毕业论文-不同覆盖模式土壤水热耦合运移机制分析-硕士论文

学号：学号： 0610700610701414 20201 11 1 届本科届本科生生毕业论文（设计）毕业论文（设计） 题 目： 不同覆盖模式土壤水热 耦合运移机制分析 学院学院( (系系) )： 资源环境学院资源环境学院 专业年级专业年级： 资源环境科学资源环境科学20200707级级 学生姓名学生姓名： 郑英元郑英元 指导教师指导教师： 赵赵 英英 完成日期：完成日期： 二二O O一一年六月一一年六月 目 录 摘 要: . 1 1.引言 . 3 1.1.研究背景 . 3 1.2.研究进展与展望 . 3 2.材料与方法 . 4 2.1.试验区概况 . 4 2.2.田间试验处理 . 4 2.3.试验数据采集 . 5 3.土壤水热耦合模型 . 6 3.1.HYDRUS 模型的概述 . 6 3.2.土壤水热耦合运移方程 . 7 3.3.初始边界条件的确定 . 8 3.4.土壤水热运移参数的确定 . 8 3.5.HYDRUS 模型数值模拟 . 9 4.结果与讨论 . 10 4.1.土壤容重的测定 . 10 4.2.PR2 的校准 . 11 4.3.土壤水热分析 . 13 4.4.HYDRUS 模型验证 . 16 5.结论 . 17 参考文献 . 18 附 录 . 20 致 谢 . 29 西北农林科技大学 2011 届本科生毕业论文 1 / 29 不同覆盖模式土壤水热耦合运移机制分析 学生：郑英元 指导老师：赵英_副教授 摘 要: 为研究黄土高原旱地不同覆盖栽培模式对土壤水热通量和冬小麦水分利用效率的影响， 同时阐明不同覆盖模式下土壤水热耦合运移机制。设计田间随机分布试验，采用低密覆膜、减氮 追肥、夏闲秸秆和农户 4 个模式种植冬小麦，在 6 个层次（10、20、30、40、60 和 100 cm）土体 剖面使用 PR2 土壤剖面水分速测仪与 HH2 水分测定仪读数表测定土壤土层体积含水量，用地温仪 测定 2 个层次（5 和 10 cm）土壤温度，同时利用农田微气象观测系统观测气象数据（如降雨量、 气温、蒸发量等），最后应用 HYDRUS1D 土壤水热耦合运移数值模型，进行数值模拟和模型验 证。结果表明，在边界条件、气象要素和土壤特性参数的确定下，使用 HYDRUS1D 软件计算出 来的模拟值与实测值趋势一致，但模拟值高估了土壤水分含量。低密覆膜与夏闲秸秆覆盖模式在 夏闲期和生育期能明显增加土壤（0-100 cm）的平均含水量；低密覆膜在冬小麦抽穗期含水量最高， 而夏闲秸秆在夏闲期和发芽期表层土壤含水量最高；低密覆膜对表层（10-20 cm）土壤水分消耗最 多，而减氮追肥土壤（100 cm）含水量最低；低密覆膜与夏闲秸秆覆盖模式在冬季低温时起增温 和夏季高温时起降温的作用。因此，夏闲期秸秆覆盖还田和播种期起垄地膜覆盖与冬小麦生育期 减氮追肥栽培相结合的模式是黄土高原旱作区冬小麦种植最为适宜的覆盖栽培模式。 关键词: 覆盖模式；土壤水热耦合；HYDRUS 模型；旱作塬区；冬小麦 Analyzing of the mechanisms of the coupled soil water and heat flows under different mulching methods Student: Yuan Ying_Zheng Supervisor: Associate professor, Ying_Zhao Abstract This study aims to study the effects of different mulching cultivation/mulching methods water use efficiency of winter wheat in dry land of loess plateau, further to illustrate the mechanisms of the coupled soil water and heat flows. Four modes (farmer, film mulching, reduction of nitrogen input, straw mulching during summer fallow) were used; We measure soil volumetric water content in the soil profile consisting 西北农林科技大学 2011 届本科生毕业论文 2 / 29 of six soil layers （10, 20, 30, 40, 60 and 100 cm）and soil temperature in 5 and 10 cm soil depth, and also to record the meteorological data（such as rainfall, temperature, evaporation, etc.）