張婷樂 周保平 劉冠華 高黎明

摘要：為了控制南疆鹽漬化地區(qū)棉田土壤中的鹽分，進(jìn)一步提高棉花植株對(duì)水分的利用效率，通過對(duì)土壤-棉花-大氣系統(tǒng)（SCAC系統(tǒng)）進(jìn)行的研究，建立了南疆鹽漬化地區(qū)的棉花水分遷移模型，計(jì)算出棉花植株水分的吸收效率，從而來調(diào)控棉田土壤的水分、鹽分及其根系分布，達(dá)到控制鹽分、提高水分利用效率的目的。并對(duì)棉花水分遷移模型的未來進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：新疆;鹽漬化地區(qū);土壤-棉花-大氣系統(tǒng);水分遷移;模型

中圖分類號(hào)：S562.048 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：2095-3143（2019）03-010-05

DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2019.03.003

0 ?引言

新疆擁有特殊的自然條件，但淡水資源不足，種植土壤鹽堿度較高。其日照充足、蒸發(fā)強(qiáng)烈，極易導(dǎo)致土壤次生鹽堿化，對(duì)新疆農(nóng)業(yè)也產(chǎn)生了不小的影響。在新疆南部地區(qū)一般種植棉花的農(nóng)田大部分都是鹽堿地，這種土地很不穩(wěn)定，較易影響棉花的生長。所以對(duì)于棉田的灌溉，既要滿足棉花對(duì)于生理生長所需求的水分，還要認(rèn)真觀察棉田土壤的水鹽環(huán)境。在強(qiáng)烈的蒸發(fā)下，棉田經(jīng)過灌水，其土壤中的鹽分在根系層以下聚集而不能將土壤中的鹽分排出棉田，久而久之，土壤中的鹽分積累后浮于表面。長期灌溉后，棉田中的鹽分上升至棉花的根系層，嚴(yán)重影響棉花的生長發(fā)育，使其產(chǎn)量下降，甚至死亡，一步步演變成土壤次生鹽堿化。

在棉田土壤中其鹽分需要用水分當(dāng)做載體，在棉花植株的毛細(xì)管作用下，能將其棉田地下水中或土壤中的鹽分通過水分的吸收向地表運(yùn)移。棉田中的水分被蒸發(fā)后，其中的鹽無法流失則被留在表層土壤中，剩下的鹽分對(duì)棉花植株85%以上的根系產(chǎn)生影響，并會(huì)進(jìn)一步影響棉花的生產(chǎn)種植[1-4]。棉花根系的吸收能力及強(qiáng)度、利用率以及植株的生長由土壤中的水、鹽分布的情況決定，而棉花根系的吸收程度又影響了水、鹽的分布。所以，在南疆鹽漬化的大環(huán)境之下，研究“土壤一棉花一大氣系統(tǒng)（簡稱SCAC系統(tǒng)）”，建立南疆鹽漬化地區(qū)的棉花水分遷移的模型，計(jì)算棉花植株對(duì)水分的吸收效率，從而調(diào)節(jié)棉田的土壤狀態(tài)，最終達(dá)到控制棉田土壤中的鹽分和提高水分利用效率。這既符合我國發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求，對(duì)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中節(jié)水、高產(chǎn)和高效的目標(biāo)具有非常重要的意義。

1 ?國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1966年，土壤水文物理學(xué)家菲利普斯第一次提出了“土壤-植物-大氣連續(xù)體”（Soil-Plant-Atmosphere Continuum，SPAC）的概念。菲利普斯認(rèn)為，在一個(gè)整體運(yùn)動(dòng)過程中，水在每個(gè)過程中都起著樞紐的作用，菲利普斯研究了水在這整個(gè)過程中，各個(gè)部分能級(jí)的變化，并統(tǒng)一用能量單位水勢(shì)來計(jì)算出水分進(jìn)行運(yùn)動(dòng)所需的能量[5]?！巴寥?植物-大氣連續(xù)體”是將三部分之間的介面過程形成了完整的一個(gè)系統(tǒng)。在一定的條件下，預(yù)報(bào)植株的灌溉等[6-8]。在SPAC理論被提出的基礎(chǔ)之上，我國也有很多的科研人員都對(duì)此系統(tǒng)過程進(jìn)行了不同的研究，主要包含干旱及半干旱的條件下，SPAC系統(tǒng)在其內(nèi)部的水熱交換及能量的平衡;SPAC系統(tǒng)的水輸送的阻力（包括土壤根系和植物大氣系統(tǒng)的水輸送阻力）以及水分蒸發(fā)蒸騰作用[9-11]。在這一連續(xù)過程中，統(tǒng)一能量關(guān)系有利于水的運(yùn)動(dòng)傳遞和其能量的轉(zhuǎn)換。Gardner等用數(shù)學(xué)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數(shù)，具有很廣泛的代表及重要的參考價(jià)值[13];Talor及Klepper則突出植物根系的空間分布在植物吸水的整個(gè)過程中是很重要的[14]。

