第 1 章   緒論 

1.1   研究背景及意義 
水資源短缺已然成為了一個(gè)全球性的問(wèn)題，制約著各國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，尤其在發(fā)展中國(guó)家及落后國(guó)家，這一問(wèn)題日益凸顯。我國(guó)用世界 8%的淡水資源養(yǎng)育了世界五分之一的人口，人均占有量?jī)H為世界人均水量的四分之一，是世界 13 個(gè)貧水國(guó)之一[1]。目前，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，，水資源供需矛盾日益突出，由此引發(fā)的各種生態(tài)環(huán)境問(wèn)題也日益加劇。因此，解決好水資源的供需矛盾問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)我國(guó)水資源的合理分配及高效利用是實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)及生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的重要保證。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)水資源可利用率（實(shí)際利用水資源量與可利用水資源量之比）小于 70%，約有全國(guó)總用水量的七成被用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而用于灌溉的水量占農(nóng)業(yè)用水量的九成多[1]。我國(guó)目前的灌溉水利用率僅為 0.45 左右，與發(fā)達(dá)國(guó)家的 0.8 左右的水平還具有很大的差距，尤其在我國(guó)西部地區(qū)，由于農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施不完善，其灌溉水利用率更低。新疆地處我國(guó)西北干旱地區(qū)，全年高溫少雨，是典型的水資源匱乏地區(qū)之一。水資源作為支撐新疆生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)，其可持續(xù)發(fā)展利用對(duì)保護(hù)新疆生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)新疆跨越式發(fā)展具有重要作用。因此需重視水資源開(kāi)發(fā)利用，從全局多角度關(guān)注新疆水資源問(wèn)題[2]。膜下滴灌技術(shù)作為一種高效的節(jié)水灌溉技術(shù)已在新疆大規(guī)模推廣與應(yīng)用，研究膜下滴灌條件下土壤水分時(shí)空運(yùn)移與分布特征，有利于發(fā)展干旱區(qū)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，同時(shí)對(duì)當(dāng)?shù)厮临Y源的可持續(xù)利用有著重要的作用。 
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1.2   國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展
土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律是指土壤中鹽分和水分在土體中的時(shí)空分布及運(yùn)移特性。土壤水分不但能溶解和輸送土壤鹽分，而且其含量、相態(tài)及遷移的方式間接對(duì)鹽分運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。關(guān)于農(nóng)田土壤水鹽運(yùn)移理論的研究，國(guó)外學(xué)者起步較早并取得了一些重要成果。關(guān)于這一問(wèn)題的探索，從開(kāi)始的土壤水分研究到土壤溶質(zhì)運(yùn)移研究經(jīng)歷了比較漫長(zhǎng)的過(guò)程。土體中水分運(yùn)動(dòng)理論起始于 Darcy 定律，Richard 第一次利用該理論研究了非飽和土壤中水分運(yùn)移特性，并推導(dǎo)出相應(yīng)的土壤水分運(yùn)動(dòng)基本方程。自從 Buckingham 將能量概念引入土壤水分研究，并針對(duì)非飽和土壤水的運(yùn)移進(jìn)行偏微分方程建模后，多孔介質(zhì)內(nèi)水流基本方程被建立，從此，土壤水分進(jìn)入了定量研究的階段[16]。由于水分是鹽分運(yùn)移的載體，因此土壤溶質(zhì)運(yùn)移方程是在土壤水分運(yùn)動(dòng)方程的基礎(chǔ)之上建立的。鑒于土體中水分和鹽分遷移具有一定的協(xié)同性，因此，在進(jìn)行具體問(wèn)題研究時(shí)，不能孤立這兩種物質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化。由此，水鹽耦合運(yùn)移理論不斷受到諸多學(xué)者的關(guān)注[17]。Slichte 在 1905 年就指出，溶質(zhì)在土壤中的運(yùn)動(dòng)速率并非是相同的；Synge 和 Martin 在 40 年代就曾提出色層分離理論，該理論進(jìn)一步證明了 Slichte 的假設(shè)，即：不同溶質(zhì)在通過(guò)多孔介質(zhì)時(shí)其運(yùn)動(dòng)速率間存在一定的差別。Amundson(1952)[18-19]Nielsen 和 Biggar(1961，1962) [20]通過(guò)一系列相關(guān)研究，定義了一種新的理論-易混合置換理論。該理論提出溶質(zhì)遷移是擴(kuò)散、對(duì)流及彌散等的共同作用結(jié)果。Bresler 與 Gardner 曾廣泛評(píng)述了土壤與溶質(zhì)間的相互作用關(guān)系[21]。 
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第 2 章   研究區(qū)概述及理論基礎(chǔ) 

