棉花水分遷移模型的研究現(xiàn)狀與展望

張婷樂 周保平 劉冠華 高黎明

摘? 要：開展對(duì)土壤一棉花一大氣系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱SCAC系統(tǒng)）土壤水動(dòng)力學(xué)和水肥優(yōu)化使用決策支持系統(tǒng)的研究，包含棉花水分遷移模型的研究意義和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其計(jì)算方法，在此基礎(chǔ)上對(duì)土壤-棉花-大氣系統(tǒng)的相互作用過程以及棉花水分遷移模型模擬中存在的問題進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：土壤一棉花一大氣系統(tǒng);研究現(xiàn)狀;計(jì)算方法;展望

中圖分類號(hào) S562文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2019）01-0082-03

隨著我國(guó)工業(yè)化以及城市化進(jìn)展的加速，有很多農(nóng)業(yè)用水轉(zhuǎn)變?yōu)榉寝r(nóng)業(yè)用水，即便農(nóng)業(yè)用水比例下降，但其仍然在我國(guó)總用水量中占很大比重，農(nóng)業(yè)用水短缺及用水浪費(fèi)的問題依然很嚴(yán)峻。節(jié)約農(nóng)業(yè)用水的目的是提高每單位使用水資源后的農(nóng)業(yè)產(chǎn)出效率以及提高農(nóng)作物對(duì)于土壤中水分的利用效率，即消耗每單位土壤中的含水量從而得到的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。農(nóng)作物通過根系從土壤中吸收水分來滿足其生長(zhǎng)發(fā)育的需要，土壤水分的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化過程被農(nóng)作物根系吸水所影響，另外還有很多其他因素影響著水分的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化，如土壤灌溉、降水、水分滲漏等。

鹽分的載體是水分，在農(nóng)作物毛細(xì)管作用下，土壤中的鹽分隨水分向地表遷移，棉田水分蒸發(fā)，其中的鹽殘留在表層土壤，對(duì)85%以上的根系產(chǎn)生影響，從而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。棉花根系的吸收作用影響土壤水分、鹽分的遷移及分布，灌水量的大小會(huì)影響棉花產(chǎn)量，棉田土壤水分的狀況及其變化決定了棉花對(duì)水分的吸收利用強(qiáng)度和難易程度，對(duì)棉花植株的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量具有重要影響。因此，在南疆土地鹽堿化的環(huán)境下，研究土壤一棉花一大氣系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱SCAC系統(tǒng)）土壤水動(dòng)力學(xué)和水肥優(yōu)化使用決策支持系統(tǒng)，建立棉花水分遷移模型，計(jì)算棉花植株水分的吸收效率，進(jìn)一步調(diào)節(jié)土壤水、鹽和根系分布，控制鹽分，提高水分利用效率，從定性到定量的研究不但符合當(dāng)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求，也對(duì)南疆鹽堿化地區(qū)大面積節(jié)水高產(chǎn)高效種植棉花具有重要意義。

1 棉花水分遷移模型的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

Stephen Hales在18世紀(jì)開始定量研究植被蒸騰問題以及土壤水分蒸發(fā)的難題。Vries和Pfeffer在19世紀(jì)提出了滲透壓理論的概念。有學(xué)者在20世紀(jì)提出了水勢(shì)的概念[1-2]。Gardner提出了土壤-植物-大氣的水分運(yùn)移系統(tǒng)，Cowan對(duì)其進(jìn)行了概述與完善，他認(rèn)為系統(tǒng)雖然在介質(zhì)上有所不同，但在物理上卻是一個(gè)連續(xù)的統(tǒng)一體系[3-4]。

