基于同位素示踪的干旱区膜下滴灌棉田水分运移及转化规律

发布时间：2020-06-06 13:08

【摘要】：研究新疆干旱区农田土壤水分运移转化规律对合理利用农业水资源、实现农业节水灌溉有重要意义。本文基于田间水文监测和氢氧稳定同位素示踪的方法,结合数值模拟等手段,针对新疆炮台土壤改良试验站2016年棉花试验田,探究了作物在不同生育阶段的土壤水分动态特征以及大气降水、土壤水、灌溉水、作物茎秆水中氢氧稳定同位素组成,识别了作物不同生育期的水分利用来源及比例。通过构建的Hydrus-2D非饱和带土壤水分运移模型,探究新疆干旱区现行一膜六行滴灌方式下棉田的土壤水分运移过程及SPAC系统水分通量,从而揭示新疆干旱区膜下滴灌棉田的土壤水分转化规律。主要研究结果及结论如下:受覆膜的影响,土壤水分动态变化受滴灌的影响较大。沿0~220cm土壤剖面,土壤含水率由浅及深逐渐增大。60cm以内土壤水分动态变化较大,受补给和排泄的影响,在单次灌水和大降雨后浅层土壤含水率有较明显的波动。深层土壤含水率相对较稳定。灌溉后引起了0~60cm深度范围内土壤水的显著响应。各生育期土壤剖面含水率值整体变化趋势相似。研究区氢氧稳定同位素大气降水线方程为δD=7.223δ~(18)O-0.620(n=8,R~2=0.97),土壤水蒸发线方程为:δD=4.762δ~(18)O-31.587(n=76,R~2=0.95),同位素值发生明显的蒸发分馏。0~30cm土壤水D、~(18)O较富集,120cm以下土层同位素相对贫化。由浅及深土壤水同位素值呈现出逐渐贫化的趋势。单次灌溉后,0~60cm土壤水氢氧稳定同位素值明显变小。灌溉水氢氧稳定同位素组成在研究期内较稳定。作物苗期茎秆水同位素值偏大,生长旺盛时期茎秆水同位素值偏小。本文创新之处在于应用多水源混合模型(IsoSource模型)定量计算出作物各生育期对不同深度土壤水的利用率。模型计算得出:棉花在蕾期、花期、铃期和吐絮期主要的水分利用来源及利用率分别为0~30cm(78.2%)、30~60cm(31.9%)、60~110cm(32%)、110~220cm(47.3%),整个生育期内水分利用来源存在由浅变深的规律。膜下滴灌后,棉花能调整其水分利用来源,显著增加对0~30cm浅层土壤水的利用率。综合试验结果表明低额高频的灌溉制度可以提高棉花对灌溉水的利用率。在田间试验的基础上,构建的Hydrus-2D土壤水分运移模型结果表明:在周期性滴灌作用下,距地表50~70cm位置发育一个发散型零通量曲面,其两侧土壤水流分别向上和向下流动。模型模拟滴灌中的根系吸水深度与同位素模型计算结果较一致。整个模拟期内,区域输入总水量为211.5mm,输出总水量为222.3mm,土壤水分基本均衡。其中灌溉是主要水分输入来源,占模拟区域输入水量的87.6%。71%的水量均被作物吸收利用,土壤蒸发量及渗漏量仅分别占8.2%和20.8%。灌溉水的利用效率可达85.2%。综合模拟结果表明,现行一膜六行的滴灌方式能有效减少土壤蒸发量及深层渗漏量,提高了区域水资源的利用效率。
【图文】：

技术路线图

位于石河子市农八师 121 团。石河子市处于新疆自治区北面。1、准葛尔盆地南面，古尔班通古特沙漠的南部。以玛纳斯河在东县，与沙湾县相接在西、南、北面。地势平坦，整体上自东南向拔 450.8m。全区总面积 457 平方千米。水文地质条件气候：属典型温带大陆性气候，冬日极冷且长，夏日短且酷热。，平均气温 25.1~26.1。C。区内多年平均降水量 212mm，每年春要集中在 4~8 月。多年平均气温 7.2℃，多年极端最低与最高温 38.8℃。无霜期为 168~171 天，日照时数 2712~2818h/yr。区内为 1820.9mm，蒸发时段主要集中在每年 5~8 月，占到整年蒸玲，2017），见图 2.1。由图 2.2 可以看出，自 1950 年后，研究区有显著的增加趋向。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S562;S275.6

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本文编号：2699724