庫布齊沙地土壤水分運移規律數值模擬研究

楊建軍 孫貴榮 丁俊峰 王涵 孫凱 阿拉騰蘇和

摘要： ?以砂土下進行地表滴灌的沙柳、速生楊、旱柳和榆樹人工林為研究對象，采用粒徑檢測激光分析儀進行土壤質地分析得到各土樣粒徑分布情況，通過HYDRUS-2D/3D數值模擬研究灌水及水分再分布過程中壓力水頭和含水量的動態變化規律。結果表明：庫布齊沙漠北部邊緣地區人工林立地土壤中砂粒含量高于70%且黏粒含量低于2.5%，屬典型砂質土壤。滴灌流量為3.0 L/h，時長為6 h時，各類人工林根深范圍內土壤均能達到飽和含水量，能滿足人工林用水需求。

關鍵詞： ?滴灌； ?水分運移； ?壓力水頭； ?含水量； ?HYDRUS-2D/3D

中圖分類號： ? S 152. 7 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： ? A ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：１００1 － 9499（２０23）02 － 0028 － 05

Numerical Simulation of Soil Water Movement

in the Kubuqi Sandy Land

YANG Jianjun1 SUN Guirong1 WANG Han2 DING Junfeng2 SUN Kai2 Alatengsuhe1

（1. ?Erdos afforestation general plant， Inner Mongolia Shulinzhao 014300; ?2. ?College of energy and transportation engineering， ?Inner Mongolia Agricultural University， ?Inner Mongolia Hohhot 010018）

Abstract Taking Salix psammophila， Populus popular， Pinus sylvestris and Ulmus pumila for surface drip irrigation under sandy soil as the research object， the particle size distribution of each soil sample was obtained by soil texture analysis using particle size detection laser analyzer. The dynamic change laws of pressure head， soil water content and infiltration rate during irrigation and water redistribution were studied through HYDRUS-2D/3D numerical simulation. The results showed that the sand content in the soil of artificial forest sites in the northern edge of Kubuqi Desert was higher than 70% and the clay content was lower than 2.5%， which was typical sandy soil. When the flow rate of drip irrigation is 3.0 L/h and the duration is 6 h， the soil within the root depth of various plantations can reach the saturated water content， which can meet the water demand of plantations.

Key words drip irrigation; water movement; pressure head; water content; HYDRUS-2D/3D

滴灌是可根據植物需水規律及時補充根部水分的現代節水灌溉技術，也是人工林維持生產力的重要技術措施[ 1 - 3 ]。眾多研究表明，與其他灌溉方式相比，滴灌能顯著提高植物水分利用效率達14%～35%[ 4 -6 ]。滴灌通過布置的管道系統使水流緩緩滴到植物體的根部和土壤中，形成土壤濕潤體供作物吸收大量的水分和養分，因而土壤濕潤體的大小和形狀能對人工林生長和發育產生重要影響[ 7 - 8 ]。因此，研究滴灌下不同人工林土壤水分運移規律，揭示不同林地土壤濕潤體時空變化特征，是制定高效灌溉策略的重要依據。

通常可通過研究土壤壓力水頭和含水量的時空變化規律開展土壤水分運移規律的田間試驗研究，但田間試驗具有耗時長、投入人力物力大、可研究情形有限等缺點。因此，基于田間試驗資料，進行土壤水分運動建模，通過數值模擬計算得到較優的滴灌模式和參數，是較為經濟、高效的研究方法。近年來，有學者采用軟件數值模擬法研究滴灌條件下的土壤水分運移規律，如Hiba Ghazouani等[ 9 ]利用HYDRUS-2D建立馬鈴薯（Potato）田研究模型，對比了灌溉量、灌溉水質對土壤含水量和電導率的影響；李豆豆等[ 1 ]利用HYDRUS-2D/3D對毛白楊（Populus tomentosa）人工林砂壤土建模，研究了不同初始土壤含水量下濕潤鋒水平和垂直運移距離隨灌溉時長的變化規律；黃凱等[ 10 ]利用HYDRUS 對赤紅壤甘蔗（ Saccharum officinarum） 田建模分析了滴頭間距、流量對灌水均勻性的影響；Naglic等[ 11 ]利用HYDRUS-2D/3D 針對不同質地土壤模擬了滴頭流量和初始含水量對濕潤體的影響。然而，利用HYDRUS 系列軟件模擬滴灌下土壤水分運動的研究多集中在毛白楊、甘蔗、小麥、葡萄等產值較高或單一作物田地及不同質地裸地上[ 12 - 15 ]，而在沙柳（Salix psammophila）、速生楊（Populus popu- ?lar）、樟子松（Pinus sylvestris）、榆樹（Ulmus pumila）等多種人工林上的對比研究卻鮮有涉及。

