基于Hydrus模擬納米碳對黃土坡面土壤水分運動特征的影響

張育華, 周蓓蓓, 陳曉鵬, 段曼莉

(西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地, 西安 710048)

我國黃土地區地形起伏，植被覆蓋率低，降雨集中，是我國水土流失問題最嚴重的地區之一[1]。為有效防治水土流失，國內學者針對黃土地區的現狀采取了大量措施，如工程措施、耕作措施、土壤改良措施等[2]。但工程措施耗資太大，耕作措施容易受區域分布影響不易開展[3]，因此更多學者將土壤改良劑作為改善黃土物理性質的重要方法。本文將基于前人的研究基礎，將納米碳作為改良劑施加于土壤中，并基于Hydrus軟件模擬土壤水分入滲過程，以期探索納米碳對土壤水分的運移的影響，為施加改良劑的實際田間水分運移動態模擬提供可能。

Hydrus模型是由美國鹽土實驗室開發的系列軟件，用于模擬不同初始條件下的飽和-非飽和土壤的水、鹽、熱運移，并且涵蓋了作物根系吸水和土壤持水能力的滯后影響，可以設定不同的恒定或非恒定邊界條件，具有良好的適用性。目前，Hydrus軟件在我國主要用于模擬土壤水分運移及溶質遷移。Yi Caiqiong等[4]通過Hydrus-1D模擬黃土高原土壤前期含水量，發現Hydrus-1D可較好反映土壤的水分運動，劉小璐等[5]運用Hydrus模型模擬不同降雨對坡面水分入滲過程的影響，發現降雨強度相同時，降雨歷時越長土壤含水量增量越大。董起廣[6]利用HYDRUS軟件建立的黃土高原丘陵溝壑區暴雨條件下土壤水分的運移，發現模型能夠較好地反映土壤水分的分布。但是這些研究僅限于水分運動及溶質運移等，并未深入對土壤的水力參數進行探討。

因此本文基于國內外學者已有的研究基礎，依據土壤水分運動理論，采用Hydrus軟件，對不同植被覆蓋條件下納米碳對土壤水分入滲過程的影響進行數值模擬，分析土壤水分的入滲規律，評價模擬效果，同時研究納米碳對土壤水力參數的影響，為黃土地區水資源高效利用提供理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015年7—9月在中國科學院水土保持研究所神木侵蝕與環境試驗站進行，試驗站位于中國黃土高原北部神木縣以西14 km的六道溝流域。該流域面積6.89 km2，海拔1 081～1 274 m，年均氣溫8.4℃，年均降雨量為408.5 mm，日最大降雨量為132 mm。該地區土壤類型分為風沙土和黃綿土，試驗小區所采用土壤為風沙土，具體理化性質見表1。

表1 降雨小區土壤理化性質

1.2 試驗數據來源

1.2.1 試驗方案設計 試驗小區面積為100 cm×100 cm的正方形，坡度15°。設置4組不同植被覆蓋(檸條、苜蓿、黃豆和玉米)的坡面處理以及1組裸地作為空白對照，共5組。在小區上選取坡上、坡中、坡下3個位置布置納米碳—土壤混合帶。每條混合帶寬5 cm，厚5 cm，長100 cm。每種植被覆蓋的小區分別布置4個梯度的納米碳—土壤混合帶(納米碳質量比例分別為0.1%，0.5%，0.7%和1.0%)，一組CK處理(納米碳質量比例為0.0%)共5組。共計有25個小區。試驗采用西安理工大學自主研制的針孔式人工模擬降雨器進行人工降雨[7]。

供試的納米碳購自上海海諾炭業有限責任公司，碳粉直徑為40 nm，是以椰子殼為原料，經高溫炭化后研磨制成，微孔結構豐富，比表面積大，吸附性強。其具體理化性質見表2。

1.2.2 試驗測定方法 模擬降雨試驗前對小區坡面進行取土，取土位置在小區坡面中部，從表層開始每隔5 cm取一層，取土深度為表層以下30 cm，將每層土取一部分樣品分別裝入鋁盒，利用烘干法測量土壤含水率；當土壤剖面質量含水率平均值相差在10%以內，開始模擬降雨試驗。模擬降雨前調節降雨器強度，設置降雨強度為0.15 cm/min，待雨強穩定后將降雨器移至小區開始進行降雨，降雨時間為40 min。降雨結束后，移去降雨器，對坡面進行取土，取土方法與降雨前相同，取土后測量土壤含水率[7]。

