土壤水分运移模拟研究进展

于晗

摘 要：作物生长发育过程中所需的水分主要来源于根系吸收土壤中的水分，所以土壤中水分的运移和分布能够直接影响作物对水分的利用率。另外，作物生长发育所需要的盐分也主要通过土壤水进行运输，所以农业灌水的合理施用是农业领域中的重要一环。在生态水文学四水GSPAC（地下水-土壤水-植物水-大气水连续体）中，土壤水在其中发挥着承上启下的作用，连接着地下水、植物水、大气水。因此，对土壤水分运移规律进行研究，不仅可以揭示生态水文学的本质，还能对作物生长发育所需灌水量提供科学参考，对科学管理水肥，优化水分利用效率、提高作物产量、节约水资源、保护生态环境具有重要的意义。

关键词：土壤水分运移;模拟;模型

中图分类号 S-1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）02-0108-03

Abstract： The water needed during the growth and development of crops mainly comes from the roots absorbing water in the soil. Therefore， the movement and distribution of water in the soil can directly affect the water use efficiency of crops. In addition， the salt required for growth and development of crops is also Transportation is mainly through soil water， so the rational application of agricultural irrigation is an important part of the agricultural field. In the GSPAC （groundwater-soil water-plant water-atmospheric water continuum） of the four waters of ecological hydrology， soil water plays a role as a link between groundwater， plant water and atmospheric water. Therefore， the study of soil water transport law can not only reveal the nature of eco-hydrology， but also provide scientific reference for the amount of irrigation needed for crop growth and development， which is of great significance for scientific management of water and fertilizer， optimization of water use efficiency， improvement of crop yield， conservation of water resources and protection of ecological environment.

Key words： Soil water transport; Simulation; Model

水資源的合理利用已经成为当今世界广泛关注的问题，根据联合国水资源调查报告分析可以得出：地球表层虽然有71%的面积被水覆盖，但除去地球两极冰山，人类容易利用的淡水资源只是地球总量的0.2%。随着农业技术的不断发展，农业用水量已经排在所有行业用水量的前列，但是水资源的匮乏又让节水工作刻不容缓，在发达国家，经过四五十年的探索，农业灌溉水的利用率可以高达70%以上，并且可以利用计算机信息技术，来实现远程自动化灌溉。我国对农业节水工作也是非常的重视，在《国家农业节水纲要（2012—2020）》中就指出我国农业节水潜力很大，大力发展农业节水，在农业用水量基本稳定的同时扩大灌溉面积、提高灌溉保证率，是促进水资源可持续利用、保障国家粮食安全、加快转变经济发展方式的重要举措[1]。多年来，我国采用了滴灌、喷灌、微灌等多种利于节水的农业灌溉措施，大幅度推动了我国农业节水的进度。

1 国内外研究现状

土壤水是指地表面以下至地下水面（潜水面）以上土壤层中的水分，是土壤孔隙中的水分，包括存在于非饱和带土壤孔隙中和为土壤颗粒所吸附的水分，和土壤混合[2]。在探究水分运移规律的过程中，国内外学者逐渐认识到土壤水是整个水体循环中非常重要的一部分，由于田间试验受自然条件制约，观测工作量大，获取的数据缺少系统性，无法详细精确的反映土壤水分运移变化过程，随着计算机技术的发展，学者们开始研究土壤水分运移模型，模型通常以计算机程序为载体，根据实验数据进行模拟，利用数学模型来分析土壤中水分的运移和转化过程。利用模型不仅可以减小工作量，还能详细反映土壤水分变化的过程。国内外学者利用模型结合大田实验研究了土壤水的运移规律，有效推动了土壤水分运移模型的发展。牛赟等利用田间长期定位观测数据建立了大气降水、土壤水、地下水三者之间的回归模型，指出了土壤水与大气降水和地下水三者之间的相关性[3];吴普特等根据非饱和土壤水动力学理论和多点源滴灌条件下土壤水分运动特征，建立了多点源滴灌条件下土壤水分运动数学模型，并用Hydrus软件对模型进行了求解[4]。冯江等在滴灌试验的基础上，对不同土壤水分模型进行了介绍，比较了不同模型之间的差异，表明不同地区的不同适用模型[5]。周宏等通过研究干旱区土壤与大气界面以及包气带与饱和带界面水、汽、热耦合转化形式与能量驱动过程，揭示了包气带土壤水分运移形态与能量和驱动力之间耦合关系[6]。Van Dam等总结了SWAP的主要特点，描述了SWAP模型的发展，包括Richards方程的数值解、大孔隙流、蒸发蒸腾和与地下水的相互作用并指出未来5～10年SWAP这样的独立和垂直导向的农业水文模型将继续对研究和教育具有重要意义[7]。Davie M等利用HYDRUS-2D模拟沙质土壤水分和养分运动，说明了该模型对土壤水分和溶质运动的实测值和模拟值具有较好的一致性[8]。土壤水分运移规律的研究逐渐发展为一门成熟的学科。本文通过探究土壤水分运移模拟的发展进程，以期对我国土壤水分研究和现代农业的发展提供参考。

