吉恒瑩，李 磐，付彥博，馮耀祖

(1.新疆師范大學(xué)，烏魯木齊　830054；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊　830091)

0　引 言

【研究意義】作物生長(zhǎng)的重要土壤環(huán)境參數(shù)是土壤水分和溫度都具有適宜范圍,超過(guò)土壤水分、溫度的適宜范圍,作物的正常生長(zhǎng)期在環(huán)境中將明顯改變,尤其是在作物生長(zhǎng)初期時(shí)的發(fā)芽和幼苗階段[1]。土壤中灌溉不同溫度水,對(duì)土壤的熱環(huán)境會(huì)產(chǎn)生直接影響,作物根區(qū)的溫度都會(huì)發(fā)生改變。灌溉水溫低,植物的生理活動(dòng)就會(huì)受到影響,特別是根系的活性就會(huì)降低,對(duì)土壤水分和礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收作用減弱,并且導(dǎo)致植物的枝葉生長(zhǎng)受阻,只是由于低溫水中溶解氧含量降低造成的[2]。地表滴灌有很好的優(yōu)勢(shì)效應(yīng),改變作物生長(zhǎng)的土壤環(huán)境水熱狀況,就可以起到顯著的節(jié)水、增產(chǎn)及提高作物品質(zhì)的作用[3],因此,為了促進(jìn)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn),可以將監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)土壤中水、熱狀況作為一個(gè)重要土壤管理措施。田間試驗(yàn)的干擾和不可控因素過(guò)多,做到長(zhǎng)時(shí)間的土壤水熱分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),是難以持續(xù)的。就目前狀況,利用數(shù)值模擬仿真技術(shù),可以重現(xiàn)土壤水、熱遷移分布情況,在允許誤差范圍內(nèi),模擬值與試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有太大差別。因此,通過(guò)建立地表滴灌條件下土壤水熱耦合遷移數(shù)值模擬的方法,來(lái)預(yù)測(cè)和控制土壤水熱分布情況。【前人研究進(jìn)展】20世紀(jì)90年代,許多研究者從不同角度對(duì)土壤中水、熱、鹽運(yùn)移問(wèn)題進(jìn)行了理論及試驗(yàn)研究[4]。Nassar利用土壤中水、熱、鹽運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程,描述了土壤中水熱鹽運(yùn)動(dòng)的耦合方程[5]；Philip 和 De Vries 提出建立在質(zhì)能平衡基礎(chǔ)上的水-氣-熱耦合運(yùn)移理論[6]；Milly 等對(duì) Philip 的模型進(jìn)行了改進(jìn),含水率梯度被基質(zhì)勢(shì)梯度代替[7-8]；在中國(guó),一些研究者們分別對(duì)田間水熱運(yùn)移進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,對(duì)非均質(zhì)土壤水熱分布進(jìn)行定量分析[9-12]；還有研究在非飽和土壤凍結(jié)條件下的水、熱、鹽耦合運(yùn)動(dòng),建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[13-14]；隋紅建等[15]改變大田當(dāng)中一維土壤水熱動(dòng)態(tài)的模型,擴(kuò)展到土壤水熱遷移的二維數(shù)值模型。隨著土壤水熱耦合非飽和多孔介質(zhì)中水和溶質(zhì)運(yùn)移模擬研究的深入,研究者從不同的角度模擬土壤的水、溶質(zhì)、熱運(yùn)移狀況,開(kāi)發(fā)和建立數(shù)學(xué)模型軟件[3],目前在地表滴灌條件下,應(yīng)用最多的是 HYDRUS 模型來(lái)模擬土壤水、熱及溶質(zhì)運(yùn)移狀況,如 Li等[16]利用HYDRUS-1D模擬了地表滴灌條件下的水、氮在土壤一維空間中的運(yùn)移規(guī)律?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前棉花膜下滴灌多以與地下水開(kāi)發(fā)配套進(jìn)行,地下井水水溫很低,春季井水平均水溫約9℃,一般夏季井水溫度為10～15℃,80%的棉花滴灌時(shí)抽取地下井水不進(jìn)行任何增溫處理就滴入棉田,而低溫井水與土壤環(huán)境溫度存在差異,進(jìn)入土壤必然會(huì)與其發(fā)生熱量的交換與轉(zhuǎn)移增溫水灌溉對(duì)棉花根際土壤養(yǎng)分和土壤微生物數(shù)量的影響[17-19]。目前有關(guān)棉花滴灌技術(shù)研究多集中灌溉技術(shù)、水氮耦合、水鹽調(diào)控等方面,而有關(guān)滴灌灌溉水溫的研究少有報(bào)道。對(duì)于地表滴灌條件下的水熱耦合遷移的模擬模型研究相對(duì)較少。研究滴灌條件下不同溫度灌溉水進(jìn)入土壤后與土壤水熱交換和轉(zhuǎn)化規(guī)律,明確不同灌溉水溫對(duì)土壤環(huán)境和棉花影響機(jī)制,為新疆膜下滴灌棉花的增產(chǎn)提供理論和技術(shù)支持。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】研究地表滴灌條件下水熱耦合遷移規(guī)律,利用 HYDRUS-1D軟件模擬,并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,利用數(shù)值模擬來(lái)描述和預(yù)測(cè)地表滴灌條件下水熱耦合遷移和分布的規(guī)律。為滴灌條件下的土壤水、熱環(huán)境的監(jiān)測(cè)和調(diào)控提供一種有效方法和手段。

