坑口構(gòu)造對低溫季節(jié)壤溫功效影響分析探究

丁良帥

(沈陽市蘇家屯區(qū)應(yīng)急管理事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110101)

農(nóng)用坡地田間水利灌溉設(shè)計經(jīng)常選擇應(yīng)用蓄水坑灌方法。為設(shè)計出功能更為理想的坑灌坑口構(gòu)造型式，本文分別基于各種構(gòu)造形式，借助Suffer8.0和MOE2010系統(tǒng)，以坑灌坑口構(gòu)造對越冬期果樹根區(qū)壤溫時空演變趨勢的影響為評價指標(biāo)，對農(nóng)田水利坑灌的坑口構(gòu)造低溫季節(jié)壤溫功效影響課題展開專題分析，探究低溫季節(jié)低溫環(huán)境下，坑灌坑口構(gòu)造的壤溫功效日影響規(guī)律，以為同類坑灌技術(shù)的農(nóng)田灌溉應(yīng)用提供研究和技術(shù)參考。

1 案例概況

本文以西北某農(nóng)科院果園的節(jié)水灌溉型式作為案例對象，區(qū)域氣候系屬典型的暖溫帶大陸性氣候，年降雨量相對比較充沛，達(dá)到了459.6mm。年均氣溫基本保持在9.8℃左右，無霜期長達(dá)175d。通過地質(zhì)實勘發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)以粉砂壤土為主，適合種植矮砧紅富士蘋果樹，以地下井水為農(nóng)作物灌溉之源。區(qū)域土壤主要組分及相關(guān)物理參數(shù)見表1—2。

2 實驗方案

本實驗以坑口徑及是否蓋覆為控制因子，總共設(shè)計了5個重要坑灌蓄水坑口，分別為：DM(地表灌溉)、DB5(坑口徑為5cm，坑口無蓋覆)、DF5(坑口徑為5cm，坑口存在蓋覆)、DB30(坑口徑為30cm，坑口無蓋覆)、DF30(坑口徑為30cm，坑口有蓋覆)。各坑口均設(shè)置了4個坑壁溫度及坑內(nèi)溫度均選用壤溫傳感器進行動態(tài)監(jiān)測，每隔0.5h就會測量并記錄一次壤溫。選用5cm的圓形聚乙烯泡沫塑料板作為蓋覆材料。各坑灌蓄水坑口構(gòu)造如圖1所示。

表1 案例區(qū)域土壤主要組分

表2 案例區(qū)域土壤主要物理參數(shù)

圖1 蓄水坑坑口構(gòu)造

3 坑口構(gòu)造的低溫季節(jié)壤溫功效影響分析

3.1 基于坑周壤溫日影響的坑口構(gòu)造壤溫功效分析

3.1.1基于坑口構(gòu)造差異的坑周壤溫日演變狀態(tài)

將距坑壁0～35cm的深度土壤在不同時刻生成的溫度進行有效匯總，并將其視為各坑周壤溫日演變特點值。由此繪制出更直觀的壤溫日演變趨勢分析圖，如圖2所示。通過圖2數(shù)據(jù)分析進一步發(fā)現(xiàn)，相較于無蓋覆處理，坑口蓋覆處理的壤溫日演變幅度更小一些，隨著坑口蓋覆面積的不斷增大，壤溫日演變幅值則相應(yīng)減小。DB5、DB30、DF5、DF30的壤溫日演變幅值分別是0.64、0.99、0.65、0.59℃，也就表明坑口蓋覆能將壤溫的大氣溫度影響降到最低，通過壤溫與外界氣溫的有效阻斷，能夠合理控制壤溫日演變趨勢，經(jīng)數(shù)值對比發(fā)現(xiàn)，DF30處理的壤溫演變幅值與DF5處理相比相對更小。相較于DB30處理，DF30處理的壤溫更高一些，兩者溫差為1.67℃，相較于DB5處理，DF5處理的日平均壤溫也明顯更高一些，兩者溫差為0.48℃，這就直觀體現(xiàn)了坑口蓋覆的重要性，不僅能阻礙壤溫向外耗散，還能達(dá)到保溫的效果。相較于DF5處理，DF30處理的日平均壤溫也高一些，兩者溫差為0.29℃，說明蓋覆面積越大，達(dá)到的保溫效果就越顯著。

