东北玉米农田行间土壤水分水平分布特性

发布时间：2017-12-09 05:02

  本文关键词：东北玉米农田行间土壤水分水平分布特性

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【摘要】：土壤水分不仅是植物生长和植被恢复的主要影响因子,而且与土壤侵蚀过程密切相关,还是水文过程中的重要变量。土壤水分通过蒸发蒸腾调节土壤与大气之间水分和能量转化,同时土壤水分也受到降雨、径流、入渗过程和地表水的影响。土壤水分时空分布特征的研究一直是水文学、土壤学研究的一个热点。本文希望通过研究东北玉米农田行尺度土壤水分的分布特征,了解行内不同位置土壤水分的运移规律,优化土壤水分测定和蒸散(evapotranspiration, ET)计算的取样位点,从而加深对农业应用(灌溉、精准农业)和水文过程模型的理解。同时可以为进一步研究多维土壤-植物-大气模型提供参考。本研究通过测定玉米行内不同位置的土壤体积含水量、穿透雨和土面蒸发,对土壤水分在行内的分布、运移进行了系统性的研究。本研究于2013年和2014年在中国农业大学吉林梨树实验站进行,田间试验设置了4个处理,分别为平作对照处理(FPB),平作秸秆覆盖处理(FPM),膜垄无覆盖处理(RPM)和膜垄沟内秸秆覆盖处理(RPM)。平作处理(FPB和FPM)中两行玉米之间选取5个位点测定土壤体积含水量,分别为两行玉米的位置(R1和R2位点),距R1位点15 cm远(1/4R位点),距R1位点30 cm远(1/2R位点),距R1位点45 cm远(3/4R位点)。垄作处理(RPB和RPM)以垄的正下方位点开始(命名为A位点),依次水平距A位点15、30、45和60 cm远(分别命名为B、C、D和E位点)。其中,C位点为玉米种植的位置,E位点为沟中央的位置。每10 cm深度土壤中设置5个土壤水分测定位点,分别设置10 cm、30 cm、50 cm和70 cm深度。在这4个处理下分别分析了玉米行内5个位点不同层次的土壤水分动态变化规律以及它们之间的异质性。同时分析了行内不同位点的穿透雨和土面蒸发的异质性。在田间试验基础上,在考虑降雨通过冠层在行内不均匀分布、和根系吸水条件下,应用HUDRUS-2D模型模拟分析FPB与RPB处理行尺度下不同土壤层次中各位点的土壤水分通量以及通量间的差异性,主要研究结果如下：(1)在平作体系下,玉米行尺度土壤水分存在空间差异,主要出现在10 cm和30 cm深度的土层。在整个玉米生育期内,行中间或行内位置的土壤水分最高或最低值。秸秆覆盖处理与无覆盖处理相比,秸秆覆盖影响土壤水分的空间差异,影响深度主要集中在10 cm深度,且不同的降雨年型表现不同。FPB处理与FPM处理中,选取行内1/4或3/4的位点来测定土壤水分,能较好的代表行内土壤水分的平均值。(2)在垄作体系下,玉米行尺度土壤水分存在空间异质性,主要出现在10 cm和30 cm深度的土层。10 cm土层中A位点的土壤水分最低值。秸秆覆盖影响土壤水分的空间异质性,影响深度主要集中在10 cm和30 cm深度。RPB处理中BD位点组合(垄下1/4处与沟内1/4处)的平均值能较好的代表行尺度内土壤水分的平均值；RPM处理中为BE位点组合(垄下1/4处与沟内1/2处位置)。(3)行内不同位点的穿透雨也存在空间异质性。2013年与2014年穿透雨测定日期内(每年各测定了7次),行内不同位点穿透雨变异系数范围为分别为15.9～45.4%和8.9%～42.2%。且在两行玉米中间的位置穿透雨量较大。冠层下各位点穿透雨量与降雨量正相关,与叶面积指数、株高负相关；穿透雨率与降雨量正相关,与叶面积指数、株高负相关。行内1/4位点和3/4位点的穿透雨量值能较好的代表行尺度内穿透雨量的平均值,且两年结果相同。通过多元线性逐步回归,建立的基于降雨量、叶面积指数、株高3个参数的玉米冠层下穿透雨量的估算方程,其相关性均达到极显著水平。(4)4个处理中行内不同位点的土面蒸发均存在空间异质性。无覆盖处理(FPB和RPB)处理中的土面蒸发要比有覆盖处理(FPM和RPM)的大；2013年4个处理间不同位点土面蒸发值的变异系数测定日期内平均值基本相同。2014年,垄作条件下(RPB和RPM)测定日期内变异系数的平均值比平作条件下(FPB和FPM)的大。(5)利用HYDRUS-2D模型,在考虑根系吸水和冠层对降雨在玉米行内分布的影响,模拟研究了行尺度下水分的运移及水分通量,并分析了行间土壤水分通量的差异性。通过建立的各位点穿透雨量与降雨量、LAI和株高的方程对上边界不同位点降雨量进行离散,从而作为模型的降雨时的上边界条件。利用2013年FPB与RPB处理土壤含水量对HYDRUS-2D模型进行参数化,确定了模型的土壤水力学参数,并利用2014年FPB与RPB处理对模拟参数进行验证。2013和2014年,FPB处理中不同深度各位点土壤体积含水量模拟值和实测值RMSE分别在0.0175～0.0332 cm3 cm-3和0.0093～0.0250 cm3 cm-3之间,ME分别为0.70～0.95和0.37～0.64之间,d分别为0.94～0.99和0.67～0.90之间,R2分别为0.90～0.97和0.37～0.71之间。RPB处理不同深度各位点土壤体积含水量模拟值和实测值RMSE分别在0.0116～0.0387 cm3cm3和0.0088～0.0243 cm3 cm-3之间,ME分别为0.69～0.98和0.38～0.86之间,d分别为0.91-1.00和0.76～0.96之间,R2分别为0.85～0.99和0.48～0.92之间。(6)模拟结果表明同一土层中不同位点间的土壤水分通量存在差异,而且10 cm和30 cm土层深度的土壤水分通量差异较大。水平方向不同位点间的土壤水分通量变异性在30 cm深度中最大,70 cm深度的最小。垂直方向不同位点间的的土壤水分通量变异性,随土层深度增加而变异性降低。(7)考虑与不考虑上边界穿透雨行内分布条件下行尺度土壤水分模拟对比发现,考虑上边界穿透雨行内差异性分布条件下模拟行内各位点的土壤含水量与实测值更接近。考虑穿透雨分布情况下能提高土壤水分模拟精度,FPB处理中10～30 cm效果明显,RPB处理中10～50 cm效果明显。
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S513
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本文编号：1269142