1　材料與方法

1.1材 料

試驗(yàn)裝置由恒溫恒濕人工氣候模擬室,低溫恒溫水循環(huán)系統(tǒng)、恒溫室、水位調(diào)控裝置、日光模擬控制系統(tǒng)、流量調(diào)節(jié)儀、溫度和水分傳感器等組成試驗(yàn)采用有機(jī)玻璃制成的二維土槽,長(zhǎng)×寬×高(60 cm×60 cm×60 cm)。設(shè)計(jì)5個(gè)灌水水溫10、15、20、25和30℃，3個(gè)重復(fù),8個(gè)處理,配合使用中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)與旱區(qū)環(huán)境工程研究所研制的土壤溫度采集系統(tǒng)和SM100土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),設(shè)計(jì)3 min測(cè)定一組數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)點(diǎn)為滴頭正下方(5、15和25 cm)和水平距滴頭10和20 cm處,埋設(shè)溫度探頭和水分探頭,測(cè)定土箱不同部位土壤含水量和土壤溫度。控制室內(nèi)溫度在(20±2)℃。圖1

根據(jù)新疆歷年土壤水溫變化,試驗(yàn)選用滴灌水溫為 10、15、20、25和30℃,灌溉水頭為155 cm試驗(yàn),滴頭流量為2.0 L/h,保持砂壤土的初始溫度在15℃ 。根據(jù)試驗(yàn)方案,在試驗(yàn)開(kāi)始之前,不同水溫通過(guò)恒溫水循環(huán)系統(tǒng)制備,再利用水位調(diào)節(jié)控制臺(tái)來(lái)控制供水強(qiáng)度的大小,并使其穩(wěn)定。水溫穩(wěn)定后,秒表和進(jìn)水閥同時(shí)開(kāi)啟,滴灌試驗(yàn)開(kāi)始,觀測(cè)濕潤(rùn)鋒,每隔 20 min 要刻化一次濕潤(rùn)鋒。

試驗(yàn)所用的材料為砂壤土,土樣采自新疆農(nóng)科院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所國(guó)家灰漠土肥力和肥料效益監(jiān)測(cè)基地。

圖1試驗(yàn)裝置示意
Fig.1Schematic diagram of the experimental apparatus

1.2方 法

土壤經(jīng)風(fēng)干后,過(guò)2 mm孔徑的篩,混合均勻后,按設(shè)定干容重1.45 g/cm3分層均勻裝入試驗(yàn)土槽。在填土過(guò)程中,每填土厚度為5 cm土層壓實(shí),并且在土層之間進(jìn)行刨毛,土壤層次緊密結(jié)合。此次試驗(yàn)在土槽前壁埋設(shè)了12個(gè)水分傳感器和17個(gè)溫度傳感器,傳感器通過(guò)采集儀和計(jì)算機(jī)相連,實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。水分和溫度傳感器埋設(shè)方式為：垂向每隔5 cm埋設(shè)一組水分和溫度傳感器(0～30 cm),水平是每隔10 cm埋設(shè)一組傳感器(0～20 cm)。表1

表1供試土壤樣品的基本物理性質(zhì)
Table1Basic physical property of soil

粒徑Particlesize(mm)顆粒組成　Sizecomposition(%)0～0 0020 002～0 050 05～1 00質(zhì)地Soiltexture容重Bulkdensity(g/cm3)飽和導(dǎo)水率Ks(mm/min)灰漠土GrayDesertSoil21 0177 711 28砂壤土1 40 020

