惠农灌区节水灌溉与暗管排水农田土壤水热和水盐迁移规律及数值模拟
这是一篇关于节水灌溉,暗管排水,知识图谱,水热盐运移,参考作物腾发量的论文, 主要内容为针对宁夏银北惠农灌区节水灌溉与暗管排水相结合如何促进水资源高效利用的问题,采用田间试验监测与数值模拟相结合方式,系统的研究了惠农灌区节水灌溉与暗管排水农田水热、水盐运移及其数值模拟,对现代化生态灌区盐碱地改良和土壤水肥气热高效利用及作物提质增效具有重大意义。主要研究结论如下:(1)应用知识图谱可视化工具VOSviwer、Citespace对国内外暗管排水研究领域文献引文进行挖掘,探明了国内外暗管排水研究领域的研究内容、发展动态。得出了暗管排水领域的研究强国、暗管排水领域12个活跃的研究方向、高影响力研究机构,揭示了国内外暗管排水研究内容上的差异,国内外暗管排水核心研究学者之间的合作关系。分析得出暗管排水研究领域研究的未来新兴趋势。(2)通过银北惠农灌区田间水热观测试验,得出了节水灌溉和暗管排水区农田土壤水热变化规律,在竖向一维空间温度变化规律较好的遵循傅里叶热导定率,土壤70cm以下深层温度变化不明显,原因是当地地下水位高,深层土壤含水率较高导致热容量大和温度穿透距离较长的共同作用。土壤温度日变化幅度值大小对于土壤含水率很敏感。采用Fayer提出的日蒸发分配模型,较好的模拟了土壤表层水分日内变化规律,采用(PDV)模型模拟了日内小时精度各层土壤变化规律。模拟结果与实测结果吻合。(3)采用SIMDualKc-HYDRUS农田水文集成模型,对不同作物生长过程条件下农田土壤水转化过程与农田土壤水盐进行了模拟,得到了 2018年及2019年银北惠农地区田间玉米作物系数在生育期的变化,田间各项水分(降雨、灌溉、灌溉水渗漏、毛管水上升补给作物、土壤蒸发、实际腾发量)变化规律以及土壤耗水过程。整个生育期田间深层渗漏达到灌水量的30%±2%,地下毛管水补给作物水量分别占实际作物需水量的25.2%和22.7%。作物生育期田间土壤含盐量变化不大,其中土壤返盐主要是由于土壤蒸发引起的,在作物中后期叶片成熟具有较大的冠层,土壤的蒸发不明显,因此这一期间没有必要再洗盐,因此作物种植密度与土壤覆盖是解决生育期土壤返盐的重要手段。灌溉方式上采用小流量多次数灌溉方式是降低减产风险的有效手段。(4)在银北惠农灌区分析不同ETO模型在不同时间步长上的适应性与差异性,探明各模型对五项气象要素的多年平均敏感性,以银北惠农灌区为研究对象,使用REF-ET计算参考腾发量软件计算ETO值,以FAO-56模型为基准,采用统计指标RMSD、MAD评价各模型的适用性、差异性。采用偏导数的敏感性分析方法,分析不同ETO计算模型对各气象要素(气温、相对湿度、风速、日照时数、)的敏感性分析。各模型基于日时间步长的适用性指标RMSD值在0.05mm/day～2.34mm/day,基于月时间步长适用性指标RMSD值在1.4mm/month～66.4mm/month,日时间步长与月时间步长的差异性指标MAD值在1.5mm/month～13.15mm/month。得出分析各模型MAD值,各模型基于月、日时间步长计算得到的 ET0 值差异性不大。ASCE-Penman Monteith、ASCE-STAND、FAO56-PM、1972-Kimberly-Penman、1948/63 Penman FAO-24 PM 和 FAO-PPP-17 PM 模型对于相对湿度的敏感系数最大,1996,82-Kimberly-Penman、FAOBlaney-criddle 和 1985Hargreaves-Samani 模型对于最高温的敏感系数最大,FA0-24辐射、1972 Priestley-Taylor和Makkink模型对于日照时数的敏感系数最大,Turc模型对于最低温的敏感系数最大。得出在银北惠农地区ASCE系列具有较高适应性,其次是1948Penman以及Kimberly-Penman系列;Turc、FAO-24 Blaney-Criddle 两款模型不适应于银北惠农地区。
