不同滴灌水溫在灰漠土中水熱耦合模擬與驗證

吉恒瑩，李 磐，付彥博，馮耀祖

(1.新疆師范大學，烏魯木齊　830054；2.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊　830091)

0　引 言

【研究意義】作物生長的重要土壤環境參數是土壤水分和溫度都具有適宜范圍,超過土壤水分、溫度的適宜范圍,作物的正常生長期在環境中將明顯改變,尤其是在作物生長初期時的發芽和幼苗階段[1]。土壤中灌溉不同溫度水,對土壤的熱環境會產生直接影響,作物根區的溫度都會發生改變。灌溉水溫低,植物的生理活動就會受到影響,特別是根系的活性就會降低,對土壤水分和礦質養分的吸收作用減弱,并且導致植物的枝葉生長受阻,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勢效應,改變作物生長的土壤環境水熱狀況,就可以起到顯著的節水、增產及提高作物品質的作用[3],因此,為了促進作物優質高產,可以將監測和調節土壤中水、熱狀況作為一個重要土壤管理措施。田間試驗的干擾和不可控因素過多,做到長時間的土壤水熱分布的實時監測,是難以持續的。就目前狀況,利用數值模擬仿真技術,可以重現土壤水、熱遷移分布情況,在允許誤差范圍內,模擬值與試驗結果沒有太大差別。因此,通過建立地表滴灌條件下土壤水熱耦合遷移數值模擬的方法,來預測和控制土壤水熱分布情況。【前人研究進展】20世紀90年代,許多研究者從不同角度對土壤中水、熱、鹽運移問題進行了理論及試驗研究[4]。Nassar利用土壤中水、熱、鹽運動方程和連續方程,描述了土壤中水熱鹽運動的耦合方程[5]；Philip 和 De Vries 提出建立在質能平衡基礎上的水-氣-熱耦合運移理論[6]；Milly 等對 Philip 的模型進行了改進,含水率梯度被基質勢梯度代替[7-8]；在中國,一些研究者們分別對田間水熱運移進行了數值模擬研究,對非均質土壤水熱分布進行定量分析[9-12]；還有研究在非飽和土壤凍結條件下的水、熱、鹽耦合運動,建立了相應的數學模型[13-14]；隋紅建等[15]改變大田當中一維土壤水熱動態的模型,擴展到土壤水熱遷移的二維數值模型。隨著土壤水熱耦合非飽和多孔介質中水和溶質運移模擬研究的深入,研究者從不同的角度模擬土壤的水、溶質、熱運移狀況,開發和建立數學模型軟件[3],目前在地表滴灌條件下,應用最多的是 HYDRUS 模型來模擬土壤水、熱及溶質運移狀況,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移規律。【本研究切入點】目前棉花膜下滴灌多以與地下水開發配套進行,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%的棉花滴灌時抽取地下井水不進行任何增溫處理就滴入棉田,而低溫井水與土壤環境溫度存在差異,進入土壤必然會與其發生熱量的交換與轉移增溫水灌溉對棉花根際土壤養分和土壤微生物數量的影響[17-19]。目前有關棉花滴灌技術研究多集中灌溉技術、水氮耦合、水鹽調控等方面,而有關滴灌灌溉水溫的研究少有報道。對于地表滴灌條件下的水熱耦合遷移的模擬模型研究相對較少。研究滴灌條件下不同溫度灌溉水進入土壤后與土壤水熱交換和轉化規律,明確不同灌溉水溫對土壤環境和棉花影響機制,為新疆膜下滴灌棉花的增產提供理論和技術支持。【擬解決的關鍵問題】研究地表滴灌條件下水熱耦合遷移規律,利用 HYDRUS-1D軟件模擬,并與實測數據進行比較,利用數值模擬來描述和預測地表滴灌條件下水熱耦合遷移和分布的規律。為滴灌條件下的土壤水、熱環境的監測和調控提供一種有效方法和手段。

1　材料與方法

1.1材 料

試驗裝置由恒溫恒濕人工氣候模擬室,低溫恒溫水循環系統、恒溫室、水位調控裝置、日光模擬控制系統、流量調節儀、溫度和水分傳感器等組成試驗采用有機玻璃制成的二維土槽,長×寬×高(60 cm×60 cm×60 cm)。設計5個灌水水溫10、15、20、25和30℃，3個重復,8個處理,配合使用中國科學院寒區與旱區環境工程研究所研制的土壤溫度采集系統和SM100土壤水分自動監測系統,設計3 min測定一組數據,監測點為滴頭正下方(5、15和25 cm)和水平距滴頭10和20 cm處,埋設溫度探頭和水分探頭,測定土箱不同部位土壤含水量和土壤溫度。控制室內溫度在(20±2)℃。圖1