3.1.2坑口構(gòu)造對距坑壁不同距離壤溫日演變的影響

將距坑壁0～10cm的深度土壤在不同時刻生成的溫度進行有效匯總，并將其視為各坑周壤溫日演變特點值，由此繪制出基于不同坑壁距離和0～10cm壤深的壤溫影響DF30、DF5、DB30和DB5日變分析曲線，如圖3所示。圖3系DB5日變曲線。通過曲線分析可以發(fā)現(xiàn)，0～10cm深的土壤溫度比較低，在蓋覆處理的工況下，各坑口的壤溫日演變態(tài)勢無太大變化，但距坑壁不同距離的坑口壤溫差異卻非常顯著。在不蓋覆處理的工況下，不僅各坑口的壤溫日演變態(tài)勢無太大變化，而且距坑壁不同距離的坑口壤溫差異也在可控范圍之內(nèi)。在距坑壁25cm的部位，15:30左右DF30、DB30這兩個處理生成了一日中壤溫的最大值，分別達(dá)到了-4.6℃和-6.8℃，在0:00左右則生成了一日中壤溫的最低值，分別降到了-6.3℃和-10.1℃。即

圖2 基于坑口構(gòu)造差異的坑周壤溫日演變曲線

圖3 基于不同坑壁距離和0～10cm壤深的壤溫影響DB5日變曲線

便大氣溫度在不斷變化，但蓋覆處理的壤溫演變態(tài)勢仍比較穩(wěn)定，地表土壤受大氣熱輻射的影響在大氣溫度達(dá)到最高值是會降到最低，所以土壤溫度沒有急劇升高，而在大氣溫度最低值時，由于熱量傳播減弱，地表溫度也就能得到有效控制。由此可以看出，坑口蓋覆對面層壤溫演變的有較顯著影響。在對上圖中a及b的整體走勢進行分析后發(fā)現(xiàn)，在距坑壁25cm的部位，15:30左右生成了一日中壤溫的最大值，DF30和DF5這兩個處理的壤溫值分別達(dá)到了-4.6℃及-5.1℃，在0:00左右則生成了一日中壤溫的最低值，分別降到了-6.3℃和-6.6℃。即便大氣溫度在不斷變化，只要盡可能地擴大蓋覆面積，就能防止壤溫產(chǎn)生過大差距。

同理，研究也繪制了基于不同坑壁距離和10～20cm壤深的壤溫影響DF30、DF5、DB30和DB5日變分析曲線。曲線揭示，相較于0～10cm深度土壤，10～20cm深度土壤的日溫度變化更趨向于平穩(wěn)，差值差異非常小，幾乎可省略不計。由此表明，此深度的土壤層未受到大氣溫度太多的影響。距坑壁不同距離的坑口壤溫差異并不顯著，距坑壁5～35cm處的坑口平均壤溫差分別控制在0.17℃及1.27℃左右，蓋覆面積越大的坑口處理，壤溫差越小。

同理，基于不同坑壁距離和20～30cm壤深的壤溫影響DF30、DF5、DB30和DB5日變分析曲線揭示，距坑壁20～30cm的深度土壤距坑壁不同距離在不同溫度演變狀態(tài)下整體壤溫變化較小，不過距坑壁不同距離的坑口壤溫卻存在較大差距，由此表明，該土壤層徑向坑壁部位的壤溫受外部氣溫影響較大，而垂直方向壤溫受環(huán)境氣溫的影響很小，相較于距坑壁15～35cm部位，距坑壁5cm部位的壤溫非常低，原因在于此處距離坑壁很近，容易受外部氣溫影響。

在坑壁距離不斷延長的情況下，溫度慢慢趨向于平穩(wěn)。分析揭示，在距坑壁5cm部位，DB30和DF30這兩大處理的壤溫分別達(dá)到了-5.57℃及-2.46℃，由此表明，坑口蓋覆面積越大，壤溫耗散就越小，坑壁壤溫越平穩(wěn)。在距坑壁5cm部位，DF5和DF30這兩大處理的壤溫分別達(dá)到了-4.11℃及-2.46℃，由此表明，坑口蓋覆性能越好，壤溫耗散就越少。

同理，研究也繪制了基于不同坑壁距離和30～40cm壤深的壤溫影響DF30、DF5、DB30和DB5日變分析曲線。曲線揭示，距坑壁30～40cm的深度土壤距坑壁不同距離在不同時的溫度演變情況，即便大氣溫度不斷變化，該壤層的壤溫日演變也不會發(fā)生極值及低谷值，這就意味著中層壤溫基本趨向于穩(wěn)定狀態(tài)狀態(tài)。各處理距坑壁15～35cm處的壤溫不會出現(xiàn)太大差異，但蓋覆及不蓋覆處理的壤溫差異卻非常顯著，5cm處的壤溫分別是-0.78℃及-4.09℃，隨著土壤深度的不斷增大，蓋覆與不蓋覆處理的溫度差距相應(yīng)加大。通過對比a及b發(fā)現(xiàn)，5cm部位壤溫分別為-0.78℃及-2.85℃，隨著土壤深度的不斷增大，DF30和DF5這兩大處理的壤溫差也相應(yīng)加大。