. Finally, use numerical model HYDRUS-1D to simulate field soil water content at each treatment. The results showed that the film and straw mulching methods can significantly increase the total soil water storage during the summer and the wheat mature period. The mulching method can increase soil temperature during winter and decrease the soil temperature during summer time. Therefore, straw mulching in summer fallow period and film mulching in the growing period couple with reduction of nitrogen fertilizer is the most appropriate method for winter wheat practice in the dry land of loess plateau. Keywords Mulching methods; The coupled soil water and heat; Model HYDRUS; The dry land of Plateau; Winter wheat 不同覆盖模式土壤水热耦合运移机制分析 3 / 29 1.绪论 1.1.研究背景 陕北渭北旱塬区是陕西省重要的粮果生产基地，其主要的粮食作物是冬小麦，且 播种面积大约占陕西省小麦总的播种面积 35% 左右 1。渭北旱塬区内多年平均降水量 500-600 mm，属于半湿润干旱气候，由于该区地下水位深达60 m，因此基本上不具备 补给能力。黄土高原旱地降水稀少，而有限的降水又主要集中在夏季7、8、9月，占全 年降水的60-70%，而冬小麦生育期（于9月下旬到10月初播种，次年6月中下旬收获） 降水不足全年的一半 2。由于，渭北旱塬的雨季主要集中在夏季，但是夏季温度高， 这样就会导致土壤水分无效蒸发非常的强烈，同时雨季的降雨还多以暴雨形式出现， 不仅使得土壤水土流失严重，而且土壤表层水分也不易下渗到土壤深层，从而导致土 壤不能很好地保墒。该地区基本上所有的作物生产主要依靠天然降水,地下水位深，同 时该区也基本上没有任何灌溉设施，加之在作物需水关键期的旱季降水量又是非常的 少，导致土壤水分严重匮乏，导致小麦产量低而不稳 3。因此，如何最大限度收集和 保蓄夏闲期季降水，减少地表水分无效蒸发，发挥出天然降水的最大生产潜力，提高 作物的水分利用效率，是将来旱作农业区的重要研究课题 4。 1.2.研究进展与展望 黄土高原地跨半湿润和半干旱气候区，黄土高原旱作区主要是丘陵沟壑地形，塬 是黄土高原的主体地貌。它以中壤土为主，多为黄绵土和黑垆土，具有结构疏松、透 水、绵软、易耕、性熟等特点，土层深厚、地下水埋藏深，由于气候干旱，降水集中， 水土流失严重，所以黄土高原植被稀少。土壤水分含量、运行状况及分布特性决定植 被生长和重建。影响土壤湿度的主要因子是土壤温度，水热交互作用与土壤含水量的 变化有显著相关关系 5。秸秆和地膜覆盖能抑制土壤水分的蒸散，能改变表土层温度 的响应，在升温阶段对覆盖田有降温作用，在降温阶段有保温保墒作用 6。因此，研 究不同覆盖条件下黄土高原的土壤水热的传输、交换规律及变化特性具有重要意义。 土壤水分的动态受重力、士粒表面的分子引力、毛细孔隙的毛管力、植物吸收压力和 蒸发力等因素的控制。土壤中的水分和热量是相互影响、相互作用的，土壤中温度的 分布和变化通过对水的理化性质的影响而影响到基质势、溶质势以及土壤水动力学参 数，从而引起土壤水的运动 7。土壤水分运动过程中，其运移特性及含水量又反过来 影响土壤热传导参数，从而影响土壤温度。