不同秸稈覆蓋厚度下季節性凍融土壤的水熱運移規律模擬研究

魏一釗，陳軍鋒，高旭光，解 雪

(太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024)

0 引 言

我國季節性凍土區大多數位于北方干旱、半干旱的水資源短缺地區[1-3]。為了提高作物的水分利用效率，農業生產中常采用秸稈覆蓋的方法來調節土壤水分狀況[4-6]、減少土壤水分蒸發[7-8]。在秸稈覆蓋下土壤水分狀況改變的同時伴隨著熱量的傳遞，而土壤的溫度和水分狀況與作物產量息息相關，因此近年來國內外學者就秸稈覆蓋對土壤水熱作用效果進行了積極研究。付強等[9]研究分析了了凍融期不同秸稈覆蓋方式對土壤水分運移的影響程度。楊金鳳[10]等研究分析了不同覆蓋條件下的土壤水熱運移規律。Flerchinger等[11]利用水熱耦合遷移模型模擬了植被對土壤水分和溫度時空變化的影響。王昕[12]等研究了不同秸稈覆蓋量下的土壤水分保蓄能力及水分利用效率。陳軍鋒[13]等研究了凍融期間不同秸稈覆蓋量下土壤水熱的時空變化，得出了預防凍害和蓄水保墑的最佳秸稈覆蓋量。現有研究僅針對常規秸稈覆蓋厚度(覆蓋厚度<30 cm)下的土壤水熱變化規律，尚未揭示大量秸稈覆蓋下的土壤水熱運移規律。為了定量分析不同秸稈覆蓋厚度下的土壤水熱運移狀況，考慮到土壤水熱耦合運移模型(Simultaneous heat and water，SHAW)對解決凍融土壤水熱耦合運移問題的優越性，本文利用2005-2006年山西省水文水資源勘測局太谷均衡實驗站的試驗資料，利用SHAW模型對土壤水熱變化進行了模擬研究，通過統計分析對比模擬值與觀測值，驗證SHAW模型對不同秸稈覆蓋厚度下土壤剖面水熱模擬的效果，并進一步模擬預測最大程度保持土壤水熱狀態的秸稈覆蓋量。研究結果可為作物春播和防凍等農業活動提供理論與實踐依據。

1 試驗概況

1.1 試驗地概況

山西省水文水資源勘測局太谷均衡實驗站位于山西省晉中盆地東北部，地理位置112°E、37°N，海拔高度777.0 m，屬溫帶季風氣候。年平均(1981-2010年)氣溫17.6 ℃；年平均降水量397.3 mm，降雨集中在6-8月份；年平均相對濕度58%，多年平均風速1.8 m/s，全年平均無霜期220 d。

1.2 試驗測定項目

試驗田土壤類型為壤土，主要參數見表1。試驗田塊有5種覆蓋厚度，分別為5、10、15、20和30 cm，分別記為JG05、JG10、JG15、JG20和JG30。凍融期同步監測土壤溫度、土壤水分動態，監測時間為上午9點。土壤含水率檢測采取土鉆取樣、烘箱烘干、稱重的方法測定，土壤溫度是靠地表封凍前打孔預埋的熱敏電阻測定。土壤含水率和溫度監測時間間隔為5 d。田間試驗監測時間為2005年11月1日-2006年3月31日，土壤含水率和溫度的監測深度均為0、5、10、15、20、40、80 cm。

表1 土壤質地主要參數

2 模型建立

2.1 SHAW模型簡介

SHAW模型模擬了從不同覆蓋層、土壤表面到模擬深度之間一維空間上的水熱鹽運移。如圖1所示，該模型將植被覆蓋、積雪、殘余物和土壤的詳細物理量綜合成一個同時求解的系統。SHAW可有選擇地輸入水量平衡、地表能量傳輸、凍深、剖面含水率、剖面溫度等[14]。

圖1 SHAW模型物理系統描述 注：T為氣溫；u為風速；h為相對濕度；St為太陽輻射；i為降水；t為土壤溫度；θ為含水率。

2.2 基本理論模型

2.2.1 覆蓋物中的熱傳遞

單層覆蓋物的能量平衡方程表示為：

(1)

2.2.2 覆蓋物中的水通量

通過覆蓋物的蒸汽通量描述為：

(2)

2.3 模型輸入

SHAW模型需要輸入的信息主要有：初始和最后一天土壤剖面的含水率和溫度信息；每小時的氣象信息(氣溫、風速、相對濕度、雪密度、太陽輻射)；試驗場地的基本信息(坡度、坡向、海拔、緯度)；土壤參數(濕土反射率、干土反射率、容重、飽和導水率)；覆蓋物信息(覆蓋物類型、覆蓋厚度、每公頃覆蓋量、覆蓋比例、覆蓋物反照率)。模擬點基本信息見表2。

表2 模擬點信息

2.4 模型率定

利用土壤顆粒的平均粒徑、干容重及顆粒組成等土壤基本特性在SHAW模型中計算所得的土壤特性參數進行輸入。根據土壤溫度和土壤含水率的模擬值和實測值的對比，反復調整參數進行模型率定，率定后的土壤特性參數見表3。

表3 率定后的土壤特性參數

2.5 模型檢驗

采用2005-2006年實測的土壤溫度和土壤含水率資料與SHAW模擬結果進行比較，模擬值與實測值的吻合程度根據均方根誤差(也稱標準誤差)RMSE來定量分析，即：

(3)

