不同犁底層深度土壤水熱運移過程試驗與模擬

魏建濤，張建新，范文波*，許忠宇，董倩倩，李長曉，王雅琴

(1 石河子大學水利建筑工程學院/現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832003；2 新疆農墾科學院，新疆 石河子 832000；3 石河子大學理學院，新疆 石河子 832003)

目前，新疆農業(yè)生產中大面積采用膜下滴灌技術，2018年已經突破300萬hm2，其具有增溫、保墑等功能[1-2]。農業(yè)生產已形成完整的耕作模式，耕作方式與傳統(tǒng)的深耕模式相比發(fā)生了很大的改變，土壤耕作層變淺，犁底層上移[3-4]。根據(jù)《兵團灌區(qū)發(fā)展與節(jié)水灌溉總結評估》項目調查結果，通常翻耕深度南疆為30～40 cm，北疆為30 cm。

土壤水、熱條件是影響作物生長的重要因素，掌握土壤水、熱變化規(guī)律，及時調節(jié)和改善土壤水、熱環(huán)境是促進作物優(yōu)質高產的一個重要手段[5]。在土壤剖面中，犁底層具有土壤顆粒排列緊密、容重大等特點，覆蓋地膜后土壤剖面由地膜覆蓋-耕作層-犁底層-心土層組成。針對自然條件下土壤剖面多呈層狀結構的特點，胡燦等[6]研究結果表明層狀土壤水分入滲特性不同于均質土，YANFUL E K等[7]研究發(fā)現(xiàn)表層覆蓋砂性土壤可以減小水分蒸發(fā)，李韻珠等[8]研究發(fā)現(xiàn)當輕黏土夾層層位較高時蒸發(fā)速率大于均質壤土以及層位較低的夾黏土層土壤。

HYDRUS模型在水、熱及溶質運移的數(shù)值模擬上應用較廣。XU L G等[9]采用HYDRUS模型研究水鹽運移的動態(tài)變化規(guī)律，并進行室內土柱栽培試驗，研究結果表明模型具有較好的模擬效果；SIYAL A A等[10]利用HYDRUS軟件模擬了不同水壓條件下滲灌區(qū)土壤的濕潤狀況，模擬效果較為理想。本文以新疆地區(qū)膜下滴灌為背景，通過試驗與模擬相結合的方法，旨在明確犁底層對土壤水熱運移的影響規(guī)律，為新疆地區(qū)農業(yè)生產可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

土柱試驗于2019年10月在石河子大學水利建筑工程學院水利與土木工程實驗中心進行(44°18′25″N，86°03′27″E)，土柱規(guī)格(外徑×內徑×高)為21.6 cm×21 cm×65 cm；供試土壤為砂質壤土，其基本物理特性見表1；試驗設置2個犁底層深度來驗證模型的準確性，分別為無犁底層(CK)、距土壤表面30 cm(PB30)。

表1 試驗用土基本物理特性

根據(jù)前期在試驗站大田里測得的容重設置裝填容重，耕作層容重設為1.35 g/cm3，犁底層容重設為1.65 g/cm3，心土層容重設為1.45 g/cm3，共計2個處理，每個處理重復3次，共計6個土柱，同時進行試驗，結果取平均值。試驗前先將土壤風干并過2 mm篩以去除雜質并攪拌混合均勻，按照設計容重分層(5 cm)裝填，各層表面用刷子刷毛以保證層與層之間接觸良好，土柱裝填總高度為60 cm，土柱裝填示意圖如圖1所示，裝土表面用薄膜覆蓋，采用輸液袋的方式進行滴灌，滴頭固定在土柱表面中心位置，滴頭流量為1.0 L/h，總滴水量為3.0 L。

圖1 試驗土柱示意圖

1.2 測定項目與方法

在距土壤表面10、20、30、40、50 cm處埋設探頭(美國，Decagon)，監(jiān)測不同深度土壤含水率和溫度，用EM50采集數(shù)據(jù)，采集頻率為3 h/次。土柱裝填完后靜置15 h開始連續(xù)滴灌，滴灌結束后經過水分再分布24 h，開始用275 W紅外線燈模擬穩(wěn)定蒸發(fā)，調整其與土柱表面的垂直距離，用SANWA OPM36 M激光功率計測土壤表面功率，使每個土柱表面的熱功率穩(wěn)定在50 mW。每日蒸發(fā)10 h，持續(xù)10 d。試驗期間不進行通風，室溫在23～25 ℃、濕度在36%～45%之間，土柱內各土層的初始含水率為(0.125±0.030)cm3/cm3，初始溫度為(17±0.2)℃。

