基于HYDRUS-1D 土壤不同摻沙模式下水分入滲與蒸發(fā)特征研究

摘要：風(fēng)蝕荒漠與綠洲農(nóng)田是新疆旱區(qū)地表景觀的典型表現(xiàn)，水資源短缺成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展的重要限制因素。為揭示土壤不同摻沙模式下的水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律，基于積水入滲試驗(yàn)，結(jié)合HYDRUS-1D軟件，以均質(zhì)壤土為對(duì)照（CK），對(duì)土壤表層覆沙（TF）、深層埋沙（TG）、淺層混沙（TH）3種土壤摻沙模式下的水分遷移特性進(jìn)行研究。結(jié)果表明，累計(jì)入滲量實(shí)測(cè)值與模擬值之間吻合度較好，決定系數(shù)（R2）在0.998 1～0.999 3，均方根誤差（root mean square error， RMSE）在0.135 3～0.220 4，基于HYDRUS-1D數(shù)值模型對(duì)積水入滲條件下土壤水力參數(shù)進(jìn)行反演具有較好的適用性與較高的可靠性。TF、TG、TH 入滲歷時(shí)分別比CK 時(shí)間縮短29.6%、?0.8%、40.0%，TF與TH均能顯著減少入滲時(shí)間（Plt;0.05），TF與TG對(duì)累計(jì)入滲量影響差異不顯著，TH可以顯著降低累計(jì)入滲量（Plt;0.05）。土壤摻沙模式對(duì)濕潤(rùn)鋒與累計(jì)入滲量均有顯著影響。歷時(shí)214 d，TF、TG與TH的累計(jì)蒸發(fā)量分別較CK提高?17.47%、?1.89%、40.82%。TH能顯著提高土壤水分蒸發(fā)散失量（Plt;0.05），TF能顯著抑制土壤蒸發(fā)（Plt;0.05），TG對(duì)土壤蒸發(fā)的作用不明顯?？紤]到地區(qū)水資源短缺的現(xiàn)狀，綜合土壤不同摻沙模式下水分運(yùn)動(dòng)特性，推薦在南疆地區(qū)無膜栽培作物種植應(yīng)用表層覆沙的農(nóng)藝管理措施。

關(guān)鍵詞：HYDRUS-1D；入滲；反演；蒸發(fā)；模擬；荒漠沙

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0496

中圖分類號(hào)：S152.7；S278 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：10080864（2025）03018311

新疆地區(qū)氣候干旱少雨，且風(fēng)蝕荒漠廣泛分布，水資源短缺是制約地區(qū)綠洲農(nóng)田發(fā)展的重要障礙因子[12]。因地制宜利用沙與土壤耦合提高水分利用效率、改善作物生長(zhǎng)的土壤水環(huán)境，成為旱區(qū)農(nóng)業(yè)的重要節(jié)水措施。針對(duì)土壤摻沙模式對(duì)水分遷移影響的研究已有報(bào)道。趙伶俐[3]在瓜田覆蓋砂礫石，發(fā)現(xiàn)覆砂可以顯著抑制土壤蒸發(fā)，并明確了瓜田覆砂的最佳粒徑、厚度與覆蓋年限。宋日權(quán)等[4]研究摻沙對(duì)農(nóng)田土壤水分的調(diào)控作用發(fā)現(xiàn)，表層土壤摻沙率≥25% 時(shí)可大幅提高水分入滲能力，摻沙率≥75% 時(shí)將大幅降低土壤的蒸發(fā)能力。馮壯壯等[5]將砂礫埋置于田間土壤一定深度形成夾砂層，確定河套地區(qū)砂夾層在40—110 cm 深度時(shí)水分利用效率與產(chǎn)量最優(yōu)?？梢钥闯?，土壤摻沙模式基本可分為表層覆沙[6]、深層埋沙[7]、淺層混沙[8]3種，不同摻沙模式對(duì)土壤水分遷移的影響效果各異。HYDRUS-1D數(shù)值模型適用于一維條件下飽和-非飽和多孔介質(zhì)中水、熱、鹽遷移及根系吸水等過程的模擬，其操作簡(jiǎn)便、邊界靈活的特點(diǎn)使之在土壤水運(yùn)動(dòng)研究方面得到廣泛應(yīng)用[9-11]。范嚴(yán)偉等[12]基于HYDRUS-1D軟件對(duì)砂夾層的土壤水分入滲過程進(jìn)行了數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入滲穿過砂層上界面時(shí)上層土壤基本飽和，砂層具有一定的阻水和減滲作用，與王春穎等[13]的試驗(yàn)結(jié)果一致。王國(guó)帥等[14]在河套灌區(qū)沙丘與荒地進(jìn)行了2年的土壤水分定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，同時(shí)開展HYDRUS-1D動(dòng)態(tài)模擬，結(jié)果表明，降雨對(duì)于綠洲農(nóng)業(yè)水平衡作用較小，灌溉對(duì)改善農(nóng)業(yè)水生態(tài)至關(guān)重要。馬蒙蒙[15]利用實(shí)測(cè)入滲數(shù)據(jù)，借助HYDRUS-1D 反演出土壤水力參數(shù)后，對(duì)層狀土的入滲和出流過程進(jìn)行模擬，實(shí)測(cè)值與模擬值吻合度較好。Musa等[16]在卡塔爾未灌溉區(qū)安裝智能稱重蒸滲儀連續(xù)收集了17個(gè)月的土壤蒸發(fā)數(shù)據(jù)，與HYDRUS-1D 的模擬結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，驗(yàn)證了利用數(shù)值模擬預(yù)測(cè)土壤蒸發(fā)的可行性。

