土壤水分運移模擬研究進展

于晗

摘 要：作物生長發育過程中所需的水分主要來源于根系吸收土壤中的水分，所以土壤中水分的運移和分布能夠直接影響作物對水分的利用率。另外，作物生長發育所需要的鹽分也主要通過土壤水進行運輸，所以農業灌水的合理施用是農業領域中的重要一環。在生態水文學四水GSPAC（地下水-土壤水-植物水-大氣水連續體）中，土壤水在其中發揮著承上啟下的作用，連接著地下水、植物水、大氣水。因此，對土壤水分運移規律進行研究，不僅可以揭示生態水文學的本質，還能對作物生長發育所需灌水量提供科學參考，對科學管理水肥，優化水分利用效率、提高作物產量、節約水資源、保護生態環境具有重要的意義。

關鍵詞：土壤水分運移;模擬;模型

中圖分類號 S-1 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）02-0108-03

Abstract： The water needed during the growth and development of crops mainly comes from the roots absorbing water in the soil. Therefore， the movement and distribution of water in the soil can directly affect the water use efficiency of crops. In addition， the salt required for growth and development of crops is also Transportation is mainly through soil water， so the rational application of agricultural irrigation is an important part of the agricultural field. In the GSPAC （groundwater-soil water-plant water-atmospheric water continuum） of the four waters of ecological hydrology， soil water plays a role as a link between groundwater， plant water and atmospheric water. Therefore， the study of soil water transport law can not only reveal the nature of eco-hydrology， but also provide scientific reference for the amount of irrigation needed for crop growth and development， which is of great significance for scientific management of water and fertilizer， optimization of water use efficiency， improvement of crop yield， conservation of water resources and protection of ecological environment.

Key words： Soil water transport; Simulation; Model

水資源的合理利用已經成為當今世界廣泛關注的問題，根據聯合國水資源調查報告分析可以得出：地球表層雖然有71%的面積被水覆蓋，但除去地球兩極冰山，人類容易利用的淡水資源只是地球總量的0.2%。隨著農業技術的不斷發展，農業用水量已經排在所有行業用水量的前列，但是水資源的匱乏又讓節水工作刻不容緩，在發達國家，經過四五十年的探索，農業灌溉水的利用率可以高達70%以上，并且可以利用計算機信息技術，來實現遠程自動化灌溉。我國對農業節水工作也是非常的重視，在《國家農業節水綱要（2012—2020）》中就指出我國農業節水潛力很大，大力發展農業節水，在農業用水量基本穩定的同時擴大灌溉面積、提高灌溉保證率，是促進水資源可持續利用、保障國家糧食安全、加快轉變經濟發展方式的重要舉措[1]。多年來，我國采用了滴灌、噴灌、微灌等多種利于節水的農業灌溉措施，大幅度推動了我國農業節水的進度。

1 國內外研究現狀

土壤水是指地表面以下至地下水面（潛水面）以上土壤層中的水分，是土壤孔隙中的水分，包括存在于非飽和帶土壤孔隙中和為土壤顆粒所吸附的水分，和土壤混合[2]。在探究水分運移規律的過程中，國內外學者逐漸認識到土壤水是整個水體循環中非常重要的一部分，由于田間試驗受自然條件制約，觀測工作量大，獲取的數據缺少系統性，無法詳細精確的反映土壤水分運移變化過程，隨著計算機技術的發展，學者們開始研究土壤水分運移模型，模型通常以計算機程序為載體，根據實驗數據進行模擬，利用數學模型來分析土壤中水分的運移和轉化過程。利用模型不僅可以減小工作量，還能詳細反映土壤水分變化的過程。國內外學者利用模型結合大田實驗研究了土壤水的運移規律，有效推動了土壤水分運移模型的發展。牛赟等利用田間長期定位觀測數據建立了大氣降水、土壤水、地下水三者之間的回歸模型，指出了土壤水與大氣降水和地下水三者之間的相關性[3];吳普特等根據非飽和土壤水動力學理論和多點源滴灌條件下土壤水分運動特征，建立了多點源滴灌條件下土壤水分運動數學模型，并用Hydrus軟件對模型進行了求解[4]。馮江等在滴灌試驗的基礎上，對不同土壤水分模型進行了介紹，比較了不同模型之間的差異，表明不同地區的不同適用模型[5]。周宏等通過研究干旱區土壤與大氣界面以及包氣帶與飽和帶界面水、汽、熱耦合轉化形式與能量驅動過程，揭示了包氣帶土壤水分運移形態與能量和驅動力之間耦合關系[6]。Van Dam等總結了SWAP的主要特點，描述了SWAP模型的發展，包括Richards方程的數值解、大孔隙流、蒸發蒸騰和與地下水的相互作用并指出未來5～10年SWAP這樣的獨立和垂直導向的農業水文模型將繼續對研究和教育具有重要意義[7]。Davie M等利用HYDRUS-2D模擬沙質土壤水分和養分運動，說明了該模型對土壤水分和溶質運動的實測值和模擬值具有較好的一致性[8]。土壤水分運移規律的研究逐漸發展為一門成熟的學科。本文通過探究土壤水分運移模擬的發展進程，以期對我國土壤水分研究和現代農業的發展提供參考。