人工林可通過改變土壤容重、土壤孔隙度，從而增強土壤入滲性能，使土壤儲水能力增加。但另一方面，庫布齊沙漠北部邊緣地區人工造林成活后，由于蒸騰耗水作用強烈，沙地水分被大量消耗，沙地水分與植物生長供需嚴重失調，水分成為限制人工林生長的主要影響因子，人工林出現衰退和死亡現象，使得精準滴灌顯得尤為重要。因此，在內蒙古庫布齊沙漠北部邊緣地區人工林典型栽植立地砂壤土上，開展地表滴灌下不同人工林林地土壤水分運移的數值模擬研究，進而提出灌溉策略建議，對于沙柳等人工林生產力的快速提升具有重要意義。本研究對不同人工林下滴灌土壤水分運移規律開展研究，在庫布齊沙漠北部邊緣地區砂壤土立地下，探討地表滴灌人工林的土壤水分運移規律，通過HYDRUS-2D/3D模擬試驗情境，得到不同林地土壤壓力水頭和含水量的時空變化特征，以期明確滴灌下各類林地土壤水分運移規律，為不同林分制訂精準滴灌策略提供數據支撐和理論依據。

1 研究區概況

試驗地位于內蒙古鄂爾多斯市達拉特旗鄂爾多斯林場曹四灘護林站（110°39'14″E，40°14'24″N）（圖1）。該地屬溫帶大陸性季風氣候，其顯著特征是常年干燥多風少雨，多年平均氣溫6.1 ℃；全年無霜期135天，年平均日照時數3 100 h，年平均降水量246.9～310.8 mm，降雨集中在每年7～9月，7月最多。人工林主要樹種為沙柳（Salix psammophila）、速生楊（Populus popular）、旱柳（Pinus sylvestris）及榆樹（Ulmus pumila），人工林下草本植被以沙生植被為主。

于2021年8月初在研究區采集土樣，研究區內包含沙柳林、速生楊林、旱柳和榆樹，針對每種林木各選擇一塊具有代表性的試驗樣地，其林木均勻配置。取土樣方設置在各試驗小區相鄰的林木林帶之間，長2.0 m，寬1.0 m，深1.2 m，對樣方內的土壤進行剖面分層取土。由于研究區的地下水位較低，且速生楊、榆樹、旱柳等喬木根系較深，故取土深度統一設置為100 cm，取樣間隔為20 cm，即0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm，分別用直徑為5.046 cm、高為5cm、體積為100 cm3環刀分層取土，每層隨機取3個重復土樣，采用德國SYMPATEC GmbH公司的RODOS/M粒徑檢測激光分析儀進行土壤質地分析得到各土樣粒徑分布情況，并計算3個土樣均值（表1）。

2 研究方法

2. 1 數值模擬基礎條件設計

（1）模擬基本環境

本次模擬的是距樹30 cm的干旱未灌溉條件，滴灌裝置選取為滴頭流量3 L/h的滴灌帶，所有土壤的模擬滴灌時長均為6 h。根據土樣采集基本數據，滴灌模擬土壤的總深度設置為地下0～100 cm，以0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm分別設置為單一層級的土壤，共設置5層。

（2）時間離散設置

在進行模型的迭代運算時，離散時間單位取小時（h）。其中所選用的最短時間步長0.001 h；在允許偏差下，土壤含水量迭代精度設置為0.001，壓力水頭的迭代精度設置為1；迭代的最大次數為10，若迭代次數超過10，則系統將用新時間步長取代原有時間步長的1/3重新開始有關迭代計算。除此之外，本次模擬增大迭代的比例設置為1.3，增大步長的迭代信號設置為3，縮小迭代的比例設置為0.7，縮小步長的迭代信號設置為7。在網格劃分和離散設置中四類人工林土壤結構選取范圍相同。