1966年土壤水文物理家Philips經(jīng)過對(duì)已有的研究理論做出總結(jié)，首次提出土壤-植物-大氣連續(xù)體的概念，他認(rèn)為在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的各個(gè)過程中，水就像鏈環(huán)一樣在其中幫助銜接的完美無缺，研究整個(gè)系統(tǒng)之中各過程能量水平的變化，應(yīng)用“水勢(shì)”這一能量單位進(jìn)行統(tǒng)一，使其定量并可以計(jì)算出水分運(yùn)動(dòng)的能量[5]。土壤-棉花-大氣連續(xù)體（Soil-Cotton-Atmosphere Continuum，SCAC）是將土壤、棉花、大氣以及這三者之間的介面過程組成了一個(gè)完整的系統(tǒng)，在一定的自然條件下，對(duì)灌溉水分進(jìn)行預(yù)報(bào)等[6-8]。對(duì)于土壤-植被-大氣系統(tǒng)，我國(guó)有許多領(lǐng)域的科研人員都對(duì)其進(jìn)行了研究，主要包括：干旱、半干旱的條件下SPAC系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)部的水熱交換和能量平衡;SPAC系統(tǒng)中的水分傳輸阻力包括土壤-根系和植物-大氣系統(tǒng)水分傳輸阻力，水分的蒸散問題等[9-11]。這個(gè)連續(xù)的過程使能量關(guān)系統(tǒng)一，更利于水分的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移以及能量的轉(zhuǎn)化。SPAC系統(tǒng)這一概念的提出從微觀角度為研究水循環(huán)這一過程指明了研究方向，還進(jìn)一步說明了水文學(xué)與其他學(xué)科的聯(lián)系。Gardner等早年間用數(shù)學(xué)物理法定量研究根系吸水[12]。Molz提出具有廣泛的代表性和重要的參考價(jià)值的吸水函數(shù)[13]。Talor和Klepper強(qiáng)調(diào)了在根系吸水過程中根系空間分布的重要性。

邵明安等[14]曾用數(shù)學(xué)模擬的方法對(duì)植物根系吸收土壤水分進(jìn)行研究，由于根系吸水函數(shù)較復(fù)雜，著重于土-根系統(tǒng)，導(dǎo)致其應(yīng)用困難。康紹忠等建立了冬小麥根系吸水模型并對(duì)其根系吸水分布進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬[15]。劉昌明對(duì)土壤-植物-大氣連續(xù)體的水分運(yùn)動(dòng)的相關(guān)計(jì)算運(yùn)用水均衡法和水動(dòng)力學(xué)法進(jìn)行了多方面的研究[16]。

盧振民等根據(jù)大量的田間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究分析了SPAC水流運(yùn)動(dòng)，之后建立了較完整的SPAC水流運(yùn)動(dòng)的模型。該模型針對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的主要部分，一方面囊括了氣孔阻力的調(diào)節(jié)作用以及水流運(yùn)動(dòng)中土壤溫度對(duì)其的影響，另一方面又包含普通的氣象資料和土壤水分運(yùn)動(dòng)的相關(guān)參數(shù)，預(yù)測(cè)土壤-作物的水分運(yùn)動(dòng)狀況[17]。

2 棉花水分遷移模型的計(jì)算方法

2.1 根吸水模塊 思路上采用Pedersen提出的根系吸水模型與根長(zhǎng)密度分布模型統(tǒng)一求解的方法。由于根系吸水模型中算法復(fù)雜，開發(fā)難度大，Richards方程解法上下邊界粗糙，借鑒IRE（積分型Richards方程解法）算法，對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)，并通過試驗(yàn)和實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)時(shí)農(nóng)田土壤含水率用取土烘干法進(jìn)行測(cè)定?；贗RE的水分遷移模擬可以得到以下幾點(diǎn)：由氣象資料獲得本地降雨以及灌溉信息，之后計(jì)算棉田徑流量并由此得到其入滲量，通過CASCADE模型計(jì)算棉田土壤入滲量;與此同時(shí)，由氣象資料得到的相關(guān)量計(jì)算基準(zhǔn)蒸發(fā)蒸騰總量，并計(jì)算得到潛在蒸發(fā)量與潛在蒸騰量，由南疆的土壤條件及水文條件確定實(shí)際蒸發(fā)量與實(shí)際蒸騰量，應(yīng)用IRE模型對(duì)棉田土壤含水率進(jìn)行重新分布，再分配到每一層土中，進(jìn)而計(jì)算每一層土的對(duì)應(yīng)蒸發(fā)量及蒸騰量;同時(shí)考慮向上的毛細(xì)管流。