2 土壤水分運移理論的發展

自1856年達西定律提出后，達西定律就成為土壤水分運移研究的基礎定律，隨后大量學者在此基礎上進行建模。之后基于達西定律和質量守恒定律的Richards方程被廣泛應用于飽和-非飽和帶水分數值模擬，其中最具代表性的是 HYDRUS模型和SWAP模型。Green和Ampt提出以毛管為基礎的入滲原理，隨后Green-Ampt入滲模型成為研究土壤入滲機制的強有力工具。土壤水運動研究在20世紀50年代以前廣泛采用毛管理論，把非飽和土壤中水分運動看作是水分在均一或孔徑不同的毛管中的運動，毛管理論只能解決邊界條件簡單的一維問題，不能分析土壤剖面層面上的問題[9]。澳大利亞著名土壤水文學家Philip（1966）提出了SPAC（Soil-Plant-Atmosphere Continuum）系統概念，其中第一層就是土壤層[10]，這也說明了土壤水在整個水文循環中所占據的重要作用。后來，有學者提出GSPAC（Ground Water-Soil-Plant-Atmosphere Continuum）系統的概念，這一概念中加入了地表水，充分考慮了地表水與SPAC系統的關系，而土壤水也成了聯系地表水與植被的關鍵一環，在整個系統的水循環中起著重要作用。

3 土壤水分運移模型

隨著計算機技術的不斷發展，數值模擬應運而生，使用作物生長模擬模型已經成為農業生產研究中重要的輔助手段之一，對土壤水分的運移的研究逐漸不再局限于田間觀測，將田間觀測得到的數據導入特定的能模擬土壤水分運移的模型中便能更詳細精確地模擬作物的生理過程。由于水資源的緊缺，農業生產中的節水問題越來越受到重視，以節水為出發點，以土壤水運移為研究目的的模型應運而生，近些年比較有影響力的研究土壤水分運移的模型有HYDRUS、SWAP、AquaCrop、WAVES、SWAT等。

3.1 HYDRUS模型 美國鹽土實驗室開發的HYDRUS模型是一款模擬變量飽和多孔介質下的水、熱和多溶質運動的有限元計算模型。其中一維HYDRUS模型可以模擬非飽和土壤水的一維垂向運動形式，應用已經非常廣泛，并把根系的吸水和生長以及二氧化碳的影響考慮在內。二維HYDRUS模型中的水分運動采用Richard方程作為基礎方程，還可通過其他模塊對土壤水鹽的運移進行反演。三維HYDRUS模型擁有強大的計算能力，其生成的模擬結果可以真實形象地反映水和溶質的滲透運移過程。HYDRUS模型中還有許多附加模塊，如UNSATCHEM模塊模擬變飽和多孔介質中主要離子的運移（如鈣、鎂、鈉、鉀、SO4、Cl等），包括主要離子平衡和非平衡化學反應動力學;Dual Perm模塊可以用于模擬雙滲透多孔介質中二維可變飽和水運動和溶質運移，即優先和非平衡水分和溶質運移。該模型還擁有友好的用戶界面以滿足參數配置、問題執行和結果輸出的可視化，非常便于推廣，被廣泛應用于土壤水分和溶質運移的模擬研究。對不同鹽堿度下的土壤水鹽運移動態模擬精度較高，對土壤水分的分布和運動具有較強的計算和評價能力，具有通用性強，適用性廣等優點[11]。被廣泛應用于世界各地合理灌溉、合理施肥、和生態環保等問題的研究中。

