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(jìn)行地表滴灌的沙柳、速生楊、旱柳和榆樹人工林為研究對(duì)象,采用粒徑檢測(cè)激光分析儀進(jìn)行土壤質(zhì)地分析得到各土樣粒徑分布情況,通過HYDRUS-2D/3D數(shù)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(dòng)態(tài)變化規(guī)律。結(jié)果表明:庫布齊沙漠北部邊緣地區(qū)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(zhì)土壤。滴灌流量為3.0 L/h,時(shí)長為6 h時(shí),各類人工林根深范圍內(nèi)土壤均能達(dá)到飽和含水量,能滿足人工林用水需求。
關(guān)鍵詞: ?滴灌; ?水分運(yùn)移; ?壓力水頭; ?含水量; ?HYDRUS-2D/3D
中圖分類號(hào): ? S 152. 7 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: ? A ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào):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(jù)植物需水規(guī)律及時(shí)補(bǔ)充根部水分的現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù),也是人工林維持生產(chǎn)力的重要技術(shù)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(dá)14%~35%[ 4 -6 ]。滴灌通過布置的管道系統(tǒng)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(yǎng)分,因而土壤濕潤體的大小和形狀能對(duì)人工林生長和發(fā)育產(chǎn)生重要影響[ 7 - 8 ]。因此,研究滴灌下不同人工林土壤水分運(yùn)移規(guī)律,揭示不同林地土壤濕潤體時(shí)空變化特征,是制定高效灌溉策略的重要依據(jù)。
通??赏ㄟ^研究土壤壓力水頭和含水量的時(shí)空變化規(guī)律開展土壤水分運(yùn)移規(guī)律的田間試驗(yàn)研究,但田間試驗(yàn)具有耗時(shí)長、投入人力物力大、可研究情形有限等缺點(diǎn)。因此,基于田間試驗(yàn)資料,進(jìn)行土壤水分運(yùn)動(dòng)建模,通過數(shù)值模擬計(jì)算得到較優(yōu)的滴灌模式和參數(shù),是較為經(jīng)濟(jì)、高效的研究方法。近年來,有學(xué)者采用軟件數(shù)值模擬法研究滴灌條件下的土壤水分運(yùn)移規(guī)律,如Hiba Ghazouani等[ 9 ]利用HYDRUS-2D建立馬鈴薯(Potato)田研究模型,對(duì)比了灌溉量、灌溉水質(zhì)對(duì)土壤含水量和電導(dǎo)率的影響;李豆豆等[ 1 ]利用HYDRUS-2D/3D對(duì)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(yùn)移距離隨灌溉時(shí)長的變化規(guī)律;黃凱等[ 10 ]利用HYDRUS 對(duì)赤紅壤甘蔗( Saccharum officinarum) 田建模分析了滴頭間距、流量對(duì)灌水均勻性的影響;Naglic等[ 11 ]利用HYDRUS-2D/3D 針對(duì)不同質(zhì)地土壤模擬了滴頭流量和初始含水量對(duì)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(yùn)動(dòng)的研究多集中在毛白楊、甘蔗、小麥、葡萄等產(chǎn)值較高或單一作物田地及不同質(zhì)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(duì)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(qiáng)土壤入滲性能,使土壤儲(chǔ)水能力增加。但另一方面,庫布齊沙漠北部邊緣地區(qū)人工造林成活后,由于蒸騰耗水作用強(qiáng)烈,沙地水分被大量消耗,沙地水分與植物生長供需嚴(yán)重失調(diào),水分成為限制人工林生長的主要影響因子,人工林出現(xiàn)衰退和死亡現(xiàn)象,使得精準(zhǔn)滴灌顯得尤為重要。因此,在內(nèi)蒙古庫布齊沙漠北部邊緣地區(qū)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(yùn)移的數(shù)值模擬研究,進(jìn)而提出灌溉策略建議,對(duì)于沙柳等人工林生產(chǎn)力的快速提升具有重要意義。本研究對(duì)不同人工林下滴灌土壤水分運(yùn)移規(guī)律開展研究,在庫布齊沙漠北部邊緣地區(qū)砂壤土立地下,探討地表滴灌人工林的土壤水分運(yùn)移規(guī)律,通過HYDRUS-2D/3D模擬試驗(yàn)情境,得到不同林地土壤壓力水頭和含水量的時(shí)空變化特征,以期明確滴灌下各類林地土壤水分運(yùn)移規(guī)律,為不同林分制訂精準(zhǔn)滴灌策略提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。