2 數(shù)學模型建立

2.1 基本方程

2.1.1 水分運動方程

本文采用修正的Richards方程描述土體水分運移，計算公式為

(1)

式(1)中，θ為土體體積含水量，cm3/cm3；t為時間，h；z為空間坐標，取向上為正，cm；K為非飽和水力傳導系數(shù)，cm/h；h為基質勢，cm；S為植物根系吸水量，本研究取該值為0。

2.1.2 熱量傳輸運動方程

在只考慮液態(tài)水運動對土體熱量傳輸?shù)挠绊憰r，本文采用的基本方程為：

(2)

C(θ)=Cnβn+Cωβω+Caav，

(3)

式中C(θ)為多孔介質比熱容，J/(cm3·℃)；Cn為固相比熱容，J/(cm3·℃)；Cω為液相比熱容，J/(cm3·℃)；Ca為氣體比熱容，J/(cm3·℃)；λ為土體導熱率，cm2/s；qi為水分通量，g/s。

2.2 初始條件與邊界條件

模型的初始條件均為土柱試驗的實際觀測值。灌水過程中，水流邊界條件上邊界為常壓，灌水結束后上、下邊界均為零通量邊界；溫度邊界均為溫度邊界條件。

2.3 模型模擬

本文取60 cm土體作為模擬剖面，模型模擬土壤深度為0～60 cm，按0.5 cm等間隔剖分成120個單元。模擬犁底層深度分別為0、20、30、40、50 cm。模型采用變時間步長剖分方式，步長為h，入滲模擬總時間為24 h，蒸發(fā)模擬總時間為240 h。設定最小時間和最大時間的步長分別為0.000 24 h和2 h。

2.4 模型參數(shù)

2.4.1 土壤物理參數(shù)

選取應用較廣泛的Van-Genuchten-Mualem模型，并進一步分析V-G模型擬合參數(shù)，表達式如下：

(4)

(5)

式中θr為土壤剩余體積含水率，cm3/cm3；Ks為土壤飽和導水率，cm/d；θs為土壤飽和體積含水率，cm3/cm3；n、m、α均為經驗參數(shù)；l為孔隙關聯(lián)度參數(shù)，通常取0.5。

采用顆粒分析法測定土壤粒徑組成，采用壓力膜儀法測定土壤水分特征曲線，由Rosetta模型初值給定參數(shù)值，然后通過土柱試驗實測數(shù)據(jù)進行參數(shù)擬合，確定主要特征參數(shù)值，調整后Van-Genuchten-Mualem公式中各個土壤水力參數(shù)值見表2。

表2 土壤特征參數(shù)

2.4.2 土壤溫度運移模擬參數(shù)

利用HYDRUS-1D軟件的Rosetta Lite.v.1.1獲得土壤熱特性參數(shù)，率定后的模型熱特性參數(shù)見表3。

表3 土壤熱特性參數(shù)

2.5 模型驗證與評價

由于土柱表層10 cm與底層50 cm深度含水率與溫度受實際外界因素影響較明顯，邊界情況與實際邊界情況存在差異，若此時模擬值與實測值匹配良好，則可以更好反映模型的合理性,所以采用每個土柱10 cm與50 cm深度土壤含水率與溫度的實測數(shù)據(jù)對模型進行驗證,并利用RMSE法對實測值與模擬值的精度進行定量分析[11]，計算公式為

(6)

式(6)中xi為實測值，yi為模擬值，n為樣本數(shù)。

圖2 入滲階段含水率模擬值與實測值對比

圖3 蒸發(fā)階段含水率模擬值與實測值對比

圖4 蒸發(fā)階段溫度模擬值與實測值對比

由表4和表5可知：各個階段含水率、溫度的模擬值與實測值的RMSE值均較小，在0.005～0.020之間，R2較大，在0.90以上，擬合效果較好，說明各個階段的含水率、溫度的模擬值與實測值差異不大，參數(shù)較可靠。

表4 實測值與模擬值的RMSE值

表5 實測值與模擬值的R2

3 模型應用與分析

利用驗證的土壤水熱運移模型，分別對5種情景(犁底層在0 cm處(CK)、20 cm處(PB20)、30 cm處(PB30)、40 cm處(PB40)、50 cm處(PB50))下的土壤水熱運移進行模擬。

