南疆鹽漬化地區(qū)的棉花水分遷移模型研究

張婷樂 周保平 劉冠華 高黎明

摘要：為了控制南疆鹽漬化地區(qū)棉田土壤中的鹽分，進一步提高棉花植株對水分的利用效率，通過對土壤-棉花-大氣系統(tǒng)（SCAC系統(tǒng)）進行的研究，建立了南疆鹽漬化地區(qū)的棉花水分遷移模型，計算出棉花植株水分的吸收效率，從而來調(diào)控棉田土壤的水分、鹽分及其根系分布，達到控制鹽分、提高水分利用效率的目的。并對棉花水分遷移模型的未來進行了展望。

關(guān)鍵詞：新疆;鹽漬化地區(qū);土壤-棉花-大氣系統(tǒng);水分遷移;模型

中圖分類號：S562.048 ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：2095-3143（2019）03-010-05

DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2019.03.003

0 ?引言

新疆擁有特殊的自然條件，但淡水資源不足，種植土壤鹽堿度較高。其日照充足、蒸發(fā)強烈，極易導(dǎo)致土壤次生鹽堿化，對新疆農(nóng)業(yè)也產(chǎn)生了不小的影響。在新疆南部地區(qū)一般種植棉花的農(nóng)田大部分都是鹽堿地，這種土地很不穩(wěn)定，較易影響棉花的生長。所以對于棉田的灌溉，既要滿足棉花對于生理生長所需求的水分，還要認(rèn)真觀察棉田土壤的水鹽環(huán)境。在強烈的蒸發(fā)下，棉田經(jīng)過灌水，其土壤中的鹽分在根系層以下聚集而不能將土壤中的鹽分排出棉田，久而久之，土壤中的鹽分積累后浮于表面。長期灌溉后，棉田中的鹽分上升至棉花的根系層，嚴(yán)重影響棉花的生長發(fā)育，使其產(chǎn)量下降，甚至死亡，一步步演變成土壤次生鹽堿化。

在棉田土壤中其鹽分需要用水分當(dāng)做載體，在棉花植株的毛細(xì)管作用下，能將其棉田地下水中或土壤中的鹽分通過水分的吸收向地表運移。棉田中的水分被蒸發(fā)后，其中的鹽無法流失則被留在表層土壤中，剩下的鹽分對棉花植株85%以上的根系產(chǎn)生影響，并會進一步影響棉花的生產(chǎn)種植[1-4]。棉花根系的吸收能力及強度、利用率以及植株的生長由土壤中的水、鹽分布的情況決定，而棉花根系的吸收程度又影響了水、鹽的分布。所以，在南疆鹽漬化的大環(huán)境之下，研究“土壤一棉花一大氣系統(tǒng)（簡稱SCAC系統(tǒng)）”，建立南疆鹽漬化地區(qū)的棉花水分遷移的模型，計算棉花植株對水分的吸收效率，從而調(diào)節(jié)棉田的土壤狀態(tài)，最終達到控制棉田土壤中的鹽分和提高水分利用效率。這既符合我國發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求，對在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中節(jié)水、高產(chǎn)和高效的目標(biāo)具有非常重要的意義。

1 ?國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1966年，土壤水文物理學(xué)家菲利普斯第一次提出了“土壤-植物-大氣連續(xù)體”（Soil-Plant-Atmosphere Continuum，SPAC）的概念。菲利普斯認(rèn)為，在一個整體運動過程中，水在每個過程中都起著樞紐的作用，菲利普斯研究了水在這整個過程中，各個部分能級的變化，并統(tǒng)一用能量單位水勢來計算出水分進行運動所需的能量[5]?！巴寥?植物-大氣連續(xù)體”是將三部分之間的介面過程形成了完整的一個系統(tǒng)。在一定的條件下，預(yù)報植株的灌溉等[6-8]。在SPAC理論被提出的基礎(chǔ)之上，我國也有很多的科研人員都對此系統(tǒng)過程進行了不同的研究，主要包含干旱及半干旱的條件下，SPAC系統(tǒng)在其內(nèi)部的水熱交換及能量的平衡;SPAC系統(tǒng)的水輸送的阻力（包括土壤根系和植物大氣系統(tǒng)的水輸送阻力）以及水分蒸發(fā)蒸騰作用[9-11]。在這一連續(xù)過程中，統(tǒng)一能量關(guān)系有利于水的運動傳遞和其能量的轉(zhuǎn)換。Gardner等用數(shù)學(xué)物理的方法，定量的研究植物根系的吸水[12]。Molz他所提出的植物吸水函數(shù)，具有很廣泛的代表及重要的參考價值[13];Talor及Klepper則突出植物根系的空間分布在植物吸水的整個過程中是很重要的[14]。

