水平,说明MDS能够更好的表征低水分处理的梨枣耗水规律.在此基础上建立耗水量与茎直径变化回归模型,为评价梨枣耗水状况提供依据.     

污泥改良沙化土壤水分入渗及再分布模拟

污泥和沙土掺混是改良沙化土壤的一种方法,了解泥沙复合土壤中水分入渗及再分布规律有利于工程改良的进行。为了明确模拟软件在实际工程应用中的适用性,将污泥和沙土以1∶4的比例掺混,模拟降雨过程,分析其水分入渗及再分布规律,并采用Hydrus-1D土壤水分模拟软件对该实验过程进行模拟,将模拟数据与实测数据进行比较,验证Hydrus-1D软件以模拟泥沙复合土壤水分入渗的适用性,从而为其选择合适的水分入渗模型。结果表明:Hydrus-1D软件可以预测出泥沙复合土壤水分特征曲线,得出复合土壤残余含水率(θr)、饱和含水率(θs)、进气值倒数(α)、孔径分布指数(n)、水力传导度(Ks)等土壤基本性质参数;在整个水分入渗模拟过程中,泥沙复合土壤的含水率由初始含水率开始逐渐升高,直到接近饱和含水率时趋于稳定,但最终不能到达饱和含水率; 0～30 min内水分入渗模拟实验中,实测曲线与模拟曲线相差不大; 60 min后各土层水分再分布模拟实验中实测曲线与模拟曲线相差较大。说明该软件能够较好地模拟出水分入渗规律,而不适用于水分再分布模拟。     

黄土高原刺槐林地土壤水分垂直分布特征及其动态模型的建立

以位于黄土高原半干旱丘陵沟壑区的陕西省安塞县和半湿润残塬沟壑区的甘肃省泾川县为代表,研究了不同水分生态区刺槐林地土壤水分垂直分布特征;并在原有林地土壤水分入渗平衡模型的基础上,建立了林地土壤水分随时间、土壤深度变化的动态模型。结果表明:(1)不同水分生态区林地土壤水分垂直变化规律具有明显区别,泾川的土壤含水量峰值出现在20~40cm土层深处,后随着土层深度的增加逐渐降低,在200cm土层深度土壤含水量趋于稳定(11%左右);安塞的土壤含水量峰值出现在约60cm左右的土层,并在220cm深度土壤含水量趋于稳定(5.5%左右);说明泾川的土壤含水量高于安塞,安塞的降雨和林木根系耗水对土壤水分的影响程度和深度均大于泾川,且两地深层土壤水分含量不受降水和林木根系耗水等的影响。(2)利用降水在土壤中的入渗平衡模型能够很好地拟合黄土高原两地(泾川、安塞)刺槐林地的土壤水分垂直分布;并通过引入参数t(月份)建立了林地土壤水分随时间和土壤深度变化的动态模型,经验证该模型能够准确地刻画黄土高原不同水分生态区刺槐林地土壤水分的动态变化。     

干旱区城郊种植业水足迹分析与适宜耕地规模测算——以乌鲁木齐市为例

水足迹方法能够完整、清晰地描述种植业的耗水特征。以干旱区绿洲城市乌鲁木齐市为例,运用水足迹模型分析种植业产品耗水特征,构建水足迹强度系数以探讨种植业耗水对本地水资源的影响度,进而从作物水足迹和水源类型角度建立绿洲耕地规模测度模型测算乌鲁木齐市适宜耕地规模,研究发现:①作物生长期水足迹受土壤水分胁迫和产量损减影响呈现差异化;②2005-2011年间,绿水强度系数波动剧烈,蓝水强度系数均值超出容量极限,作物生长期对蓝水资源依赖性较强,从而进一步加剧了蓝水资源的匮乏;③乌鲁木齐市合理耕地规模约为6万hm²,2005-2011年种植业实际耕地规模均处于超载状态,超载量变化呈现先降后升的特征,现状种植业发展模式对绿洲生态系统扰动不断加剧。     