Klute (1952)将 Richards (1931)的等温方程 改进为非等温扩散流方程，被用于测定温差作用下的液体扩散率；Philip-De Vries (1957) 8提出的土壤液、气两相水流在水热梯度共同作用下的运动模型，更能符合实 际；Milly (1984) 9对 Philip-De Vries (1957)的模型采用基质势梯度代替含水量梯度， 不同覆盖模式土壤水热耦合运移机制分析 4 / 29 使修正后的模型适用于非均质土壤,并可忽略水分滞后现象的影响；Cassel 10的测试结 果显示，Philip-De Vries的理论能较好地预测土壤水的运动，特别是在含水量较小的砂 壤土中，水通量的计算值和实测值基本吻合。非饱和土壤中水热运动规律可以用水热 耦合的基本方程、水热耦合运动方程以及扩展的水热耦合运动方程来模拟，Shao 11等 利用变量代换和 Fourier 变换得到了特殊的初始和边界条件下水热耦合运移方程的解析 解。 2.材料与方法 2.1.试验区概况 试验地位于西北黄土高原丘陵沟壑区，陕西省长武县十里铺村。该地海拔 1200 m， 年均降水量 580 mm，降水主要集中在 7、8、9三个月，占全年降水量的 60-70% 以上， 年均蒸发量 1500 mm，平均气温 9.1，无霜期 172d 12。该区属于典型的黄土高原旱 塬区，地下水位深达 60 m，试验地地势平坦，土壤类型均为熟化黄绵土，土壤团粒细， 保墒性能好,质地均匀，疏松多孔。 2.2.田间试验处理 田间试验设 4 个处理，即低密覆膜、 减氮追肥、夏闲秸秆、农户，重复 3 次；测 定土体剖面 6 个层次（10、20、30、40、60和 100 cm）的含水量，其中低密覆膜分为 垄上和垄沟 2个位置。田间布局采用完全随机区组设计，小区面积 6 m 22 m。供试冬 小麦品种为当地主栽品种长武 521，播种量为 150 kg/hm2，行距 20 cm，2010 年 9月 23 日播种，2011 年 6 月 22 日收获，肥料播前一次施入，期间不进行任何灌溉，播种 和收获均采用机械操作。 表 1 试验处理 处理组 低密覆膜 垄沟 垄作 减氮追肥 夏闲秸秆 农户 位置编号 AFL BGM CIK EHN DJO 注：夏闲秸秆为夏闲期覆盖小麦秸秆，播种期去除秸秆覆盖。 对照组为农户是当地农民的习惯性耕作。 低密覆膜采用播前起垄，垄上覆膜，垄作，垄宽35 cm，垄间沟宽30 cm。 减氮追肥、夏闲秸秆、农户皆采用常规平作，行宽15 cm，耕深均为40 cm。 不同覆盖模式土壤水热耦合运移机制分析 5 / 29 图 1 田间小区布局 注：各个处理的土壤含水量采集处埋设100cm深的塑料管用于 PR2。 在处理区组均埋设地温仪，自西向东埋设深度依次为5cm、10cm。 低密覆膜处理的膜上和沟内均埋设地温仪。 地温仪每隔1小时自动连续的记录地温数据。 2.3.试验数据采集 本试验采用 Delta-T Devices 公司的 PR2 Profile Probe Systems 和 Moisture Meter HH2 读数表测定土壤剖面不同深度的土壤体积含水量，利用地温仪测定土壤温度，使 用环刀法测定土壤容重，并结合长武试验站观测的气象数据，利用 HYDRUS-1D 模型 模拟不同覆盖模式条件下土壤水热耦合运移特征，验证水热耦合模型的过程与实际观 测值的吻合关系，并使用 HYDRUS 模型预测土壤含水量，评估不同覆盖模式的土壤水 热运移机制。 1）PR2 探头的工作原理是使用先进的 FDR 技术，在一根探杆上同时分布 6 个土 壤水分探头，分布于 10 cm、20 cm、 30 cm、40 cm、60 cm、100 cm，实现同一地点 不同深度的土壤剖面含水量测试。PR2 探头是测量土壤水势的，它是一个几十毫米直 径圆锥棒杆，是一个电子传感器，通过插入到土壤中发射电磁波来测出土壤中的水势。 PR2 与 HH2 表连接起来就可以读出其测出的数据，但它是以电压值显示的，参照土壤 水势标定方程来转换数据，从而得出我们所需的水势值。因此在数据转换前，需要先 对其进行校定；在每一位置点上采取测量三次，然后求其平均值。每测完一次后，就 顺时针的旋转螺纹钉 120 ，重复测定 3 次，并确保 PR2 探头与数据线连接完好，测量 数据以电压值（mV）表示。 2）HH2 水分读数表可通过 Theta Probe PR2 Delta-T水分探测器采集和存贮数据， 可提供毫伏读数（mV）、土壤水分含量（cm3/cm3）、土壤含水量百分比（%）的值 不同覆盖模式土壤水热耦合运移机制分析 6 / 29 来测量读数，读数以时间和日期的形式来存贮，以便于数据可从 PC 上观察。HH2水 分读数表可向传感器输入一电压信号，并测量一输出的电压信号。这以 mV 的形式来 显示，取决于传感器和信息的类型。