不同灌溉方式对麦田水氮利用及温室气体排放的影响
这是一篇关于华北地区,节水灌溉,冬小麦,温室气体,水氮利用的论文, 主要内容为华北地区地下水资源缺乏、农业灌水利用效率低、土壤氮素盈余高、温室气体排放量大等问题,极大地阻碍了农业的可持续发展。如何实现农业节水和温室气体减排是该区粮食生产面临的重要挑战。本研究于2020-2022年采用田间大区试验和室内分析相结合的方法,以两季冬小麦为研究对象,在河北省宁晋县贾家口镇白木村,设置了地表滴灌(DI)、浅埋滴灌(SDI)、浅埋滴灌下的根系交替灌溉(PRI)和漫灌(FP)、漫灌下不施氮(CK)5个处理,系统分析了不同灌溉方式下的小麦产量、水氮利用效率、农田温室气体排放特征及净温室效应等,研究结果为华北地区确定最优节水灌溉模式提供科学依据,得到的主要结论如下:(1)成熟期小麦干物质积累量DI>SDI>FP>PRI,DI、SDI处理较FP处理更有利于小麦干物质量的积累。成熟期小麦氮素积累量SDI>DI>PRI>FP,DI、SDI处理小麦氮素积累较FP处理显著提高20.78%和24.30%,SDI是更有利于小麦氮素积累的灌溉模式。SDI处理的有效穗数、穗粒数、产量均处于最高水平,两年度SDI处理较其他施氮处理产量提高3.92%～8.87%,PRI处理小麦耗水量较低,未能提高小麦产量。2020-2021年小麦各处理间氮肥利用效率(ANUE)和氮肥偏生产力(PFP)无明显差异。2021-2022年SDI处理小麦ANUE较FP处理显著提高63.42%;SDI处理较FP和PRI处理的小麦PFP显著提高9.97%和12.70%。灌溉方式对小麦水分利用率有极显著影响,PRI处理小麦平均灌溉水生产率(IWUE)显著高出DI、SDI、FP处理48.58%～191.11%,其次是SDI和DI处理,分别高出FP处理95.93%和88.52%;PRI处理小麦水分生产率(WUE)显著高于DI、SDI、FP处理16.26%～81.62%,其次是SDI和DI处理,分别较FP处理提高56.21%和50.27%。(2)滴灌处理土壤N2O排放高峰在施肥后持续4～10天,FP处理在施肥后持续8～11天。两年度滴灌处理N2O累积排放量较FP处理平均显著减少41.04%～66.27%。PRI处理的N2O累积排放量最低为0.52 kg/hm2;各施氮处理土壤CO2高峰排放在施肥以后持续3～8天。小麦全生育期土壤CO2排放主要发生在土壤温度较高的拔节-成熟期,各滴灌处理均减少了麦田土壤CO2的排放;滴灌处理土壤CH4排放高峰在施肥以后持续2天左右,FP处理在施肥以后持续3天。与FP处理相比,滴灌施肥处理的土壤对 CH4 吸收增加了 82.76%～146.55%(2020-2021 年)和 102.08%～181.25%(2021-2022年),其中,DI处理的土壤CH4累积吸收量最高为1.39 kg/hm2。(3)滴灌减少了间接温室气体排放,DI/SDI和PRI与FP相比,间接温室气体减少了 16.1%和29.8%。两年小麦生长时期,滴灌的综合净温室效应和温室气体排放强度分别较漫灌平均降低9.47%～12.37%和12.66%～17.90%。滴灌处理中,PRI处理的麦田平均综合净温室效应最低,较FP施肥处理显著降低12.48%,其次为SDI处理,较FP处理显著降低10.34%。SDI处理的温室气体排放强度最低,较FP处理显著降低17.90%。SDI处理综合净温室效应和温室气体排放强度均为较低水平。两年度均以SDI处理净收益最高,较其他施氮处理增收547～5676 yuan/hm2。综上,采用浅埋滴灌方式的小麦干物质积累量、氮素积累量及水氮利用效率等指标较优,不仅有利于提高籽粒产量,增加净收益,提高水氮利用效率,同时减少了环境污染风险,是适合华北地区的一种节水、减排、增产的科学灌溉模式。
智能灌溉集成装备物联网控制系统设计
