不同犁底层深度土壤水热运移过程试验与模拟

魏建涛，张建新，范文波*，许忠宇，董倩倩，李长晓，王雅琴

(1 石河子大学水利建筑工程学院/现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832003；2 新疆农垦科学院，新疆 石河子 832000；3 石河子大学理学院，新疆 石河子 832003)

目前，新疆农业生产中大面积采用膜下滴灌技术，2018年已经突破300万hm2，其具有增温、保墒等功能[1-2]。农业生产已形成完整的耕作模式，耕作方式与传统的深耕模式相比发生了很大的改变，土壤耕作层变浅，犁底层上移[3-4]。根据《兵团灌区发展与节水灌溉总结评估》项目调查结果，通常翻耕深度南疆为30～40 cm，北疆为30 cm。

土壤水、热条件是影响作物生长的重要因素，掌握土壤水、热变化规律，及时调节和改善土壤水、热环境是促进作物优质高产的一个重要手段[5]。在土壤剖面中，犁底层具有土壤颗粒排列紧密、容重大等特点，覆盖地膜后土壤剖面由地膜覆盖-耕作层-犁底层-心土层组成。针对自然条件下土壤剖面多呈层状结构的特点，胡灿等[6]研究结果表明层状土壤水分入渗特性不同于均质土，YANFUL E K等[7]研究发现表层覆盖砂性土壤可以减小水分蒸发，李韵珠等[8]研究发现当轻黏土夹层层位较高时蒸发速率大于均质壤土以及层位较低的夹黏土层土壤。

HYDRUS模型在水、热及溶质运移的数值模拟上应用较广。XU L G等[9]采用HYDRUS模型研究水盐运移的动态变化规律，并进行室内土柱栽培试验，研究结果表明模型具有较好的模拟效果；SIYAL A A等[10]利用HYDRUS软件模拟了不同水压条件下渗灌区土壤的湿润状况，模拟效果较为理想。本文以新疆地区膜下滴灌为背景，通过试验与模拟相结合的方法，旨在明确犁底层对土壤水热运移的影响规律，为新疆地区农业生产可持续发展提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

土柱试验于2019年10月在石河子大学水利建筑工程学院水利与土木工程实验中心进行(44°18′25″N，86°03′27″E)，土柱规格(外径×内径×高)为21.6 cm×21 cm×65 cm；供试土壤为砂质壤土，其基本物理特性见表1；试验设置2个犁底层深度来验证模型的准确性，分别为无犁底层(CK)、距土壤表面30 cm(PB30)。

表1 试验用土基本物理特性

根据前期在试验站大田里测得的容重设置装填容重，耕作层容重设为1.35 g/cm3，犁底层容重设为1.65 g/cm3，心土层容重设为1.45 g/cm3，共计2个处理，每个处理重复3次，共计6个土柱，同时进行试验，结果取平均值。试验前先将土壤风干并过2 mm筛以去除杂质并搅拌混合均匀，按照设计容重分层(5 cm)装填，各层表面用刷子刷毛以保证层与层之间接触良好，土柱装填总高度为60 cm，土柱装填示意图如图1所示，装土表面用薄膜覆盖，采用输液袋的方式进行滴灌，滴头固定在土柱表面中心位置，滴头流量为1.0 L/h，总滴水量为3.0 L。

图1 试验土柱示意图

1.2 测定项目与方法

在距土壤表面10、20、30、40、50 cm处埋设探头(美国，Decagon)，监测不同深度土壤含水率和温度，用EM50采集数据，采集频率为3 h/次。土柱装填完后静置15 h开始连续滴灌，滴灌结束后经过水分再分布24 h，开始用275 W红外线灯模拟稳定蒸发，调整其与土柱表面的垂直距离，用SANWA OPM36 M激光功率计测土壤表面功率，使每个土柱表面的热功率稳定在50 mW。每日蒸发10 h，持续10 d。试验期间不进行通风，室温在23～25 ℃、湿度在36%～45%之间，土柱内各土层的初始含水率为(0.125±0.030)cm3/cm3，初始温度为(17±0.2)℃。

2 数学模型建立

2.1 基本方程

2.1.1 水分运动方程

本文采用修正的Richards方程描述土体水分运移，计算公式为

(1)

