膜孔灌土壤氮素运移转化特性试验与数值模拟研究

论文摘要

在查阅和分析了国内外膜孔灌理论与技术相关文献资料的基础上,结合国家自然科学基金项目“膜孔灌施肥农田氮素运移特性与灌溉质量评价方法研究”,根据我国农田灌溉和施肥特点,采用室内外试验和理论分析相结合,以试验为主的技术路线,主要研究膜孔肥液单向交汇入渗和多向交汇入渗土壤氮素运移转化特性以及土壤温度效应和膜孔灌玉米耗水规律和水分利用效率,并对膜孔灌玉米农田土壤水热和肥液自由入渗土壤氮素运移转化进行数值模拟,主要研究成果为：（1）通过膜孔肥液单向交汇入渗室内试验,研究了膜孔肥液单向交汇入渗湿润体内氮素运移转化特性。根据膜孔肥液单向交汇入渗土壤水分分布与氮素运移转化规律,建立了湿润体内土壤含水率、土壤硝态氮和土壤铵态氮与肥液浓度和运移分布时间的非线性关系,其相关系数均大于0.9200,相关性很好,可以反映膜孔单向交汇条件下肥液浓度对土壤水分分布特征和氮素运移转化的影响。（2）通过膜孔肥液多向交汇入渗室内试验,研究了膜孔自由入渗、单向交汇入渗和多向交汇入渗三阶段过程,研究了膜孔肥液多向交汇入渗湿润体氮素运移转化特性。根据膜孔肥液多向交汇入渗土壤水分分布与氮素运移转化规律,建立了湿润体内土壤含水率、士壤硝态氮和土壤铵态氮与肥液浓度和运移分布时间的非线性关系,其相关系数均大于0.9200,相关性很好,可以反映膜孔多向交汇条件下肥液浓度对土壤水分分布特征和氮素运移转化的影响。（3）通过田间试验研究了不同灌水定额、灌水次数、基肥定额和追肥定额条件下土壤氮素随生育期的运移转化规律。不同灌水定额和灌水次数条件下,同一生育期,土壤含水率、土壤铵态氮和土壤硝态氮随土壤垂直深度的增大是先增大后减小。不同基肥定额和追肥定额条件下,同一生育期,不施基肥时土壤铵态氮在抽穗期和灌浆期随土壤垂直深度的增加是先增大后减小,不追肥时土壤铵态氮在苗期和拔节期随土壤垂直深度的增大是先增大后减小。施基肥时和追肥时土壤铵态氮在苗期、拔节期、抽穗期和灌浆期随土壤垂直深度的增加是先增大后减小。（4）通过田间试验研究了灌水定额和追肥定额对膜孔灌玉米抽穗期和全生育期土壤氮素运移转化的影响,建立了抽穗期土壤含水率、土壤硝态氮和土壤铵态氮与灌水定额和追肥定额和生育时间的非线性关系,其相关系数均大于0.9200,相关性很好；建立了不同灌水定额条件下全生育期土壤含水率随生育时间的正余弦函数关系以及不同灌水定额和追肥定额条件下土壤铵态氮和土壤硝态氮随生育时间的非线性函数关系,其相关性很好,标准误差很小,均可以反映膜孔灌玉米农田土壤水分分布和氮素运移转化规律。（5）研究了膜孔灌玉米农田土壤温度的日动态变化、全生育期动态变化,土壤温度垂直剖面的动态变化。建立了膜孔灌和畦灌土壤温度的日动态正余弦函数关系和随生育时间的函数关系。在同一土层,膜孔灌土壤温度最大值出现在16：00,最小值在次日2：00,而畦灌土壤温度的最大值出现在14：00,最小值也在次日2：00。膜孔灌和畦灌土壤温度在垂直剖面0-40.Ocm逐渐减小,在40.0cm-80.0cm保持稳定。全生育期膜孔灌玉米与畦灌农田垂直剖面深度0-80.Ocm土壤温度差的平均值为1.09℃。（6）研究了不同灌水定额和灌水次数膜孔灌玉米和畦灌耗水规律和水分利用效率,建立基于SPAC系统玉米耗水量模型。膜孔灌玉米耗水量随生育时间的增大是先增大后减小,呈抛物线变化规律,其耗水量的最大值出现在抽穗期。膜孔灌玉米耗水量随灌水定额和灌水次数的增大而增大。畦灌玉米全生育期总耗水量比膜孔灌玉米灌水次数分别为3次、4次和5次全生育期总耗水量高了54.72%、44.19%和34.62%。膜孔灌玉米水分利用效率随灌水定额和灌水次数的增大是先增大后减小,·膜孔灌玉米灌水次数为4次,灌水定额为450.0m3/hm2的水分利用效率最大,其最大值为2.28 kg/m3。