南疆鹽漬化地區的棉花水分遷移模型研究

張婷樂 周保平 劉冠華 高黎明

摘要：為了控制南疆鹽漬化地區棉田土壤中的鹽分，進一步提高棉花植株對水分的利用效率，通過對土壤-棉花-大氣系統（SCAC系統）進行的研究，建立了南疆鹽漬化地區的棉花水分遷移模型，計算出棉花植株水分的吸收效率，從而來調控棉田土壤的水分、鹽分及其根系分布，達到控制鹽分、提高水分利用效率的目的。并對棉花水分遷移模型的未來進行了展望。

關鍵詞：新疆;鹽漬化地區;土壤-棉花-大氣系統;水分遷移;模型

中圖分類號：S562.048 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：2095-3143（2019）03-010-05

DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2019.03.003

0 ?引言

新疆擁有特殊的自然條件，但淡水資源不足，種植土壤鹽堿度較高。其日照充足、蒸發強烈，極易導致土壤次生鹽堿化，對新疆農業也產生了不小的影響。在新疆南部地區一般種植棉花的農田大部分都是鹽堿地，這種土地很不穩定，較易影響棉花的生長。所以對于棉田的灌溉，既要滿足棉花對于生理生長所需求的水分，還要認真觀察棉田土壤的水鹽環境。在強烈的蒸發下，棉田經過灌水，其土壤中的鹽分在根系層以下聚集而不能將土壤中的鹽分排出棉田，久而久之，土壤中的鹽分積累后浮于表面。長期灌溉后，棉田中的鹽分上升至棉花的根系層，嚴重影響棉花的生長發育，使其產量下降，甚至死亡，一步步演變成土壤次生鹽堿化。

在棉田土壤中其鹽分需要用水分當做載體，在棉花植株的毛細管作用下，能將其棉田地下水中或土壤中的鹽分通過水分的吸收向地表運移。棉田中的水分被蒸發后，其中的鹽無法流失則被留在表層土壤中，剩下的鹽分對棉花植株85%以上的根系產生影響，并會進一步影響棉花的生產種植[1-4]。棉花根系的吸收能力及強度、利用率以及植株的生長由土壤中的水、鹽分布的情況決定，而棉花根系的吸收程度又影響了水、鹽的分布。所以，在南疆鹽漬化的大環境之下，研究“土壤一棉花一大氣系統（簡稱SCAC系統）”，建立南疆鹽漬化地區的棉花水分遷移的模型，計算棉花植株對水分的吸收效率，從而調節棉田的土壤狀態，最終達到控制棉田土壤中的鹽分和提高水分利用效率。這既符合我國發展精準農業的要求，對在農業生產中節水、高產和高效的目標具有非常重要的意義。

1 ?國內外研究現狀

1966年，土壤水文物理學家菲利普斯第一次提出了“土壤-植物-大氣連續體”（Soil-Plant-Atmosphere Continuum，SPAC）的概念。菲利普斯認為，在一個整體運動過程中，水在每個過程中都起著樞紐的作用，菲利普斯研究了水在這整個過程中，各個部分能級的變化，并統一用能量單位水勢來計算出水分進行運動所需的能量[5]。“土壤-植物-大氣連續體”是將三部分之間的介面過程形成了完整的一個系統。在一定的條件下，預報植株的灌溉等[6-8]。在SPAC理論被提出的基礎之上，我國也有很多的科研人員都對此系統過程進行了不同的研究，主要包含干旱及半干旱的條件下，SPAC系統在其內部的水熱交換及能量的平衡;SPAC系統的水輸送的阻力（包括土壤根系和植物大氣系統的水輸送阻力）以及水分蒸發蒸騰作用[9-11]。在這一連續過程中，統一能量關系有利于水的運動傳遞和其能量的轉換。Gardner等用數學物理的方法，定量的研究植物根系的吸水[12]。Molz他所提出的植物吸水函數，具有很廣泛的代表及重要的參考價值[13];Talor及Klepper則突出植物根系的空間分布在植物吸水的整個過程中是很重要的[14]。

