吉恒莹，李 磐，付彦博，冯耀祖

(1.新疆师范大学，乌鲁木齐　830054；2.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐　830091)

0　引 言

【研究意义】作物生长的重要土壤环境参数是土壤水分和温度都具有适宜范围,超过土壤水分、温度的适宜范围,作物的正常生长期在环境中将明显改变,尤其是在作物生长初期时的发芽和幼苗阶段[1]。土壤中灌溉不同温度水,对土壤的热环境会产生直接影响,作物根区的温度都会发生改变。灌溉水温低,植物的生理活动就会受到影响,特别是根系的活性就会降低,对土壤水分和矿质养分的吸收作用减弱,并且导致植物的枝叶生长受阻,只是由于低温水中溶解氧含量降低造成的[2]。地表滴灌有很好的优势效应,改变作物生长的土壤环境水热状况,就可以起到显著的节水、增产及提高作物品质的作用[3],因此,为了促进作物优质高产,可以将监测和调节土壤中水、热状况作为一个重要土壤管理措施。田间试验的干扰和不可控因素过多,做到长时间的土壤水热分布的实时监测,是难以持续的。就目前状况,利用数值模拟仿真技术,可以重现土壤水、热迁移分布情况,在允许误差范围内,模拟值与试验结果没有太大差别。因此,通过建立地表滴灌条件下土壤水热耦合迁移数值模拟的方法,来预测和控制土壤水热分布情况。【前人研究进展】20世纪90年代,许多研究者从不同角度对土壤中水、热、盐运移问题进行了理论及试验研究[4]。Nassar利用土壤中水、热、盐运动方程和连续方程,描述了土壤中水热盐运动的耦合方程[5]；Philip 和 De Vries 提出建立在质能平衡基础上的水-气-热耦合运移理论[6]；Milly 等对 Philip 的模型进行了改进,含水率梯度被基质势梯度代替[7-8]；在中国,一些研究者们分别对田间水热运移进行了数值模拟研究,对非均质土壤水热分布进行定量分析[9-12]；还有研究在非饱和土壤冻结条件下的水、热、盐耦合运动,建立了相应的数学模型[13-14]；隋红建等[15]改变大田当中一维土壤水热动态的模型,扩展到土壤水热迁移的二维数值模型。随着土壤水热耦合非饱和多孔介质中水和溶质运移模拟研究的深入,研究者从不同的角度模拟土壤的水、溶质、热运移状况,开发和建立数学模型软件[3],目前在地表滴灌条件下,应用最多的是 HYDRUS 模型来模拟土壤水、热及溶质运移状况,如 Li等[16]利用HYDRUS-1D模拟了地表滴灌条件下的水、氮在土壤一维空间中的运移规律。【本研究切入点】目前棉花膜下滴灌多以与地下水开发配套进行,地下井水水温很低,春季井水平均水温约9℃,一般夏季井水温度为10～15℃,80%的棉花滴灌时抽取地下井水不进行任何增温处理就滴入棉田,而低温井水与土壤环境温度存在差异,进入土壤必然会与其发生热量的交换与转移增温水灌溉对棉花根际土壤养分和土壤微生物数量的影响[17-19]。目前有关棉花滴灌技术研究多集中灌溉技术、水氮耦合、水盐调控等方面,而有关滴灌灌溉水温的研究少有报道。对于地表滴灌条件下的水热耦合迁移的模拟模型研究相对较少。研究滴灌条件下不同温度灌溉水进入土壤后与土壤水热交换和转化规律,明确不同灌溉水温对土壤环境和棉花影响机制,为新疆膜下滴灌棉花的增产提供理论和技术支持。【拟解决的关键问题】研究地表滴灌条件下水热耦合迁移规律,利用 HYDRUS-1D软件模拟,并与实测数据进行比较,利用数值模拟来描述和预测地表滴灌条件下水热耦合迁移和分布的规律。为滴灌条件下的土壤水、热环境的监测和调控提供一种有效方法和手段。

