趙文娟 黃凌

摘要：將寧夏銀北試驗(yàn)區(qū)夏季的蒸發(fā)、降雨、地下水埋深等數(shù)據(jù)作為求解土壤溶質(zhì)運(yùn)移方程的定解條件，同時(shí)確定試驗(yàn)區(qū)土壤的水動(dòng)力學(xué)參數(shù)，結(jié)合有限體積數(shù)值計(jì)算方法對(duì)試驗(yàn)區(qū)土壤鹽分含量在不同土層、不同時(shí)期的變化進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：通過加密計(jì)算網(wǎng)格可有效提高模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值的吻合度；隨著時(shí)間推移，土壤表層鹽分含量逐漸增大、深層鹽分含量則逐漸減小，模擬過程中出現(xiàn)了鹽分含量恒定區(qū)域，該區(qū)域隨時(shí)間的遷移逐漸縮小。

關(guān)鍵詞：鹽分運(yùn)移；數(shù)值模擬；鹽漬土；寧夏銀北

中圖分類號(hào)：S152.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.033

寧夏銀北地區(qū)處于我國(guó)西部?jī)?nèi)陸干旱區(qū)，屬溫帶大陸性氣候區(qū)。蒸發(fā)量年內(nèi)集中分布在5-7月，占全年總蒸發(fā)量的43%左右川。由于該地區(qū)的地勢(shì)低洼，地下水位高致使水中的鹽分在強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用下堆積于土壤內(nèi)，因此形成了以鈉氯化物、硫酸鹽或硫酸鹽氯化物[2]為主的鹽漬土。銀北地區(qū)鹽漬化土地面積約為17070km2，占全區(qū)鹽漬化土地總面積的81%左右。自然地理?xiàng)l件決定了鹽漬化土壤的形成，人類不合理的生產(chǎn)生活方式會(huì)直接導(dǎo)致鹽漬化的加劇。分析區(qū)域土壤鹽漬化時(shí)空分布狀況，提出適宜的土壤鹽漬化調(diào)控措施，使當(dāng)?shù)赝恋剡_(dá)到可持續(xù)利用與生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定的目的，已成為重點(diǎn)研究課題[3]。20世紀(jì)90年代以來，根據(jù)旱區(qū)鹽漬化土壤的特點(diǎn)，鹽漬土調(diào)控措施從單一型向復(fù)合型逐漸轉(zhuǎn)變[4-6]。筆者將鹽漬化監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)合起來，定量分析該地區(qū)夏季鹽分運(yùn)移規(guī)律，以期為確定合理的土壤鹽漬化調(diào)控模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣本

試驗(yàn)區(qū)域位于寧夏銀川市賀蘭縣南梁臺(tái)子鐵西村。采用篩分法及使用BT-9300H型激光粒度分布儀對(duì)試驗(yàn)區(qū)0～20cm表層土壤進(jìn)行粒徑分析（見表1），測(cè)定土壤質(zhì)地為沙壤土；測(cè)定試驗(yàn)區(qū)土壤的平均pH值為8.56；電導(dǎo)儀測(cè)定0～20cm土壤的全鹽量為1.2g/kg。上述測(cè)驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)區(qū)土壤樣本屬于寧夏銀北地區(qū)鹽漬化土壤。

1.2 試驗(yàn)布置與方法

試驗(yàn)區(qū)為條形，長(zhǎng)28.0m，寬16.4m。試驗(yàn)土壤在深度0～20cm的平均含水率為14.91%，平均土壤干容重為1.538g/cm3，平均飽和含水率為47.826%。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)自西向東布置3行18根TDR探測(cè)管，其中2號(hào)、5號(hào)、8號(hào)、11號(hào)測(cè)管用于模擬值檢驗(yàn)點(diǎn)，其余測(cè)管用于確定土壤水鹽運(yùn)移方程數(shù)值計(jì)算的邊界條件，見圖1。試驗(yàn)于2012年6-10月進(jìn)行，利用時(shí)間延遲反射儀對(duì)上述區(qū)域18個(gè)測(cè)點(diǎn)的土壤含水率和電阻值進(jìn)行分時(shí)段、分層監(jiān)測(cè)。