手持式表使用一定的转换曲线和土壤参数将 mV 读数转换为土壤湿度。数据转换读数也安装于 Theta Probes，并可测量有机质和矿物质 土壤。为了测量的精确性，你可以输入你的土壤类型参数，但是这些必须在实验室来 测定。在存贮读数以前，需输输入区域号、样品号、仪器号、日期和时间。按 ESC 键 启动读数表，按 Set 键，进行主要的 Options 选项，设置 Device 为 PR2，选择土壤类 型 Soil Type 为 mineral 矿质土壤， 时钟 Clock 和日期 Date and Time 以测定时的时间为 准，在采集数据以前选定数据组序号 ID 从小区测量点 A-O 的每一个字母中选择，样 品序号是1到2000之间的任一序号，其他都是默认值，按 set 保存，按 Esc 回到开始屏 幕按 Read读数，按 Store 则可存贮各 Reading。使用 HH2 Read 软件则可从 HH2读数表 中下载数据，读数以 .CSV 文件的形式保存在 PC 的文件上，此文件可调入 Excel 软件。 连接 PC 与 HH2，选择 Setting- Com端口，HH2将显示Connecting to PC，按 Version 测试连接是否成功，选择 Retrieve按钮保存数据到 PC。存贮在 HH2中的读数被成功的 上载入 PC 后，则可在 HH2的开始选项中按 Set，找到 Data 选项按 set，选定 Erase，选 择 YES并按 set，删除 HH2表中的数据。 3.土壤水热耦合模型 3.1.HYDRUS 模型的概述 HYDRUS 模型是由美国国家盐土中心、美国农业部和农业研究中心共同研发和推 广，国际地下水模型中心公布的，计算包气带水分、盐分运移规律的软件，用它可以 解算在不同边界条件制约下的数学模型。从 1991 年 Kool Huang 和 M.Th. Van Genuchten 教授将 HYDRUS 模型研制出来以后，HYDRUS 模型便被大力推广到实际生 产当中。Nofziger et al. (1994) 13对影响数值模型模拟实际问题的一些不确定输入输出 参数进行了分析，推进了 HYDRUS 数值模型的应用发展。Simunek 和 Van Genuchten （1997）14利用 HYDRUS-2D 数值模型分析非饱和土壤的水力特性参数，将累积入渗 率和实测土壤含水率结合起来反求未知参数，取得了较好的效果。Majdoub et al. (2000) 运用 HYDRUS 软件基于理查兹方程研究了非稳定土壤水运动中水流和排水的运动问 题。Hendrickx 和 Borchers (2000) 15用 HYDRUS 模型模拟了裸地周边土壤水分和热量 的非稳定流运动。此后，HYDRUS 模型被大量运用于科研实践当中。 HYDRUS 模型从 20 世纪末开始在我国有所应用。2000 年，内蒙古农业大学的王 丽萍 16在对盐化土冻融循环中不冻水分、热、溶质特征的研究及模拟中，发现冻融过 程对盐化土中水、热、溶质的分配和运移过程起着非常关键的作用；该研究结合电磁 不同覆盖模式土壤水热耦合运移机制分析 7 / 29 波理论和土壤结构模型，得出了田间不冻水分量的推求方法，并用 HYDRUS-1D 软件 求解成功。2002年，中国农业大学资源与环境学院的曹巧红 17，研究各种天气模式下 农田水分渗漏和氮淋失特征时，采用 HYDRUS-1D 模型软件验证了土壤水氮联合模型 的合理性。2002 年，中国农业科学院研究生院农业气象研究所的张建君 18用 HYDRUS-2D 软件模拟了滴灌施肥灌溉条件下水分和氮素在土壤中的运移过程，并将 模拟结果与试验结果进行了对比；结果表明，HYDRUS-2D 模型可以较好地描述地表 滴灌点源的土壤水分运动。2003 年，中国农业大学士壤和水科学系的龚元石 19又将 HYDRUS-1D 用于模拟冬小麦农田水分氮素运移转化过程，并制定了优化水肥管理措 施。 3.2.土壤水热耦合运移方程 1）HYDRUS1D 数值模型对土壤水分的动态模拟采用 Richards 方程。水流方程 采用 Galerkin 线性有限单元法求解。特别的，HYDRUS 模型在理查兹 Richards 方程的 基础上考虑了根系的吸水作用，并采用 Feddes 模型对其进行计算 20。在忽略土壤水 平和侧向水流运动，仅考虑一维垂向运移时，土壤水分运动属于一维水流运动问题， 假设试验土壤为均质、各向同性的刚性多孔介质，不考虑气相和温度梯度对水流运动 的影响，以含水量为因变量的一维垂直入渗问题的 Richards方程可描述为： （1） 式中：土壤体积含水率；z土壤深度；t时间；h负压水头；S植物根系吸水量，对 裸露区为 0。 