蒸发条件下一维垂向非饱和土壤水分运动的数值模拟——以额济纳荒漠河岸胡杨林为例

根据额济纳荒漠河岸胡杨林的实际土壤层结构,建立了带有根系吸水项的垂向一维土壤水分非饱和运动基本方程,并采用有限差分法对蒸发条件下土壤水分运动方程进行离散化,编制了用于该模型数值模拟的计算程序。最后通过数值模拟对模型进行验证,结果表明,模拟值与实测值能够较好吻合,模拟精度在92%~98%之间,能较好地反映土壤水分的运动规律,为研究土壤-植被-大气连续体（SPAC）水分运移提供理论基础。     

干旱地区植被影响沙地水分传输机理及其参数化

从植物生长与水分平衡的关系入手,在土壤水分动力学和近地面空气动力学等学科的研究基础上,依据植物生理生态学原理,探讨了干旱地区植被影响沙地水分传输的机理,初步建立了植被参数化模型和土壤-植物-大气连续体(SPAC)水分传输综合模型。主要研究结果如下:①分析了荒漠植物的生长及其动态变化特征,对沙生植物地上部与根系生长,尤其是根系在土壤中的分布进行了量化。②分析了荒漠植物的蒸腾特性及其气孔调节作用机制,指出了土壤水分亏缺是叶片气孔关闭、蒸腾作用降低的主要原因,探讨了植物蒸腾作用与气孔调节之间的复杂关系及其今后的研究重点。③揭示了沙地植被蒸发蒸腾的变化规律;分析了影响沙地植被蒸发蒸腾的生物因素和环境因素的作用。④初步建立了植被参数化和SPAC水分传输综合模型,模拟了植被结构影响冠层能量平衡过程,探讨了植物状态参数、生理参数与蒸发蒸腾的相互关系。     

流域土地覆被变化水文效应的模拟——以长江上游源头区梭磨河为例

为分析地表覆被变化的水文效应,以半分布式的地形指数模型 (TOPOMODEL) 为基础,对梭磨河流域1960~1999年逐日流量过程进行了模拟。结果表明,对于流域面积2536km² 的梭磨河流域,该模型也能取得较好的模拟结果。模拟了流域40年来气候波动和地表覆被变化对流域水文的影响。最后在4种不同的流域土地覆被情景下模拟了1960~1999年逐日径流过程。对于实际蒸散发与潜在蒸发有300多mm差距的梭磨河流域,在其它条件不变的情况下,随着流域土地覆被和冠层最大截流量的增加,冠层截流蒸发和流域总蒸发增加,植被蒸腾和土壤表面蒸发减少,土壤水分增加而流域水分含量和饱和层含水量减少。地表径流、地表以下径流、总径流减小。重现期小于20年的洪峰流量减小,但对40年一遇的洪峰流量影响很小,甚至有增加洪峰流量的作用。     

民勤咸水灌溉及SWAP模型模拟研究

 采用0.8 g·L-1和5 g·L-1浓度咸水对民勤传统作物黄河蜜进行咸水灌溉试验。通过野外试验和实验室分析,评价了咸水灌溉对土壤性质和作物产量的影响,校正了SWAP模型并对相关因子进行了模拟分析。研究结果显示,尽管基于当地种植经验的灌水量与基于潜在蒸发蒸腾量（ET0）及根据田间持水量计算的需水量有一定差异,但灌溉水质和灌水量与田间产量具有较好的一致性;0.8 g·L-1处理的水利用效率高于5 g·L-1处理,湿润年的水利用效率高于干旱年;模拟结果显示,SWAP模型对不同试验处理和不同气候条件下的土壤性质和作物产量模拟效果较好。由此得出结论,在民勤可以利用SWAP模型模拟不同环境条件下的土壤水分状况及作物产量,为农田耕作提供理论支撑。     