根據新疆歷年土壤水溫變化,試驗選用滴灌水溫為 10、15、20、25和30℃,灌溉水頭為155 cm試驗,滴頭流量為2.0 L/h,保持砂壤土的初始溫度在15℃ 。根據試驗方案,在試驗開始之前,不同水溫通過恒溫水循環系統制備,再利用水位調節控制臺來控制供水強度的大小,并使其穩定。水溫穩定后,秒表和進水閥同時開啟,滴灌試驗開始,觀測濕潤鋒,每隔 20 min 要刻化一次濕潤鋒。

試驗所用的材料為砂壤土,土樣采自新疆農科院土壤肥料與農業節水研究所國家灰漠土肥力和肥料效益監測基地。

圖1試驗裝置示意
Fig.1Schematic diagram of the experimental apparatus

1.2方 法

土壤經風干后,過2 mm孔徑的篩,混合均勻后,按設定干容重1.45 g/cm3分層均勻裝入試驗土槽。在填土過程中,每填土厚度為5 cm土層壓實,并且在土層之間進行刨毛,土壤層次緊密結合。此次試驗在土槽前壁埋設了12個水分傳感器和17個溫度傳感器,傳感器通過采集儀和計算機相連,實時采集數據。水分和溫度傳感器埋設方式為：垂向每隔5 cm埋設一組水分和溫度傳感器(0～30 cm),水平是每隔10 cm埋設一組傳感器(0～20 cm)。表1

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

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

2　結果與分析

2.1地表滴灌水熱耦合遷移數學模型

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行室內土柱試驗,離心機法測定了土壤的體積含水量及其對應的水吸力,得出0～12 000 s/cm吸力條件下土壤平均含水率。根據土柱試驗結果,結合Van Genucheten 模型(公式1),計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系(公式2) 。

Q(h)=

(1)

(2)

當土壤水吸力為 0、1 000、3 000、5 000、10 000、12 000 s/cm 時,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

根據室內土柱實驗,得到土壤物理參數,應用在HYDRUS-1D軟件中應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

利用HYDRUS軟件可以對飽和、非飽和水流的Richards方程和熱傳遞和溶質運移的對流擴散型方程進行求解。因此，利用其可以分析土壤水分和水力傳導性。根據土壤物理特性,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個參數輸出。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),Ks(飽和導水率)5 個獨立參數,大多數土壤的孔隙連通性參數l= 0.5。根據室內土柱實驗結果,測定非飽和導水率和土壤特征曲線,對實測結果利用HYDRUS-1D軟件進行擬合,得出的 V-G 模型土壤水利特性參數：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α=0.007 7、n=1.559 7 , 飽和導水率Ks=0.072 56 mm/s。表1

2.1.4不同滴灌溫度下的運移模擬參數

在HYDRUS-1D模擬軟件中,土壤溫度運移模擬所需物理參數是：土壤固相比solid、有機質比org、土壤縱向、橫向熱擴散率DL和DT、熱導率系數 b1、b2和b3,土壤固相的熱容Cn、土壤有機質的熱容Co和土壤液相的熱容Cw等。試驗根據當地的氣候狀況,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值：土壤固相占總體積的比率60.66%,有機質占總體積的比率0、土壤縱向熱擴散率DL=5.0 cm2/s、土壤橫向熱擴散率DT是1.0 cm2/s、熱導率函數中系數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·℃)、土壤有機質的熱容Co=9.036×107J/(cm3·℃)和土壤液相的熱容Cw=1.304 8×108J /(cm3·℃)土壤。

2.2土壤溫度實測與模擬值驗證

2.2.1土壤水分特征曲線實測與擬合

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

圖2土壤水分特征曲線實測與擬合
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證

運行 HYDRUS-1D軟件,輸入土柱的各項土壤物理參數、相關常數,輸出不同水溫下土壤溫度、水分的變化。在土柱設置2個模擬值觀察點,分別觀察土壤水分和溫度變化,設置模擬點與土柱土壤溫度探頭實測點的深度位置相同,均在5和15 cm處,并且模擬值觀測點和實測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際觀測值的對比。