邵明安，等[15]用數(shù)學(xué)模擬的方法，研究了植物根系對土壤中水分的吸收利用，但因植物根系的吸水功能很復(fù)雜，所以其應(yīng)用的難度較大?？瞪僦遥萚16]建立了冬小麥的根系吸水模型，從而動態(tài)的模擬了冬小麥的根系吸水分布。劉昌明使用水力均衡法和液體動力學(xué)對SPAC的水分運動作了大量的研究[14]。盧振民，等[17]進行了大量的田間試驗來研究SPAC系統(tǒng)水流運動，從而建立了較完整的模型，是主要針對水流運動的重要部分：一方面利用植物土壤水分運動所常用的氣象資料和相關(guān)的參數(shù)來對土壤和作物水分運動的情況進行預(yù)測，另一方面研究了水流運動中氣孔阻力的調(diào)節(jié)和土壤溫度對氣孔阻力的影響。

2 ?技術(shù)路線

在研究思路上，本研究采用Pedersen所提出的植物根系吸水模型及植物根長密度分布模型統(tǒng)一求解的方法[18-21]。針對植物根系吸水模型中的算法復(fù)雜、開發(fā)難度很大及Richards方程解法上下邊界粗糙的情況，借鑒YANG、ZHANG等所提出IRE（積分型 Richards 方程解法）算法[22]對模型進行改良，并通過了大量的試驗及實例來進行驗證。在試驗過程中，采用管式TDR水分儀測定土壤含水量，采用取土干燥法進行標(biāo)定（見圖1）。

本研究還利用土壤水分遷移的動力學(xué)過程進行棉花根系分布模擬、水分運移模擬，為節(jié)水灌溉、科學(xué)施肥、棉花增產(chǎn)和環(huán)境保護提供理論依據(jù)。

3 ?水分遷移的模擬計算

本研究的實驗區(qū)在0～100 cm的垂直深度范圍內(nèi)棉田的土壤質(zhì)地都是粉沙質(zhì)壤土。應(yīng)用環(huán)境模擬軟件HYDRUS-2D是研究棉花植株的水分遷移的分布最好的方法[23-24]。其對棉花土壤水分的數(shù)值模擬方法的結(jié)果，可為棉花的大面積種植提供更優(yōu)的灌溉及施肥策略。

3.1 ?控制方程

研究水分輸運特性的一種有效的方法就是數(shù)值模擬。根據(jù)質(zhì)量守恒定律及達西定律，對于剛性土（各向同性、骨架不變形）的介質(zhì)，在棉田滴灌的條件下，假設(shè)所有土層均一，不考慮溫度和氣體圖像對棉田土壤的水分傳遞的影響。棉田土壤水分的轉(zhuǎn)移可簡化為線源剖面中的二維水分運動模型[25]，其控制方程見（1）。

式中：θ為土壤體積含水率[L3L-3]，t為時間[T]，K（h）為非飽和導(dǎo)水率[LT-1]，x為橫向坐標(biāo)[L]，h為土壤負(fù)壓水頭[L]，z為垂向坐標(biāo)[L]，向上為正方向。

3.2 ?初始條件及邊界條件

假定棉田土壤各層的初始含水量沿水平方向均勻的分布，棉田土壤水分的運移主要是以垂直方向的入滲和蒸散為先。忽略其非飽和水流的滯后所帶來的影響，模擬的深度范圍為0～100 cm，棉田土壤水分運動的初始條件為（2）和（3）。

3.3 ?模型參數(shù)

利用公式（9）、（10）、（11）、（12）和（13）尋得模型參數(shù)。

式中;θr和θs各為土壤的殘余的含水率及土壤的飽和含水率（L3L-3）;n和m為擬合的經(jīng)驗參數(shù);h為土壤的負(fù)壓水頭（L）;Ks為土壤飽和的導(dǎo)水率（L3L-3）;l為孔隙連通性參數(shù)，此參數(shù)對南疆鹽漬化地區(qū)的土壤類型可取為0.5。在這當(dāng)中所用的棉田土壤的飽和導(dǎo)水率和VG模型參數(shù)α和β分別為0.043、0.045、0.450、0.027和1.393。下限條件設(shè)定為100 cm。上限條件指的是本地平均數(shù)據(jù)。使用Hydrus-2d軟件用于模擬水分在輕度鹽漬化土壤上的運移（其原始數(shù)據(jù)和運算結(jié)果本文略）。

4 ?展望

在現(xiàn)實農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中， SPAC系統(tǒng)是一個不可分割的復(fù)雜整體。需要進一步來研究南疆鹽漬化土壤中微生物的呼吸作用、水和肥料的揮發(fā)效應(yīng)、土壤中氮含量的監(jiān)測和遷移。結(jié)合棉花自身的因素，研究棉花在鹽漬化土壤中水氮遷移的機理并且建立水氮效應(yīng)的模擬模型;根據(jù)不同土壤的理化性質(zhì)結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件，做出相應(yīng)的模型，以便解決不同情況下，不同作物的水分遷移模型，節(jié)約灌溉用水，減少肥料對土壤的破壞，以達到實現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的目的。

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