式(1)中，θ为土体体积含水量，cm3/cm3；t为时间，h；z为空间坐标，取向上为正，cm；K为非饱和水力传导系数，cm/h；h为基质势，cm；S为植物根系吸水量，本研究取该值为0。

2.1.2 热量传输运动方程

在只考虑液态水运动对土体热量传输的影响时，本文采用的基本方程为：

(2)

C(θ)=Cnβn+Cωβω+Caav，

(3)

式中C(θ)为多孔介质比热容，J/(cm3·℃)；Cn为固相比热容，J/(cm3·℃)；Cω为液相比热容，J/(cm3·℃)；Ca为气体比热容，J/(cm3·℃)；λ为土体导热率，cm2/s；qi为水分通量，g/s。

2.2 初始条件与边界条件

模型的初始条件均为土柱试验的实际观测值。灌水过程中，水流边界条件上边界为常压，灌水结束后上、下边界均为零通量边界；温度边界均为温度边界条件。

2.3 模型模拟

本文取60 cm土体作为模拟剖面，模型模拟土壤深度为0～60 cm，按0.5 cm等间隔剖分成120个单元。模拟犁底层深度分别为0、20、30、40、50 cm。模型采用变时间步长剖分方式，步长为h，入渗模拟总时间为24 h，蒸发模拟总时间为240 h。设定最小时间和最大时间的步长分别为0.000 24 h和2 h。

2.4 模型参数

2.4.1 土壤物理参数

选取应用较广泛的Van-Genuchten-Mualem模型，并进一步分析V-G模型拟合参数，表达式如下：

(4)

(5)

式中θr为土壤剩余体积含水率，cm3/cm3；Ks为土壤饱和导水率，cm/d；θs为土壤饱和体积含水率，cm3/cm3；n、m、α均为经验参数；l为孔隙关联度参数，通常取0.5。

采用颗粒分析法测定土壤粒径组成，采用压力膜仪法测定土壤水分特征曲线，由Rosetta模型初值给定参数值，然后通过土柱试验实测数据进行参数拟合，确定主要特征参数值，调整后Van-Genuchten-Mualem公式中各个土壤水力参数值见表2。

表2 土壤特征参数

2.4.2 土壤温度运移模拟参数

利用HYDRUS-1D软件的Rosetta Lite.v.1.1获得土壤热特性参数，率定后的模型热特性参数见表3。

表3 土壤热特性参数

2.5 模型验证与评价

由于土柱表层10 cm与底层50 cm深度含水率与温度受实际外界因素影响较明显，边界情况与实际边界情况存在差异，若此时模拟值与实测值匹配良好，则可以更好反映模型的合理性,所以采用每个土柱10 cm与50 cm深度土壤含水率与温度的实测数据对模型进行验证,并利用RMSE法对实测值与模拟值的精度进行定量分析[11]，计算公式为

(6)

式(6)中xi为实测值，yi为模拟值，n为样本数。

图2 入渗阶段含水率模拟值与实测值对比

图3 蒸发阶段含水率模拟值与实测值对比

图4 蒸发阶段温度模拟值与实测值对比

由表4和表5可知：各个阶段含水率、温度的模拟值与实测值的RMSE值均较小，在0.005～0.020之间，R2较大，在0.90以上，拟合效果较好，说明各个阶段的含水率、温度的模拟值与实测值差异不大，参数较可靠。

表4 实测值与模拟值的RMSE值

表5 实测值与模拟值的R2

3 模型应用与分析

利用验证的土壤水热运移模型，分别对5种情景(犁底层在0 cm处(CK)、20 cm处(PB20)、30 cm处(PB30)、40 cm处(PB40)、50 cm处(PB50))下的土壤水热运移进行模拟。