(1)土壤溫度檢驗。隨機選取2005年12月6日秸稈覆蓋厚度為5、15 cm和2006年1月1日秸稈覆蓋厚度為10、30 cm的土壤溫度實測值與模擬值進行對比(圖2)。由圖2可見，土壤溫度模擬值和實測值基本接近，土壤中間層和下層模擬效果較表層模擬效果好，且土層越深模擬效果越好，主要原因是表層土壤易受外界環境變化和地氣之間水熱交換的影響。各層土壤溫度模擬值與實測值的均方誤差RMSE為1.07～2.74 ℃，模擬精度較高，因此SHAW模型可以較好地模擬凍融期間不同秸稈覆蓋厚度下的土壤溫度變化過程。

圖2 土壤溫度實測值與模擬值對比

(2)土壤含水率檢驗。隨機選取2005年12月26日秸稈覆蓋厚度為5、15 cm和2006年1月21日秸稈覆蓋厚度為20 cm、30 cm的土壤體積含水率的實測值與模擬值進行對比(圖3)。從圖3中可以看出土壤體積含水率的實測值與模擬值十分接近，模擬效果良好。凍融期間不同土層體積含水率模擬值與實測值的均方誤差RMSE為0.003～0.08 m3/m3，這表明模擬值和實測值的契合程度很高，模型參數合理，率定后的SHAW模型可以用來模擬季節性凍土在不同秸稈覆蓋量下的土壤水熱運移。

圖3 土壤含水率模擬值與實測值對比

3 不同秸稈覆蓋厚度下土壤剖面水熱變化分析

3.1 土壤剖面含水率變化分析

使用參數率定好的SHAW模型對秸稈覆蓋厚度為35、40、45、50 cm的土壤水熱運移進行模擬。引用統計學中的極值比(Ka)和變差系數(Cv)對凍融期同一深度的水熱變化進行分析。

(4)

式中：ymax為凍融期同一深度的最大值；ymin為凍融期同一深度的最小值。Ka反映了數據變化幅度的大小。

(5)

其中：

(6)

(7)

凍融期土壤剖面含水率統計分析結果見表4。一般來說，隨著深度的增加，土層平均含水率的變化幅度減少[15]，根據Cv值將土壤剖面劃分為水分活躍層(指凍融期土壤水分變化劇烈，Cv≥0.07)和水分穩定層(凍融期水分變化平緩，Cv<0.07)[16]，由表4可知，對于同一秸稈覆蓋厚度下，Cv和Ka隨著深度的增加而減少，表明隨著深度增加水分運移幅度減弱。對于同一深度，Cv和Ka隨著秸稈覆蓋厚度的增加而減少，當秸稈覆蓋厚度為35、40 cm時，Cv分別為0.016～0.19和0.011～0.083，此時由于表層土壤易受外界環境影響，存在Cv大于0.07的土層，土壤剖面依舊存在水分活躍層。當覆蓋厚度≥45 cm時，土壤剖面Cv值均小于0.07，此時的土層均為水分穩定層，可認為此時的土層中水分不受外界環境影響。

3.2 土壤剖面溫度變化分析

玉米秸稈覆蓋田地后，由于覆蓋層對太陽直接輻射和地面有效輻射的攔截、吸收，使土壤接受太陽輻射大大減少，對土壤溫度產生明顯影響[17]。統計學分析可以更加科學的解釋土壤剖面溫度的變化特征，但是統計量Ka和Cv不能表示出現負值時的變化特征，因此出現負值時表中均省略。根據Cv值將土壤剖面劃分為溫度變化活躍層(Cv≥0.95)和溫度漸變層(Cv<0.95)[16]，由表5可知，同一深度下，Ka和Cv隨著覆蓋厚度增加而減少，當覆蓋厚度為35、40 cm時的Cv分別為0.262～1.193和0.262～1.038，此時土壤表層存在溫度變化活躍層。當覆蓋厚度≥45 cm時，各土層Cv值均小于0.95，此時土壤剖面均為溫度漸變層。綜上可知，當秸稈覆蓋厚度≥45 cm時，土壤水熱運移基本不受外界環境影響。

表4 土壤剖面含水率變化統計結果

表5 土壤剖面溫度變化統計結果

注：“#”表示為負值；Ka和Cv分別為極值比和變差系數，上同。

4 結 論

SHAW模型可用于定量研究分析和預測不同秸稈覆蓋厚度下垂向一維凍土—非凍土系統內的水熱運移狀況，模擬結果可為作物春播和防凍等農業活動提供理論與實踐依據。

(1)基于SHAW模型對裸地和5種不同秸稈覆蓋厚度下不同深度的土壤含水率和土壤溫度進行了模擬，土壤體積含水率的均方誤差RMSE為0.003～0.08 m3/m3，土壤溫度的均方誤差RMSE為1.07～2.74 ℃。

(2)20 cm以上土壤溫度模擬誤差較大，但與實測值基本接近，模擬誤差在許可范圍之內，模擬偏差出現的主要原因是表層土壤易受外界氣象環境變化和土壤參數的不確定性影響。

(3)同一秸稈覆蓋厚度下，土層越深，Ka和Cv值越小，土層水熱運移幅度越弱；同一土層深度，秸稈覆蓋量越小，Ka和Cv值越大，土層更容易受到外界環境影響。當秸稈覆蓋厚度≥45 cm時，凍融期土壤剖面溫度Cv值均<0.95，土壤剖面含水率Cv值均<0.07，此時秸稈覆蓋下的土壤剖面基本不受外界環境影響。