研究表明，室內模擬滴灌5和15 cm土壤溫度模擬值與實測值的對比結果,滴灌水溫對土壤溫度有一定的影響,并且高溫對土壤溫度影響是大于低溫影響；將Hydrus軟件模擬結果與試驗真實測定結果進行擬合,表層(0～5 cm)擬合程度不好,在一些觀測點上存在一定的誤差；5～15 cm土層擬合程度較好,為了進一步分析模擬的精度,對利用HYDRUS-1D 軟件的模擬的土壤溫度變化值和實測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果與實測結果之間的平均相對誤差在土層是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,所構建的數學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由于受到室內溫度的影響效果相對小一些。另外,地溫模擬值與實測值之間差異的主要原因是地表蒸發模擬過程中參數準確性誤差；由于土壤空間變異性的存在,土壤熱特性輸入參數的單一性也是導致模擬值與實測值發生偏差的原因；同時由于是地表滴灌條件下,會受大氣邊界的影響(室溫的波動),導致土壤溫度出現不同程度的波動變化。圖3，圖4，表2

圖30～5 cm深度土壤溫度模擬值與實測值對比
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測值對比
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測值驗證平均相對誤差
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不同滴灌水溫對土壤溫度的影響

研究表明,不同滴灌水溫進入土壤后,對土壤溫度的影響效果明顯。特別是低水溫和高水溫,對土壤溫度的變化影響較大,在10.0℃低溫狀態下土壤溫度降低的程度0～5 cm達到30.91%, 5～15 cm達到了31.09%；在30℃高溫狀態下,表層0～5 cm溫度提升效率達到62.9%,5～15 cm達到27.98%。不同溫度灌溉水進入土壤,直接影響著土壤的熱環境,影響著作物根區的溫度,尤其是作物根區的滴灌。灌溉水溫低,水中溶解氧含量會降低,植物的生理活動受到限制,根系對土壤水分和礦物養分的吸收利用減緩,作物枝葉的不能正常生長,產生不同程度 “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,并且土壤中的礦質營養能否有效分解和轉化,與土壤溫度有密切的關系,而土壤溶液和土壤溫度又與灌溉水溫會密切相關。因此，可以在春季低溫狀態下,適當的提高灌溉水溫,對作物的生長有促進作用。表3

表3不同滴灌水溫對土壤的溫度效應
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：“-”表示降溫過程

3　討 論

不同滴灌灌溉溫度、灌水量和灌水頻率對作物生長、土壤水分、熱量分布及遷移均有不同程度的影響。滴灌技術之所以能夠提高作物品質,這與作物必需的水熱條件密切相關,因此，促進作物優質高產的重要手段就是適時監測和及時調節土壤中水熱運移和分布狀況。然而在適時監測土壤中水熱狀況存在困難的情況下,利用模型采用數值模擬是一種可行、簡單、高效的方法[8]。國外許多專家學者建立了水熱的交互作用下的土壤水熱數學模型[5-6],在國內許多學者針對不同覆蓋條件下的田間水熱運移進行了數值模擬研究,實現不同覆蓋層下非均質土壤水熱分布的定量分析[10,14]。也有研究者對土壤水熱傳輸耦合模型的進行發展和改進[20-21]。

王建東[3,8]等利用HYDRUS模型進行滴灌條件下的水熱耦合遷移數值模擬與驗證,但是只是對土壤溫度進行實時的監測,并沒有考慮到滴灌水溫的不同,引起土壤溫度的變化。實驗根據新疆春季灌溉水溫度偏低,在室內進行土柱模擬實驗,研究不同滴灌水溫在同一時段灌溉,對土壤溫度影響程度,以及相同滴灌水溫在不同時段灌溉后,與土壤溫度的變化關系。利用HYDRUS-1D 軟件模擬膜下滴灌條件下水熱耦合遷移規律,但是還要以田間實測數據與室內實驗進行驗證評價。

4　結 論

4.1土柱試驗的模擬值和實測值在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動和土壤溫度變化及分布狀況。根據實測的土壤理化性質、收集的氣象數據以及當地的灌水資料,建立的數學模型,就可以適時監測和調控作物生長所需的土壤水、熱環境條件。

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,溫度影響的波動幅度較大。

4.3滴灌水溫在低溫(10℃)和高溫(30℃)狀態下對土壤溫度影響較大,接近地表溫度的水溫波動不大,由此可以看出在春季時,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。

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