1 研究區(qū)概況
試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市達(dá)拉特旗鄂爾多斯林場(chǎng)曹四灘護(hù)林站(110°39'14″E,40°14'24″N)(圖1)。該地屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,其顯著特征是常年干燥多風(fēng)少雨,多年平均氣溫6.1 ℃;全年無霜期135天,年平均日照時(shí)數(shù)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(qū)采集土樣,研究區(qū)內(nèi)包含沙柳林、速生楊林、旱柳和榆樹,針對(duì)每種林木各選擇一塊具有代表性的試驗(yàn)樣地,其林木均勻配置。取土樣方設(shè)置在各試驗(yàn)小區(qū)相鄰的林木林帶之間,長2.0 m,寬1.0 m,深1.2 m,對(duì)樣方內(nèi)的土壤進(jìn)行剖面分層取土。由于研究區(qū)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(tǒng)一設(shè)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(huán)刀分層取土,每層隨機(jī)取3個(gè)重復(fù)土樣,采用德國SYMPATEC GmbH公司的RODOS/M粒徑檢測(cè)激光分析儀進(jìn)行土壤質(zhì)地分析得到各土樣粒徑分布情況,并計(jì)算3個(gè)土樣均值(表1)。
2 研究方法
2. 1 數(shù)值模擬基礎(chǔ)條件設(shè)計(jì)
(1)模擬基本環(huán)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(shí)長均為6 h。根據(jù)土樣采集基本數(shù)據(jù),滴灌模擬土壤的總深度設(shè)置為地下0~100 cm,以0~20、20~40、40~60、60~80和80~100 cm分別設(shè)置為單一層級(jí)的土壤,共設(shè)置5層。
(2)時(shí)間離散設(shè)置
在進(jìn)行模型的迭代運(yùn)算時(shí),離散時(shí)間單位取小時(shí)(h)。其中所選用的最短時(shí)間步長0.001 h;在允許偏差下,土壤含水量迭代精度設(shè)置為0.001,壓力水頭的迭代精度設(shè)置為1;迭代的最大次數(shù)為10,若迭代次數(shù)超過10,則系統(tǒng)將用新時(shí)間步長取代原有時(shí)間步長的1/3重新開始有關(guān)迭代計(jì)算。除此之外,本次模擬增大迭代的比例設(shè)置為1.3,增大步長的迭代信號(hào)設(shè)置為3,縮小迭代的比例設(shè)置為0.7,縮小步長的迭代信號(hào)設(shè)置為7。在網(wǎng)格劃分和離散設(shè)置中四類人工林土壤結(jié)構(gòu)選取范圍相同。
2. 2 土壤環(huán)境設(shè)置
(1)土壤粒徑分布參數(shù)
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(shù)對(duì)數(shù)值模擬土壤進(jìn)行分層設(shè)置。
(2)土壤水動(dòng)力參數(shù)設(shè)置
根據(jù)表1中5種土壤各土層顆粒組成,利用Rosetta網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)模塊,初步擬合并逐步計(jì)算推導(dǎo)出各種土壤水動(dòng)力參數(shù)如表2。
(3)初始條件及邊界條件設(shè)置
模型區(qū)域:本次模擬將模擬區(qū)域設(shè)置成寬為100 cm、深為100 cm的正方形區(qū)域。
初始條件:以進(jìn)水前測(cè)量結(jié)果擬定出來的含水量剖面圖作為進(jìn)行本次模擬計(jì)算的初始條件之一,并以此假設(shè)含水量能在同一厚度土層內(nèi)均勻分布。
邊界條件:在模擬中的滴頭處預(yù)先設(shè)置變流量邊界,在開始進(jìn)水后以其周圍半徑為W的區(qū)域?yàn)轱柡蛥^(qū),且在進(jìn)行模擬試驗(yàn)時(shí),可以忽略飽和區(qū)半徑和進(jìn)水時(shí)間的關(guān)系。
下排水邊界條件和其余邊界條件:根據(jù)研究區(qū)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(qū)域下排水邊界應(yīng)被設(shè)定為自由排水邊界;其余所有未預(yù)先設(shè)置的邊界均默認(rèn)保存為零通量邊界。
(4)觀測(cè)點(diǎn)選取