計(jì)算24h時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的降雨量、潛在的蒸發(fā)量和蒸騰量的平均;上層土的凈入流量可以通過計(jì)算降雨量和蒸發(fā)量的差值得到，若其潛在蒸發(fā)量小于降雨量，則上層土的凈入流量為入滲量。若其降雨量小于潛在蒸發(fā)量，則上層土的凈入流量即為蒸發(fā)量;基于假設(shè)農(nóng)作物的根系吸水量與它的根長(zhǎng)密度成比例，對(duì)潛在蒸騰量進(jìn)行分配，分配到含根的土層中;根據(jù)土層中的含水量，對(duì)其上層土的實(shí)際蒸發(fā)量和含根土層中根吸水量分別進(jìn)行計(jì)算;從下而上進(jìn)行對(duì)土體的研究，使用模型對(duì)棉田土壤的含水率進(jìn)行重新分布，其土層間的負(fù)壓決定土層中水的運(yùn)動(dòng)方向。

2.2 實(shí)際入滲或蒸發(fā) 降雨量和灌溉量?jī)烧咧团c潛在蒸發(fā)量的差值即為棉田土體表面潛在的流量。若降雨量和灌溉量?jī)烧咧痛笥跐撛谡舭l(fā)量，凈入流量為入滲量。在給定時(shí)間步長(zhǎng)的最大降雨入滲流量[ΔImaxcm/d]以下式?jīng)Q定：

[ΔImax=minθs-θiΔzΔt，RainΔt] （1）

式中：[Raincm/d]為每日降雨量，[Δtd]為時(shí)間步長(zhǎng)。同時(shí)假設(shè)地表積水無，若潛在的入滲量大于[ΔImax]，則多余出來的水便會(huì)以徑流的形式瞬間流失。給定時(shí)間步長(zhǎng)下，若降雨量和灌溉量?jī)烧咧托∮跐撛谡舭l(fā)量，上層土的實(shí)際蒸發(fā)量[ΔEactcm/d]以下式表達(dá)：

[ΔEact=minKhmin-hiΔz+1，EpotΔt] （2）

式中：[hmincm]為大氣層能施加給上層土形成蒸發(fā)的最低壓力，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)該值取[-26500cm]較為合適。

2.3 實(shí)際蒸騰 給定時(shí)間步長(zhǎng)下，棉田中各含根土層中根吸水的總量即為作物的實(shí)際蒸騰量。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，實(shí)際蒸騰量[ΔTactcm/d]以下式計(jì)算：

[ΔTact=ΔSz=αhΔSmaxz，h] （3）

式中：[α]為根吸水率折減系數(shù)，[Smaxcm/d]為最大根吸水率，以下式計(jì)算：

[ΔSmaxz=LrzKcbΔET0Lrz] （4）

式中：[Lrz]為土層中的根長(zhǎng)。

[α]的計(jì)算與相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果相似，若棉田中水負(fù)壓值低于枯萎點(diǎn)[h3=-15000cm]，則根吸水過程停止;對(duì)快速蒸騰作用（蒸騰速率為[0.5cm/d]），土中水負(fù)壓值處于[h1=-1cm]、[h2=-500cm]，負(fù)壓對(duì)根吸水過程沒有影響;對(duì)慢速蒸騰作用（蒸騰速率為[0.1cm/d]），土中水負(fù)壓值處于[h1=-1cm]、[h2=-1100cm]時(shí)，負(fù)壓對(duì)根吸水過程沒有影響;在[h2]和[h3]之間，[α]與[h]大小成正比例;當(dāng)負(fù)壓值大于[h1=-1cm]時(shí)，因?yàn)槠渫翆又腥毖鮿t會(huì)導(dǎo)致根吸水過程的停止。具體計(jì)算公式如下：

