水利工程論文-條帶覆蓋下土壤水熱動態(tài)的田間試驗與模型建立.doc

水利工程論文-條帶覆蓋下土壤水熱動態(tài)的田間試驗與模型建立摘要：本文描述了夏玉米生長期間麥秸條帶覆蓋(行間覆蓋)條件下土壤水熱動態(tài)的田間試驗.在此基礎上，采用交替方向有限差分法建立了模擬苗期條帶覆蓋下土壤二維水熱遷移的數(shù)值模型.其中覆蓋部分土壤表面的邊界條件由能量平衡方程確定.模型的輸入只需常規(guī)氣象資料、土壤水熱遷移參數(shù)及覆蓋參數(shù).數(shù)值計算結果表明，該模型具有一定的實用價值.關鍵詞：條帶覆蓋水熱動態(tài)模型模擬蒸發(fā)條件下土壤表層的水分運動受溫度和水勢梯度的控制，但傳統(tǒng)的描述非飽和土壤中水分運移規(guī)律的模型均假定土壤為等溫系統(tǒng)，如：Gardner(1959)1、Hanks等(1969)2、Staple(1971)3、任理(1991)4.Philip(1957)從理論上得出，除非在非常低的含水率條件下，否則由溫度引起的水分流動相對來說并不重要5，6.然而，Jackson等(1974)的計算表明，在田間條件下，由溫度引起的水汽流動在中等土壤含水量時就能顯著地表現(xiàn)出來5，7.裸土或作物苗期土壤水分的損失，大部分是穿過表層10cm左右的干土層發(fā)生的.日溫度大的變化發(fā)生在上層15cm的土壤中，它可以影響穿過干燥層的水汽流動(Papendick,1973)8，因此，模擬和分析蒸發(fā)條件下的土壤水分動態(tài)應同時考慮水和熱的傳輸.Philip與deVries(1957,1958)提出了描述土壤水熱耦合遷移的理論9，10，近二十年來，國內(nèi)外學者對蒸發(fā)條件下土壤水熱遷移的耦合計算進行了廣泛的研究11，12，13，14，15，16，17，18.在二維土壤水熱遷移問題的研究方面，Jury和Bellantuoni(1976)發(fā)展了一個反映表面鋪蓋矩形巖塊的均勻田間土壤在溫度梯度下熱流和水汽運動的二維數(shù)學模型，結果發(fā)現(xiàn)，只有考慮包括溫度與熱傳導關系時，計算值才與實測值有很好的一致性19，20.Chung和Horton(1987)對地面采用部分覆蓋下的土壤水熱流動進行了數(shù)值試驗，但沒有田間實測資料的檢驗21.楊邦杰(1989)對土壤不均勻、地表平坦或起伏不平時的二維土壤蒸發(fā)過程的數(shù)值模型進行了研究22.SuiHongjian和ZengDechao等(1992)用數(shù)值模型對不同覆蓋下土壤溫度和水分動態(tài)進行了模擬23.為了探討行間條帶覆蓋對夏玉米生長條件下的土壤水熱動態(tài)的影響，作者在北京通縣永樂店試驗站進行了田間試驗，并本著簡捷實用的原則，依據(jù)Philip和deVries(1957,1958)提出的土壤水熱流動理論和已有的研究成果，以夏玉米生長前期麥秸條帶覆蓋下的田間試驗為背景，建立了土壤二維水熱遷移的數(shù)值模型.2田間試驗2.1試驗布置田間玉米行間裸地的麥秸覆蓋寬度約30cm(玉米行距為60cm).覆蓋量相當于400kg/畝.在試驗小區(qū)內(nèi)，沿覆蓋層中線、邊緣及無覆蓋的裸地設3個土壤溫度剖面，這3個剖面水平相距分別為15cm和10cm.剖面上測點埋深為5cm、10cm、20cm、30cm、50cm.在覆蓋層與土壤交界面處用曲管地溫計量測界面處的地表溫度，在對照區(qū)地表和覆蓋層表面采用直管溫度計測定溫度.用于測量土溫的鉑熱電阻安裝前均進行了率定.觀測時使用萬用表測定鉑熱電阻值，然后依據(jù)分度表及田間校正值擬合的標準曲線換算出相應的土壤溫度.中子管埋設在麥秸覆蓋層中線，水分動態(tài)由標定后的中子儀測量.2.2試驗結果分析圖1反映了麥秸覆蓋層中線下土壤溫度隨時間的變化過程.圖2、圖1覆蓋層中線下土壤剖面實測溫度(1993.7.3-7.4)圖2覆蓋層邊緣下土壤剖面實測溫度(1993.7.3-7.4)圖3距覆蓋層邊緣10cm處裸地土壤剖面實測溫度(1993.7.3-7.4)圖3分別為覆蓋層邊緣下及距離覆蓋層邊緣10cm處裸地土壤剖面的溫度動態(tài).此時夏玉米為苗期，其遮蔭作用很微弱，這樣只有覆蓋層對太陽輻射具有“屏蔽”作用.由圖3可見，在距覆蓋層邊緣10cm處的玉米幼苗附近，裸地溫度隨時間的變化幅度明顯大于覆蓋層中線以下地溫的變化幅度(圖1).因為裸地土壤較干燥，表面溫度可達到42以上，而在覆蓋層內(nèi)的土壤表面，最高溫度約為32左右.從圖2可見，覆蓋層邊緣下土壤表層的溫度變化幅度明顯小于裸地(圖3)而大于覆蓋層中線下的溫度變幅(圖1).此外，地溫動態(tài)的觀測表明，隨著深度增加，土壤溫度變幅減小，增加了相位滯后，這是土壤一個周期溫度波的典型傳播.圖4為條帶覆蓋、全覆蓋與無覆蓋土壤表面的溫度變化過程圖，圖示表明，條帶覆蓋條件下土表溫度介于全覆蓋和無覆蓋之間，它與無覆蓋相比，可起到降低表土水分蒸發(fā)的作用，但同時又較全覆蓋情況下的表土溫度高，有利于玉米出苗、生長.圖5為條帶覆蓋、全覆蓋與無覆蓋條件下玉米最終產(chǎn)量比較圖，圖示明顯可見，條帶覆蓋的玉米產(chǎn)量最高，說明雖然與全覆蓋的覆蓋量(400kg/畝)相同，條帶覆蓋對節(jié)水、保墑，促進農(nóng)業(yè)增產(chǎn)更加有效。麥秸覆蓋對節(jié)水保墑是有效措施，這一點早已被證實，但由于麥秸覆蓋會降低土壤溫度，對夏玉米前期生長是不利的。條帶覆蓋僅鋪設在作物行間，一方面可以減少行間土面的無效蒸發(fā)；另一圖4不同處理土壤表面溫度圖5不同覆蓋處理產(chǎn)量方