目前，砂與土壤耦合模式下的水分遷移特征研究多為單一模式，多種模式間的橫向?qū)Ρ妊芯枯^少，且涉及的砂粒徑多為2 mm以上的砂，對(duì)粒徑小于2 mm風(fēng)積沙鮮有報(bào)道。本研究以阿拉爾市田間土壤及周邊荒漠風(fēng)積沙為研究對(duì)象，基于水分入滲試驗(yàn)與HYDRUS-1D 數(shù)值模擬軟件，進(jìn)行土壤水力參數(shù)反演與蒸發(fā)模擬，對(duì)土壤表層覆沙、淺層混沙與深層埋沙的水分入滲與蒸發(fā)特征進(jìn)行探究，以期為指導(dǎo)南疆地區(qū)利用風(fēng)積沙調(diào)控農(nóng)田土壤水分、改善作物生長(zhǎng)水環(huán)境提供一定的科學(xué)依據(jù)和理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤選自塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院試驗(yàn)基地（40°32'16″ N、81°18'15″ E）棉花試驗(yàn)田，為南疆綠洲區(qū)典型沙壤土，飽和含水率（體積分?jǐn)?shù)，下同）39.55%，田間持水量28.40%，黏粒、粉粒與砂粒的質(zhì)量占比分別為3.98%、28.65%、67.37%。取0—20 cm土層土壤，經(jīng)風(fēng)干、碾碎、過2 mm篩后備用。供試風(fēng)積沙取于阿拉爾市周邊，天然容重1.56 g·cm?3，含水率1.37%，粒徑顆分大于0.5 mm為0%、0.25～0.5 mm為27.27%、0.1～0.25 mm為33.05%、0.074～0.1 mm為26.89%、小于0.074 mm為12.79%，取沙深度為0—20 cm。

1.2 試驗(yàn)方法

通過室內(nèi)薄層積水垂向入滲試驗(yàn)分析不同土壤摻沙模式下水分入滲特征。以累計(jì)入滲量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為目標(biāo)函數(shù)利用HYDRUS-1D 反演出均質(zhì)土、風(fēng)積沙夾層和混沙層的水力學(xué)參數(shù)，基于HYDRUS-1D 對(duì)土壤蒸發(fā)開展數(shù)值模擬分析，探究土壤不同摻沙模式下的水分蒸發(fā)特征。

試驗(yàn)設(shè)置表層覆沙（TF）、深層埋沙（TG）、淺層混沙（TH）和均質(zhì)土對(duì)照（CK）4個(gè)處理，每個(gè)處理3 個(gè)重復(fù)。TF 表層覆沙5 cm，TG 夾沙層厚度5 cm，TH摻沙深度表層20 cm，3個(gè)處理的風(fēng)積沙用量相同。各處理土層剖面見圖1。