泾河上游流域实际蒸散量及其各组分的估算

利用分布式生态水文模型SWIM,基于泾河上游(泾川测站以上) 植被、土壤、气象和水文数据对研究区进行了水文过程的模拟,从而估算了流域的实际蒸散量及其各组分。结果表明：SWIM模型能够较好的模拟泾河上游流域的水文过程,模拟的流域多年(1997-2003 年) 平均实际蒸散量为443 mm,其中土壤蒸发量为259 mm,植被蒸腾量为157 mm,冠层截持量为27 mm。石质山区的森林覆盖区和非森林地的年蒸散总量在整个流域分别具有最大值和最小值,为484 mm和418 mm;黄土区实际蒸散量介于二者之间,平均为447 mm。森林覆盖地区土壤蒸发明显小于其它区域,而蒸腾和冠层截留明显大于其它区域。年内蒸散量主要集中在5-8 月份,占全年总蒸散量的60%,且冠层蒸散比例较大达63%。整个流域湿润年份较干旱年份蒸散量增加了78 mm,其中土壤蒸发增加最多,其次是冠层蒸腾,冠层截留蒸发最小。     

基于Hydrus-1d模型的农田SPAC系统水分通量估算——以山西省运城市董村农场为例

农田SPAC系统水分通量的研究对提高农业用水效率,缓解我国的水资源短缺现状具有重要作用.本文利用HydruS-1d模型,以山西省运城市董村农场为例,估算了研究区三种主要农作物(夏玉米、棉花和冬小麦)的农田水分通量.结果表明,在模拟期内,夏玉米、棉花和冬小麦的作物蒸腾占蒸散发(T/ET)的比值分别为84.7%、71.6%...     

德州水量平衡试验站观测试验资料——〈中国地理基础数据〉野外定位试验站卷(第一集)即将出版

六十年代初中国科学院地理研究所,根据国家科委下达的西北、华北水量平衡研究课题,以及自然地理学、水文物理学理论研究的需要,在山东水利厅、德州行署和德州市的帮助下,利用德州灌溉试验站原有条件,建立了德州水量平衡试验站,进行农田蒸发、作物蒸腾、水面蒸发、潜水蒸发与土壤水分的观测仪器与观测方法的研究,以探求蒸发机制及土壤水分运动规律。自1961年4月至1965年12月,共积累了观测试验资料78种。     

祁连山中部亚高山草地作物系数估算

利用Lysimeter蒸散仪于2011-2014年对祁连山中部黑河上游天涝池流域亚高山草地实际蒸散量进行观测。用FAO Penman-Monteith模型对草地参考蒸散量进行估算,根据草地植被高度结合气象数据,以估算日尺度作物系数,以估算的作物系数与模拟的参考蒸散量计算草地实际蒸散量,并用观测值进行验证。结果表明：FAO改进后的作物系数计算方法适合该区域草地作物系数的计算;以FAO Penman-Monteith模型估算的日蒸散量为0.50~7.26 mm,生长季日均蒸散量有年际变化,2011年 > 2014年 > 2012年 > 2013年。总体来看,土壤蒸发总量年际变化不大,影响蒸散量年际变化的主要部分是植被的蒸腾。     

绿洲-荒漠交错带GSVAC水热传输可视化模拟系统的开发

以天山北麓三工河流域绿洲．荒漠交错带为研究对象,以可视化开发语言Visual Basic 6．0作为主要开发工具,结合Access数据库,在传统SPAC系统原理的基础上开发了绿洲．荒漠交错带水热传输可视化模拟系统。该系统具备系统管理、数据输入、数据处理、信息查询、模型计算、地下水预测、图形绘制、结果输出等功能。充分考虑到实时预测的实际工作要求,在系统开发的过程中,力求将本项目所研制的各种预测方案集成为一个可实时业务化运行的软件系统。通过该模拟系统可预测绿洲-荒漠交错带植被蒸腾量、地表蒸发量和植被的根系吸水速率以及土壤水热动态传输过程,为绿洲-荒漠交错带地下潜水-土壤-植被-大气连续体中数据的管理、地下水的预测和GSVAC水热传输动态的计算机模拟提供了强大的软件环境。     