膜孔灌玉米合理的灌溉制度是：灌水定额为450.0m3/hm2、灌水次数为4次、基肥定额为150.0kg/hm2和追肥定额为300.0kg/hm2。（7）利用土壤水热运移方程和土壤水氮运移转化方程分别对膜孔灌玉米农田土壤水热运移和膜孔肥液自由入渗土壤水氮运移转化进行数值模拟。膜孔灌玉米农田土壤水热运移方程的土壤含水率和土壤温度的计算值与实测值吻合比较好,经统计分析土壤含水率拟合的相关系数均大于0.91,土壤温度拟合的相关系数均大于0.90。土壤含水率在0-40.Ocm逐渐增加,而在40.0-100.Ocm逐渐减小,土壤温度在0-40.Ocm逐渐减小,在40.Ocm以下保持稳定状态。膜孔肥液自由入渗土壤水氮运移转化过程中,入渗120.Omin和入渗结束分布10d的土壤含水率实测值与计算值根方误差的平均值分别为0.5910和0.5349,入渗结束运移转化5d和10d的土壤硝态氮和土壤铵态氮的实测值与计算值根方误差的平均值分别为0.4388和0.7299,0.8431和0.8975,吻合良好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 作物覆膜栽培研究现状
• 1.2.2 滴灌溶质运移研究现状
• 1.2.3 土壤溶质运移转化机理及模型
• 1.2.4 膜孔灌溉理论与技术研究现状
• 1.3 研究内容和技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 2 膜孔单向交汇入渗土壤氮素运移转化特性
• 2.1 室内试验装置与方法
• 2.1.1 室内试验装置
• 2.1.2 室内试验观测项目
• 2.1.3 试验土壤基本参数
• 2.2 膜孔单向交汇入渗水分运移特性
• 2.2.1 肥液浓度对单位膜孔面积累积入渗能力的影响
• 2.2.2 土壤水分湿润锋运移特性
• 2.2.3 土壤含水率分布特性
• 2.3 肥液浓度对膜孔单向交汇入渗土壤含水率分布的影响
• 2.4 膜孔单向交汇入渗氮素运移转化特性
• 2.4.1 土壤铵态氮分布特性
• 2.4.2 土壤硝态氮分布特性
• 2.5 肥液浓度对膜孔单向交汇入渗氮素运移转化的影响
• 2.5.1 肥液浓度对土壤铵态氮运移转化的影响
• 2.5.2 肥液浓度对土壤硝态氮运移转化的影响
• 2.6 肥液浓度对膜孔单向交汇入渗交汇时间的影响
• 2.7 本章小结
• 3 膜孔多向交汇入渗土壤氮素运移转化特性
• 3.1 室内试验装置与方法
• 3.1.1 室内试验装置
• 3.1.2 试验观测项目和土壤基本参数
• 3.2 膜孔多向交汇入渗水分运移分布特性
• 3.2.1 肥液浓度对单位膜孔面积累积入渗能力的影响
• 3.2.2 土壤水分湿润锋的运移特性
• 3.2.3 土壤含水率运移分布特性
• 3.3 肥液浓度对膜孔多向交汇入渗土壤含水率分布的影响
• 3.4 膜孔多向交汇入渗氮素的运移转化特性
• 3.4.1 土壤铵态氮运移转化特性
• 3.4.2 土壤硝态氮运移转化特性
• 3.5 肥液浓度对膜孔多向交汇入渗氮素运移转化的影响
• 3.5.1 肥液浓度对土壤铵态氮运移转化的影响
• 3.5.2 肥液浓度对土壤硝态氮运移分布的影响
• 3.6 肥液浓度对膜孔多向交汇入渗交汇时间的影响
• 3.7 本章小结
• 4 膜孔灌玉米农田土壤氮素运移转化特性
• 4.1 室外试验方案和方法
• 4.1.1 室外试验方案
• 4.1.2 室外试验观测项目
• 4.2 灌水定额对土壤水氮运移转化的影响
• 4.2.1 灌水定额对土壤含水率运移分布的影响
• 4.2.2 灌水定额对土壤铵态氮运移转化的影响
• 4.2.3 灌水定额对土壤硝态氮运移转化的影响
• 4.3 灌水次数对土壤水氮运移转化的影响
• 4.3.1 灌水次数对土壤含水率运移分布的影响