2 土壤水分运移理论的发展

自1856年达西定律提出后，达西定律就成为土壤水分运移研究的基础定律，随后大量学者在此基础上进行建模。之后基于达西定律和质量守恒定律的Richards方程被广泛应用于饱和-非饱和带水分数值模拟，其中最具代表性的是 HYDRUS模型和SWAP模型。Green和Ampt提出以毛管为基础的入渗原理，随后Green-Ampt入渗模型成为研究土壤入渗机制的强有力工具。土壤水运动研究在20世纪50年代以前广泛采用毛管理论，把非饱和土壤中水分运动看作是水分在均一或孔径不同的毛管中的运动，毛管理论只能解决边界条件简单的一维问题，不能分析土壤剖面层面上的问题[9]。澳大利亚著名土壤水文学家Philip（1966）提出了SPAC（Soil-Plant-Atmosphere Continuum）系统概念，其中第一层就是土壤层[10]，这也说明了土壤水在整个水文循环中所占据的重要作用。后来，有学者提出GSPAC（Ground Water-Soil-Plant-Atmosphere Continuum）系统的概念，这一概念中加入了地表水，充分考虑了地表水与SPAC系统的关系，而土壤水也成了联系地表水与植被的关键一环，在整个系统的水循环中起着重要作用。

3 土壤水分运移模型

随着计算机技术的不断发展，数值模拟应运而生，使用作物生长模拟模型已经成为农业生产研究中重要的辅助手段之一，对土壤水分的运移的研究逐渐不再局限于田间观测，将田间观测得到的数据导入特定的能模拟土壤水分运移的模型中便能更详细精确地模拟作物的生理过程。由于水资源的紧缺，农业生产中的节水问题越来越受到重视，以节水为出发点，以土壤水运移为研究目的的模型应运而生，近些年比较有影响力的研究土壤水分运移的模型有HYDRUS、SWAP、AquaCrop、WAVES、SWAT等。

3.1 HYDRUS模型 美国盐土实验室开发的HYDRUS模型是一款模拟变量饱和多孔介质下的水、热和多溶质运动的有限元计算模型。其中一维HYDRUS模型可以模拟非饱和土壤水的一维垂向运动形式，应用已经非常广泛，并把根系的吸水和生长以及二氧化碳的影响考虑在内。二维HYDRUS模型中的水分運动采用Richard方程作为基础方程，还可通过其他模块对土壤水盐的运移进行反演。三维HYDRUS模型拥有强大的计算能力，其生成的模拟结果可以真实形象地反映水和溶质的渗透运移过程。HYDRUS模型中还有许多附加模块，如UNSATCHEM模块模拟变饱和多孔介质中主要离子的运移（如钙、镁、钠、钾、SO4、Cl等），包括主要离子平衡和非平衡化学反应动力学;Dual Perm模块可以用于模拟双渗透多孔介质中二维可变饱和水运动和溶质运移，即优先和非平衡水分和溶质运移。该模型还拥有友好的用户界面以满足参数配置、问题执行和结果输出的可视化，非常便于推广，被广泛应用于土壤水分和溶质运移的模拟研究。对不同盐碱度下的土壤水盐运移动态模拟精度较高，对土壤水分的分布和运动具有较强的计算和评价能力，具有通用性强，适用性广等优点[11]。被广泛应用于世界各地合理灌溉、合理施肥、和生态环保等问题的研究中。