2　結(jié)果與分析

2.1地表滴灌水熱耦合遷移數(shù)學(xué)模型

2.1.1土壤水分特征曲線確定

在新疆安寧渠灰漠土基地采取土樣進(jìn)行室內(nèi)土柱試驗(yàn),離心機(jī)法測(cè)定了土壤的體積含水量及其對(duì)應(yīng)的水吸力,得出0～12 000 s/cm吸力條件下土壤平均含水率。根據(jù)土柱試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合Van Genucheten 模型(公式1),計(jì)算得出灰漠土基地土壤水分特性曲線-土壤體積含水量與土壤水吸力之間的關(guān)系(公式2) 。

Q(h)=

(1)

(2)

當(dāng)土壤水吸力為 0、1 000、3 000、5 000、10 000、12 000 s/cm 時(shí),平均含水率分別為39.27%、17.69%、12.58%、11.05%、9.55%、9.25%。

2.1.2模型方程的建立

根據(jù)室內(nèi)土柱實(shí)驗(yàn),得到土壤物理參數(shù),應(yīng)用在HYDRUS-1D軟件中應(yīng)用的非飽和土壤水力特性Van Genucheten模型,建立新疆灰漠土土壤含水量與壓力水頭的模擬方程(式4)。

(3)

(4)

2.1.3土壤物理參數(shù)

利用HYDRUS軟件可以對(duì)飽和、非飽和水流的Richards方程和熱傳遞和溶質(zhì)運(yùn)移的對(duì)流擴(kuò)散型方程進(jìn)行求解。因此，利用其可以分析土壤水分和水力傳導(dǎo)性。根據(jù)土壤物理特性,如土壤粒徑的百分含量和土壤容重,可直接將Van Genucheten模型中的4個(gè)參數(shù)輸出。模擬方程中(式1)有θr(殘余含水率),θs(飽和含水率),α、n(土壤水分參數(shù)),Ks(飽和導(dǎo)水率)5 個(gè)獨(dú)立參數(shù),大多數(shù)土壤的孔隙連通性參數(shù)l= 0.5。根據(jù)室內(nèi)土柱實(shí)驗(yàn)結(jié)果,測(cè)定非飽和導(dǎo)水率和土壤特征曲線,對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果利用HYDRUS-1D軟件進(jìn)行擬合,得出的 V-G 模型土壤水利特性參數(shù)：殘余含水率θr=0.063 8 cm3/cm3,飽和含水率θs= 0.392 7 cm3/cm3,土壤水分參數(shù)α=0.007 7、n=1.559 7 , 飽和導(dǎo)水率Ks=0.072 56 mm/s。表1

2.1.4不同滴灌溫度下的運(yùn)移模擬參數(shù)

在HYDRUS-1D模擬軟件中,土壤溫度運(yùn)移模擬所需物理參數(shù)是：土壤固相比solid、有機(jī)質(zhì)比org、土壤縱向、橫向熱擴(kuò)散率DL和DT、熱導(dǎo)率系數(shù) b1、b2和b3,土壤固相的熱容Cn、土壤有機(jī)質(zhì)的熱容Co和土壤液相的熱容Cw等。試驗(yàn)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驙顩r,取地表溫度的振幅為5,溫度周期為8 h,利用軟件和土壤粒度分析,得出具體的土壤溫度模擬熱特性參數(shù)值：土壤固相占總體積的比率60.66%,有機(jī)質(zhì)占總體積的比率0、土壤縱向熱擴(kuò)散率DL=5.0 cm2/s、土壤橫向熱擴(kuò)散率DT是1.0 cm2/s、熱導(dǎo)率函數(shù)中系數(shù)b1=5 248 800、b2=84 888 000和b3=33 134 400,土壤固相的熱容Cn=6.912×107J/(cm3·℃)、土壤有機(jī)質(zhì)的熱容Co=9.036×107J/(cm3·℃)和土壤液相的熱容Cw=1.304 8×108J /(cm3·℃)土壤。