表2 納米碳的基本性質

1.3 數值模擬

1.3.1 基本方程 Hydrus模型確定參數的基礎是土壤含水率-水分特征曲線，并通過網格和時間步長靈敏的分析、檢查及確認所提出的模型的穩健性，具有較高的準確性[8]。

在模型中，由于土壤表面為坡面，因此水分運動方程采用修改過的Richards方程表示：

(1)

式中：θ是體積含水量；h是壓力水頭(cm)；t是時間(min)；x是空間坐標(cm)；α是坡面方向與垂直方向之間的夾角；K為非飽和導水率(cm/min)。

土壤水分特征曲線模型和水力學參數采用Van Genuchten的土壤水力性能參數表示：

(2)

(3)

(4)

式中：θ是體積含水量；θr是滯留含水量(cm3/cm3)；Ks是飽和含水量(cm/min)；α是進氣吸力倒數；m，n，l，α是模型參數；h是水的負壓，取正值。

1.3.2 模型概化 為研究不同納米碳施加量對土壤水分動態變化規律，將試驗小區簡化為二維(垂直和水平)非飽和水分運動模型。模擬區域水平長度(底邊長)取原小區側邊長度(100 cm)的1/4(25 cm)，坡度15°，右邊界高30 cm。模擬時間為2018年7月1日至2018年8月25日。

1.3.3 邊界條件的設置 將降雨前實測的土壤含水率設置為土壤初始含水率。上邊界條件設定為變通量，下邊界條件設定為自由排水，側邊界條件設定為自由排水。大氣邊界條件根據模擬降雨強度給出，由于模擬降雨歷時較短，因此不考慮植被根系吸水與土表蒸發。

1.4 模型評價

為了評價模型的準確性，設置相關水力參數，模擬降雨后土壤剖面的含水率，通過決定系數R2，平均絕對值誤差MAE和均方根誤差RMSE對模擬結果的準確性進行評價分析。R2和RMSE用以衡量模擬結果精確度，MAE用以衡量計算偏差，具體計算公式如下：

(5)

(6)

(7)

2 結果與分析

2.1 納米碳對坡面土壤含水率影響極其模擬研究

小區土壤剖面含水率分布可反映土壤水分的入滲規律，可用以驗證模型模擬的有效性。圖1為納米碳處理對各小區土壤剖面體積含水率實測值[7]與模擬值的對比；表3為實測值與模擬值的相關度。從圖1可以看出散點基本分布在參考線兩側。進一步觀察表3可知，不同處理的相關度R2整體均在0.74以上，黃豆、玉米擬合結果較好(最低0.82)、檸條(最低0.80)、苜蓿(最低0.78)次之、裸地較差(最低0.74)。由于是野外試驗，存在許多不可控因素，因此，整體模擬結果存在可信度，可以反映降雨下坡面土壤含水率的分布規律。

表3 實測體積含水率與模擬體積含水率的相關度R2

2.2 坡面土壤水分累積入滲量的準確性對比

土壤入滲能力與土壤自身特性有直接聯系，通過降雨前后的土壤體積含水率的增量，結合模擬小區的土壤體積，可計算獲得整個降雨歷時的實際降雨入滲量，即累積入滲量。為分析納米碳對坡面水分入滲量的影響，將各植被覆蓋的坡面水分累積入滲量與納米碳含量之間的關系見圖2。結果顯示，當納米碳含量為0時，裸地的累積入滲量最小，不同植被覆蓋的坡面水分累積入滲量大小雖有所不同，但均比裸地大(檸條9%，苜蓿17%，黃豆12%，玉米9%)，由于植被根系的分布增加土壤大孔隙的含量[9]，進而提高降雨入滲量。從圖中還可發現，隨納米碳含量的增加，各植被覆蓋下土壤水分累積入滲量基本呈增加趨勢；當納米碳含量為1.0%時，裸地、檸條、苜蓿、黃豆、玉米累積入滲量分別增加約17%，5%，12%，6%，7%，裸地與苜蓿的增幅明顯高于其他處理，說明納米碳可有效提高土壤水分的入滲作用且對裸地與苜蓿覆蓋下的坡面影響較為顯著。

圖1 模擬與實際測點體積含水率的關系

這是因為納米碳的存在使該層土壤的小孔隙急劇增多，從而使基質吸力變大，且隨著納米碳含量的增加，納米碳層的潛在基質吸力越大，進而導致入滲速率進一步加快，因此當土壤中存在納米碳混合層時，入滲速率明顯加快[10]。