邵明安，等[15]用數學模擬的方法，研究了植物根系對土壤中水分的吸收利用，但因植物根系的吸水功能很復雜，所以其應用的難度較大。康少忠，等[16]建立了冬小麥的根系吸水模型，從而動態的模擬了冬小麥的根系吸水分布。劉昌明使用水力均衡法和液體動力學對SPAC的水分運動作了大量的研究[14]。盧振民，等[17]進行了大量的田間試驗來研究SPAC系統水流運動，從而建立了較完整的模型，是主要針對水流運動的重要部分：一方面利用植物土壤水分運動所常用的氣象資料和相關的參數來對土壤和作物水分運動的情況進行預測，另一方面研究了水流運動中氣孔阻力的調節和土壤溫度對氣孔阻力的影響。

2 ?技術路線

在研究思路上，本研究采用Pedersen所提出的植物根系吸水模型及植物根長密度分布模型統一求解的方法[18-21]。針對植物根系吸水模型中的算法復雜、開發難度很大及Richards方程解法上下邊界粗糙的情況，借鑒YANG、ZHANG等所提出IRE（積分型 Richards 方程解法）算法[22]對模型進行改良，并通過了大量的試驗及實例來進行驗證。在試驗過程中，采用管式TDR水分儀測定土壤含水量，采用取土干燥法進行標定（見圖1）。

本研究還利用土壤水分遷移的動力學過程進行棉花根系分布模擬、水分運移模擬，為節水灌溉、科學施肥、棉花增產和環境保護提供理論依據。

3 ?水分遷移的模擬計算

本研究的實驗區在0～100 cm的垂直深度范圍內棉田的土壤質地都是粉沙質壤土。應用環境模擬軟件HYDRUS-2D是研究棉花植株的水分遷移的分布最好的方法[23-24]。其對棉花土壤水分的數值模擬方法的結果，可為棉花的大面積種植提供更優的灌溉及施肥策略。

3.1 ?控制方程

研究水分輸運特性的一種有效的方法就是數值模擬。根據質量守恒定律及達西定律，對于剛性土（各向同性、骨架不變形）的介質，在棉田滴灌的條件下，假設所有土層均一，不考慮溫度和氣體圖像對棉田土壤的水分傳遞的影響。棉田土壤水分的轉移可簡化為線源剖面中的二維水分運動模型[25]，其控制方程見（1）。

式中：θ為土壤體積含水率[L3L-3]，t為時間[T]，K（h）為非飽和導水率[LT-1]，x為橫向坐標[L]，h為土壤負壓水頭[L]，z為垂向坐標[L]，向上為正方向。

3.2 ?初始條件及邊界條件

假定棉田土壤各層的初始含水量沿水平方向均勻的分布，棉田土壤水分的運移主要是以垂直方向的入滲和蒸散為先。忽略其非飽和水流的滯后所帶來的影響，模擬的深度范圍為0～100 cm，棉田土壤水分運動的初始條件為（2）和（3）。

3.3 ?模型參數

利用公式（9）、（10）、（11）、（12）和（13）尋得模型參數。

式中;θr和θs各為土壤的殘余的含水率及土壤的飽和含水率（L3L-3）;n和m為擬合的經驗參數;h為土壤的負壓水頭（L）;Ks為土壤飽和的導水率（L3L-3）;l為孔隙連通性參數，此參數對南疆鹽漬化地區的土壤類型可取為0.5。在這當中所用的棉田土壤的飽和導水率和VG模型參數α和β分別為0.043、0.045、0.450、0.027和1.393。下限條件設定為100 cm。上限條件指的是本地平均數據。使用Hydrus-2d軟件用于模擬水分在輕度鹽漬化土壤上的運移（其原始數據和運算結果本文略）。

4 ?展望

在現實農業生產過程中， SPAC系統是一個不可分割的復雜整體。需要進一步來研究南疆鹽漬化土壤中微生物的呼吸作用、水和肥料的揮發效應、土壤中氮含量的監測和遷移。結合棉花自身的因素，研究棉花在鹽漬化土壤中水氮遷移的機理并且建立水氮效應的模擬模型;根據不同土壤的理化性質結合當地的自然條件，做出相應的模型，以便解決不同情況下，不同作物的水分遷移模型，節約灌溉用水，減少肥料對土壤的破壞，以達到實現精準農業的目的。

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