灌溉方式对现代绿洲影响的数值模拟

灌溉是农业发展的根本,没有灌溉就没有荒漠区农业。利用美国NCAR中尺度模式MM5V3模拟了喷灌与不同水量地灌以及没有灌溉对绿洲土壤湿度、地下径流以及感热、潜热通量的不同影响。结果表明:①地灌后地表蒸发与植被层的蒸腾更旺盛,散失的水分更多;而喷灌可以抑制地表蒸发与植被层的蒸腾,对土壤水的保持更有利。②喷灌试验要在土壤湿度达饱和以后才会形成地下径流量,而地灌试验则是土壤湿度与地下径流量同时增长。总之,喷灌方式是一种高效节水的灌溉方式,它比其它灌溉方法更有利于绿洲农业生态系统的温度整体降低,不论土壤湿度还是大气湿度都会相应增大,抑制地表土壤水分的蒸发,有利于绿洲农业维持。     

改进后的CTM模型在半干旱区作物生长中的应用

将改进后含有温度和水肥补偿效应的CTM模型应用于半干旱区作物研究中,分析了水分因子与土壤养分因子间的生态学补偿效应,模拟了半干旱区作物生长过程,并对在不同水分和不同施肥量下的作物生长状况进行了数值模拟。结果表明,在水分变化梯度上,随着土壤水分的增加,主要作物春小麦的产量呈上升趋势,试验条件下春小麦籽粒产量的最大值为462.35g·m^-2;一定限度内通过合理施肥可以补偿土壤水分不足。模拟计算结果表明,丰水条件下施中肥效果最好。     

一个预测冬小麦根系层储水量的概念性模型

基于对SPAC系统的认识,以1995～1996年北京市水利科学研究所永乐店试验站和1993～1994年中国科学院禹城综合试验站冬小麦生长季土壤-作物-大气田间观测数据,对冬小麦根系层水量平衡的概念性模型进行参数确定和实验验证。研究结果表明:本文采用的根系层储水量的预测模型的模拟值与实测值吻合较好,且模型参数较少,形式简单,便于生产实践应用,但是具体的参数须通过田间试验获得。     

灌水量对土壤水肥分布与春小麦水分利用效率的影响

通过对春小麦不同灌水量土壤剖面水分和可溶性养分分布、农田实际蒸散量、作物水分利用效率及生物指标等的测定与计算,对沙坡头层次性土壤种植春小麦最适宜灌水量进行了研究。结果表明:(1)在春小麦拔节期及扬花期,以500 m³·hm^-2、750 m³·hm^-2及1 000 m³·hm^-2水量灌溉,土壤剖面30~100 cm深度土壤含水量随灌水量的增加而明显增加。(2)拔节期3个灌溉水平土壤剖面可溶性养分含量分布的峰值均出现在 0~20 cm土层,但其浓度的下移随灌水量的增加而降低;扬花期土壤剖面可溶性养分含量的峰值随灌水量的增加而下移。在灌水量为500 m³·hm^-2时可溶性养分浓度最高。(3)作物耗水量和农田实际蒸散量均随灌水量的增加而增加,春小麦的水分利用效率则随灌水量的增加而降低,与灌水量为500 m³·hm^-2相比,灌水量为750 m³·hm^-2及1 000 m³·hm^-2时籽粒水分利用率分别降低83.33%和147.50%。可见,在该土壤上种植春小麦的最适宜灌水量为500 m³·hm^-2,灌水量可保持在土壤田间持水量40%左右。     

河西绿洲区春小麦蒸腾蒸散的变化研究

在甘肃张掖绿洲区利用浮力称重式蒸散仪对春小麦蒸散量进行了测定,对蒸散量的日变化和季节变化特征进行了论述。研究结果表明:小麦田的日蒸散量在白天12:00~16:00达到最大,夜间20:00~08:00最小甚至呈负值。灌溉前后蒸腾强度出现峰值的时间有所变化。但灌溉以后,蒸腾与蒸散量均呈增大趋势。日蒸散量随着净辐射的增加而加大。在小麦不同的生育阶段,蒸散量有所不同,小麦拔节以前较小,拔节以后开始增大,灌浆期达到最大,接近成熟时逐渐降低。     