依據(jù)土壤分層設(shè)置的特點(diǎn),所選觀測(cè)點(diǎn)深度分別為20、40、60、80和100 cm,自上而下依次為觀測(cè)點(diǎn)1~5。
3 結(jié)果與分析
3. 1 觀測(cè)點(diǎn)壓力水頭變化
根據(jù)HYDRUS-2D/3D模擬結(jié)果,依據(jù)圖2,灌溉開始前各人工林任意觀測(cè)點(diǎn)的起始?jí)毫λ^均為-100 cm,滴灌6 h后其數(shù)值均超過0 cm,且在之后穩(wěn)定不變。可見此次滴灌的結(jié)果是100 cm土壤深度范圍內(nèi)不同土層水分均達(dá)到穩(wěn)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(shí)不同人工林水分運(yùn)移的時(shí)空變化規(guī)律存在一定差異。
對(duì)比不同人工林,速生楊林各觀測(cè)點(diǎn)均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)用時(shí)最短,約為1.5 h,且各土層最終形成的穩(wěn)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(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)用時(shí)最長,約為5.7 h,且穩(wěn)定壓力水頭值最小,為0.2~8.8 cm。上述結(jié)果與該四類人工林土壤質(zhì)地有關(guān),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(duì)其滴灌過程水分運(yùn)移規(guī)律影響較大,土壤質(zhì)地越粗則水分運(yùn)移中土壤中各土層水分越能快速趨于穩(wěn)定,且最終各土層壓力水頭也越大,反之質(zhì)地越細(xì)則速度越慢且最終壓力水頭也越小。
3. 2 觀測(cè)點(diǎn)含水量變化
依據(jù)圖3,灌溉開始前各人工林任意觀測(cè)點(diǎn)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(shù)值均接近0.40 cm3/cm3,且在之后穩(wěn)定不變。由表2可知,滴灌結(jié)果為100 cm土壤深度范圍內(nèi)各土層水分均達(dá)到各自飽和含水量,該值與土壤質(zhì)地有關(guān)且非常接近,該特點(diǎn)與壓力水頭有明顯差別,可見相同水分運(yùn)移過程中土壤壓力水頭和含水量的時(shí)空變化規(guī)律存在差異。
對(duì)比圖2和圖3,不同人工林各觀測(cè)點(diǎn)含水量均達(dá)到飽和含水量與壓力水頭達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)用時(shí)相同,仍呈現(xiàn)速生楊<沙柳<旱柳<榆樹的特點(diǎn),同時(shí)各土層均隨其初始含水量的不同而有微小差異,但這對(duì)不同土層含水量達(dá)到飽和含水量的時(shí)間影響較小。以上規(guī)律進(jìn)一步驗(yàn)證了土壤砂粉比對(duì)水分運(yùn)移過程中含水量時(shí)空變化規(guī)律的影響,土壤質(zhì)地越粗則水分運(yùn)移中土壤中各土層含水量越能快速趨于飽和,反之質(zhì)地越細(xì)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(jié) 論
本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)庫布齊沙地不同人工林下滴灌土壤水分運(yùn)移規(guī)律開展研究,主要得出如下結(jié)論:
(1)庫布齊沙漠北部邊緣地區(qū)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(zhì)土壤。滴灌流量為3.0 L/h,時(shí)長為6 h時(shí),該地區(qū)各類人工林100 cm土層深度范圍內(nèi)土壤均能達(dá)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(zhì)地下,粒徑分布尤其是砂粒和粉粒含量之比對(duì)滴灌過程中水分運(yùn)移結(jié)果影響較大,具體表現(xiàn)為砂粉比越大則人工林各土層達(dá)到壓力水頭最大值和土壤飽和含水量的時(shí)間越短。上述規(guī)律與已有文獻(xiàn)結(jié)論類似,表明采用數(shù)值模擬的手段研究土壤多孔介質(zhì)水分運(yùn)移規(guī)律切實(shí)可行。
(3)當(dāng)通過滴灌使一定深度范圍土壤均達(dá)到飽和含水量時(shí),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(guān)。隨土層加深,水分運(yùn)移至深土層處水勢(shì)梯度相應(yīng)減小,滴灌后穩(wěn)定的壓力水頭值也減小。
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