2.1   研究區(qū)概述 
試驗(yàn)區(qū)位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師 121 團(tuán)，該團(tuán)位于天山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，古爾班通古特大沙漠西南邊緣，地處歐亞大陸腹地(44°46′55″N，85°32′50″E，平均海拔 337.1m)，屬于石河子墾區(qū)下野地灌區(qū)，該灌區(qū)控制 121、122 兩個(gè)團(tuán)場(chǎng)，地處瑪納斯河下游，具體地理位置如圖 2-1 所示。特殊的地理位置導(dǎo)致該地區(qū)常年干旱少雨，夏季炎熱，極端最高氣溫 43.1℃，其降雨主要集中在每年的 7、8 月份，年平均降雨量為 141.8mm，年蒸發(fā)量為 1826.2  mm；冬季寒冷，極端最低氣溫-42.3℃，年降雪量較大，降雪平均厚度達(dá) 35cm 左右。該地區(qū)年均日照數(shù)約為 2862h，無(wú)霜期平均為 167d，具有典型的大陸性荒漠氣候的特點(diǎn)，非常適合棉花種植。研究區(qū)所在的 121 團(tuán)總面積約為 704.74km2，其中可耕地面積達(dá) 0.5×105ha，主要種植作物有棉花、玉米、小麥、葡萄、“炮臺(tái)紅”西甜瓜及打瓜等。由于該團(tuán)屬于下野地灌區(qū)（圖 2-1），區(qū)內(nèi)土壤鹽漬化程度比較嚴(yán)重，經(jīng)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)未開(kāi)墾的鹽堿荒地的土壤含鹽量高達(dá) 30～150g·kg-1[9]，其中表層 40cm 土層平均含鹽量高達(dá) 25～70g·kg-1。 
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2.2   理論基礎(chǔ)
這里所說(shuō)的“區(qū)域化”是指某一研究對(duì)象表現(xiàn)出一定的空間分布特征。一般情況下，區(qū)域化現(xiàn)象主要用區(qū)域化變量進(jìn)行描述。在自然界，大部分事物都呈現(xiàn)出一定的區(qū)域化分布特征，例如：某一礦物的空間分布，生態(tài)學(xué)中的物種種群的空間分布，土壤學(xué)中的重金屬元素、養(yǎng)分、鹽分等的空間分布等，這些對(duì)象的研究都離不開(kāi)區(qū)域化變量理論。Matheron（1963）將區(qū)域化變量定義為：與普通隨機(jī)變量不同的是，區(qū)域化變量是普通隨機(jī)變量與位置有關(guān)的函數(shù)，它是普通隨機(jī)變量在某一特定區(qū)域內(nèi)特定點(diǎn)的取值，是空間坐標(biāo)的函數(shù)。對(duì)于某一空間點(diǎn)的變量而言，其取樣之前為純隨機(jī)變量，但是取樣后就是一個(gè)普通的三元函數(shù)值。這一理論同概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)中定義的普通隨機(jī)變量的概念一樣。