3.1 入滲階段不同犁底層深度對土壤水分運移的影響

連續(xù)滴灌結束后經過水分再分布24 h，各處理各土層土壤水分運移過程及分布如圖5。

從圖5可以看出：犁底層深度不同，入滲階段各土層中土壤水分運移及分布也明顯不同。10～30 cm土層中含水率都是先急劇上升，再緩慢下降，這是因為剛開始灌水時導致上部土壤含水率急劇上升，而灌水結束后，隨著上部土壤水分的下滲，上部10～30 cm土層含水率緩慢下降，下部40～50 cm土層含水率緩慢上升，底部土層含水率開始上升的時間隨著犁底層深度的增加逐漸推遲，CK處理底部土層含水率上升的速率較PB處理快。經過24 h的土壤水分再分布，CK處理各土層含水率基本均勻分布，在0.302 cm3/cm3左右，PB20處理各土層含水率大小分布為10 cm>30 cm>20 cm>40 cm>50 cm，PB30處理各土層含水率大小分布為20 cm>10 cm>30 cm>40 cm>50 cm，PB40處理各土層含水率大小分布為30 cm>20 cm>10 cm>40 cm>50 cm，PB50處理各土層含水率大小分布為10 cm=20 cm=30 cm=40 cm>50 cm，結合等值線圖可以看出，灌水后經過土壤各土層水分的再分布，土壤表層含水率隨著犁底層深度的增加而增加。

圖5 入滲階段不同犁底層深度對土壤水分運移的影響

3.2 蒸發(fā)階段不同犁底層深度對土壤水分運移的影響

覆蓋地膜后隔絕了土壤與外界的水分交換，整個剖面由地膜覆蓋-耕作層-犁底層-心土層組成，圖6為蒸發(fā)階段不同犁底層深度對土壤水分運移的影響曲線圖。

從圖6可以看出：

圖6 蒸發(fā)階段不同犁底層深度對土壤水分運移的影響

(1)蒸發(fā)開始后，所有處理中50 cm土層含水率均先上升后逐漸趨于穩(wěn)定，PB20、PB30、PB40處理達到峰值(趨于穩(wěn)定)的時間比PB50、CK處理推遲50 h左右，說明犁底層可以阻礙水分運移，減緩水分向下的入滲速度。除PB50處理外，其他各處理50 cm土層含水率較其他土層為最高，PB20、PB30、PB40處理在0.302～0.313 cm3/cm3之間上下循環(huán)，CK處理在0.313～0.335 cm3/cm3之間上下循環(huán)，晝夜變化幅度高于其他處理，PB50處理的犁底層剛好在50 cm深度處，不同于其他處理，PB50處理中40 cm土層含水率較其他土層為最高，在0.295～0.311 cm3/cm3之間。另外，各處理犁底層上表面處土壤含水率較其他土層為最低，可能是因為犁底層處的水分緩慢入滲到犁底層內部及以下，犁底層內部可以貯藏一定的水分，且犁底層可以阻擋底部水分的蒸發(fā)，使底部的水分不易向上移動，導致犁底層上表面處土壤含水率較低。

(2)隨著犁底層位置的加深，犁底層上表面處土壤含水率逐漸增大，且晝夜變化幅度逐漸減?。焕绲讓酉卤砻嫣幫寥篮孰S著犁底層位置的加深逐漸增大，PB20處理在0.271～0.275 cm3/cm3之間，比上表面處高0.050～0.060 cm3/cm3，PB30處理在0.291～0.295 cm3/cm3之間，比上表面處高0.060～0.070 cm3/cm3，PB40處理在0.310～0.315 cm3/cm3之間，比上表面處高0.070～0.075 cm3/cm3。表明心土層內各土層的含水率比耕作層內各土層的含水率高；犁底層深度越大，土壤表層10 cm深度處含水率越大。

3.3 蒸發(fā)階段不同犁底層深度對土壤溫度運移的影響

由圖7可知：各處理各土層的晝夜溫度變化曲線呈正弦變化，隨深度的增加，溫度峰衰減，出現(xiàn)峰值的時間逐漸推遲，上層土壤溫度的變幅比下層大。PB20、PB30、PB40、PB50處理表層10 cm處最高溫度都在56 ℃，最低溫度都在29 ℃，CK處理表層10 cm處最高溫度在54 ℃，最低溫度在28 ℃，說明犁底層的存在可以影響土壤表層的溫度，同等條件下，可以使土壤表層溫度升高2 ℃左右。PB20、CK處理中20 cm深度最高溫度分別為48 ℃、43 ℃，PB30、CK處理中30 cm深度最高溫度分別為39 ℃、34 ℃，PB40、CK處理中40 cm深度處最高溫度分別為34 ℃、28 ℃，PB50、CK處理中50 cm深度最高溫度分別為28 ℃、23 ℃，通過對比發(fā)現(xiàn)PB處理犁底層上表面處的溫度比CK處理中同樣深度處溫度高4 ℃左右。PB處理中耕作層和心土層的溫度差別較大，PB30處理中30 cm深度處溫度比PB20處理大10 ℃左右，PB40處理中40 cm深度處溫度比PB30處理大10 ℃左右，PB50處理中50 cm深度處溫度比PB40處理大7 ℃左右，說明犁底層可以阻礙溫度向下傳輸，使犁底層以上的土壤溫度明顯增加，影響犁底層以下的土壤溫度。