1　材料与方法

1.1材 料

试验装置由恒温恒湿人工气候模拟室,低温恒温水循环系统、恒温室、水位调控装置、日光模拟控制系统、流量调节仪、温度和水分传感器等组成试验采用有机玻璃制成的二维土槽,长×宽×高(60 cm×60 cm×60 cm)。设计5个灌水水温10、15、20、25和30℃，3个重复,8个处理,配合使用中国科学院寒区与旱区环境工程研究所研制的土壤温度采集系统和SM100土壤水分自动监测系统,设计3 min测定一组数据,监测点为滴头正下方(5、15和25 cm)和水平距滴头10和20 cm处,埋设温度探头和水分探头,测定土箱不同部位土壤含水量和土壤温度。控制室内温度在(20±2)℃。图1

根据新疆历年土壤水温变化,试验选用滴灌水温为 10、15、20、25和30℃,灌溉水头为155 cm试验,滴头流量为2.0 L/h,保持砂壤土的初始温度在15℃ 。根据试验方案,在试验开始之前,不同水温通过恒温水循环系统制备,再利用水位调节控制台来控制供水强度的大小,并使其稳定。水温稳定后,秒表和进水阀同时开启,滴灌试验开始,观测湿润锋,每隔 20 min 要刻化一次湿润锋。

试验所用的材料为砂壤土,土样采自新疆农科院土壤肥料与农业节水研究所国家灰漠土肥力和肥料效益监测基地。

图1试验装置示意
Fig.1Schematic diagram of the experimental apparatus

1.2方 法

土壤经风干后,过2 mm孔径的筛,混合均匀后,按设定干容重1.45 g/cm3分层均匀装入试验土槽。在填土过程中,每填土厚度为5 cm土层压实,并且在土层之间进行刨毛,土壤层次紧密结合。此次试验在土槽前壁埋设了12个水分传感器和17个温度传感器,传感器通过采集仪和计算机相连,实时采集数据。水分和温度传感器埋设方式为：垂向每隔5 cm埋设一组水分和温度传感器(0～30 cm),水平是每隔10 cm埋设一组传感器(0～20 cm)。表1

表1供试土壤样品的基本物理性质
Table1Basic physical property of soil

粒径Particlesize(mm)颗粒组成　Sizecomposition(%)0～0 0020 002～0 050 05～1 00质地Soiltexture容重Bulkdensity(g/cm3)饱和导水率Ks(mm/min)灰漠土GrayDesertSoil21 0177 711 28砂壤土1 40 020

2　结果与分析

2.1地表滴灌水热耦合迁移数学模型

2.1.1土壤水分特征曲线确定

在新疆安宁渠灰漠土基地采取土样进行室内土柱试验,离心机法测定了土壤的体积含水量及其对应的水吸力,得出0～12 000 s/cm吸力条件下土壤平均含水率。根据土柱试验结果,结合Van Genucheten 模型(公式1),计算得出灰漠土基地土壤水分特性曲线-土壤体积含水量与土壤水吸力之间的关系(公式2) 。

Q(h)=

(1)

(2)

当土壤水吸力为 0、1 000、3 000、5 000、10 000、12 000 s/cm 时,平均含水率分别为39.27%、17.69%、12.58%、11.05%、9.55%、9.25%。

2.1.2模型方程的建立

根据室内土柱实验,得到土壤物理参数,应用在HYDRUS-1D软件中应用的非饱和土壤水力特性Van Genucheten模型,建立新疆灰漠土土壤含水量与压力水头的模拟方程(式4)。

(3)

(4)

2.1.3土壤物理参数

利用HYDRUS软件可以对饱和、非饱和水流的Richards方程和热传递和溶质运移的对流扩散型方程进行求解。因此，利用其可以分析土壤水分和水力传导性。根据土壤物理特性,如土壤粒径的百分含量和土壤容重,可直接将Van Genucheten模型中的4个参数输出。模拟方程中(式1)有θr(残余含水率),θs(饱和含水率),α、n(土壤水分参数),Ks(饱和导水率)5 个独立参数,大多数土壤的孔隙连通性参数l= 0.5。根据室内土柱实验结果,测定非饱和导水率和土壤特征曲线,对实测结果利用HYDRUS-1D软件进行拟合,得出的 V-G 模型土壤水利特性参数：残余含水率θr=0.063 8 cm3/cm3,饱和含水率θs= 0.392 7 cm3/cm3,土壤水分参数α=0.007 7、n=1.559 7 , 饱和导水率Ks=0.072 56 mm/s。表1