2. 2 土壤環境設置

（1）土壤粒徑分布參數

各類人工林中土壤砂粒、粉粒和黏粒含量的體積百分比如表1所示，按該參數對數值模擬土壤進行分層設置。

（2）土壤水動力參數設置

根據表1中5種土壤各土層顆粒組成，利用Rosetta網絡神經模塊，初步擬合并逐步計算推導出各種土壤水動力參數如表2。

（3）初始條件及邊界條件設置

模型區域：本次模擬將模擬區域設置成寬為100 cm、深為100 cm的正方形區域。

初始條件：以進水前測量結果擬定出來的含水量剖面圖作為進行本次模擬計算的初始條件之一，并以此假設含水量能在同一厚度土層內均勻分布。

邊界條件：在模擬中的滴頭處預先設置變流量邊界，在開始進水后以其周圍半徑為W的區域為飽和區，且在進行模擬試驗時，可以忽略飽和區半徑和進水時間的關系。

下排水邊界條件和其余邊界條件：根據研究區地下水位平均埋深約為10 m，距地面最近地下水埋深為5.26 m。而由于模擬深度為1 m，因此模擬區域下排水邊界應被設定為自由排水邊界；其余所有未預先設置的邊界均默認保存為零通量邊界。

（4）觀測點選取

依據土壤分層設置的特點，所選觀測點深度分別為20、40、60、80和100 cm，自上而下依次為觀測點1～5。

3 結果與分析

3. 1 觀測點壓力水頭變化

根據HYDRUS-2D/3D模擬結果，依據圖2，灌溉開始前各人工林任意觀測點的起始壓力水頭均為-100 cm，滴灌6 h后其數值均超過0 cm，且在之后穩定不變。可見此次滴灌的結果是100 cm土壤深度范圍內不同土層水分均達到穩定壓力水頭值，且該值大于0 cm，隨土層加深該壓力水頭值逐漸減小，同時不同人工林水分運移的時空變化規律存在一定差異。

對比不同人工林，速生楊林各觀測點均達到穩定狀態用時最短，約為1.5 h，且各土層最終形成的穩定壓力水頭值最大，為97～152 cm，沙柳林和旱柳林次之，榆樹林各土層達到穩定狀態用時最長，約為5.7 h，且穩定壓力水頭值最小，為0.2～8.8 cm。上述結果與該四類人工林土壤質地有關，由表2可知，速生楊林各土層中砂粒和粉粒含量之比（以下簡稱“砂粉比”）均值最大，而沙柳林和旱柳林次之，榆樹林土壤砂粉比最小。可見土壤顆粒分布對其滴灌過程水分運移規律影響較大，土壤質地越粗則水分運移中土壤中各土層水分越能快速趨于穩定，且最終各土層壓力水頭也越大，反之質地越細則速度越慢且最終壓力水頭也越小。

3. 2 觀測點含水量變化

依據圖3，灌溉開始前各人工林任意觀測點的起始含水量均為0.05～0.20 cm3/cm3，高于其殘余含水量（表2），滴灌6 h后其數值均接近0.40 cm3/cm3，且在之后穩定不變。由表2可知，滴灌結果為100 cm土壤深度范圍內各土層水分均達到各自飽和含水量，該值與土壤質地有關且非常接近，該特點與壓力水頭有明顯差別，可見相同水分運移過程中土壤壓力水頭和含水量的時空變化規律存在差異。

對比圖2和圖3，不同人工林各觀測點含水量均達到飽和含水量與壓力水頭達到穩定狀態用時相同，仍呈現速生楊<沙柳<旱柳<榆樹的特點，同時各土層均隨其初始含水量的不同而有微小差異，但這對不同土層含水量達到飽和含水量的時間影響較小。以上規律進一步驗證了土壤砂粉比對水分運移過程中含水量時空變化規律的影響，土壤質地越粗則水分運移中土壤中各土層含水量越能快速趨于飽和，反之質地越細則速度越慢，而最終各土層含水量主要由其飽和含水量決定。

4 結 論

本文采用數值模擬的方法對庫布齊沙地不同人工林下滴灌土壤水分運移規律開展研究，主要得出如下結論：

（1）庫布齊沙漠北部邊緣地區人工林立地土壤中砂粒含量高于70%且黏粒含量低于2.5%，屬于典型砂質土壤。滴灌流量為3.0 L/h，時長為6 h時，該地區各類人工林100 cm土層深度范圍內土壤均能達到飽和含水量，能滿足人工林用水需求。

（2）庫布齊沙地土壤質地下，粒徑分布尤其是砂粒和粉粒含量之比對滴灌過程中水分運移結果影響較大，具體表現為砂粉比越大則人工林各土層達到壓力水頭最大值和土壤飽和含水量的時間越短。上述規律與已有文獻結論類似，表明采用數值模擬的手段研究土壤多孔介質水分運移規律切實可行。

（3）當通過滴灌使一定深度范圍土壤均達到飽和含水量時，各土層土壤含水量值較為接近，但壓力水頭值卻與土壤砂粉比和土層深度有關。隨土層加深，水分運移至深土層處水勢梯度相應減小，滴灌后穩定的壓力水頭值也減小。

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