这是一篇关于节水灌溉,控制系统,物联网,远程控制,墒情的论文, 主要内容为2023中央一号文件指示加强农业基础设施建设,强化农业科技和装备支撑,适宜的智能灌溉农机对推进农业机械化与发展智慧农业具有重要意义。针对目前智能灌溉农机集成度低、控制方式单一、操作繁琐等问题,本研究自主开发墒情信息处理技术,并基于国产RISC-V指令集单片机芯片、WSS双向通信协议与物联网技术,为智能灌溉集成装备设计一套集高效节水、精准控制、智能灌溉施肥、土壤墒情监测、多终端同步控制功能于一体的物联网控制系统。主要研究结果如下:(1)研发模块化物联网控制系统。基于国产单片机芯片与物联网技术研发模块化控制系统。控制系统集成灌溉泵与灌区管理、自动反冲洗过滤、多路同步施肥、墒情监测、远程监控等功能模块。控制系统各功能模块均可独立自主运行,用户可根据项目实际需求自由选择功能模块,通过不同模块的灵活组合,满足不同项目的需求。(2)设计多终端同步操作界面。基于Linux云服务器与WSS协议设计具有在操作上完全同步的远程端、现场端及移动端3个操作界面。操作界面采用相同代码结构编写,用户在任意操作界面中的操作会自动同步至其余操作界面,在简化操作的同时降低学习成本。(3)开发控制系统智能算法。基于节水灌溉工程设计经验与智能灌溉集成装备常见工况研发控制系统智能算法。智能算法可实现管道流量监测与调控、管道压力保护、管道渗漏预警、反冲洗过滤压力补偿、阀门状态监测与压力调节、水肥同步与肥料配比、传感器数据汇聚与控制信息解析等功能,提升灌溉设备智能化水平。(4)研发测试平台进行控制系统试验与田间试验。基于控制系统核心代码同步研发测试平台。通过测试平台完成控制系统功能试验,田间试验表明施肥流量误差为0.20%～1.67%,压力控制误差为-0.22%～1.17%,反冲洗时间误差为0.55%～2.44%。本研究设计的智能灌溉集成装备物联网控制系统集成灌溉、施肥与土壤墒情监测功能,并针对常见工况设计优化算法以提升装备应用效果。本研究成果可为节水灌溉工程设计提供技术参考。
智能灌溉集成装备物联网控制系统设计
这是一篇关于节水灌溉,控制系统,物联网,远程控制,墒情的论文, 主要内容为2023中央一号文件指示加强农业基础设施建设,强化农业科技和装备支撑,适宜的智能灌溉农机对推进农业机械化与发展智慧农业具有重要意义。针对目前智能灌溉农机集成度低、控制方式单一、操作繁琐等问题,本研究自主开发墒情信息处理技术,并基于国产RISC-V指令集单片机芯片、WSS双向通信协议与物联网技术,为智能灌溉集成装备设计一套集高效节水、精准控制、智能灌溉施肥、土壤墒情监测、多终端同步控制功能于一体的物联网控制系统。主要研究结果如下:(1)研发模块化物联网控制系统。基于国产单片机芯片与物联网技术研发模块化控制系统。控制系统集成灌溉泵与灌区管理、自动反冲洗过滤、多路同步施肥、墒情监测、远程监控等功能模块。控制系统各功能模块均可独立自主运行,用户可根据项目实际需求自由选择功能模块,通过不同模块的灵活组合,满足不同项目的需求。(2)设计多终端同步操作界面。基于Linux云服务器与WSS协议设计具有在操作上完全同步的远程端、现场端及移动端3个操作界面。操作界面采用相同代码结构编写,用户在任意操作界面中的操作会自动同步至其余操作界面,在简化操作的同时降低学习成本。(3)开发控制系统智能算法。基于节水灌溉工程设计经验与智能灌溉集成装备常见工况研发控制系统智能算法。智能算法可实现管道流量监测与调控、管道压力保护、管道渗漏预警、反冲洗过滤压力补偿、阀门状态监测与压力调节、水肥同步与肥料配比、传感器数据汇聚与控制信息解析等功能,提升灌溉设备智能化水平。(4)研发测试平台进行控制系统试验与田间试验。基于控制系统核心代码同步研发测试平台。通过测试平台完成控制系统功能试验,田间试验表明施肥流量误差为0.20%～1.67%,压力控制误差为-0.22%～1.17%,反冲洗时间误差为0.55%～2.44%。本研究设计的智能灌溉集成装备物联网控制系统集成灌溉、施肥与土壤墒情监测功能,并针对常见工况设计优化算法以提升装备应用效果。本研究成果可为节水灌溉工程设计提供技术参考。