3.2 SWAP模型 瓦赫寧根大學研制開發的SWAP （Soil-Water-Atmosphere-Plant）是一個用于模擬包氣帶中水分、溶質和熱量的運輸與植被發育的相互作用的模型，SWAP將Richards方程應用于非飽和-飽和區域，模型中選擇的數值格式以精確的質量平衡求解一維Richards方程，并快速收斂，該方法與上邊界法相結合，能較準確地處理干土入滲過程中土壤水分的快速運動。SWAP的核心是由多孔介質（土壤）中來描述非飽和土壤中的水分運動，模型的上下邊界分別位于植物冠層之上和地下水飽和層之上。除了一般的基質流動，SWAP還考慮大孔隙中的流動，這可能發生在粘土和泥炭土壤中。對于更詳細的溶質運移研究，SWAP可以與專門的化學運移模型結合使用，如農藥的PEARL模型和氮的Soil-N或ANIMO模型。SWAP可以通過土壤表面的輸入正弦函數和土壤熱擴散系數來解析模擬土壤溫度。SWAP數值方法考慮了土壤濕度對土壤熱容和土壤導熱系數的影響，頂部邊界條件可以包括空氣溫度或土壤表面溫度SWAP模擬土壤的熱流，考慮了實際的熱容和導熱系數。土壤水分、熱量和溶質模塊在每個時間步驟交換狀態信息，以說明它們的相互作用。作物的生長受到天氣、土壤水分和鹽分等實際條件的影響。SWAP模型綜合考慮了自然大氣環境和地下水系統的動態變化，在國內外干旱、半干旱地區得到廣泛應用[12]。

3.3 AquaCrop模型 國際糧農組織開發的AquaCrop模型是一款作物生長模型，該模型以水分驅動為主，模擬產量對水的響應，可以模擬不同生物物理和管理條件下作物的水分限制產量，作物的產量主要由可提供的土壤水分的多少來決定。此模型考慮了水分脅迫、氣溫脅迫、土壤鹽分脅迫、礦物養分脅迫對植被冠層生長狀況的影響，和其他模型相比，AquaCrop模型整體由四大模塊組成：土壤水分平衡模塊、作物生長模塊、氣候模塊和管理模塊，它只需要比其他模型更少的輸入，就可以輸出作物的生物量和經濟產量，在簡易性、準確性和穩定性三者之間達到了很好的平衡。AquaCrop模型最大的特點就是使用了冠層覆蓋率作為其輸入參數之一，使用冠層覆蓋率可以最大限度減少葉面積指數的誤差，模型中還考慮了水分脅迫、氣溫脅迫、土壤鹽分脅迫、養分脅迫對植被冠層的影響，并根據植被所受脅迫和種類的不同來調整觀測覆蓋率，另外大田試驗中的充分灌溉、虧缺灌溉和降雨的情況在模型中也有體現。

3.4 WAVES模型 WAVES（Water Vegetation Energy and Solute）模型是澳大利亞聯邦科學與工業研究組織水土資源研究所開發的生態水文模型，WAVES模型可以動態模擬土壤水的垂直方向分配和蒸散發過程，該模型以每日時間為步長模擬土壤-植物-大氣連續體中水、能量、溶質的動態輸移過程，適用于研究土地利用及氣候變化對水文過程的影響[13]。在作物水分利用效率，土地變化對土壤水的影響等大田試驗中，WAVES模型已經能進行精確模擬，為農業節水提供依據。

3.5 SWAT模型 SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型，是由美國農業部（USDA）農業研究中心（ARS，Agricultural Research Service）的Jeff Aronld博士于1994年研發的一款主要適用于流域尺度較大、流域數量較多的分布式水文模型[14]。SWAT模型的3個子模型分別為水文過程模型、土壤侵蝕模型和污染負荷模型，水文過程模型又包括水文循環陸地階段和水文循環演算，其中水文過程模型中的水文循環陸地部分有水文、氣候、土地利用/植被生長、侵蝕、營養物質、土壤溫度等部分組成，其中水文循環演算又包含主河道中的演算、水庫演算，同時模型還設置了積融雪模塊，SWAT模型有著強大的計算能力，可以同時計算數百個子流域。

4 結語

土壤水在自然界水循環中占據著重要位置，也一直是國內外學者研究的重點。其飽和-非飽和帶不僅是農業水文過程的重要環節，更是整個生態水文學中的重要過程。運用計算機模型進行模擬能更直觀的表示出土壤水運移的規律，并且具有更精確、更省時等優點，對土壤水分運移的模擬研究不僅能夠揭示自然界中水循環的規律，還能為作物生產工作中的合理用水問題提供理論依據。在以后的研究中，數值模擬方法將會在科學的理論指導下提供更精確的結果，土壤水分運移模型在國內外學者的不斷探索過程得到了長足發展，擁有巨大的應用前景。如果在未來的模型研究中能參考AquaCrop模型將植物蒸騰和土壤蒸發作為獨立模塊，將對制定合理灌溉方案，節約農田用水，有著十分重要的意義，如果土壤水分運移模型能更多的與農藥施用、病蟲害防治等決策知識相結合，建立更加完善的耦合模型，將會給實際農業生產帶來更大的便利。

參考文獻

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