南疆盐渍化地区的棉花水分迁移模型研究

张婷乐 周保平 刘冠华 高黎明

摘要：为了控制南疆盐渍化地区棉田土壤中的盐分，进一步提高棉花植株对水分的利用效率，通过对土壤-棉花-大气系统（SCAC系统）进行的研究，建立了南疆盐渍化地区的棉花水分迁移模型，计算出棉花植株水分的吸收效率，从而来调控棉田土壤的水分、盐分及其根系分布，达到控制盐分、提高水分利用效率的目的。并对棉花水分迁移模型的未来进行了展望。

关键词：新疆;盐渍化地区;土壤-棉花-大气系统;水分迁移;模型

中图分类号：S562.048    文献标识码：A    文章编号：2095-3143（2019）03-010-05

DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2019.03.003

0  引言

新疆拥有特殊的自然条件，但淡水资源不足，种植土壤盐碱度较高。其日照充足、蒸发强烈，极易导致土壤次生盐碱化，对新疆农业也产生了不小的影响。在新疆南部地区一般种植棉花的农田大部分都是盐碱地，这种土地很不稳定，较易影响棉花的生长。所以对于棉田的灌溉，既要满足棉花对于生理生长所需求的水分，还要认真观察棉田土壤的水盐环境。在强烈的蒸发下，棉田经过灌水，其土壤中的盐分在根系层以下聚集而不能将土壤中的盐分排出棉田，久而久之，土壤中的盐分积累后浮于表面。长期灌溉后，棉田中的盐分上升至棉花的根系层，严重影响棉花的生长发育，使其产量下降，甚至死亡，一步步演变成土壤次生盐碱化。

在棉田土壤中其盐分需要用水分当做载体，在棉花植株的毛细管作用下，能将其棉田地下水中或土壤中的盐分通过水分的吸收向地表运移。棉田中的水分被蒸发后，其中的盐无法流失则被留在表层土壤中，剩下的盐分对棉花植株85%以上的根系产生影响，并会进一步影响棉花的生产种植[1-4]。棉花根系的吸收能力及强度、利用率以及植株的生长由土壤中的水、盐分布的情况决定，而棉花根系的吸收程度又影响了水、盐的分布。所以，在南疆盐渍化的大环境之下，研究“土壤一棉花一大气系统（简称SCAC系统）”，建立南疆盐渍化地区的棉花水分迁移的模型，计算棉花植株对水分的吸收效率，從而调节棉田的土壤状态，最终达到控制棉田土壤中的盐分和提高水分利用效率。这既符合我国发展精准农业的要求，对在农业生产中节水、高产和高效的目标具有非常重要的意义。

1  国内外研究现状

1966年，土壤水文物理学家菲利普斯第一次提出了“土壤-植物-大气连续体”（Soil-Plant-Atmosphere Continuum，SPAC）的概念。菲利普斯认为，在一个整体运动过程中，水在每个过程中都起着枢纽的作用，菲利普斯研究了水在这整个过程中，各个部分能级的变化，并统一用能量单位水势来计算出水分进行运动所需的能量[5]。“土壤-植物-大气连续体”是将三部分之间的介面过程形成了完整的一个系统。在一定的条件下，预报植株的灌溉等[6-8]。在SPAC理论被提出的基础之上，我国也有很多的科研人员都对此系统过程进行了不同的研究，主要包含干旱及半干旱的条件下，SPAC系统在其内部的水热交换及能量的平衡;SPAC系统的水输送的阻力（包括土壤根系和植物大气系统的水输送阻力）以及水分蒸发蒸腾作用[9-11]。在这一连续过程中，统一能量关系有利于水的运动传递和其能量的转换。Gardner等用数学物理的方法，定量的研究植物根系的吸水[12]。Molz他所提出的植物吸水函数，具有很广泛的代表及重要的参考价值[13];Talor及Klepper则突出植物根系的空间分布在植物吸水的整个过程中是很重要的[14]。