3.1 入渗阶段不同犁底层深度对土壤水分运移的影响

连续滴灌结束后经过水分再分布24 h，各处理各土层土壤水分运移过程及分布如图5。

从图5可以看出：犁底层深度不同，入渗阶段各土层中土壤水分运移及分布也明显不同。10～30 cm土层中含水率都是先急剧上升，再缓慢下降，这是因为刚开始灌水时导致上部土壤含水率急剧上升，而灌水结束后，随着上部土壤水分的下渗，上部10～30 cm土层含水率缓慢下降，下部40～50 cm土层含水率缓慢上升，底部土层含水率开始上升的时间随着犁底层深度的增加逐渐推迟，CK处理底部土层含水率上升的速率较PB处理快。经过24 h的土壤水分再分布，CK处理各土层含水率基本均匀分布，在0.302 cm3/cm3左右，PB20处理各土层含水率大小分布为10 cm>30 cm>20 cm>40 cm>50 cm，PB30处理各土层含水率大小分布为20 cm>10 cm>30 cm>40 cm>50 cm，PB40处理各土层含水率大小分布为30 cm>20 cm>10 cm>40 cm>50 cm，PB50处理各土层含水率大小分布为10 cm=20 cm=30 cm=40 cm>50 cm，结合等值线图可以看出，灌水后经过土壤各土层水分的再分布，土壤表层含水率随着犁底层深度的增加而增加。

图5 入渗阶段不同犁底层深度对土壤水分运移的影响

3.2 蒸发阶段不同犁底层深度对土壤水分运移的影响

覆盖地膜后隔绝了土壤与外界的水分交换，整个剖面由地膜覆盖-耕作层-犁底层-心土层组成，图6为蒸发阶段不同犁底层深度对土壤水分运移的影响曲线图。

从图6可以看出：

图6 蒸发阶段不同犁底层深度对土壤水分运移的影响

(1)蒸发开始后，所有处理中50 cm土层含水率均先上升后逐渐趋于稳定，PB20、PB30、PB40处理达到峰值(趋于稳定)的时间比PB50、CK处理推迟50 h左右，说明犁底层可以阻碍水分运移，减缓水分向下的入渗速度。除PB50处理外，其他各处理50 cm土层含水率较其他土层为最高，PB20、PB30、PB40处理在0.302～0.313 cm3/cm3之间上下循环，CK处理在0.313～0.335 cm3/cm3之间上下循环，昼夜变化幅度高于其他处理，PB50处理的犁底层刚好在50 cm深度处，不同于其他处理，PB50处理中40 cm土层含水率较其他土层为最高，在0.295～0.311 cm3/cm3之间。另外，各处理犁底层上表面处土壤含水率较其他土层为最低，可能是因为犁底层处的水分缓慢入渗到犁底层内部及以下，犁底层内部可以贮藏一定的水分，且犁底层可以阻挡底部水分的蒸发，使底部的水分不易向上移动，导致犁底层上表面处土壤含水率较低。

(2)随着犁底层位置的加深，犁底层上表面处土壤含水率逐渐增大，且昼夜变化幅度逐渐减小；犁底层下表面处土壤含水率随着犁底层位置的加深逐渐增大，PB20处理在0.271～0.275 cm3/cm3之间，比上表面处高0.050～0.060 cm3/cm3，PB30处理在0.291～0.295 cm3/cm3之间，比上表面处高0.060～0.070 cm3/cm3，PB40处理在0.310～0.315 cm3/cm3之间，比上表面处高0.070～0.075 cm3/cm3。表明心土层内各土层的含水率比耕作层内各土层的含水率高；犁底层深度越大，土壤表层10 cm深度处含水率越大。

3.3 蒸发阶段不同犁底层深度对土壤温度运移的影响

由图7可知：各处理各土层的昼夜温度变化曲线呈正弦变化，随深度的增加，温度峰衰减，出现峰值的时间逐渐推迟，上层土壤温度的变幅比下层大。PB20、PB30、PB40、PB50处理表层10 cm处最高温度都在56 ℃，最低温度都在29 ℃，CK处理表层10 cm处最高温度在54 ℃，最低温度在28 ℃，说明犁底层的存在可以影响土壤表层的温度，同等条件下，可以使土壤表层温度升高2 ℃左右。PB20、CK处理中20 cm深度最高温度分别为48 ℃、43 ℃，PB30、CK处理中30 cm深度最高温度分别为39 ℃、34 ℃，PB40、CK处理中40 cm深度处最高温度分别为34 ℃、28 ℃，PB50、CK处理中50 cm深度最高温度分别为28 ℃、23 ℃，通过对比发现PB处理犁底层上表面处的温度比CK处理中同样深度处温度高4 ℃左右。PB处理中耕作层和心土层的温度差别较大，PB30处理中30 cm深度处温度比PB20处理大10 ℃左右，PB40处理中40 cm深度处温度比PB30处理大10 ℃左右，PB50处理中50 cm深度处温度比PB40处理大7 ℃左右，说明犁底层可以阻碍温度向下传输，使犁底层以上的土壤温度明显增加，影响犁底层以下的土壤温度。