從純數(shù)學(xué)角度來(lái)看，區(qū)域化變量是一個(gè)與空間位置有關(guān)的函數(shù)，此函數(shù)具有不確定性，所以不能直接用數(shù)學(xué)方法去研究它。區(qū)域化變量既具有結(jié)構(gòu)性，又具有隨機(jī)性。例如在空間相鄰兩點(diǎn)x和 xh（h為空間距離）處的樣本值 Z (x)與 Z ( x? h)具有某種程度的自相關(guān)，且這種自相關(guān)程度依賴于 h 的大小與變量特征。在分析某一特定對(duì)象時(shí)，該變量又表現(xiàn)出一定程度的限制性，一定水平的連續(xù)性和一定程度的各項(xiàng)異性[42]。為了能夠用數(shù)學(xué)模型定量描述區(qū)域化變量，G.Mathron在 60 年代提出了空間協(xié)方差函數(shù)（Covariance Function）和變異函數(shù)（Variograms），尤其是變異函數(shù)能同時(shí)模擬區(qū)域化變量的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性，從而為嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法解決區(qū)域化變量的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性提供了基礎(chǔ)。 
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第 3 章  膜下滴灌棉田生育期土壤水分時(shí)空分布特征 ....20 
3.1   膜下滴灌棉田生育期土壤水分隨時(shí)間變化特征......... 20 
3.2   膜下滴灌棉田生育期土壤水分空間變異規(guī)律..... 22 
3.3   膜下滴灌棉田生育期土壤水分隨機(jī)模擬及不確定性分析......... 31 
3.4   膜下滴灌棉田生育期土壤水分相關(guān)關(guān)系分析..... 35 
3.5   本章小結(jié)......... 37 
第 4 章  膜下滴灌棉田生育期土壤鹽分時(shí)空變化特征 ....40 
4.1   膜下滴灌棉田生育期土壤鹽分隨時(shí)間序列變化特征......... 40 
4.2   膜下滴灌棉田生育期土壤鹽分空間變異規(guī)律..... 45 
4.3   膜下滴灌棉田生育期土壤鹽分隨機(jī)模擬及不確定性分析......... 54 
4.4   膜下滴灌棉田生育期土壤鹽分相關(guān)關(guān)系分析..... 67 
4.5   本章小結(jié)......... 69 
第 5 章  膜下滴灌棉田非生育期溫度與土壤鹽分時(shí)空分布特征 ....72 
5.1   試驗(yàn)方法......... 72 
5.2   數(shù)據(jù)處理......... 72 
5.3   結(jié)果與分析..... 72
5.4   本章小結(jié)......... 78 