邵明安，等[15]用数学模拟的方法，研究了植物根系对土壤中水分的吸收利用，但因植物根系的吸水功能很复杂，所以其应用的难度较大。康少忠，等[16]建立了冬小麦的根系吸水模型，从而动态的模拟了冬小麦的根系吸水分布。刘昌明使用水力均衡法和液体动力学对SPAC的水分运动作了大量的研究[14]。卢振民，等[17]进行了大量的田间试验来研究SPAC系统水流运动，从而建立了较完整的模型，是主要针对水流运动的重要部分：一方面利用植物土壤水分运动所常用的气象资料和相关的参数来对土壤和作物水分运动的情况进行预测，另一方面研究了水流运动中气孔阻力的调节和土壤温度对气孔阻力的影响。

2  技术路线

在研究思路上，本研究采用Pedersen所提出的植物根系吸水模型及植物根长密度分布模型统一求解的方法[18-21]。针对植物根系吸水模型中的算法复杂、开发难度很大及Richards方程解法上下边界粗糙的情况，借鉴YANG、ZHANG等所提出IRE（积分型 Richards 方程解法）算法[22]对模型进行改良，并通过了大量的试验及实例来进行验证。在试验过程中，采用管式TDR水分仪测定土壤含水量，采用取土干燥法进行标定（见图1）。

本研究还利用土壤水分迁移的动力学过程进行棉花根系分布模拟、水分运移模拟，为节水灌溉、科学施肥、棉花增产和环境保护提供理论依据。

3  水分迁移的模拟计算

本研究的实验区在0～100 cm的垂直深度范围内棉田的土壤质地都是粉沙质壤土。应用环境模拟软件HYDRUS-2D是研究棉花植株的水分迁移的分布最好的方法[23-24]。其对棉花土壤水分的数值模拟方法的结果，可为棉花的大面积种植提供更优的灌溉及施肥策略。

3.1  控制方程

研究水分输运特性的一种有效的方法就是数值模拟。根据质量守恒定律及达西定律，对于刚性土（各向同性、骨架不变形）的介质，在棉田滴灌的条件下，假设所有土层均一，不考虑温度和气体图像对棉田土壤的水分传递的影响。棉田土壤水分的转移可简化为线源剖面中的二维水分运动模型[25]，其控制方程见（1）。

式中：θ为土壤体积含水率[L3L-3]，t为时间[T]，K（h）为非饱和导水率[LT-1]，x为横向坐标[L]，h为土壤负压水头[L]，z为垂向坐标[L]，向上为正方向。

3.2  初始条件及边界条件

假定棉田土壤各层的初始含水量沿水平方向均匀的分布，棉田土壤水分的运移主要是以垂直方向的入渗和蒸散为先。忽略其非饱和水流的滞后所带来的影响，模拟的深度范围为0～100 cm，棉田土壤水分运动的初始条件为（2）和（3）。

3.3  模型参数

利用公式（9）、（10）、（11）、（12）和（13）寻得模型参数。

式中;θr和θs各为土壤的残余的含水率及土壤的饱和含水率（L3L-3）;n和m为拟合的经验参数;h为土壤的负压水头（L）;Ks为土壤饱和的导水率（L3L-3）;l为孔隙连通性参数，此参数对南疆盐渍化地区的土壤类型可取为0.5。在这当中所用的棉田土壤的饱和导水率和VG模型参数α和β分别为0.043、0.045、0.450、0.027和1.393。下限条件设定为100 cm。上限条件指的是本地平均数据。使用Hydrus-2d软件用于模拟水分在轻度盐渍化土壤上的运移（其原始数据和运算结果本文略）。

4  展望

在现实农业生产过程中， SPAC系统是一个不可分割的复杂整体。需要进一步来研究南疆盐渍化土壤中微生物的呼吸作用、水和肥料的挥发效应、土壤中氮含量的监测和迁移。结合棉花自身的因素，研究棉花在盐渍化土壤中水氮迁移的机理并且建立水氮效应的模拟模型;根据不同土壤的理化性质结合当地的自然条件，做出相应的模型，以便解决不同情况下，不同作物的水分迁移模型，节约灌溉用水，减少肥料对土壤的破坏，以达到实现精准农业的目的。

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