邵明安，等[15]用數(shù)學(xué)模擬的方法，研究了植物根系對(duì)土壤中水分的吸收利用，但因植物根系的吸水功能很復(fù)雜，所以其應(yīng)用的難度較大。康少忠，等[16]建立了冬小麥的根系吸水模型，從而動(dòng)態(tài)的模擬了冬小麥的根系吸水分布。劉昌明使用水力均衡法和液體動(dòng)力學(xué)對(duì)SPAC的水分運(yùn)動(dòng)作了大量的研究[14]。盧振民，等[17]進(jìn)行了大量的田間試驗(yàn)來研究SPAC系統(tǒng)水流運(yùn)動(dòng)，從而建立了較完整的模型，是主要針對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的重要部分：一方面利用植物土壤水分運(yùn)動(dòng)所常用的氣象資料和相關(guān)的參數(shù)來對(duì)土壤和作物水分運(yùn)動(dòng)的情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，另一方面研究了水流運(yùn)動(dòng)中氣孔阻力的調(diào)節(jié)和土壤溫度對(duì)氣孔阻力的影響。

2 ?技術(shù)路線

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長密度分布模型統(tǒng)一求解的方法[18-21]。針對(duì)植物根系吸水模型中的算法復(fù)雜、開發(fā)難度很大及Richards方程解法上下邊界粗糙的情況，借鑒YANG、ZHANG等所提出IRE（積分型 Richards 方程解法）算法[22]對(duì)模型進(jìn)行改良，并通過了大量的試驗(yàn)及實(shí)例來進(jìn)行驗(yàn)證。在試驗(yàn)過程中，采用管式TDR水分儀測(cè)定土壤含水量，采用取土干燥法進(jìn)行標(biāo)定（見圖1）。

本研究還利用土壤水分遷移的動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行棉花根系分布模擬、水分運(yùn)移模擬，為節(jié)水灌溉、科學(xué)施肥、棉花增產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)。

3 ?水分遷移的模擬計(jì)算

本研究的實(shí)驗(yàn)區(qū)在0～100 cm的垂直深度范圍內(nèi)棉田的土壤質(zhì)地都是粉沙質(zhì)壤土。應(yīng)用環(huán)境模擬軟件HYDRUS-2D是研究棉花植株的水分遷移的分布最好的方法[23-24]。其對(duì)棉花土壤水分的數(shù)值模擬方法的結(jié)果，可為棉花的大面積種植提供更優(yōu)的灌溉及施肥策略。

3.1 ?控制方程

研究水分輸運(yùn)特性的一種有效的方法就是數(shù)值模擬。根據(jù)質(zhì)量守恒定律及達(dá)西定律，對(duì)于剛性土（各向同性、骨架不變形）的介質(zhì)，在棉田滴灌的條件下，假設(shè)所有土層均一，不考慮溫度和氣體圖像對(duì)棉田土壤的水分傳遞的影響。棉田土壤水分的轉(zhuǎn)移可簡化為線源剖面中的二維水分運(yùn)動(dòng)模型[25]，其控制方程見（1）。

式中：θ為土壤體積含水率[L3L-3]，t為時(shí)間[T]，K（h）為非飽和導(dǎo)水率[LT-1]，x為橫向坐標(biāo)[L]，h為土壤負(fù)壓水頭[L]，z為垂向坐標(biāo)[L]，向上為正方向。

3.2 ?初始條件及邊界條件

假定棉田土壤各層的初始含水量沿水平方向均勻的分布，棉田土壤水分的運(yùn)移主要是以垂直方向的入滲和蒸散為先。忽略其非飽和水流的滯后所帶來的影響，模擬的深度范圍為0～100 cm，棉田土壤水分運(yùn)動(dòng)的初始條件為（2）和（3）。

3.3 ?模型參數(shù)

利用公式（9）、（10）、（11）、（12）和（13）尋得模型參數(shù)。

式中;θr和θs各為土壤的殘余的含水率及土壤的飽和含水率（L3L-3）;n和m為擬合的經(jīng)驗(yàn)參數(shù);h為土壤的負(fù)壓水頭（L）;Ks為土壤飽和的導(dǎo)水率（L3L-3）;l為孔隙連通性參數(shù)，此參數(shù)對(duì)南疆鹽漬化地區(qū)的土壤類型可取為0.5。在這當(dāng)中所用的棉田土壤的飽和導(dǎo)水率和VG模型參數(shù)α和β分別為0.043、0.045、0.450、0.027和1.393。下限條件設(shè)定為100 cm。上限條件指的是本地平均數(shù)據(jù)。使用Hydrus-2d軟件用于模擬水分在輕度鹽漬化土壤上的運(yùn)移（其原始數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果本文略）。

