水利工程论文-条带覆盖下土壤水热动态的田间试验与模型建立.doc

水利工程论文-条带覆盖下土壤水热动态的田间试验与模型建立摘要：本文描述了夏玉米生长期间麦秸条带覆盖(行间覆盖)条件下土壤水热动态的田间试验.在此基础上，采用交替方向有限差分法建立了模拟苗期条带覆盖下土壤二维水热迁移的数值模型.其中覆盖部分土壤表面的边界条件由能量平衡方程确定.模型的输入只需常规气象资料、土壤水热迁移参数及覆盖参数.数值计算结果表明，该模型具有一定的实用价值.关键词：条带覆盖水热动态模型模拟蒸发条件下土壤表层的水分运动受温度和水势梯度的控制，但传统的描述非饱和土壤中水分运移规律的模型均假定土壤为等温系统，如：Gardner(1959)1、Hanks等(1969)2、Staple(1971)3、任理(1991)4.Philip(1957)从理论上得出，除非在非常低的含水率条件下，否则由温度引起的水分流动相对来说并不重要5，6.然而，Jackson等(1974)的计算表明，在田间条件下，由温度引起的水汽流动在中等土壤含水量时就能显著地表现出来5，7.裸土或作物苗期土壤水分的损失，大部分是穿过表层10cm左右的干土层发生的.日温度大的变化发生在上层15cm的土壤中，它可以影响穿过干燥层的水汽流动(Papendick,1973)8，因此，模拟和分析蒸发条件下的土壤水分动态应同时考虑水和热的传输.Philip与deVries(1957,1958)提出了描述土壤水热耦合迁移的理论9，10，近二十年来，国内外学者对蒸发条件下土壤水热迁移的耦合计算进行了广泛的研究11，12，13，14，15，16，17，18.在二维土壤水热迁移问题的研究方面，Jury和Bellantuoni(1976)发展了一个反映表面铺盖矩形岩块的均匀田间土壤在温度梯度下热流和水汽运动的二维数学模型，结果发现，只有考虑包括温度与热传导关系时，计算值才与实测值有很好的一致性19，20.Chung和Horton(1987)对地面采用部分覆盖下的土壤水热流动进行了数值试验，但没有田间实测资料的检验21.杨邦杰(1989)对土壤不均匀、地表平坦或起伏不平时的二维土壤蒸发过程的数值模型进行了研究22.SuiHongjian和ZengDechao等(1992)用数值模型对不同覆盖下土壤温度和水分动态进行了模拟23.为了探讨行间条带覆盖对夏玉米生长条件下的土壤水热动态的影响，作者在北京通县永乐店试验站进行了田间试验，并本着简捷实用的原则，依据Philip和deVries(1957,1958)提出的土壤水热流动理论和已有的研究成果，以夏玉米生长前期麦秸条带覆盖下的田间试验为背景，建立了土壤二维水热迁移的数值模型.2田间试验2.1试验布置田间玉米行间裸地的麦秸覆盖宽度约30cm(玉米行距为60cm).覆盖量相当于400kg/亩.在试验小区内，沿覆盖层中线、边缘及无覆盖的裸地设3个土壤温度剖面，这3个剖面水平相距分别为15cm和10cm.剖面上测点埋深为5cm、10cm、20cm、30cm、50cm.在覆盖层与土壤交界面处用曲管地温计量测界面处的地表温度，在对照区地表和覆盖层表面采用直管温度计测定温度.用于测量土温的铂热电阻安装前均进行了率定.观测时使用万用表测定铂热电阻值，然后依据分度表及田间校正值拟合的标准曲线换算出相应的土壤温度.中子管埋设在麦秸覆盖层中线，水分动态由标定后的中子仪测量.2.2试验结果分析图1反映了麦秸覆盖层中线下土壤温度随时间的变化过程.图2、图1覆盖层中线下土壤剖面实测温度(1993.7.3-7.4)图2覆盖层边缘下土壤剖面实测温度(1993.7.3-7.4)图3距覆盖层边缘10cm处裸地土壤剖面实测温度(1993.7.3-7.4)图3分别为覆盖层边缘下及距离覆盖层边缘10cm处裸地土壤剖面的温度动态.此时夏玉米为苗期，其遮荫作用很微弱，这样只有覆盖层对太阳辐射具有“屏蔽”作用.由图3可见，在距覆盖层边缘10cm处的玉米幼苗附近，裸地温度随时间的变化幅度明显大于覆盖层中线以下地温的变化幅度(图1).因为裸地土壤较干燥，表面温度可达到42以上，而在覆盖层内的土壤表面，最高温度约为32左右.从图2可见，覆盖层边缘下土壤表层的温度变化幅度明显小于裸地(图3)而大于覆盖层中线下的温度变幅(图1).此外，地温动态的观测表明，随着深度增加，土壤温度变幅减小，增加了相位滞后，这是土壤一个周期温度波的典型传播.图4为条带覆盖、全覆盖与无覆盖土壤表面的温度变化过程图，图示表明，条带覆盖条件下土表温度介于全覆盖和无覆盖之间，它与无覆盖相比，可起到降低表土水分蒸发的作用，但同时又较全覆盖情况下的表土温度高，有利于玉米出苗、生长.图5为条带覆盖、全覆盖与无覆盖条件下玉米最终产量比较图，图示明显可见，条带覆盖的玉米产量最高，说明虽然与全覆盖的覆盖量(400kg/亩)相同，条带覆盖对节水、保墒，促进农业增产更加有效。麦秸覆盖对节水保墒是有效措施，这一点早已被证实，但由于麦秸覆盖会降低土壤温度，对夏玉米前期生长是不利的。条带覆盖仅铺设在作物行间，一方面可以减少行间土面的无效蒸发；另一图4不同处理土壤表面温度图5不同覆盖处理产量方