基于模糊规则的人工神经网络模拟新疆杨蒸腾耗水

于2017年7—11月,应用热扩散探针(TDP)技术,结合同步测定的气象因子,对宁夏河东沙区新疆杨的耗水日变化特征及季节变化规律进行分析,提出了一种基于模糊规则的BP神经网络和Elman神经网络耗水模型,探究新疆杨蒸腾耗水规律并对其耗水量进行模拟。结果表明: 生长季内(7—10月)新疆杨平均液流密度为4.98 g·cm^-2·h^-1,影响蒸腾耗水的主要因素依次为太阳辐射、大气温度、饱和水汽压亏缺和相对湿度;受气象因子影响,新疆杨耗水具有明显的季节性变化规律,夏季(7—8月)单株耗水量为秋季(9—10月)的1.4倍;采用基于模糊规则的BP神经网络和Elman神经网络模型对新疆杨耗水进行模拟可以解释80%以上的变量,能够较准确地模拟新疆杨耗水情况,相对于BP神经网络,采用Elman神经网络对新疆杨耗水进行模拟,相对误差减少27.0%,均方根误差减少24.3%,纳什效率系数提高67.9%,决定系数达0.80以上。Elman神经网络的模拟效果优于BP神经网络,模型效率和拟合度更高,有效地提高了林木蒸腾耗水模拟精度,可作为河东沙区新疆杨林分蒸腾耗水估算的首选模型。     

长白山阔叶红松林土壤水分动态研究

在1990～1992年和2003年对长白山阔叶红松林土壤水分动态进行定位观测研究.结果表明,土壤水分年内变化可划分为5个时期：春季聚水阶段、旱季耗水阶段、雨季蓄墒阶段、秋季失墒阶段和冬春土壤水分相对稳定阶段.利用标准差和变异系数对土壤水分垂直变化进行分层,得出土壤水分剖面分布分为速变层、活跃层和次活跃层,并用相关分析方法分析了各层次间土壤水分及其与其间降水量的关系.     

间作经济作物对黄土丘陵区旱作红枣土壤水分的调控效应

研究行间种植经济作物饲料油菜和黄花菜对黄土丘陵区旱作红枣林地土壤水分的调控效应.结果表明： 饲料油菜和黄花菜处理0～180 cm土层土壤含水量较无作物对照分别提高6.2%和10.1%;枣树生育期内土壤水分变化主要集中在0～60 cm土层,饲料油菜和黄花菜处理均明显增加了0～60 cm土层土壤含水量,保证枣树生育期内正常生长;持续干旱条件下,各处理土壤水分消耗主要在0～60 cm土层,其中0～20 cm土层土壤含水量与次降雨后干旱天数存在显著指数负相关,雨后18 d干旱期饲料油菜和黄花菜处理0～60 cm土层土壤水分含量均高于对照.该间作系统显著改善了红枣林土壤水分环境,是黄土丘陵区克服季节性干旱的有效措施.     

黄土丘陵区不同土地利用类型土壤水分变化特征

土壤水分是制约黄土丘陵区生态建设和土地可持续利用的关键因子,认识不同土地利用类型的土壤水分状况对该地区植被恢复和土地资源的有效利用具有重要的理论和实际意义.本研究采用EC-5土壤水分传感器,对黄土高原园则沟流域坡耕地、梯田、枣园和草地生长季内(5—10月)0~160 cm土壤剖面含水量进行连续监测,探讨这4种典型土地利用类型的土壤水分变化特征.结果表明:在降水常态年和干旱年,不同土地利用方式土壤水分的季节变化、蓄水特征及垂直分布均存在差异.在2015年干旱年,梯田表现出良好的蓄水保墒效果,0~60 cm土层生长季平均土壤含水量分别比坡耕地、枣园和草地高2.6%、4.2%、1.8%(P<0.05),0~160 cm土层储水量分别比坡耕地、枣园和草地高43.90、32.08、18.69 mm.在2014年常态年,枣园0~60 cm土层生长季平均土壤含水量分别比坡耕地、梯田和草地低2.9%、3.8%、4.5%(P<0.05);在干旱年,0~160 cm土层有效水储量仅占土壤总储水量的35.0%.不同土地利用方式下均是表层(0~20 cm)与中层(20~100 cm)土壤水分的灰色关联度较大,且土壤水分变化态势的相似程度表现为梯田>草地>坡耕地>枣园.对于试验区内的坡耕地,可考虑改造为梯田,以提高雨水资源的有效利用、促进生态农业建设;而针对黄土丘陵区旱作枣园土壤缺水严重的现象,需采取适当水分管理措施以降低枣树自身耗水和其他无效耗水,实现枣园可持续发展.     