4 ?展望

在現(xiàn)實(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中， SPAC系統(tǒng)是一個(gè)不可分割的復(fù)雜整體。需要進(jìn)一步來研究南疆鹽漬化土壤中微生物的呼吸作用、水和肥料的揮發(fā)效應(yīng)、土壤中氮含量的監(jiān)測(cè)和遷移。結(jié)合棉花自身的因素，研究棉花在鹽漬化土壤中水氮遷移的機(jī)理并且建立水氮效應(yīng)的模擬模型;根據(jù)不同土壤的理化性質(zhì)結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件，做出相應(yīng)的模型，以便解決不同情況下，不同作物的水分遷移模型，節(jié)約灌溉用水，減少肥料對(duì)土壤的破壞，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] Owen PC. The relationsofgermination ofwheattowater potential[J]. Journal of Experimental Botany，1952（3）：188-203.

[2] Slatyer RO， TaylorSA. Terminology in plan-t and soi-l water relations[J]. Nature，1960（187）：922-924.

[3] Gardner W R. Dynamic aspects of water availability to plants[J]. SoilScience，1960（89）：63-73.

[4] Cowan I R. Transport of water in the soil-plant-atmosphere system[J]. Journal of Applied Ecology，1965（2）：221-239.

[5] Philip J R. Plant water relations： some physical aspects[J]. AnnualReview of Plant Physiology，1966（17）：245-268.

[6] DanielH. SPACE0：Amodified Soil-Plant-Atmosphere-Continu-um electro analog[J].Soil Science，1991，151（6）：199-404.

[7] Choudhury B J. Modeling the effects ofweather condition and soil wa-ter potential on canopy temperature of corn[J]. Agricultural Meteorolo-gy，1983（29）：169-182.

[8] Viliam Nov k. Evapotranspiration in the Soil-Plant-AtmosphereSystem[M].Germany Berlin： Springer- Verlag，2012：15-24.

[9] 楊啟良，張富倉，劉小剛，等. 植物水分傳輸過程中的調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，31（15）：4427-4436.

[10] 劉昌明，孫睿. 水循環(huán)的生態(tài)學(xué)方面：土壤-植物-大氣系統(tǒng)水分能量平衡研究進(jìn)展[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，1999，10（3）：251-259.

[11] 康紹忠. 土壤-植物-大氣連續(xù)體水分傳輸動(dòng)力學(xué)及其研究[J]. 力學(xué)與實(shí)踐，1993，15（1）：11-19.

[12] Gardner W R. Dynamic Aspects of Water Availability to Plants[J]. Soil Science，1960，89：63-73.

[13] Molz F J. Models of Water Transport in the Soil-plant-system： Areview[J]. Water Resources Research，1981（18）：1245-1268.

[14] 劉昌明. 土壤-作物-大氣界面水分過程與節(jié)水調(diào)控[M]. 北京：科學(xué)出版社，1999.

[15] 邵明安，樣文治，李玉山. 植物根系吸收土壤水分的數(shù)學(xué)模型[J]. 土壤學(xué)報(bào)，1987，24（4）：295-304.

[16] 康紹忠，劉曉明，熊運(yùn)章. 冬小麥根系吸水模式的研究[J]. 西北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1992，20（2）：5-12.

[17] 盧振民. 土壤-植物-大氣系統(tǒng)（SPAC）水流動(dòng)態(tài)模擬與分析[D]. 北京：中科院地理研究所，1989.

[18] 李保國，龔元石，左強(qiáng)，等. 農(nóng)田土壤水的動(dòng)態(tài)模型及應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2000.

[19] 田建斌，齊廣平. 玉米地埋式滴灌土壤水分遷移規(guī)律研究[J]. 甘肅農(nóng)業(yè)科技，2017（11）：7-11.

[20] 張宏，閆曉輝，何靈靈，等. 水鹽遷移模式及運(yùn)移機(jī)理研究進(jìn)展[J]. 內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，48（01）：106-111.

[21] 徐力剛，許加星，董磊，等. 土壤-植物 - 大氣界面中水分遷移過程及模擬研究進(jìn)展 [J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2013，31（01）：242-248.

[22] 孔令坤. 土體水分遷移試驗(yàn)及數(shù)值模擬[D]. 西安：長安大學(xué)，2009.

[23] 閆建文. 鹽漬化土壤玉米水氮遷移規(guī)律及高效利用研究[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[24] 高峰，胡繼超，賈紅. 農(nóng)田土壤水分測(cè)定與模擬研究進(jìn)展[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008（01）：11-15.

[25] Cote C.M， Bristow K.L.， Charlesworth P.B.， et al. Analysis of soil wetting and solute transport in subsurface trickle irrigation[J]. brig. Sci. 2013（22）：143-156.

[26] Li J.， Zhang J.， Rao M.Wetting patterns and nitrogen distributions as affected by fertigation strategies from a surface point sources[J]. Agricultural Water Management， 2014（67）：89-104.