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《西安理工大学》 2009年
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膜孔灌土壤氮素运移转化特性试验与数值模拟研究

脱云飞  
【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。
【学位授予单位】:西安理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:S153

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