Influence of mulching on the pattern of growth and water use by spring wheat and moisture storage on a fine textured soil

Eight tonnes ha^–1 of stubble were used to mulch spring wheat (Triticum aestivum) on a fine textured soil with the aim of controlling both transpiration and soil evaporation during the wet pre-anthesis phase to increase moisture supply during grain filling in the eastern wheatbelt of Western Australia. Mulching reduced leaf area per plant by reducing the culm number; consequently the green area index was reduced. Reduced culm number was associated with low soil temperature which at 50 mm depth averaged 7°C lower under the mulched crop relative to the control crop in mid-season. The smaller canopies of the mulched crop used 15 mm less water than those of the control before anthesis; this difference in water-use was due equally to reduced transpiration and soil evaporation. However, the mulched crop was unable to increase ET during grain filling, a response associated with the persistence of low soil temperature for most of the growth period. Hence, total ET for the season was significantly lower (18 mm) under the mulched crop than the control crop. At harvest, mulching did not have significant effects on total above-ground dry matter and grain yields, but it increased water use efficiency for grain yield by 18%, grain weight by almost 17% and available moisture in both uncropped and cropped plots by an average of 43 mm.To determine whether there was any residual effects of soil treatment on moisture storage during the summer fallow period, soil moisture was monitored both in cropped plots and uncropped plots, that were either mulched or unmulched during the growing season, from harvest in October 1988 until next planting in June 1989. Available moisture at next planting was correlated with moisture storage at harvest despite the differences in run-off, soil evaporation and fallowing efficiency (increase in moisture storage as a percentage of rainfall) between treatments during fallowing. Therefore, the mulched treatments had more moisture available (30 mm), mostly as a result of less water use during cropping in the previous growing season, than the unmulched treatment.The study shows that mulching may be used to restrain both transpiration and soil evaporation early in the season to increase availability of soil moisture during grain filling. Secondly, mulching during the previous growing season had little effect on soil moisture during the summer fallow period, however, the moisture saved by mulching during cropping was conserved for the following season. These results indicate the importance of evaluating mulching of winter crops in terms of crop yield in the subsequent growing season as well as in the current season in which the soil was treated.Abbreviations D through drainage - DAS days after sowing of the crop on 31 May 1988 - DM dry matter produced in the above-ground portion of the crop (kg ha^–1) - E₀ evaporation from Class A pan (mm) - E_s evaporation from uncropped soil (mm) - E_sc evaporation from soil beneath the wheat canopy (mm) - ET evapotranspiration (mm) - FE fallowing efficiency (gain in soil moisture storage/rainfall) - GAI green area index (area of green vegetation per unit land area) - GWUE water-use efficiency for grain production (grain yield/total ET, kg ha^–1mm^–1) - K extinction coefficient (see equation 1) - RO run-off of moisture from soil surface during/following rainfall (mm) - SM available soil moisture (mm) at harvest (SMh) or at planting (SMp) - WUE water-use efficiency for total above-ground dry matter yield (see GWUE)     

干旱区滴灌枣棉间作模式下枣树棵间蒸发的变化规律

为明确枣树单、间作棵间土壤蒸发及水分耗散特征。通过大田试验,采用MLS测定枣树单、间作棵间土壤蒸发,并对其土壤蒸发的变化规律和气象因素、土壤因素及边界效应进行试验研究。试验结果表明:枣树棵间土壤蒸发在各生育期均出现不同的差异性。单、间作棵间土壤蒸发量及植株蒸腾量存在显著差异且总体上单作高于间作。对外部影响因素进行研究,枣树棵间土壤蒸发与太阳辐射、土壤含水量等呈现良好的函数关系。但日均温仅与单作棵间土壤蒸发相关性较高,而与间作相关性较差。对间作枣树边界效应进行判别,间作棉花显著影响间作枣树行间棵间土壤蒸发量,且棉花叶面积指数与行间棵间土壤蒸发量呈现良好二次函数关系。该研究在一定程度上体现了间作模式的优势,为其对减少无效水分消耗,提高水分利用效率提供理论依据。     