不同灌溉方式对麦田水氮利用及温室气体排放的影响
这是一篇关于华北地区,节水灌溉,冬小麦,温室气体,水氮利用的论文, 主要内容为华北地区地下水资源缺乏、农业灌水利用效率低、土壤氮素盈余高、温室气体排放量大等问题,极大地阻碍了农业的可持续发展。如何实现农业节水和温室气体减排是该区粮食生产面临的重要挑战。本研究于2020-2022年采用田间大区试验和室内分析相结合的方法,以两季冬小麦为研究对象,在河北省宁晋县贾家口镇白木村,设置了地表滴灌(DI)、浅埋滴灌(SDI)、浅埋滴灌下的根系交替灌溉(PRI)和漫灌(FP)、漫灌下不施氮(CK)5个处理,系统分析了不同灌溉方式下的小麦产量、水氮利用效率、农田温室气体排放特征及净温室效应等,研究结果为华北地区确定最优节水灌溉模式提供科学依据,得到的主要结论如下:(1)成熟期小麦干物质积累量DI>SDI>FP>PRI,DI、SDI处理较FP处理更有利于小麦干物质量的积累。成熟期小麦氮素积累量SDI>DI>PRI>FP,DI、SDI处理小麦氮素积累较FP处理显著提高20.78%和24.30%,SDI是更有利于小麦氮素积累的灌溉模式。SDI处理的有效穗数、穗粒数、产量均处于最高水平,两年度SDI处理较其他施氮处理产量提高3.92%～8.87%,PRI处理小麦耗水量较低,未能提高小麦产量。2020-2021年小麦各处理间氮肥利用效率(ANUE)和氮肥偏生产力(PFP)无明显差异。2021-2022年SDI处理小麦ANUE较FP处理显著提高63.42%;SDI处理较FP和PRI处理的小麦PFP显著提高9.97%和12.70%。灌溉方式对小麦水分利用率有极显著影响,PRI处理小麦平均灌溉水生产率(IWUE)显著高出DI、SDI、FP处理48.58%～191.11%,其次是SDI和DI处理,分别高出FP处理95.93%和88.52%;PRI处理小麦水分生产率(WUE)显著高于DI、SDI、FP处理16.26%～81.62%,其次是SDI和DI处理,分别较FP处理提高56.21%和50.27%。(2)滴灌处理土壤N2O排放高峰在施肥后持续4～10天,FP处理在施肥后持续8～11天。两年度滴灌处理N2O累积排放量较FP处理平均显著减少41.04%～66.27%。PRI处理的N2O累积排放量最低为0.52 kg/hm2;各施氮处理土壤CO2高峰排放在施肥以后持续3～8天。小麦全生育期土壤CO2排放主要发生在土壤温度较高的拔节-成熟期,各滴灌处理均减少了麦田土壤CO2的排放;滴灌处理土壤CH4排放高峰在施肥以后持续2天左右,FP处理在施肥以后持续3天。与FP处理相比,滴灌施肥处理的土壤对 CH4 吸收增加了 82.76%～146.55%(2020-2021 年)和 102.08%～181.25%(2021-2022年),其中,DI处理的土壤CH4累积吸收量最高为1.39 kg/hm2。(3)滴灌减少了间接温室气体排放,DI/SDI和PRI与FP相比,间接温室气体减少了 16.1%和29.8%。两年小麦生长时期,滴灌的综合净温室效应和温室气体排放强度分别较漫灌平均降低9.47%～12.37%和12.66%～17.90%。滴灌处理中,PRI处理的麦田平均综合净温室效应最低,较FP施肥处理显著降低12.48%,其次为SDI处理,较FP处理显著降低10.34%。SDI处理的温室气体排放强度最低,较FP处理显著降低17.90%。SDI处理综合净温室效应和温室气体排放强度均为较低水平。两年度均以SDI处理净收益最高,较其他施氮处理增收547～5676 yuan/hm2。综上,采用浅埋滴灌方式的小麦干物质积累量、氮素积累量及水氮利用效率等指标较优,不仅有利于提高籽粒产量,增加净收益,提高水氮利用效率,同时减少了环境污染风险,是适合华北地区的一种节水、减排、增产的科学灌溉模式。
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