2.2土壤溫度實(shí)測(cè)與模擬值驗(yàn)證

2.2.1土壤水分特征曲線實(shí)測(cè)與擬合

研究表明，HYDRUS-1D軟件做出的模擬曲線與實(shí)測(cè)過(guò)程曲線差異較小。利用SPSS軟件對(duì)模擬值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn),雙尾顯著性概率(sig.=0.113)大于0.05,實(shí)測(cè)值與模擬值之間差異不顯著,也就是說(shuō),利用HYDRUS-1D軟件模擬土壤水分特征曲線與實(shí)測(cè)值擬合程度較好。因此,可以利用該模型來(lái)模擬土壤水分特征變化過(guò)程。圖2

圖2土壤水分特征曲線實(shí)測(cè)與擬合
Fig.2Soil hydraulic property curve plotted by measured and simulated values

2.2.2土柱滴灌土壤溫度模擬與驗(yàn)證

運(yùn)行 HYDRUS-1D軟件,輸入土柱的各項(xiàng)土壤物理參數(shù)、相關(guān)常數(shù),輸出不同水溫下土壤溫度、水分的變化。在土柱設(shè)置2個(gè)模擬值觀察點(diǎn),分別觀察土壤水分和溫度變化,設(shè)置模擬點(diǎn)與土柱土壤溫度探頭實(shí)測(cè)點(diǎn)的深度位置相同,均在5和15 cm處,并且模擬值觀測(cè)點(diǎn)和實(shí)測(cè)位置都位于地表滴灌灌水器正下方位置,便于土壤水熱模擬值與實(shí)際觀測(cè)值的對(duì)比。

研究表明，室內(nèi)模擬滴灌5和15 cm土壤溫度模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果,滴灌水溫對(duì)土壤溫度有一定的影響,并且高溫對(duì)土壤溫度影響是大于低溫影響；將Hydrus軟件模擬結(jié)果與試驗(yàn)真實(shí)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行擬合,表層(0～5 cm)擬合程度不好,在一些觀測(cè)點(diǎn)上存在一定的誤差；5～15 cm土層擬合程度較好,為了進(jìn)一步分析模擬的精度,對(duì)利用HYDRUS-1D 軟件的模擬的土壤溫度變化值和實(shí)測(cè)值做了平均誤差分析,地表滴灌條件下土壤溫度變化的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果之間的平均相對(duì)誤差在土層是0～5 cm,控制在 3.44%～10.07%；土層是5～15 cm,控制在2.55%～6.01%,考慮到是填裝土柱以及土壤的空間變異性,所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型能較好的模擬地表滴灌條件下土壤溫度的變化,特別是5～15 cm土層模擬效果總體上是比較成功的,表層0～5 cm由于受到室內(nèi)溫度的影響效果相對(duì)小一些。另外,地溫模擬值與實(shí)測(cè)值之間差異的主要原因是地表蒸發(fā)模擬過(guò)程中參數(shù)準(zhǔn)確性誤差；由于土壤空間變異性的存在,土壤熱特性輸入?yún)?shù)的單一性也是導(dǎo)致模擬值與實(shí)測(cè)值發(fā)生偏差的原因；同時(shí)由于是地表滴灌條件下,會(huì)受大氣邊界的影響(室溫的波動(dòng)),導(dǎo)致土壤溫度出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)變化。圖3，圖4，表2

圖30～5 cm深度土壤溫度模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比
Fig.3Comparison of simulated and measured values of soil temperature at 0-5 cm depth

圖45～15 cm深度土壤溫度模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比
Fig.4Comparison of simulated and measured values of soil temperature at 5-15 cm depth

表2土壤溫度模擬值與實(shí)測(cè)值驗(yàn)證平均相對(duì)誤差
Table2Average error between soil heat simulation value and measured value(%)

滴灌水溫Dripirrigationtemperature10℃15℃20℃25℃30℃0～5cm土層Layer9 116 256 393 4410 075～15cm土層Layer6 012 555 493 153 47