3.1 土層鹽分含量的模擬計(jì)算

利用數(shù)學(xué)模型編譯計(jì)算機(jī)程序，模擬計(jì)算土層鹽分含量的變化過程。分別模擬蒸發(fā)、降雨條件下計(jì)算區(qū)域的土壤鹽分運(yùn)移情況，模擬時(shí)間為10h，時(shí)間步長(zhǎng)50s。模擬曲線顯示了不同土層的土壤含鹽量自西向東保持了一致性，實(shí)測(cè)值與模擬值吻合較好；深度增加至85cm附近時(shí)，土壤含鹽量隨深度的增加而逐漸增大，直至到達(dá)下邊界值。從圖2中可知，2號(hào)測(cè)點(diǎn)的鹽分模擬曲線在下邊界附近出現(xiàn)了數(shù)值震蕩，且與實(shí)測(cè)值的吻合度較差。5號(hào)測(cè)點(diǎn)、8號(hào)測(cè)點(diǎn)及11號(hào)測(cè)點(diǎn)的模擬曲線均未發(fā)生這一現(xiàn)象；通過對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理后，在降雨條件下的土壤鹽分含量曲線在這一范圍內(nèi)數(shù)值震蕩減弱，見圖3。

3.2 隨時(shí)間遷移的土層鹽分變化數(shù)值模擬

運(yùn)用土壤溶質(zhì)運(yùn)移模型分別對(duì)7月、8月、9月的土壤鹽分含量進(jìn)行數(shù)值模擬。圖4為模擬計(jì)算的試驗(yàn)區(qū)在7月22日10時(shí)的土壤鹽分運(yùn)移曲線。增加模型模擬時(shí)間，分別得到8月22日10時(shí)和9月22日10時(shí)的土壤鹽分運(yùn)移曲線（見圖5、圖6）。在長(zhǎng)迭代時(shí)間的作用下，解決了西側(cè)邊界的鹽分濃度數(shù)值的局部震蕩現(xiàn)象。如圖5和圖6所示，整個(gè)計(jì)算斷面的土壤鹽分含量隨時(shí)間推移，其運(yùn)移趨勢(shì)保持一致，土層深度增加，土壤鹽分含量相應(yīng)增大。

隨時(shí)間的推移，土壤鹽分含量在耕作層出現(xiàn)了較大的變化。7月土壤鹽分模擬最高值為1.00g/kg、8月該值為1.45g/kg、9月為1.48g/kg。計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn)不同時(shí)期土壤鹽分含量斷面最大值取決于該時(shí)期的地下水礦化度。同時(shí)，受地下水埋深逐月增高的影響，模擬區(qū)域隨時(shí)間推移逐漸縮小，由7月的120cm×2800cm縮小到9月的100cm×2800cm，導(dǎo)致計(jì)算網(wǎng)格加密，進(jìn)一步避免了接近西側(cè)邊界的模擬值出現(xiàn)局部震蕩現(xiàn)象。模擬中出現(xiàn)了土層鹽分濃度不受深度影響的恒定區(qū)，7月恒定區(qū)最長(zhǎng)，8月逐漸縮小，9月恒定區(qū)最短，故深層土壤的鹽分含量隨時(shí)間的推移在模擬過程中是逐漸變小的。

4 結(jié)論

通過建立寧夏銀北試驗(yàn)區(qū)鹽漬土土壤鹽分運(yùn)移數(shù)學(xué)模型，利用有限體積法對(duì)該模型進(jìn)行離散，并且應(yīng)用MATLAB軟件分別對(duì)不同上邊界條件下的土層鹽分運(yùn)移進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。經(jīng)過加密計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格，進(jìn)一步模擬了夏季土壤鹽分的運(yùn)移過程，有效避免了計(jì)算邊界處出現(xiàn)數(shù)值震蕩的現(xiàn)象。數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較好，表明模型及相關(guān)擬合參數(shù)符合實(shí)際，可以采用該方法模擬寧夏銀北地區(qū)鹽漬土在夏季的鹽分運(yùn)移規(guī)律。

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