库布齐沙地土壤水分运移规律数值模拟研究

杨建军 孙贵荣 丁俊峰 王涵 孙凯 阿拉腾苏和

摘要：  以砂土下进行地表滴灌的沙柳、速生杨、旱柳和榆树人工林为研究对象，采用粒径检测激光分析仪进行土壤质地分析得到各土样粒径分布情况，通过HYDRUS-2D/3D数值模拟研究灌水及水分再分布过程中压力水头和含水量的动态变化规律。结果表明：库布齐沙漠北部边缘地区人工林立地土壤中砂粒含量高于70%且黏粒含量低于2.5%，属典型砂质土壤。滴灌流量为3.0 L/h，时长为6 h时，各类人工林根深范围内土壤均能达到饱和含水量，能满足人工林用水需求。

关键词：  滴灌；  水分运移；  压力水头；  含水量；  HYDRUS-2D/3D

中图分类号：   S 152. 7               文献标识码：   A                文章编号：１００1 － 9499（２０23）02 － 0028 － 05

Numerical Simulation of Soil Water Movement

in the Kubuqi Sandy Land

YANG Jianjun1 SUN Guirong1 WANG Han2 DING Junfeng2 SUN Kai2 Alatengsuhe1

（1.  Erdos afforestation general plant， Inner Mongolia Shulinzhao 014300;  2.  College of energy and transportation engineering，  Inner Mongolia Agricultural University，  Inner Mongolia Hohhot 010018）

Abstract Taking Salix psammophila， Populus popular， Pinus sylvestris and Ulmus pumila for surface drip irrigation under sandy soil as the research object， the particle size distribution of each soil sample was obtained by soil texture analysis using particle size detection laser analyzer. The dynamic change laws of pressure head， soil water content and infiltration rate during irrigation and water redistribution were studied through HYDRUS-2D/3D numerical simulation. The results showed that the sand content in the soil of artificial forest sites in the northern edge of Kubuqi Desert was higher than 70% and the clay content was lower than 2.5%， which was typical sandy soil. When the flow rate of drip irrigation is 3.0 L/h and the duration is 6 h， the soil within the root depth of various plantations can reach the saturated water content， which can meet the water demand of plantations.

Key words drip irrigation; water movement; pressure head; water content; HYDRUS-2D/3D

滴灌是可根據植物需水规律及时补充根部水分的现代节水灌溉技术，也是人工林维持生产力的重要技术措施[ 1 - 3 ]。众多研究表明，与其他灌溉方式相比，滴灌能显著提高植物水分利用效率达14%～35%[ 4 -6 ]。滴灌通过布置的管道系统使水流缓缓滴到植物体的根部和土壤中，形成土壤湿润体供作物吸收大量的水分和养分，因而土壤湿润体的大小和形状能对人工林生长和发育产生重要影响[ 7 - 8 ]。因此，研究滴灌下不同人工林土壤水分运移规律，揭示不同林地土壤湿润体时空变化特征，是制定高效灌溉策略的重要依据。

通常可通过研究土壤压力水头和含水量的时空变化规律开展土壤水分运移规律的田间试验研究，但田间试验具有耗时长、投入人力物力大、可研究情形有限等缺点。因此，基于田间试验资料，进行土壤水分运动建模，通过数值模拟计算得到较优的滴灌模式和参数，是较为经济、高效的研究方法。近年来，有学者采用软件数值模拟法研究滴灌条件下的土壤水分运移规律，如Hiba Ghazouani等[ 9 ]利用HYDRUS-2D建立马铃薯（Potato）田研究模型，对比了灌溉量、灌溉水质对土壤含水量和电导率的影响；李豆豆等[ 1 ]利用HYDRUS-2D/3D对毛白杨（Populus tomentosa）人工林砂壤土建模，研究了不同初始土壤含水量下湿润锋水平和垂直运移距离随灌溉时长的变化规律；黄凯等[ 10 ]利用HYDRUS 对赤红壤甘蔗（ Saccharum officinarum） 田建模分析了滴头间距、流量对灌水均匀性的影响；Naglic等[ 11 ]利用HYDRUS-2D/3D 针对不同质地土壤模拟了滴头流量和初始含水量对湿润体的影响。然而，利用HYDRUS 系列软件模拟滴灌下土壤水分运动的研究多集中在毛白杨、甘蔗、小麦、葡萄等产值较高或单一作物田地及不同质地裸地上[ 12 - 15 ]，而在沙柳（Salix psammophila）、速生杨（Populus popu-  lar）、樟子松（Pinus sylvestris）、榆树（Ulmus pumila）等多种人工林上的对比研究却鲜有涉及。