水肥耦合对玉米田间土壤水分运移的影响

以干旱区绿洲农田玉米水肥耦合试验为基础。利用含有根系吸水项的一维土壤水动力学模型,模拟了不同水肥条件下玉米蒸散、根系吸水、土体贮水量变化以及田间土壤水量平衡。结果表明：在玉米生长初期以棵间蒸发为主,其后则是以植株蒸腾为主;玉米在30-40cm土层吸水速率达到最大值;玉米灌水量为田间持水量的70％与85％对土壤0～80cm土层贮水量的贡献是相等的,并且高肥力在一定程度上可增强根系的吸水能力,高灌水可增强玉米根系对养分的吸收利用,但对于提高水肥利用率来说,理想的处理为中肥中水。     

基于电磁感应数据的膜下滴灌土壤水分动态变化研究

快速、无损监测农田土壤水分含量,是智慧农业的重要研究内容。以新疆南疆阿拉尔国家农业科技园区膜下滴灌棉田为研究对象,运用EM38-MK2大地电导率仪快速、高效的获取了4组不同时期的棉田土壤表观电导率数据,并同步采集表层土壤(0~20 cm)样品,通过构建表观电导率数据与室内测定含水量数据间的反演模型获取了测点的含水量数据,并按照土壤水分干旱分级标准对研究区土壤水分进行划分,综合利用GIS软件和地统计方法对土壤水分的时空变异性进行研究。结果表明:4个时期的土壤水分反演模型决定系数均大于0.80且均方根误差(RMSE)和平均绝对百分误差(MAPE)均较小,表明反演模型精度较高,土壤表观电导率与表层土壤水分相关性较好;不同时期土壤含水量数据表明土壤水分具有很强的时间变异性,变异性由中等变异转变为弱变异再转变为中等变异;受人为灌溉等因素的影响,变异函数模型也存在差异;半方差分析中4个时期的土壤水分块金值与基台值之比均大于75%,表明土壤水分在空间上趋近于弱空间相关;高程反距离权重(IDW)插值图及水分克里格插值图表明微地形是影响土壤水分分布的重要因素。本研究可为干旱区膜下滴灌棉田土壤水分动态监测提供重要的方法支撑,从而更好地指导农业灌溉。     

河西绿洲区储水灌溉节水技术研究

甘肃省河西地区储水灌溉的时间一般在10月中旬至11月中旬,这一时期河川的径流量减少,但储水灌溉面积大,灌水量超过200 mm,水资源供需矛盾突出。研究证明,储水灌溉始期可从习惯上的10月中旬提前到9月中旬,但灌水量不能低于150 mm;10月份以后灌溉,灌水量可降低到120 mm;储水灌溉后立即覆草或盖膜保墒,灌水量可降低至60~90 mm。储水灌溉节水潜力很大,每次灌水可节水50~80 mm。     

半干旱地区播前灌溉和地膜覆盖对春小麦产量形成的影响

两年大田试验研究了播前灌溉和地膜覆盖对春小麦产量形成及水分利用的影响。试验设4个处理, 对照(CK)、播种前灌水30mm(W), 覆膜60d(M)和播种前灌水30mm加覆膜60d(WM)。结果表明, 播前灌溉后土壤水分状况得到明显改善, 但由于土壤温度显著下降, 播前灌水会影响春小麦苗期的干物质积累。地膜覆盖在作物生育前期可以改善土壤水温条件, 促进干物质积累, 在后期则会导致土壤水分状况恶化, 导致收获指数的下降, 影响产量的形成和水分利用。在春小麦生产中将播前灌溉与地膜覆盖相结合: 一方面可以在作物出苗时及苗期改善土壤水温条件, 促进作物生长发育; 另一方面在产量形成的关键时期可以通过更好的水分条件去除覆膜的负效, 获得产量和水分利用效率的显著提高。