陕北黄土区雨季后山地枣林土壤水分动态变化研究

选取陕北延川县齐家山红枣试验基地枣林地、苹果林地和撂荒草地为研究对象进行土壤水分动态变化研究，结果表明：①不同坡位、不同坡向和不同整地方式的枣林地土壤水分存在显著差异；其中，研究区下坡位土壤水分最高，为14.19%；阴坡土壤水分最高，为14.19%；水平阶整地枣林土壤水分显著高于原状坡。②研究区不同植被类型间土壤水分垂直变化趋势基本一致。枣林地土壤水分最高，为11.49%；不同植被类型0~100 cm土壤贮水量依次表现为枣林地（144.76 mm） > 苹果林地（124.19 mm） > 撂荒草地（72.20 mm）。③不同植被类型土壤贮水亏缺度存在差异。雨季前，0~20 cm土层亏缺度最小，平均亏缺度表现为撂荒草地 > 枣林 > 苹果林；雨季后，土壤水分亏缺度表现为撂荒草地 > 苹果 > 枣林，除枣林地外均高于雨季前土壤水分亏缺度。④雨季后，研究区3种植被类型0~20 cm土层土壤水分亏缺加剧；20~100 cm土层中，枣林土壤贮水补偿度为正值，土壤水分得到补偿，但最高仅为22.95%，枣林土壤水分仍处于亏缺状态并未完全恢复；苹果林地土壤贮水补偿度则为负值，表明土壤水分亏缺进一步加剧；撂荒草地土壤水分补偿度基本维持在0左右，土壤水分亏缺没有持续恶化。     

雨养玉米农田生态系统的蒸散特征及其作物系数

基于雨养玉米农田生态系统2007年整个生长季的涡度相关通量资料,对蒸散的日、季动态进行分析.结果表明：玉米农田生态系统蒸散的日、季动态均呈单峰型变化,最大值分别出现在12:00左右和7月.结合修正的Penman-Monteith公式与相应的生态、气象观测要素,对作物系数(K指数)影响因子的分析结果表明,K指数主要受叶面积指数(LAI)、气温(T_a)、净辐射(R_n)以及表层土壤含水量的影响.在此基础上,初步建立了半小时尺度的作物系数(K指数)模型.     

黄土高原半干旱区苜蓿草地土壤干燥化特征与粮草轮作土壤水分恢复效应

实地测定了黄土高原半干旱区固原不同生长年限苜蓿草地和连作8a苜蓿草地翻耕轮作不同年限粮食作物后深层土壤水分特征,分析了苜蓿草地土壤干燥化特征和粮草轮作对土壤水分的恢复效应.结果表明:(1)苜蓿连作1a、5a、8a和12a等4类苜蓿草地0～1000cm土层平均土壤湿度值为6.6%,平均土壤水分过耗量702.8mm,平均土壤干燥化速率147.1mm/a,达到强烈干燥化程度,苜蓿连作5a土壤干层深度超过1000cm,苜蓿连作8a土壤干层深度超过1360cm,苜蓿草地合理利用年限为7a.(2)连作8a苜蓿草地翻耕并轮作4～7a和25a粮食作物等5类粮田0～1000cm土层土壤湿度介于6.74%～11.95%,土壤贮水量恢复值介于210.6～887.3mm,平均土壤水分恢复速率为80.8mm/a.轮作6a后粮田土壤干层轻度恢复程度以上深度达到1000cm.通过粮草轮作使苜蓿草地土壤湿度恢复到当地土壤稳定湿度需要13a以上.黄土高原半干旱区适宜的粮草轮作模式为:7a苜蓿→13a粮食作物.     

西北黑河中游荒漠绿洲农田作物蒸腾与土壤蒸发区分及作物耗水规律

利用中国生态系统研究网络临泽内陆河流域研究站绿洲农田2009年小气候、湍流交换、土壤蒸发和叶片气孔导度等综合观测试验数据,应用Shuttleworth-Wallace(S-W)双源模型以半小时为步长估算了绿洲农田玉米生长季实际蒸散量,并利用涡动相关与微型蒸渗仪实测数据对田间蒸散发量和棵间土壤蒸发量计算结果进行了检验。结果表明:S-W模型较好地估算研究区的蒸散量,并能有效区分农田作物蒸腾和土壤蒸发;全生育期玉米共耗水640 mm,其中作物蒸腾累积量为467 mm,土壤蒸发累积量为173 mm,分别占总量的72.9%和27.1%;日时间尺度上,作物蒸腾和土壤蒸发分别在0—6.3 mm/d和0—4.3 mm/d之间变化,其日平均分别为2.9和1.0 mm/d;田间供水充足,作物蒸腾与土壤蒸发比值明显受作物生长过程影响,播种—出苗期、出苗—拔节期、拔节—抽雄期、抽雄—灌浆期、灌浆—成熟期,其比值分别为0.04、0.8、7.0、5.2和1.4,不同阶段的比值差异主要受叶面积指数影响。