[αh=0? ? ? ? ?h≤h3，h≥hh-h3h2-h3h3<h<h21? ? ? ? ?h2≤h<h1] （5）

2.4 IRE方法計(jì)算水土運(yùn)動(dòng) 用改進(jìn)后的IRE方法來計(jì)算，由式[?θ?t=?wθ?z]可以進(jìn)一步推導(dǎo)為如下：

[?θ?t=?w?z=??zKθ?h?z+1] （6）

對(duì)上式進(jìn)行豎向積分得：

[ΔθiΔt=1ΔzWi+1-Wi=1ΔzKi+1Δhi+1，iΔz-KiΔhi，i-1Δz] （7）

式中：[i]為土層標(biāo)號(hào)，[Wcm/d]為土層間流量，[Δθicm3/cm]為第[i]層土的平均含水率，[Δhi+1，icm]為第[i+1]層與第[i]層土中負(fù)壓差值，[Δhi，i-1cm]為第[1]層以及第[i-1]層土中的負(fù)壓差值。

3 棉花水分遷移模型的問題及展望

土壤-棉花-大氣界面過程模擬經(jīng)過專家多年的研究改進(jìn)，形成了完整的系統(tǒng)性理論模型，為南疆棉花田間的水分調(diào)控以及節(jié)水農(nóng)業(yè)環(huán)節(jié)提供了很好的依據(jù)。但在實(shí)際模擬工作當(dāng)中還是存在各種缺陷，需要進(jìn)一步加強(qiáng)和完善。

（1）土壤-棉花-大氣系統(tǒng)與棉花下墊面存在多重復(fù)雜的關(guān)系，棉花對(duì)土壤利用方式的不同、當(dāng)?shù)亟邓臻g上的不均衡以及植被的保護(hù)措施都會(huì)對(duì)下墊面造成不同程度的影響，因此如何解決這個(gè)問題仍需要進(jìn)一步探究。

（2）SCAC模型當(dāng)中面臨的另一大困難是尺度轉(zhuǎn)換的問題，水循環(huán)如何在宏觀與微觀上完美的銜接利用仍存在挑戰(zhàn)，模型當(dāng)中的參數(shù)和常用數(shù)據(jù)仍需要精確的數(shù)值，但實(shí)際中很難得到精確的數(shù)值，如何提高SCAC系統(tǒng)模擬的有效準(zhǔn)確性仍是一個(gè)有待解決的問題。

（3）在以后的模型建造當(dāng)中應(yīng)該考慮到與當(dāng)?shù)厮帧崃康哪Ｐ瓦M(jìn)行耦合，最終在二、三維的中尺度當(dāng)中進(jìn)行擴(kuò)充，構(gòu)造一個(gè)良好的具有實(shí)際驗(yàn)證性的參數(shù)化方案，對(duì)南疆地域棉花的水分、碳含量和能量的循環(huán)進(jìn)行定性、定量的考究。

針對(duì)SCAC模型運(yùn)行當(dāng)中所需參數(shù)以及經(jīng)驗(yàn)常數(shù)難以獲得的難點(diǎn)，其中關(guān)鍵點(diǎn)是如何建立簡(jiǎn)化模型，解決水分和能量交換過程中的關(guān)鍵因子，從而尋找到簡(jiǎn)潔合理描述地墊面水分、能量流動(dòng)的過程的方案，高效利用所得的參數(shù)。借鑒其他各類的模型，最終構(gòu)建出效果良好的土壤-棉花-大氣系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化和簡(jiǎn)單化，這也是未來的研究方向之一。

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