2）土壤中的水分和热量是相互影响、相互作用的，非饱和土壤中水热运动规律可 以用水热耦合的基本方程、水热耦合运动方程以及扩展的水热耦合运动方程来模拟 21。 当不考虑土壤参数的空间变异性时，土壤中的水流运动和热量传导仅发生在垂直方向 上。作物地的土壤一维非饱和水流运动方程是在裸露土壤的非恒温模型的一维非饱和 水流运动方程增加根系吸水函数项 22，故冬小麦地的水热耦合运移模型为： （2） 式中：D（）为土壤扩散率； D （）为土壤水汽扩散率；v 为土壤中水汽密度；K（）为 土壤非饱和导水率。 又有土壤为三相体，各组成物质的热特性参数不一样；当土壤含水率 改变时， 土壤的容积热容量 Cv 和热导率 K（T）也随之改变。土壤中非稳态热流方程为： 不同覆盖模式土壤水热耦合运移机制分析 8 / 29 （3） 式中：Cv 为土壤容积热容量；K（T）为土壤的热导率；L 为水的汽化潜热； 为土壤的基质 势；T 为土壤温度。 3.3.初始边界条件的确定 土壤-作物-大气之间的交界是上边界，上边界起伏不平。计算区域左右两侧对称， 计算区域两侧可以假定无水热交换 23。其初始条件为： （4） 上边界条件为： （5） 式中：R（t）为降水量；E（t）为蒸发量；G（t）为土壤热通量。 由于本试验地的地下水埋深较大，可以假定下边界在一定深度 z 处含水率及温度 恒定 24。于是下边界条件为： （6） 3.4.土壤水热运移参数的确定 1）土壤水分特征曲线 土壤水分特征曲线是表示土壤水吸力随土壤含水量变化的关系曲线。用压力膜仪 测定不同区不同深度的负压值，同时用烘干法测定不同压力条件下的土壤含水量，利 用所测得土壤含水量与负压值作出土壤水分特征曲线图。 2）土壤导水率 K（） 土壤导水率是表征土壤导水性能的重要参数，利用德国生产的土壤非饱和导水率 测定系统求得非饱和导水率的函数。 不同覆盖模式土壤水热耦合运移机制分析 9 / 29 3）土壤容积热容量 Cv 忽略空气对土壤水分和热量影响，根据 DeVries(1963) 25的土壤体积热容量公式。 （7） 式中：s土壤饱和含水率，土壤容积含水率。 4）土壤导热率 K（T） 土壤中的热的传导过程是通过空隙中空气或水分和固相之间接触点直接传导。 Camillo 26指出，土壤导热率可用土壤各组成部分导热率的加权平均值来计算。 5）根系吸水量 S 根系吸水量表示由根系吸水在单位时间内从单位体积土壤中流失的水分体积，在 HYDRUS1D 模型软件中采用 Feddes 方程计算 27，即： （8） 式中：水分胁迫反应方程，大小取决于根区土壤水负压值 h；根系吸水分布函数， 描述 根系吸水的空间变异；Tp作物潜在蒸腾率。 3.5.HYDRUS 模型数值模拟 本文利用 HYDRUS模型软件 H1D.4版本对试验地非均质水分运移规律进行模拟。 模型运行期为 2009 年 8 月 1 日至 2010 年 07 月 31 日，共 365 天。选择修改后的 Richards 方程作为模型计算的方程；上边界为变化的降雨和蒸发逐日数据，下边界为自 由排水条件；初始条件以 0 输入模型进行计算；输出气象站的土壤表层温度和 1 米处 温度数据。 第一步：软件可以进行计算的模块包括水分运移模块、溶质运移模块、热传导模 块、植物根系吸收水分模块以及植物根系生长模块等，本次模拟只对水分运移规律进 行模拟，故选择水分运移边界条件。 第二步：选定时间信息，计算时间 0至 365，设置 365个变量，边界条件随时间变 化记录的最小间隔为 1天。 第三步：要求输出每月最后一天的计算结果，统计共有 12天的计算结果。 第四步：迭代误差限的选择以模型默认的为主，如果软件在运行的过程中出现计 算不收敛的情况，可以通过适当调整误差限来达到计算收敛的目的。 第五步：土壤水力模型计算中不考虑水分运移滞后现象。 第六步：水分运移参数，土壤类型为沙壤土。 不同覆盖模式土壤水热耦合运移机制分析 10 / 29 第七步：水分运移边界条件模块上边界条件选定表层的大气边界，下边界选择深 部排水，初始条件选择以含水量为变量。 第八步：热运移参数和热运移边界条件都为默认值。 第九步：非稳定边界模块处输入从气象表里取出 2009年 8 月 1日至 2010年 07 月 31 日的降雨和蒸发逐日数据。然后根据冬小麦的不同生育期将蒸发分成土壤蒸发和植 被蒸腾。输入土壤表层温度和 1米处温度数据，如下， 图 2 温度变量土壤水分边界条件数据输入 第十步：数据输入完后，软件运行的准备工作设置就绪，点击 OK运行计算。 图 3 HYDRUS软件模拟的随时间变化的土壤含水量 4.