图7 蒸发阶段不同犁底层深度对土壤温度运移的影响

4 讨论

(1)利用HYDRUS-1D软件对膜下滴灌条件下不同犁底层深度对土壤水热运移的影响规律进行模拟，经过土柱试验数据验证，土壤含水率和土壤温度模拟结果与实测数据具有较好的相关性，这与裴跃锋[12]、孙丽源[13]、滕云[14]的研究结果一致，模型可用于模拟土壤水热运移规律。另外，可以利用该模型对不同条件下水热运移规律进行预测，从而为新疆地区田间管理提供理论依据与实践价值。

(2)土壤水分入渗是指水分进入土壤的过程，在传统浅旋耕作方式下，农田土壤耕层变浅、犁底层上移。犁底层具有土壤颗粒排列紧密、容重大等特点，相当于耕作层的底板，覆盖地膜后土壤剖面由地膜覆盖-耕作层-犁底层-心土层组成。韦安培等[15]研究发现深松耕作较传统耕作能提高土壤入渗性能，使土壤中含水量得到明显增加;翟振等[16]研究发现破除犁底层可以提高作物水分利用率，本研究结果与其相似，即犁底层可以阻碍水分向下运移，减缓水分向下移动的速度。本研究各处理设置了同样的犁底层厚度，不同的犁底层深度，灌水后经过24 h的土壤水分再分布，CK处理中各土层的含水率基本均匀分布，PB处理中各土层含水率差异较大，说明犁底层对土壤水分入渗造成了影响，且土壤表层含水率随着犁底层深度的增加而增加。蒸发阶段待各处理各土层的含水率稳定后均成正弦变化，犁底层上表面处土壤含水率随着犁底层深度的增大逐渐增大，犁底层以下各土层的含水率比犁底层以上各土层的含水率高，在现行以旋耕为主的传统耕作模式下，可根据不同作物根系吸水的特点适度深耕打破犁底层。

(3)土壤温度是影响作物生长发育、土壤水运移的重要因素[17]，犁底层改变了土壤的结构、物理性状，从而改变土壤的热特性。近年来有学者对不同耕作模式下土壤温度的变化规律作了研究，陈军胜等[18]研究表明，与传统耕作相比保护性耕作，土壤的热容量和导热率有明显的增加；刘绪军等[19]发现深松耕法有利于提高地温，本研究结果与其类似。本研究结果表明，随着犁底层位置的加深，耕作层下部土壤温度明显增加。PB处理土壤表层温度比CK处理高2 ℃左右，且PB处理犁底层上表面处温度比CK处理同样深度处温度高4 ℃左右，说明犁底层的存在的确可以影响土壤温度。新疆地区日照时间长，日内温差大，而土壤温度又影响着土壤水分、盐分的运移及分布，研究结果可为作物创造适宜的生长环境提供理论支持。

(4)本文的土壤水热运移研究只是针对室内土柱进行的模拟试验，而田间尺度因其气象条件的多变性和土壤理化性质的空间变异性，边界条件较复杂，今后有待对大田膜下滴灌棉田犁底层对土壤水热运移模型进行进一步研究。

5 结论

(1)利用HYDRUS-1D模型对膜下滴灌条件下犁底层对土壤水热运移的变化规律进行模拟，模型较好地模拟了水分和温度在土壤中的分布和随时间变化的趋势，对大田水热监测具有重要意义。

(2)犁底层可以阻碍水分运移，减缓水分向下的入渗速度，心土层内各土层的含水率比耕作层内各土层的含水率高，土壤表层的含水率随犁底层深度的增大而增大。

(3)PB处理土壤表层温度比CK处理高2 ℃左右，且PB处理犁底层上表面处温度比CK处理同样深度处温度高4 ℃左右，随着犁底层位置的加深，耕作层下部土壤温度明显增加。