2.2.3不同滴灌水溫對(duì)土壤溫度的影響

研究表明,不同滴灌水溫進(jìn)入土壤后,對(duì)土壤溫度的影響效果明顯。特別是低水溫和高水溫,對(duì)土壤溫度的變化影響較大,在10.0℃低溫狀態(tài)下土壤溫度降低的程度0～5 cm達(dá)到30.91%, 5～15 cm達(dá)到了31.09%；在30℃高溫狀態(tài)下,表層0～5 cm溫度提升效率達(dá)到62.9%,5～15 cm達(dá)到27.98%。不同溫度灌溉水進(jìn)入土壤,直接影響著土壤的熱環(huán)境,影響著作物根區(qū)的溫度,尤其是作物根區(qū)的滴灌。灌溉水溫低,水中溶解氧含量會(huì)降低,植物的生理活動(dòng)受到限制,根系對(duì)土壤水分和礦物養(yǎng)分的吸收利用減緩,作物枝葉的不能正常生長(zhǎng),產(chǎn)生不同程度 “副作用”。土壤有效水分吸收和利用與土壤溶液濃度高低有關(guān),并且土壤中的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)能否有效分解和轉(zhuǎn)化,與土壤溫度有密切的關(guān)系,而土壤溶液和土壤溫度又與灌溉水溫會(huì)密切相關(guān)。因此，可以在春季低溫狀態(tài)下,適當(dāng)?shù)奶岣吖喔人疁?對(duì)作物的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用。表3

表3不同滴灌水溫對(duì)土壤的溫度效應(yīng)
Table3Effect of soil temperature with different drip irrigation(%)

滴灌水溫(℃)　Dripirrigationtemperature10 015 020 025 030 0土壤平均溫度(℃)　Theaveragesoiltempera16 216 016 714 716 00～5cm土層Layer-30 91-7 984 4414 0762 905～15cm土層Layer-31 09-9 274 437 0627 98

注：“-”表示降溫過(guò)程

3　討 論

不同滴灌灌溉溫度、灌水量和灌水頻率對(duì)作物生長(zhǎng)、土壤水分、熱量分布及遷移均有不同程度的影響。滴灌技術(shù)之所以能夠提高作物品質(zhì),這與作物必需的水熱條件密切相關(guān),因此，促進(jìn)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要手段就是適時(shí)監(jiān)測(cè)和及時(shí)調(diào)節(jié)土壤中水熱運(yùn)移和分布狀況。然而在適時(shí)監(jiān)測(cè)土壤中水熱狀況存在困難的情況下,利用模型采用數(shù)值模擬是一種可行、簡(jiǎn)單、高效的方法[8]。國(guó)外許多專(zhuān)家學(xué)者建立了水熱的交互作用下的土壤水熱數(shù)學(xué)模型[5-6],在國(guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)不同覆蓋條件下的田間水熱運(yùn)移進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,實(shí)現(xiàn)不同覆蓋層下非均質(zhì)土壤水熱分布的定量分析[10,14]。也有研究者對(duì)土壤水熱傳輸耦合模型的進(jìn)行發(fā)展和改進(jìn)[20-21]。

王建東[3,8]等利用HYDRUS模型進(jìn)行滴灌條件下的水熱耦合遷移數(shù)值模擬與驗(yàn)證,但是只是對(duì)土壤溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè),并沒(méi)有考慮到滴灌水溫的不同,引起土壤溫度的變化。實(shí)驗(yàn)根據(jù)新疆春季灌溉水溫度偏低,在室內(nèi)進(jìn)行土柱模擬實(shí)驗(yàn),研究不同滴灌水溫在同一時(shí)段灌溉,對(duì)土壤溫度影響程度,以及相同滴灌水溫在不同時(shí)段灌溉后,與土壤溫度的變化關(guān)系。利用HYDRUS-1D 軟件模擬膜下滴灌條件下水熱耦合遷移規(guī)律,但是還要以田間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)價(jià)。

4　結(jié) 論

4.1土柱試驗(yàn)的模擬值和實(shí)測(cè)值在15 cm土層吻合效果比較好,HYDRUS-1D 軟件可以用于模擬地表滴灌條件下表層以下土壤水分運(yùn)動(dòng)和土壤溫度變化及分布狀況。根據(jù)實(shí)測(cè)的土壤理化性質(zhì)、收集的氣象數(shù)據(jù)以及當(dāng)?shù)氐墓嗨Y料,建立的數(shù)學(xué)模型,就可以適時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控作物生長(zhǎng)所需的土壤水、熱環(huán)境條件。

4.2不同水溫滴灌條件下,土壤溫度在表層土壤(0～5 cm)有更明顯的效果,溫度影響的波動(dòng)幅度較大。

4.3滴灌水溫在低溫(10℃)和高溫(30℃)狀態(tài)下對(duì)土壤溫度影響較大,接近地表溫度的水溫波動(dòng)不大,由此可以看出在春季時(shí),土壤溫度比較低的情況下,給予較高溫度的灌溉水,可以提高土壤表層的溫度,有利于作物的苗期生長(zhǎng)。

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