3.2 SWAP模型 瓦赫宁根大学研制开发的SWAP （Soil-Water-Atmosphere-Plant）是一个用于模拟包气带中水分、溶质和热量的运输与植被发育的相互作用的模型，SWAP将Richards方程应用于非饱和-饱和区域，模型中选择的数值格式以精确的质量平衡求解一维Richards方程，并快速收敛，该方法与上边界法相结合，能较准确地处理干土入渗过程中土壤水分的快速运动。SWAP的核心是由多孔介质（土壤）中来描述非饱和土壤中的水分运动，模型的上下边界分别位于植物冠层之上和地下水饱和层之上。除了一般的基质流动，SWAP还考虑大孔隙中的流动，这可能发生在粘土和泥炭土壤中。对于更详细的溶质运移研究，SWAP可以与专门的化学运移模型结合使用，如农药的PEARL模型和氮的Soil-N或ANIMO模型。SWAP可以通过土壤表面的输入正弦函数和土壤热扩散系数来解析模拟土壤温度。SWAP数值方法考虑了土壤湿度对土壤热容和土壤导热系数的影响，顶部边界条件可以包括空气温度或土壤表面温度SWAP模拟土壤的热流，考虑了实际的热容和导热系数。土壤水分、热量和溶质模块在每个时间步骤交换状态信息，以说明它们的相互作用。作物的生长受到天气、土壤水分和盐分等实际条件的影响。SWAP模型综合考虑了自然大气环境和地下水系统的动态变化，在国内外干旱、半干旱地区得到广泛应用[12]。

3.3 AquaCrop模型 国际粮农组织开发的AquaCrop模型是一款作物生长模型，该模型以水分驱动为主，模拟产量对水的响应，可以模拟不同生物物理和管理条件下作物的水分限制产量，作物的产量主要由可提供的土壤水分的多少来决定。此模型考虑了水分胁迫、气温胁迫、土壤盐分胁迫、矿物养分胁迫对植被冠层生长状况的影响，和其他模型相比，AquaCrop模型整体由四大模块组成：土壤水分平衡模块、作物生长模块、气候模块和管理模块，它只需要比其他模型更少的输入，就可以输出作物的生物量和经济产量，在简易性、准确性和稳定性三者之间达到了很好的平衡。AquaCrop模型最大的特点就是使用了冠层覆盖率作为其输入参数之一，使用冠层覆盖率可以最大限度减少叶面积指数的误差，模型中还考虑了水分胁迫、气温胁迫、土壤盐分胁迫、养分胁迫对植被冠层的影响，并根据植被所受胁迫和种类的不同来调整观测覆盖率，另外大田试验中的充分灌溉、亏缺灌溉和降雨的情况在模型中也有体现。

3.4 WAVES模型 WAVES（Water Vegetation Energy and Solute）模型是澳大利亚联邦科学与工业研究组织水土资源研究所开发的生态水文模型，WAVES模型可以动态模拟土壤水的垂直方向分配和蒸散发过程，该模型以每日时间为步长模拟土壤-植物-大气连续体中水、能量、溶质的动态输移过程，适用于研究土地利用及气候变化对水文过程的影响[13]。在作物水分利用效率，土地变化对土壤水的影响等大田试验中，WAVES模型已经能进行精确模拟，为农业节水提供依据。

3.5 SWAT模型 SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型，是由美国农业部（USDA）农业研究中心（ARS，Agricultural Research Service）的Jeff Aronld博士于1994年研发的一款主要适用于流域尺度较大、流域数量较多的分布式水文模型[14]。SWAT模型的3个子模型分别为水文过程模型、土壤侵蚀模型和污染负荷模型，水文过程模型又包括水文循环陆地阶段和水文循环演算，其中水文过程模型中的水文循环陆地部分有水文、气候、土地利用/植被生长、侵蚀、营养物质、土壤温度等部分组成，其中水文循环演算又包含主河道中的演算、水库演算，同时模型还设置了积融雪模块，SWAT模型有着强大的计算能力，可以同时计算数百个子流域。

4 结语

土壤水在自然界水循环中占据着重要位置，也一直是国内外学者研究的重点。其饱和-非饱和带不仅是农业水文过程的重要环节，更是整个生态水文学中的重要过程。运用计算机模型进行模拟能更直观的表示出土壤水运移的规律，并且具有更精确、更省时等优点，对土壤水分运移的模拟研究不仅能够揭示自然界中水循环的规律，还能为作物生产工作中的合理用水问题提供理论依据。在以后的研究中，数值模拟方法将会在科学的理论指导下提供更精确的结果，土壤水分运移模型在国内外学者的不断探索过程得到了长足发展，拥有巨大的应用前景。如果在未来的模型研究中能参考AquaCrop模型将植物蒸腾和土壤蒸发作为独立模块，将对制定合理灌溉方案，节约农田用水，有着十分重要的意义，如果土壤水分运移模型能更多的与农药施用、病虫害防治等决策知识相结合，建立更加完善的耦合模型，将会给实际农业生产带来更大的便利。

参考文献

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