人工林可通过改变土壤容重、土壤孔隙度，从而增强土壤入渗性能，使土壤储水能力增加。但另一方面，库布齐沙漠北部边缘地区人工造林成活后，由于蒸腾耗水作用强烈，沙地水分被大量消耗，沙地水分与植物生长供需严重失调，水分成为限制人工林生长的主要影响因子，人工林出现衰退和死亡现象，使得精准滴灌显得尤为重要。因此，在内蒙古库布齐沙漠北部边缘地区人工林典型栽植立地砂壤土上，开展地表滴灌下不同人工林林地土壤水分运移的数值模拟研究，进而提出灌溉策略建议，对于沙柳等人工林生产力的快速提升具有重要意义。本研究对不同人工林下滴灌土壤水分运移规律开展研究，在库布齐沙漠北部边缘地区砂壤土立地下，探讨地表滴灌人工林的土壤水分运移规律，通过HYDRUS-2D/3D模拟试验情境，得到不同林地土壤压力水头和含水量的时空变化特征，以期明确滴灌下各类林地土壤水分运移规律，为不同林分制订精准滴灌策略提供数据支撑和理论依据。

1 研究区概况

试验地位于内蒙古鄂尔多斯市达拉特旗鄂尔多斯林场曹四滩护林站（110°39'14″E，40°14'24″N）（图1）。该地属温带大陆性季风气候，其显著特征是常年干燥多风少雨，多年平均气温6.1 ℃；全年无霜期135天，年平均日照时数3 100 h，年平均降水量246.9～310.8 mm，降雨集中在每年7～9月，7月最多。人工林主要树种为沙柳（Salix psammophila）、速生杨（Populus popular）、旱柳（Pinus sylvestris）及榆树（Ulmus pumila），人工林下草本植被以沙生植被为主。

于2021年8月初在研究区采集土样，研究区内包含沙柳林、速生杨林、旱柳和榆树，针对每种林木各选择一块具有代表性的试验样地，其林木均匀配置。取土样方设置在各试验小区相邻的林木林带之间，长2.0 m，宽1.0 m，深1.2 m，對样方内的土壤进行剖面分层取土。由于研究区的地下水位较低，且速生杨、榆树、旱柳等乔木根系较深，故取土深度统一设置为100 cm，取样间隔为20 cm，即0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm，分别用直径为5.046 cm、高为5cm、体积为100 cm3环刀分层取土，每层随机取3个重复土样，采用德国SYMPATEC GmbH公司的RODOS/M粒径检测激光分析仪进行土壤质地分析得到各土样粒径分布情况，并计算3个土样均值（表1）。

2 研究方法

2. 1 数值模拟基础条件设计

（1）模拟基本环境

本次模拟的是距树30 cm的干旱未灌溉条件，滴灌装置选取为滴头流量3 L/h的滴灌带，所有土壤的模拟滴灌时长均为6 h。根据土样采集基本数据，滴灌模拟土壤的总深度设置为地下0～100 cm，以0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm分别设置为单一层级的土壤，共设置5层。

（2）时间离散设置

在进行模型的迭代运算时，离散时间单位取小时（h）。其中所选用的最短时间步长0.001 h；在允许偏差下，土壤含水量迭代精度设置为0.001，压力水头的迭代精度设置为1；迭代的最大次数为10，若迭代次数超过10，则系统将用新时间步长取代原有时间步长的1/3重新开始有关迭代计算。除此之外，本次模拟增大迭代的比例设置为1.3，增大步长的迭代信号设置为3，缩小迭代的比例设置为0.7，缩小步长的迭代信号设置为7。在网格划分和离散设置中四类人工林土壤结构选取范围相同。