圖7 蒸發(fā)階段不同犁底層深度對土壤溫度運移的影響

4 討論

(1)利用HYDRUS-1D軟件對膜下滴灌條件下不同犁底層深度對土壤水熱運移的影響規(guī)律進行模擬，經過土柱試驗數(shù)據(jù)驗證，土壤含水率和土壤溫度模擬結果與實測數(shù)據(jù)具有較好的相關性，這與裴躍鋒[12]、孫麗源[13]、滕云[14]的研究結果一致，模型可用于模擬土壤水熱運移規(guī)律。另外，可以利用該模型對不同條件下水熱運移規(guī)律進行預測，從而為新疆地區(qū)田間管理提供理論依據(jù)與實踐價值。

(2)土壤水分入滲是指水分進入土壤的過程，在傳統(tǒng)淺旋耕作方式下，農田土壤耕層變淺、犁底層上移。犁底層具有土壤顆粒排列緊密、容重大等特點，相當于耕作層的底板，覆蓋地膜后土壤剖面由地膜覆蓋-耕作層-犁底層-心土層組成。韋安培等[15]研究發(fā)現(xiàn)深松耕作較傳統(tǒng)耕作能提高土壤入滲性能，使土壤中含水量得到明顯增加;翟振等[16]研究發(fā)現(xiàn)破除犁底層可以提高作物水分利用率，本研究結果與其相似，即犁底層可以阻礙水分向下運移，減緩水分向下移動的速度。本研究各處理設置了同樣的犁底層厚度，不同的犁底層深度，灌水后經過24 h的土壤水分再分布，CK處理中各土層的含水率基本均勻分布，PB處理中各土層含水率差異較大，說明犁底層對土壤水分入滲造成了影響，且土壤表層含水率隨著犁底層深度的增加而增加。蒸發(fā)階段待各處理各土層的含水率穩(wěn)定后均成正弦變化，犁底層上表面處土壤含水率隨著犁底層深度的增大逐漸增大，犁底層以下各土層的含水率比犁底層以上各土層的含水率高，在現(xiàn)行以旋耕為主的傳統(tǒng)耕作模式下，可根據(jù)不同作物根系吸水的特點適度深耕打破犁底層。

(3)土壤溫度是影響作物生長發(fā)育、土壤水運移的重要因素[17]，犁底層改變了土壤的結構、物理性狀，從而改變土壤的熱特性。近年來有學者對不同耕作模式下土壤溫度的變化規(guī)律作了研究，陳軍勝等[18]研究表明，與傳統(tǒng)耕作相比保護性耕作，土壤的熱容量和導熱率有明顯的增加；劉緒軍等[19]發(fā)現(xiàn)深松耕法有利于提高地溫，本研究結果與其類似。本研究結果表明，隨著犁底層位置的加深，耕作層下部土壤溫度明顯增加。PB處理土壤表層溫度比CK處理高2 ℃左右，且PB處理犁底層上表面處溫度比CK處理同樣深度處溫度高4 ℃左右，說明犁底層的存在的確可以影響土壤溫度。新疆地區(qū)日照時間長，日內溫差大，而土壤溫度又影響著土壤水分、鹽分的運移及分布，研究結果可為作物創(chuàng)造適宜的生長環(huán)境提供理論支持。

(4)本文的土壤水熱運移研究只是針對室內土柱進行的模擬試驗，而田間尺度因其氣象條件的多變性和土壤理化性質的空間變異性，邊界條件較復雜，今后有待對大田膜下滴灌棉田犁底層對土壤水熱運移模型進行進一步研究。

5 結論

(1)利用HYDRUS-1D模型對膜下滴灌條件下犁底層對土壤水熱運移的變化規(guī)律進行模擬，模型較好地模擬了水分和溫度在土壤中的分布和隨時間變化的趨勢，對大田水熱監(jiān)測具有重要意義。

(2)犁底層可以阻礙水分運移，減緩水分向下的入滲速度，心土層內各土層的含水率比耕作層內各土層的含水率高，土壤表層的含水率隨犁底層深度的增大而增大。

(3)PB處理土壤表層溫度比CK處理高2 ℃左右，且PB處理犁底層上表面處溫度比CK處理同樣深度處溫度高4 ℃左右，隨著犁底層位置的加深，耕作層下部土壤溫度明顯增加。