2.1.4不同滴灌温度下的运移模拟参数

在HYDRUS-1D模拟软件中,土壤温度运移模拟所需物理参数是：土壤固相比solid、有机质比org、土壤纵向、横向热扩散率DL和DT、热导率系数 b1、b2和b3,土壤固相的热容Cn、土壤有机质的热容Co和土壤液相的热容Cw等。试验根据当地的气候状况,取地表温度的振幅为5,温度周期为8 h,利用软件和土壤粒度分析,得出具体的土壤温度模拟热特性参数值：土壤固相占总体积的比率60.66%,有机质占总体积的比率0、土壤纵向热扩散率DL=5.0 cm2/s、土壤横向热扩散率DT是1.0 cm2/s、热导率函数中系数b1=5 248 800、b2=84 888 000和b3=33 134 400,土壤固相的热容Cn=6.912×107J/(cm3·℃)、土壤有机质的热容Co=9.036×107J/(cm3·℃)和土壤液相的热容Cw=1.304 8×108J /(cm3·℃)土壤。

2.2土壤温度实测与模拟值验证

2.2.1土壤水分特征曲线实测与拟合

研究表明，HYDRUS-1D软件做出的模拟曲线与实测过程曲线差异较小。利用SPSS软件对模拟值和实测值进行配对样本t检验,双尾显著性概率(sig.=0.113)大于0.05,实测值与模拟值之间差异不显著,也就是说,利用HYDRUS-1D软件模拟土壤水分特征曲线与实测值拟合程度较好。因此,可以利用该模型来模拟土壤水分特征变化过程。图2

图2土壤水分特征曲线实测与拟合
Fig.2Soil hydraulic property curve plotted by measured and simulated values

2.2.2土柱滴灌土壤温度模拟与验证

运行 HYDRUS-1D软件,输入土柱的各项土壤物理参数、相关常数,输出不同水温下土壤温度、水分的变化。在土柱设置2个模拟值观察点,分别观察土壤水分和温度变化,设置模拟点与土柱土壤温度探头实测点的深度位置相同,均在5和15 cm处,并且模拟值观测点和实测位置都位于地表滴灌灌水器正下方位置,便于土壤水热模拟值与实际观测值的对比。

研究表明，室内模拟滴灌5和15 cm土壤温度模拟值与实测值的对比结果,滴灌水温对土壤温度有一定的影响,并且高温对土壤温度影响是大于低温影响；将Hydrus软件模拟结果与试验真实测定结果进行拟合,表层(0～5 cm)拟合程度不好,在一些观测点上存在一定的误差；5～15 cm土层拟合程度较好,为了进一步分析模拟的精度,对利用HYDRUS-1D 软件的模拟的土壤温度变化值和实测值做了平均误差分析,地表滴灌条件下土壤温度变化的模拟结果与实测结果之间的平均相对误差在土层是0～5 cm,控制在 3.44%～10.07%；土层是5～15 cm,控制在2.55%～6.01%,考虑到是填装土柱以及土壤的空间变异性,所构建的数学模型能较好的模拟地表滴灌条件下土壤温度的变化,特别是5～15 cm土层模拟效果总体上是比较成功的,表层0～5 cm由于受到室内温度的影响效果相对小一些。另外,地温模拟值与实测值之间差异的主要原因是地表蒸发模拟过程中参数准确性误差；由于土壤空间变异性的存在,土壤热特性输入参数的单一性也是导致模拟值与实测值发生偏差的原因；同时由于是地表滴灌条件下,会受大气边界的影响(室温的波动),导致土壤温度出现不同程度的波动变化。图3，图4，表2