结果与讨论 4.1.土壤容重的测定 在小麦的出苗期用100 cm3环刀采集表层土壤样品，每个小区选择三个不同点取样。 在采样前称得干燥的(环刀重) g，并贴上标签；在取土后，称得勿动土(鲜土重+环刀重) g；将称重后的鲜土与环刀放在105 烘箱中干燥24 小时至恒重，在干燥器内冷却后， 称得（干土重+环刀重) g。所测数据根据以下计算式求出土壤水分含量和土壤容重。 不同覆盖模式土壤水热耦合运移机制分析 11 / 29 表 2 试验地出苗期土壤容重和含水量 土壤容重 b(g/cm3) 土壤质量含水量 m 土壤容积含水量 v 平均值 1.29 15.02 19.50 标准差 0.09 1.51 2.91 试验测得的表层土壤容重 1.29g/cm3介于农业土壤容重（1.1-1.4 g/cm3）之间，且 标准差 0.09很小，符合条件要求。 4.2.PR2 的校准 PR2 校准使用的仪器主要由两部分组成，探测设备（ML2x 土壤湿度传感器）和 读取设备（HH2 土壤湿度表）。通过 ML2x 测量土壤中的介电常数，并以电压的形式 进行反馈，由 HH2 通过土壤介电常数与土壤体积含水量的对应关系将电压信号转换成 相应的土壤体积含水量。 土壤含水量 与 PR2介电常数的关系 PR2探头介电性能近似方程 图 4 PR2 校准的原理 （9） （10） 由方程（9）和（10）联解得土壤含水量与 PR2探头电压的方程式为： （11） 不同覆盖模式土壤水热耦合运移机制分析 12 / 29 图 5 PR2 校准方程中的 a0、a1值的确定 ML2x介电性能方程： （12） 由图 5 测定的烘干土壤中 V = V0 =0.1139 V，带入图 4 公式（12）则有 0 1.7229；又有烘干土壤含水量 0=0，带入公式（9）则有， 00 1.7229a。 在鲜土样中土壤含水量 0 0.2105 w w s WW L ，带入公式（12）则，2.1776 w ；由 公式（9）变换得， 0 1 8.2424 w w a a 。 由 - T 设备公司提供的 PR2 用户手册参考数据，对于大部分土壤的特性一般矿 质土壤 PR2 方程有 a0=1.6、a1=8.4，则 ML2x 测定的 a0=1.7229、a1=8.2424 是比较精准 的。又由烘干法测定的土壤体积含水量 v=19.50%30%，故 PR2 校准后的方程为： （13） 土壤体积 Ls=800mL 鲜土重+烧杯重 Ww =1209.4 g ML2x 电压值 Vw =0.5559 V 105烘箱中 48 h， 直至完全干燥 干土重+烧杯重 W0=1040.9 g ML2x 电压值 V0=0.1139 V 不同覆盖模式土壤水热耦合运移机制分析 13 / 29 4.3.土壤水热分析 利用 PR2 方程公式（13）将 PR2-HH2数据（mV）转换为土壤体积含水量（%）。 试验数据采用 EXCEL 软件进行换算、均值、方差处理，分析试验地区的降雨量与蒸 发量之差和土壤中的贮水量，及不同处理间和不同剖面土层的土壤含水量和土壤温度 之间的显著性分析，分析不同覆盖模式下土壤水分和热量运移情况及土壤水热在运移 过程中的相互影响情况和土壤水热耦合运移的机制。 图 6 2009年 8月 1 日-2010年 7月 30日的全年降雨量与蒸发量 从图中可知，冬小麦生长期前后总降水量和总蒸发量分别为 504.7 mm 和 765.1 mm，降水主要集中在（7、8 月），占整个生长季的 52.6%，是生长期内土壤水分的 补偿和恢复的主要时期。而春季一般是试验区降雨量最少最干旱的季节，3 月至 6 月 的降雨量和蒸发量分别为 118.0 mm、363.4 mm 占全年总降雨和蒸发量的 23.4%、 47.5%，为全年土壤水分缺乏最严重的时期。夏季休闲期（6 月至 9 月）降水量和蒸发 量分别为 347.9 mm、346.7 mm，可见为土壤水分补偿和恢复的关键时期。对于旱塬地 区来说，夏季休闲期贮存的土壤水分对于冬小麦作物的生长至关重要。 从图中还可以看出，水分年变化大体分为 3 个阶段：（1）春夏作物快速生长失墒 期（3 月下旬至 5 月下旬），此阶段为冬小麦拔节开花灌浆期，降水量不多，而蒸 发较大，故土壤水分迅速下降；（2）夏秋雨季增墒期（6 月至 10 月中旬），该时期 为旱塬区雨季，土壤水分开始补充和累积，一般这一时期末土壤水分贮存量都会达到 本季度最高值；（3）冬春稳墒期（10 月下旬至翌年 3 月上旬），冬季气温较低，降 水虽减少，但土壤封冻，蒸发量小，土壤水分较为稳定，春季解冻后，3 月份冬小麦 返青分蘖期耗水较少，因此土壤墒情仍较稳定。 