秸秆覆盖条件下土壤水热盐耦合运动规律模拟研究进展

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1、第11卷第3期水科学进展Vol111,No132000年9月ADVANCESINWATERSCIENCESep1,2000文章编号:100126791(2000)0320325208秸秆覆盖条件下土壤水热盐耦合X运动规律模拟研究进展李春友,任理,李保国(中国农业大学土壤和水科学系,北京100094)摘要:分别从等温和非等温水盐动态模拟以及覆盖边界层三个方面,以秸秆覆盖条件下土壤水、热、盐耦合运动规律模拟研究为重点,介绍了50年代以来土壤水热盐数学模拟的研究成果,并简要论述了有关模型的特点及今后的发展方向

2、。关键词:土壤水;盐分运移;水热动态;耦合模拟;秸秆覆盖中图分类号:P6411131;G353111文献标识码:A土壤水、热、盐的传输过程受一系列因素的影响,单凭实验难以揭示这一复杂过程的本质,利用建立的数学模型对土壤水、热、盐传输过程进行模拟研究,是了解各自运动规律的重要手段。另一方面,对于秸杆还田方式之一的秸秆覆盖,如何控制覆盖层对土壤水、热、盐运动的正负效应,需要深入了解秸杆覆盖与土壤水、热、盐运动的相互关系。近几十年来,土壤水、热、盐模型的研究得到了极大发展,其成果涉及水、汽、热、盐之间的部分相

3、互耦合作用,有关的上下边界条件处理和控制方程的数值解法及一定假设条件下的解析解等等。1等温条件下的水盐模拟研究盐分作为土壤环境中主要的化合物之一,与溶质运移的研究密不可分。自Warrick等(1971)把混合置换方程用于瞬态水流条件下的溶质运移问题以来,其数值模拟有了很大的发展,相继出现了各种等温条件下的从一维到三维的模型和模拟方法,其中盐分研究方面主要涉及一维垂直剖面土壤水盐动态的模拟(如:Warrick,1971;vanGenuchten,1982;Nielsen等,1986;X收稿日期:19992

4、02209;修订日期:1999205210基金项目:“九五”国家重点科技攻关项目(96200420121422)和中国科学院封丘农业生态实验室开放基金资助。作者简介:李春友(1967-),男,浙江江山人,中国农业大学土壤和水科学系博士生。主要从事水土资源环境的优化管理研究。326水科学进展第11卷Bresler,1986;刘亚平,1985①;李韵珠等②,1985;杨金忠,1986;张效先,1988;叶自桐,1990;王福利,1991),二维饱和-非饱和土壤水盐运动的研究(如:Neuman,1975;Ce

5、lia,1990;黄康乐,1988;左强,1993;任理,1997)。以上研究都以等温条件为假设前提,且多数只考虑水分的重力势和基质势、盐分的对流和弥散作用,而较少涉及水盐之间的其它相互作用,如盐分浓度梯度对水分运移的影响。实际上,盐分浓度对土壤水分运动有着重要的作用。Kemper等(1966)指出渗透势梯度对土壤水分运动有相当大的影响(Nassar,1989)。Qayyum等(1962)认为,在粘壤和砂壤的密封土柱中,当土壤含水量小于1ö2田间持水量水分时有指向含盐表层的扩散运动,当土壤含水量大于1ö

6、2田间持水量时存在粘滞流(Nassar,1989)。Nassar等(1989)通过室内密封土柱实验,提出在含盐土壤中溶质浓度梯度是土壤水分输运的驱动力之一,并基于粘滞流理论和水汽扩散理论建立了考虑包括溶质浓度梯度、水分梯度和温度梯度影响的水、汽传输模型,但未在野外和有作物生长的大田中进行应用和分析。杨劲松(1992)通过试验发现灌溉水的盐分浓度对土壤水力传导特性具有一定的影响,但未给出定量的表述。对作物根系吸水条件下的土壤水盐运动的研究(如:Cardon等,1992;李晓静,1989③;陈启生,1996

7、),大多数是在考虑溶质扩散作用和水分对流作用基础上加上根系吸水项,对根系吸盐作用模式化的研究不多。Vogel等(1996)认为根系吸水过程中所伴随的根系吸盐量为根系吸水量与根系吸收的土壤溶液浓度之乘积,但未给出根系吸收的土壤溶液浓度的确定方法。2非等温条件下的水盐模拟研究许多实验和模拟结果表明,在土壤水分运动的数学模拟中,忽略土壤水力性质的温度效应将产生较大的预测误差。因此,自50年代以来,非等温条件下的土壤水分运动方程受到重视和发展,其中主要是从土壤水力性质的温度效应入手。实验表明,土壤持水能力极大地

8、受到土壤温度的影响,水表面张力的温度效应是造成这种影响的主要原因之一。Miller等(1956)通过定量考虑与表面张力成比例的基质势的换算关系,使该机理构成粒状多孔介质中水分动态的表面张力2粘滞流理论的一部分(Nimmo等,1986)。Philip等(1957)首次提出了表述这一机理的方程:5h15R1()=()=C(1)5Th5TR式中T为温度;h为基质势;R为表面张力;C为随温度而变化的温度系数,常温范围内为-3-1-2109×10℃。