同理曲線分析亦發(fā)現(xiàn)，距坑壁70～80cm的深度土壤距坑壁不同距離在不同時的溫度演變狀態(tài)下，該層壤溫基本趨向于穩(wěn)定狀態(tài)狀態(tài)，但蓋覆及不蓋覆處理的壤溫差異卻非常顯著，說明坑口覆蓋是非常有必要的。5～35cm處的DF30和DB30坑口的溫差最大值分別是0.2℃及0.48℃；DF5和DB5坑口的溫差最大值分別為0.3℃及0.72℃，由此表明，坑口狀態(tài)對深層壤溫的影響相對較小。

3.2 基于坑內(nèi)壤溫日影響的坑口構(gòu)造壤溫功效分析

3.2.1不同坑口構(gòu)造及不同坑內(nèi)部位的壤溫日影響狀態(tài)

研究圍繞坑口大氣溫度、坑口地表溫度、坑內(nèi)溫度以及坑底溫度，開展了溫度狀態(tài)測量并分別繪制了溫度影響日演變曲線，如圖4所示，圖4系其

圖4 不同坑內(nèi)部位之坑口地表溫度影響日演變曲線

圖5 不同坑底壤深之距離地面50～60cm的溫度影響日演變狀態(tài)

中不同坑內(nèi)部位之坑口地表溫度影響日演變曲線。數(shù)據(jù)和曲線揭示，各處理的平均日溫度差保持在16.33℃左右。分析也發(fā)現(xiàn)，蓋覆處理與不蓋覆處理的日溫度極值較小、溫度演變幅值較小，DB30和DF30這兩大處理的日最大溫度差分別是5.8℃及3.2℃，由此表明，坑口蓋覆能防止地表溫度日演變幅值增大，在溫度較高時，坑口蓋覆能遮擋太陽輻射，降低地表溫度攀升，在外部氣溫非常低時，能降低散熱量，從而降低晝夜溫度差。DF30處理溫度日演變過程相對更平緩，蓋覆范圍越廣，坑內(nèi)溫度變化就越小。另外，DB30處理的坑內(nèi)溫度與大氣溫度演變態(tài)勢高度吻合，但坑內(nèi)溫度日演變趨勢近似于水平線，說明坑口蓋覆具有保溫作用。各處理坑底溫度基本未受外部溫度變化影響，DF30和DB30這兩大處理的坑內(nèi)日均溫度分別是-0.89℃及-3.4℃，因為坑口蓋覆防止熱量耗散，從而達(dá)到良好保溫效果。

3.2.2坑底不同壤深基于不同坑口構(gòu)造的壤溫日影響狀態(tài)

研究分析了不同坑底壤深的溫度影響日演變狀態(tài)，分別就距離地面40～50cm、50～60cm、60～70cm以及70～80cm溫度影響日演變曲線，如圖5所示，8系不同坑底壤深之距離地面50～60cm的溫度影響日演變狀態(tài)。通過圖線數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，隨著距離地面深度的不斷加增，壤溫也相應(yīng)加大。距離地面40～80cm內(nèi)，DF30和DB30這兩大處理的壤溫分別提高0.9℃及1.8℃，是因為坑口蓋覆降低了壤溫與外界的冷熱交換，使深層壤溫變幅降低，維持壤溫的基本穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語

本文以坑灌坑口構(gòu)造對越冬期果樹根區(qū)壤溫時空演變趨勢的影響為評價指標(biāo)，探究坑灌坑口構(gòu)造的低溫環(huán)境下壤溫功效的日影響規(guī)律。主要研究收獲：

(1)分析揭示，蓄水坑各坑口型式的壤溫日影響規(guī)律類似，均為隨環(huán)境氣溫的演變而演變。

(2)垂向角度分析，隨壤深的加大，垂直方向上的壤溫呈對應(yīng)逐漸攀升的特點；較比坑口不存在蓋覆，存在坑口蓋覆的結(jié)構(gòu)處理其壤溫的日影響差值相對較小，不蓋覆處理的壤溫小于有蓋覆處理的壤溫；較大蓋覆的垂直方向土壤日溫度差演變幅值低于較小蓋覆，較大蓋覆的壤溫大于較小蓋覆。

(3)徑向角度分析，距坑壁近區(qū)域蓋覆與否，對應(yīng)壤溫相對差異較大，呈現(xiàn)二者溫度差隨距離加大而逐漸降低的規(guī)律，且蓋覆處理的壤溫大于不蓋覆處理；隨著距坑壁距離的加大，較大蓋覆與較小蓋覆的壤溫差呈對應(yīng)降低規(guī)律，較大蓋覆壤溫大于較小蓋覆。