不同覆盖模式土壤水热耦合运移机制分析 14 / 29 图 8 2009 年 8月至 2010年 7月的月平均气温 图 9 不同处理冬小麦生育期不同土层平均地温 从图中可以明显看出，在冬小麦的生育期内所有处理的土壤温度的变化趋势与试 验地的气温变化一致，对 5 cm 处地温的影响较大，并且 10 cm 处地温比 5 cm 处地温 始终要高。不同覆盖栽培模式在冬小麦不同生育期间内对 10 cm 处的温度影响差异性 很小，主要对 5 cm处表层温度的影响呈显著性差异，这主要是由于土壤表层与大气的 热交换最为剧烈所致。从上图也可看出在冬小麦的整个生育期内低密覆盖模式的土壤 温度都是最高的，说明地膜覆盖具有很好的保温效果。在冬小麦播种期，夏闲秸秆覆 盖模式的地温不是很大，这可能与试验地九月中旬的气温很高，夏闲秸秆起到了降温 作用；在冬小麦越冬期的夏闲秸秆模式的地温最低，这说明夏闲秸秆这时并不起保温 作用。在冬小麦出苗期，低密覆盖处理的表层地温最高，农户的地温最低，这可能是 不同覆盖模式土壤水热耦合运移机制分析 15 / 29 试验地的大气温度开始下降，地膜覆盖将表层地温与外界隔离，起到了保温作用，而 农户的冬小麦长势不好，对地面的覆盖面很小，土壤表层与大气热交换量大。减氮追 肥处理的冬小麦返青期前的耕层地温要高于返青期后期，然而低密覆膜处理的耕层地 温在整个返青期都要高于夏闲秸秆处理，这可能是在前期由于氮肥减少，冬小麦生长 缓慢，与大气热交换多，地温较高，到了返青后期的追肥使得冬小麦生长较快，地面 覆盖密度大，热交换少，升温较慢造成的。在冬小麦拔节期以后，农户的地温上升的 最快，低密覆盖模式的地温都比农户处理低，这主要是大气温度上升，农户处理没有 薄膜，反应快，容易上升，低密覆盖处理下的冬小麦生长较快和地面覆膜，地表裸露 部分少，因而越到后期其耕层增温速度就越慢。秸秆覆盖和地膜覆盖均能改善土壤理 化性质，但秸秆覆盖降低了土壤表层温度，尤其地膜覆盖在冬小麦返青后期土壤耕层 温度回升较滞后，影响了冬小麦的正常生长发育。 图 10 不同处理冬小麦生育期不同土层平均含水量 从上图的土壤含水量的动态变化情况可得，在冬小麦不同生育期内不同覆盖栽培 模式对黄土高原旱作地（0-100 cm）剖面不同土层的土壤含水量影响差异性很大。所 有处理的土壤含水量在冬小麦的出苗期和返青期比较大，随土壤深度增加，土壤含水 量增大，这可能是由于试验地的降雨量主要在夏末至秋季补偿水多，冬季冰雪降低了 蒸发和冰雪融化补水；而在冬小麦抽穗期土壤含水量开始下降，这可能与冬小麦生长 旺盛需水量增大有关。在播前夏闲期秸秆覆盖比没有覆盖的农户贮水量大，而在冬小 麦后期的土壤含水量也很大，这与夏闲期试验地降雨量和蒸发两之间的差值有关，两 者差值越大表现的越明显，夏闲期秸秆覆盖抑制了土壤水分无效蒸发，秸秆覆盖还可 以改变作物利用水分的时间，减少水分在苗期时消耗，而在作物需水关键时期提供大 量的水分供作物的生长发育需要。在冬小麦收获期的土壤含水量是最低的，这可能是 不同覆盖模式土壤水热耦合运移机制分析 16 / 29 由于冬小麦的整个生育期对土壤贮蓄的大部分水分吸收利用了，而降雨补水又很少造 成的，而低密覆盖模式的土壤含水量都比其他高，这可能是地膜覆盖提高了作物生长 前期的土壤表层温度，加速了作物生长，导致养分和水分资源前期大量被消耗，致使 后期供应不足，而后期地温的回升又很慢，这种更低的耕层地温可能降低了冬小麦生 长需水关键期水分的无效蒸散。 由于土壤贮水量与土壤体积含水量之间存在正相关，则从上面土壤含水量动态变 化图中还可以得出，不同覆盖栽培模式对黄土高原旱作地冬小麦在不同生育时期对土 体不同土层的水分利用情况。低密覆膜和夏闲秸秆模式在冬小麦出苗期至拔节期的土 壤含水量主要表现在(60-100 cm)，这可能是夏闲秸秆在主要降雨期深层蓄水大，低密 覆膜模式阻止冬前小麦生长或由于采用覆膜保水技术减少了地表水分蒸发，从而增加 了土壤贮水。所有处理的(10-30cm)土壤含水量最低，这可能跟冬小麦的根系生长有关， 在冬小麦生长初期根系不发达，主要利用表层土壤水分，随着冬小麦根系的生长对深 层土壤含水量消耗增加。减氮追肥模式(0-30 cm)土壤含水量亦较农户模式提高，这表 明农户的炮轰式施肥模式基肥施用了较多的氮肥，促进小麦冬前生长旺盛，较旺的长 势消耗了较多的土壤水分，因此在抽穗期土壤水分储存缺乏。对冬小麦生育期土壤 (0-100 cm)各层次含水量差值分析看出，各处理土壤总贮水较播前下降程度存在较大差 异。越是到冬小麦生长后期减氮追肥模式的土壤贮水消耗却深达 100 cm，说明氮肥全 部基施不利于冬小麦根系生长或下扎，难以利用深层的土壤水分。