图30～5 cm深度土壤温度模拟值与实测值对比
Fig.3Comparison of simulated and measured values of soil temperature at 0-5 cm depth

图45～15 cm深度土壤温度模拟值与实测值对比
Fig.4Comparison of simulated and measured values of soil temperature at 5-15 cm depth

表2土壤温度模拟值与实测值验证平均相对误差
Table2Average error between soil heat simulation value and measured value(%)

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

2.2.3不同滴灌水温对土壤温度的影响

研究表明,不同滴灌水温进入土壤后,对土壤温度的影响效果明显。特别是低水温和高水温,对土壤温度的变化影响较大,在10.0℃低温状态下土壤温度降低的程度0～5 cm达到30.91%, 5～15 cm达到了31.09%；在30℃高温状态下,表层0～5 cm温度提升效率达到62.9%,5～15 cm达到27.98%。不同温度灌溉水进入土壤,直接影响着土壤的热环境,影响着作物根区的温度,尤其是作物根区的滴灌。灌溉水温低,水中溶解氧含量会降低,植物的生理活动受到限制,根系对土壤水分和矿物养分的吸收利用减缓,作物枝叶的不能正常生长,产生不同程度 “副作用”。土壤有效水分吸收和利用与土壤溶液浓度高低有关,并且土壤中的矿质营养能否有效分解和转化,与土壤温度有密切的关系,而土壤溶液和土壤温度又与灌溉水温会密切相关。因此，可以在春季低温状态下,适当的提高灌溉水温,对作物的生长有促进作用。表3

表3不同滴灌水温对土壤的温度效应
Table3Effect of soil temperature with different drip irrigation(%)

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

注：“-”表示降温过程

3　讨 论

不同滴灌灌溉温度、灌水量和灌水频率对作物生长、土壤水分、热量分布及迁移均有不同程度的影响。滴灌技术之所以能够提高作物品质,这与作物必需的水热条件密切相关,因此，促进作物优质高产的重要手段就是适时监测和及时调节土壤中水热运移和分布状况。然而在适时监测土壤中水热状况存在困难的情况下,利用模型采用数值模拟是一种可行、简单、高效的方法[8]。国外许多专家学者建立了水热的交互作用下的土壤水热数学模型[5-6],在国内许多学者针对不同覆盖条件下的田间水热运移进行了数值模拟研究,实现不同覆盖层下非均质土壤水热分布的定量分析[10,14]。也有研究者对土壤水热传输耦合模型的进行发展和改进[20-21]。

王建东[3,8]等利用HYDRUS模型进行滴灌条件下的水热耦合迁移数值模拟与验证,但是只是对土壤温度进行实时的监测,并没有考虑到滴灌水温的不同,引起土壤温度的变化。实验根据新疆春季灌溉水温度偏低,在室内进行土柱模拟实验,研究不同滴灌水温在同一时段灌溉,对土壤温度影响程度,以及相同滴灌水温在不同时段灌溉后,与土壤温度的变化关系。利用HYDRUS-1D 软件模拟膜下滴灌条件下水热耦合迁移规律,但是还要以田间实测数据与室内实验进行验证评价。

4　结 论

4.1土柱试验的模拟值和实测值在15 cm土层吻合效果比较好,HYDRUS-1D 软件可以用于模拟地表滴灌条件下表层以下土壤水分运动和土壤温度变化及分布状况。根据实测的土壤理化性质、收集的气象数据以及当地的灌水资料,建立的数学模型,就可以适时监测和调控作物生长所需的土壤水、热环境条件。

4.2不同水温滴灌条件下,土壤温度在表层土壤(0～5 cm)有更明显的效果,温度影响的波动幅度较大。

4.3滴灌水温在低温(10℃)和高温(30℃)状态下对土壤温度影响较大,接近地表温度的水温波动不大,由此可以看出在春季时,土壤温度比较低的情况下,给予较高温度的灌溉水,可以提高土壤表层的温度,有利于作物的苗期生长。

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