表4為實測試驗結束后的累積入滲量與Hydrus模型模擬入滲量的對比分析結果，可以看出模型反推的土壤累積入滲量與實測值誤差較小，均方根誤差RMSE與平均絕對值誤差MAE均≥0.01，且≤0.1，說明模擬效果較好，表明Hydrus模型可以較好的模擬坡面水流的入滲。

圖2 納米碳對土壤水分累積入滲量的影響

2.3 納米碳對土壤水力參數的影響

已知Hydrus模型模擬的結果與實測數據存在良好的關聯度。因此，本研究利用Hydrus對土壤水力參數進行反推，進一步分析納米碳對土壤水力參數的影響。

2.3.1 納米碳對土壤進氣吸力的影響 土壤進氣吸力值表示飽和土壤開始脫水時的臨界吸力值，土壤進氣吸力值越大，飽和土壤排水需要的吸力越大，土壤的持水能力越大。依據擬合結果，將納米碳對土壤進氣吸力hd的影響繪于圖3，由圖3可以看出未施加納米碳的土壤進氣吸力無顯著變化；納米碳—土壤混合條層的土壤進氣吸力隨納米碳施量的增加整體呈線性增加趨勢(斜率分別為69.119，41.179，68.825，146.78，52.403)。由此進一步證明了納米碳可有效提高土壤的持水能力，減少深層滲漏。

2.3.2 納米碳對土壤形狀系數的影響 形狀系數為一經驗常數，可以改變土壤水分特征曲線的形狀。圖4所示為納米碳對土壤形狀系數n的影響。由圖可以看出，未施加納米碳的土壤的形狀系數n亦未發生明顯變化，而添加納米碳土壤的形狀系數與納米碳施量呈正比關系(斜率分別為0.381，1.088，2.573，1.466，1.379)。這主要由于納米碳的施加改善了土壤孔隙結構，提高了土壤孔隙的空間連通性。

圖3 納米碳對土壤進氣吸力的影響

表4 實測累積入滲量與Hydrus模型模擬入滲量的對比

2.3.3 納米碳對土壤飽和導水率的影響 土壤飽和導水率指土壤被水飽和時，單位水勢梯度下、單位時間內通過單位面積的水量,其值大小可體現土壤的導水能力。根據模擬結果，將納米碳對土壤飽和導水率Ks的影響繪于圖5。通過分析圖中散點的趨勢，可以看出隨納米碳施加量的增大，未施加納米碳土壤的飽和導水率未發生改變，而添加納米碳后，土壤飽和導水率均隨納米碳含量增加呈增加趨勢。進一步分析圖5，可以發現未施加納米碳土壤中，植被覆蓋下的土壤飽和導水率普遍高于裸地，這可能主要由于植物根系分布增加水流通道進而增加了飽和導水率。土壤飽和導水率受土壤的孔隙分布特征的影響，其中孔隙尤其是有效孔隙是飽和水流良好的通道[11]。綜上可知，小區土壤施加納米碳后，經過長時間與土壤作用，其土壤飽和導水率增加，可顯著提升土表水分下滲能力，減少坡面水分流失，進而減弱了坡面土壤侵蝕沖刷作用。

圖4 納米碳對土壤形狀系數的影響

圖5 納米碳對土壤飽和導水率的影響

3 結 論

(1) 納米碳有助于土壤水分入滲，隨著納米碳施加比例的增加(0.1%，0.5%，0.7%及1.0%)，有效增加了土壤對降雨的容納能力，且納米碳施加量越大，土壤入滲量增加越明顯。其中，裸地增幅最大，為17%，植被覆蓋條件下下，苜蓿的增幅最大，為12%。

(2) 在Hydrus模擬坡面剖面6個測點共計30 cm深的土壤含水率的基礎上，通過擬合優度R2，平均絕對值誤差MAE和均方根誤差RMSE等對反推結果的準確性進行評價，驗證了Hydrus在坡面降雨入滲的適用性。

(3) 利用Hydrus模型模擬黃土坡面水流入滲過程，反推土壤水力參數，得知隨納米碳含量施加的增加，土壤進氣吸力α、形狀系數n、飽和導水率Ks等均顯著增加，進一步表明納米碳對坡面土壤有增滲保水的作用。