第 5 章   膜下滴灌棉田非生育期溫度與土壤鹽分時(shí)空分布特征 

由于非生育期土壤溫度變化會(huì)導(dǎo)致土壤中水分及鹽分的重新分配。研究非生育期外界氣溫，土壤溫度及土壤水鹽運(yùn)移間的相互關(guān)系，對(duì)于防治春季土壤次生鹽漬化有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究選取了非生育期膜下滴灌棉田內(nèi)氣溫、地溫及土壤水分和鹽分等因素作為研究對(duì)象，旨在分析以上因素在非生育期內(nèi)的相互作用關(guān)系。 

5.1   試驗(yàn)方法 

為分析土壤溫度對(duì)土壤鹽分運(yùn)移的影響，本文所用溫度數(shù)據(jù)來(lái)自于當(dāng)?shù)貒?guó)家級(jí)氣象站（氣象站代號(hào)為：51352），此站與試驗(yàn)區(qū)相隔 200m 左右，所測(cè)溫度為 0cm、5cm、10cm、15cm、20cm、40cm、80cm、160cm、320cm，共計(jì) 9 個(gè)土層。溫度計(jì)量時(shí)間間隔為 1 小時(shí)，每天 24 小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，最后取平均值作為當(dāng)日平均溫度。本課題組于 2012年 11 月至 2013 年 3 月專門(mén)針對(duì)試驗(yàn)區(qū)相鄰 4 塊棉田土壤鹽分進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)采用人工土鉆取土，每月中旬取樣一次，共計(jì)取樣 5 次，每次取樣都用 GPS 精確定位取樣點(diǎn)位置，以便下次取樣能在該點(diǎn)附近進(jìn)行。取樣深度為 0～10、10～20、20～40、40～60、60～90、90～120、120～150cm，共計(jì) 7 個(gè)土層，每個(gè)取樣點(diǎn)取三個(gè)重復(fù)，每次取樣 84 個(gè)，每次所取土樣帶回試驗(yàn)室化驗(yàn)。利用烘干法測(cè)土壤含水率，然后將烘干土壤磨碎、過(guò) 2mm 篩，并按水土比 5:1（蒸餾水 90 ml，土 18 g）制取土壤浸提液，利用 DDS～308A 型電導(dǎo)率儀測(cè)定溶液的含鹽量值。 

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結(jié)論 

本論文在分析總結(jié)前人研究資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合前后近 5 年的長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、近一個(gè)監(jiān)測(cè)年的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及兩次大尺度網(wǎng)格取樣數(shù)據(jù)針對(duì)研究區(qū)土壤水分及鹽分的時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析研究。其研究結(jié)果真實(shí)可靠，對(duì)于干旱綠洲區(qū)利用膜下滴灌技術(shù)改良利用鹽堿地、防治與評(píng)價(jià)土壤次生鹽漬化及發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本論文主要結(jié)論及研究成果如下： 
（1）在生育期內(nèi)，土壤含水率在深度方向呈現(xiàn)出明顯的帶狀分布特征；  0～150cm土壤剖面存在穩(wěn)定含水率高值區(qū)，其位置基本保持在棉花根系所在的 30～70cm 土層范圍內(nèi)，說(shuō)明試驗(yàn)區(qū)現(xiàn)行膜下滴灌灌溉制度能夠保證棉花的根系大部分時(shí)間處于良好的水環(huán)境，保證棉花在生育期的正常需水。 
（2）經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，在生育期始末，土壤含水率均呈現(xiàn)出隨深度的增加而增大的趨勢(shì)；生育期初各土層含水率值均大于生育期末對(duì)應(yīng)的值；各土層水分呈現(xiàn)中等偏弱變異特征。而在生育期始末，土壤鹽分均值呈現(xiàn)隨深度增加而不斷增大趨勢(shì)，對(duì)于<60cm 土層，其含鹽量值均小于 6 g·kg-1，屬于輕度鹽漬化土壤，而在>60cm 土層中，其土壤鹽分值均>6 g·kg-1，屬于中度鹽漬化土壤。除表層 0～20cm 土層外，其余各土層鹽分值均呈現(xiàn)中等偏強(qiáng)的變異性，且各土層鹽分變異系數(shù)呈現(xiàn)出生育期末大于生育期初的特征，這主要與當(dāng)?shù)毓喔戎贫�、地下水位等因素有關(guān)。 
（3）地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)區(qū)土壤含水率可以用球狀模型、指數(shù)模型較好擬合；而土壤鹽分分布結(jié)構(gòu)可用指數(shù)模型及高斯模型較好擬合。在<60cm 土層中，土壤含水率呈現(xiàn)出中等強(qiáng)度的空間相關(guān)性；而>60cm 土層中，含水率呈現(xiàn)出強(qiáng)烈空間相關(guān)性。而對(duì)于鹽分而言，在生育期初，空間相關(guān)性呈現(xiàn)出隨深度的增大而逐漸減小的趨勢(shì)；而在生育期末，該值呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)。其中<40cm 土層，呈現(xiàn)強(qiáng)烈空間相關(guān)性；而>40cm土層范圍，土壤鹽分呈現(xiàn)中等空間相關(guān)性。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：74361