低密覆膜模式的 10 cm 处土壤水分的减少量均最高，而 60 cm 的水分变化量明显较减少，垄上覆膜处 理，则会将较小的雨水集聚形成较大的雨水流到膜的两侧的垄沟里，供冬小麦生长利 用，说明起垄覆膜主要促进冬小麦对上层土壤水分的吸收和利用，其原因可能是起垄 覆膜提高了土壤表层的温度，适宜的土壤温度可以促进作物根系健康生长，从而增加 了对上层土壤水分的消耗。 综上所述，在降雨量一定的情况下，减少地表土壤水分的蒸发，能提高土壤的贮 水量，供给冬小麦生长发育，同时促进冬小麦根系的生长，可以充分提高冬小麦对土 壤水分的吸收利用。则夏闲期秸秆还田覆盖可以保蓄大量的降雨量与播种时起垄覆膜 减少地表蒸发在冬小麦整个生育期起到双重保墒的效果，覆膜垄作可以提高地温促进 冬小麦的须根系发育利用表层土壤水分和减氮追肥模式促进冬小麦的直根系生长充分 利用土壤的深层贮水。 4.4.HYDRUS 模型验证 运行 HYDRUS-1D 软件，设定 HYDRUS 土壤水热运移的边界条件，输入2009年8 月1日至2010年7月31日的降雨量、土壤蒸发量、植被蒸腾量、表层土壤温度和100 cm 不同覆盖模式土壤水热耦合运移机制分析 17 / 29 深处的土壤温度，进行(0-100 cm)土体的土壤水热耦合运移数值模拟，将输出的模拟值 与2009年8月1日至2010年7月31日实际测定的(0-100 cm)土壤含水量值进行作图比较。 图 11 2009年至 2010 年农户土壤（0-100cm）平均含水量模拟值与实测值 由上图可以看出，运用 HYDRUS-1D 土壤水热耦合运移模型计算出的土壤含水量 模拟值与实测值在时间趋势上基本吻合， 说明该水热运移耦合模型是可用的。 HYDRUS 模拟值的时间趋势规律性很强，而实测值在日时间的变化性很大，全年内土 壤含水量的模拟值都比实测值大，这可能是本文中确定的模型边界条件不准确造成的。 土壤下边界条件的确定跟地下水埋藏深度和土壤水的运动情况有关，上边界跟大气边 界和植被本身情况有关。需要确定的边界参数和土壤特性参数的初值很多，可以通过 试验室和田间试验测定结果来给出，但最终参数的确定需要通过对模型的识别与验证 才能确定。在干旱与半干旱地区，温度梯度对土壤水分运动有较大的影响。同时，滞 后现象也对土壤水运动也有影响，但是在 HYDRUS 模型中并未对其加以考虑，认为滞 后作用对水流运动没有特别的影响，这就影响了模拟结果的精确性。 5.结论 本文通过在黄土高原长武旱地冬小麦试验测定值发现，试验地降雨量主要集中在 夏闲期，冬小麦越冬期温度达零下五度，在播前夏闲期秸秆覆盖比没有覆盖的农土壤 户含水量大，冬小麦生育期低密覆盖模式的土壤含水量比农户高。实验表明，夏闲秸 秆栽培模式能最大限度收集和保蓄夏闲期季降水和减少地表水分无效蒸发，明显增加 土壤中储水量。低密覆膜模式能够通过阻碍土壤中的水汽与空气的对流交换，增加土 壤水分含量和土壤温度，促进冬小麦对表层土壤水分的利用和提高冬小麦越冬期的土 壤温度。因此，冬小麦收获后夏季休闲期秸秆覆盖-冬小麦播种期起垄低密地膜覆盖模 式是黄土高原旱作区冬小麦最为适宜的种植模式，是适合旱地作物生产的栽培措施， 符合高产高效的栽培目标和旱地农业可持续发展的方向。 不同覆盖模式土壤水热耦合运移机制分析 18 / 29 参考文献 1 廖允成,郑锦娟,温晓霞,韩思明. 渭北塬区旱地小麦高产高效栽培模式探讨J. 麦类作物学 报,1999,(6). 2 陈辉林. 地表覆盖对渭北旱塬冬小麦水肥利用及产量的影响S. 中国知网优秀硕士毕业论文库， 农业科技辑，2010 年 11期. 3 张晓伟,沈冰,宋孝玉等. 水土保持综合治理效益评价研究 A. 第七届全国泥沙基本理论研究学术 讨论会论文集，2008 . 4 康绍忠，李永杰.21 世纪我国节水农业发展趋势及其对策J. 农业工程学报 1997 年 第 4 期 5 邓振镛,张强,王强,王润元,王劲松,王鹤龄,徐金强. 黄土高原旱作区土壤贮水力和农田耗水量对冬 小麦水分利用率的影响J. 生态学报,2010,(14). 6 张少良,张兴义,于同艳,隋跃宇,刘晓冰. 秸秆覆盖对农田黑土春季地温的影响J. 干旱区资源与环 境,2010,(6). 7 叶乐安,刘春平,邵明安. 土壤水、热和溶质耦合运移研究进展J. 湖南师范大学自然科学学 报,2002,(2). 8 韩晓非,柳云龙,吕军,俞立中. 土壤水热耦合运移数值模型研究进展 J. 土壤通报,2001,(4). 9 JR Philip and DA de Vries. 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