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《中国农业大学》 2018年
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灌区多尺度农业与生态水文过程模拟

任东阳  
【摘要】:水资源短缺、土壤盐渍化和荒漠化是威胁干旱农业生态系统可持续发展的重要因素。充分认识干旱灌区的水文过程和盐分分布规律,对促进农业水资源高效利用和维持生态安全具有重要意义。土地细碎化和插花的种植结构是我国农业的显著特征,对农业水文过程有着重要影响。本文以黄河上游的内蒙古河套灌区为背景,选取其中典型灌域(机缘研究区)为研究对象,对土地细碎化背景下灌区生态水文过程和盐分动态规律进行了系统的分析研究。主要研究内容与结论如下:(1)于2012-2016年相继在研究区开展了定位监测试验、土壤盐分普查和种植结构调查等一系列野外观测。结合当地气象、土壤、引排水、地下水埋深等统计资料,并通过遥感反演和地统计分析,对研究区土地利用,种植结构,水盐动态等进行了系统分析。结果表明,耕地和天然荒地是研究区主要土地利用类型,耕荒地交错分布,占总面积的90%以上;耕地作物呈插花状分布,主要为玉米和向日葵,占总作物面积的80%以上;按照美国制土壤分类系统,研究区主要土壤类型为粉壤土(Silt loam);多年平均降雨量约为150mm,其中近90%集中在5-9月;研究区每年引水6-7次,多年平均引水量580mm,其中秋浇占40%,种植结构的调整使灌区年内配水过程有所变化,但年际引水总量基本不变;研究区地下水位南高北低,与地形趋势一致,生育期埋深范围0-3米,地下水位年内、年际和昼夜间都有一定的周期性;4月份土壤0-100cm平均含水率普遍较高(0.2cm3cm-3以上,平均0.4cm3cm-3),与地下水埋深关系密切;天然荒地盐分普遍较高,覆盖度较低。(2)通过对研究区中典型农渠(羊场渠)的水均衡分析,推求出平均给水度和典型作物田块的腾发量。继而结合研究区2001-2013年的引排水资料及地下水埋深资料,通过水均衡分析,探究浅埋深地下水系统在灌区农业生态系统中发挥的作用。结果表明浅埋深地下水系统在储水和供水、水盐重分布、积盐和排盐方面发挥重要作用。研究区总供水量(包括灌溉和降雨)的36%首先储存在地下水系统并进行重分布。通过重分布,总引水量的63%被耕地消耗,20%被荒地消耗,其余通过排沟或者地下水开采排出;总引入盐分的67%积累在了荒地,其余排出了研究区。(3)根据研究区地下水埋深较浅、耕荒地交错分布、地膜覆盖等特点,选取HYDRUS-1D模型进行水盐动态运移的刻画,选取双作物系数(dualKc)法进行蒸发蒸腾的分割及土壤蒸发的计算,通过耦合模型,构建了可模拟农作物及天然植被的田间尺度水文过程模型(HYDRUS-dualKc)。以典型农渠2012和2013年的田间观测资料为基础,进行参数敏感性分析和模型率定与验证,继而对作物生长季灌溉水利用情况进行了分析。结果表明:模型能较好地模拟作物田块和天然荒地的土壤水盐动态,生长季耕地约40%的灌溉水发生渗漏;由于插花的种植结构、多样的灌溉制度和浅埋深地下水位,灌溉渗漏水可以通过毛管上升作用被灌溉地和未灌溉地重新利用,耕地毛管上升对ET的贡献达23-53%,荒地中毛管上升对ET贡献达到75%-82%。过量灌溉及浅埋地下水,造成在主要作物生育期(5-9月)约40%的水资源消耗在土壤蒸发上,荒地有近50%的水消耗于土壤蒸发,加剧了根层积盐。作物和天然植被根系层含水率持续较高,所受胁迫主要来自盐分。(4)基于前期耕地不同作物及天然荒地的模拟研究,以典型农渠现状地下水位及灌溉制度为基础,设置不同的地下水位下降情景及灌溉削减或补充灌溉情景。综合考虑不同作物种类及天然植被的生长状况,确定了既有利于灌溉节水,促进农业生产,又能保证天然生态系统健康发展的合理地下水埋深:耕地为1.7-2.3m,荒地为1.4-2.0m。同时基于灌溉情景模拟,对现有的灌溉制度提出了改进意见。(5)通过集成GIS、遥感和田间观测网络,考虑研究区灌溉、土壤、作物分布和地下水状况等因素的空间差异,构建了基于HYDRUS-dualKc的分布式农业水文模型。采用区域观测资料和遥感反演结果对模型进行了率定和验证。根据模拟结果,对研究区的农业水文过程进行了评估分析。发现由于土地细碎化和插花的种植结构加之河套灌区复杂的人类活动及管理干预,造成田块尺度主导的农业水文过程异常复杂,研究区中地下水补给区和消耗区交错分布,促进了渗漏水的再利用;相应地,由于灌区脱盐区与积盐区也呈插花分布,区域尺度的水盐运移没有明显的趋势,不利于灌区整体的排盐。总体而言,耕地及渠系充当了稳定的地下水补给区、荒地充当了消耗区,总引水量的21%通过地下水迁移到了荒地,同时总引入盐分的50-75%的迁移到了荒地。荒地在整个灌区系统中发挥着重要的干排水、盐的功能。土地细碎化使遥感反演、3D动力学模型的应用、现代化技术手段的推广面临巨大挑战。
【学位授予单位】:中国农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:S271

【参考文献】
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