2. 2 土壤环境设置

（1）土壤粒径分布参数

各类人工林中土壤砂粒、粉粒和黏粒含量的体积百分比如表1所示，按该参数对数值模拟土壤进行分层设置。

（2）土壤水动力参数设置

根据表1中5种土壤各土层颗粒组成，利用Rosetta网络神经模块，初步拟合并逐步计算推导出各种土壤水动力参数如表2。

（3）初始条件及边界条件设置

模型区域：本次模拟将模拟区域设置成宽为100 cm、深为100 cm的正方形区域。

初始条件：以进水前测量结果拟定出来的含水量剖面图作为进行本次模拟计算的初始条件之一，并以此假设含水量能在同一厚度土层内均匀分布。

边界条件：在模拟中的滴头处预先设置变流量边界，在开始进水后以其周围半径为W的区域为饱和区，且在进行模拟试验时，可以忽略饱和区半径和进水时间的关系。

下排水边界条件和其余边界条件：根据研究区地下水位平均埋深约为10 m，距地面最近地下水埋深为5.26 m。而由于模拟深度为1 m，因此模拟区域下排水边界应被设定为自由排水边界；其余所有未预先设置的边界均默认保存为零通量边界。

（4）观测点选取

依据土壤分层设置的特点，所选观测点深度分别为20、40、60、80和100 cm，自上而下依次为观测点1～5。

3 结果与分析

3. 1 观测点压力水头变化

根据HYDRUS-2D/3D模拟结果，依据图2，灌溉开始前各人工林任意观测点的起始压力水头均为-100 cm，滴灌6 h后其数值均超过0 cm，且在之后稳定不变。可见此次滴灌的结果是100 cm土壤深度范围内不同土层水分均达到稳定压力水头值，且该值大于0 cm，随土层加深该压力水头值逐渐减小，同时不同人工林水分运移的时空变化规律存在一定差异。

对比不同人工林，速生杨林各观测点均达到稳定状态用时最短，约为1.5 h，且各土层最终形成的稳定压力水头值最大，为97～152 cm，沙柳林和旱柳林次之，榆树林各土层达到稳定状态用时最长，约为5.7 h，且稳定压力水头值最小，为0.2～8.8 cm。上述结果与该四类人工林土壤质地有关，由表2可知，速生杨林各土层中砂粒和粉粒含量之比（以下简称“砂粉比”）均值最大，而沙柳林和旱柳林次之，榆树林土壤砂粉比最小。可见土壤颗粒分布对其滴灌过程水分运移规律影响较大，土壤质地越粗则水分运移中土壤中各土层水分越能快速趋于稳定，且最终各土层压力水头也越大，反之质地越细则速度越慢且最终压力水头也越小。

3. 2 观测点含水量变化

依据图3，灌溉开始前各人工林任意观测点的起始含水量均为0.05～0.20 cm3/cm3，高于其残余含水量（表2），滴灌6 h后其数值均接近0.40 cm3/cm3，且在之后稳定不变。由表2可知，滴灌结果为100 cm土壤深度范围内各土层水分均达到各自饱和含水量，该值与土壤质地有关且非常接近，该特点与压力水头有明显差别，可见相同水分运移过程中土壤压力水头和含水量的时空变化规律存在差异。

对比图2和图3，不同人工林各观测点含水量均达到饱和含水量与压力水头达到稳定状态用时相同，仍呈现速生杨<沙柳<旱柳<榆树的特点，同时各土层均随其初始含水量的不同而有微小差异，但这对不同土层含水量达到饱和含水量的时间影响较小。以上规律进一步验证了土壤砂粉比对水分运移过程中含水量时空变化规律的影响，土壤质地越粗则水分运移中土壤中各土层含水量越能快速趋于饱和，反之质地越细则速度越慢，而最终各土层含水量主要由其饱和含水量决定。

4 结 论

本文采用数值模拟的方法对库布齐沙地不同人工林下滴灌土壤水分运移规律开展研究，主要得出如下结论：

（1）库布齐沙漠北部边缘地区人工林立地土壤中砂粒含量高于70%且黏粒含量低于2.5%，属于典型砂质土壤。滴灌流量为3.0 L/h，时长为6 h时，该地区各类人工林100 cm土层深度范围内土壤均能达到饱和含水量，能满足人工林用水需求。

（2）库布齐沙地土壤质地下，粒径分布尤其是砂粒和粉粒含量之比对滴灌过程中水分运移结果影响较大，具体表现为砂粉比越大则人工林各土层达到压力水头最大值和土壤饱和含水量的时间越短。上述规律与已有文献结论类似，表明采用数值模拟的手段研究土壤多孔介质水分运移规律切实可行。

（3）当通过滴灌使一定深度范围土壤均达到饱和含水量时，各土层土壤含水量值较为接近，但压力水头值却与土壤砂粉比和土层深度有关。随土层加深，水分运移至深土层处水势梯度相应减小，滴灌后稳定的压力水头值也减小。

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