• 4.3.2 灌水次数对土壤铵态氮运移转化的影响
• 4.3.3 灌水次数对土壤硝态氮运移转化的影响
• 4.4 基肥量对土壤氮素运移转化的影响
• 4.4.1 基肥量对土壤铵态氮运移转化的影响
• 4.4.2 基肥量对土壤硝态氮运移转化的影响
• 4.5 追肥量对土壤氮素运移转化的影响
• 4.5.1 追肥量对土壤铵态氮运移转化的影响
• 4.5.2 追肥量对土壤硝态氮运移转化的影响
• 4.6 灌水定额对抽穗期土壤水氮运移转化的影响
• 4.6.1 灌水定额对抽穗期土壤水分分布影响
• 4.6.2 灌水定额对抽穗期土壤铵态氮运移转化的影响
• 4.6.3 灌水定额对抽穗期土壤硝态氮运移转化的影响
• 4.7 追肥定额对抽穗期土壤氮素运移转化的影响
• 4.7.1 追肥定额对抽穗期土壤铵态氮运移转化的影响
• 4.7.2 追肥定额对抽穗期土壤硝态氮运移转化的影响
• 4.8 灌水定额对玉米全生育期土壤水氮运移转化的影响
• 4.8.1 灌水定额对全生育期土壤水分分布的影响
• 4.8.2 灌水定额对全生育期土壤铵态氮运移转化的影响
• 4.8.3 灌水定额对全生育期土壤硝态氮运移转化的影响
• 4.9 追肥定额对全生育期土壤氮素运移转化的影响
• 4.9.1 追肥定额对全生育期土壤铵态氮运移转化的影响
• 4.9.2 追肥定额对全生育期土壤硝态氮运移转化的影响
• 4.10 本章小结
• 5 膜孔灌玉米农田土壤温度效应
• 5.1 膜孔灌玉米农田土壤温度日动态变化
• 5.1.1 不同土层深度土壤温度日动态变化
• 5.1.2 膜孔灌和畦灌不同土壤剖而土壤温度日动态变化
• 5.1.3 玉米不同生育期土壤温度日动态变化
• 5.1.4 膜孔灌和畦灌不同生育期土壤温度日动态变化
• 5.2 膜孔灌玉米农田土壤温度全生育期动态变化
• 5.2.1 玉米全生育期不同土层深度土壤温度动态变化
• 5.2.2 膜孔灌和畦灌玉米全生育期土壤温度动态变化
• 5.3 膜孔灌玉米农田土壤垂直剖面温度动态变化
• 5.3.1 土壤温度垂直剖面日动态变化
• 5.3.2 膜孔灌和畦灌土壤温度垂直剖面日动态变化分析
• 5.3.3 玉米土壤温度垂直剖面生育期动态变化
• 5.3.4 膜孔灌和畦灌玉米全生育期土壤温度垂直剖面动态变化
• 5.4 本章小结
• 6 膜孔灌玉米耗水规律和水分利用效率
• 6.1 玉米耗水量的计算
• 6.1.1 利用水量平衡法计算玉米耗水量
• 6.1.2 建立基于SPAC系统的作物腾发量模型
• 6.1.3 模型验证
• 6.2 膜孔灌玉米耗水量影响因素
• 6.2.1 灌水定额对膜孔灌玉米耗水量的影响
• 6.2.2 灌水次数对膜孔灌玉米耗水量的影响
• 6.3 膜孔灌玉米水分利用效率
• 6.3.1 灌水定额对水分利用效率的影响
• 6.3.2 灌水次数对水分利用效率的影响
• 6.4 本章小结
• 7 膜孔灌玉米农田土壤水热和肥液自由入渗氮素运移转化数值模拟
• 7.1 膜孔灌玉米农田土壤水热运移的数值模拟
• 7.1.1 膜孔灌玉米农田土壤水热运移基本方程
• 7.1.2 土壤水热方程的边界条件
• 7.1.3 土壤水热运移方程的求解
• 7.1.4 土壤水热运移方程中土壤参数的确定
• 7.1.5 土壤水热运移方程的验证
• 7.2 膜孔肥液自由入渗土壤水氮运移转化数值模拟
• 7.2.1 土壤水分运移方程
• 7.2.2 土壤硝态氮运移转化方程
• 7.2.3 土壤铵态氮运移转化方程
• 7.2.4 土壤水氮运移转化方程参数确定
• 7.2.5 土壤水氮运移转化方程求解
• 7.2.6 土壤水氮运移转化方程验证
• 7.3 本章小结
• 8 结论与建议
• 8.1 结论
• 8.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录