棉花水分迁移模型的研究现状与展望

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　　摘  要：开展对土壤一棉花一大气系统（简称SCAC系统）土壤水动力学和水肥优化使用决策支持系统的研究，包含棉花水分迁移模型的研究意义和国内外研究现状及其计算方法，在此基础上对土壤-棉花-大气系统的相互作用过程以及棉花水分迁移模型模拟中存在的问题进行了展望。
　　关键词：土壤一棉花一大气系统;研究现状;计算方法;展望
　　中图分类号 S562 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2019）01-0082-03
　　随着我国工业化以及城市化进展的加速，有很多农业用水转变为非农业用水，即便农业用水比例下降，但其仍然在我国总用水量中占很大比重，农业用水短缺及用水浪费的问题依然很严峻。节约农业用水的目的是提高每单位使用水资源后的农业产出效率以及提高农作物对于土壤中水分的利用效率，即消耗每单位土壤中的含水量从而得到的经济产量。农作物通过根系从土壤中吸收水分来满足其生长发育的需要，土壤水分的动态转化过程被农作物根系吸水所影响，另外还有很多其他因素影响着水分的动态转化，如土壤灌溉、降水、水分渗漏等。
　　盐分的载体是水分，在农作物毛细管作用下，土壤中的盐分随水分向地表迁移，棉田水分蒸发，其中的盐残留在表层土壤，对85%以上的根系产生影响，从而影响农业生产。棉花根系的吸收作用影响土壤水分、盐分的迁移及分布，灌水量的大小会影响棉花产量，棉田土壤水分的状况及其变化决定了棉花对水分的吸收利用强度和难易程度，对棉花植株的生长发育及产量具有重要影响。因此，在南疆土地盐碱化的环境下，研究土壤一棉花一大气系统（简称SCAC系统）土壤水动力学和水肥优化使用决策支持系统，建立棉花水分迁移模型，计算棉花植株水分的吸收效率，进一步调节土壤水、盐和根系分布，控制盐分，提高水分利用效率，从定性到定量的研究不但符合当代精准农业发展的要求，也对南疆盐碱化地区大面积节水高产高效种植棉花具有重要意义。
　　1 棉花水分迁移模型的国内外研究现状
　　Stephen Hales在18世纪开始定量研究植被蒸腾问题以及土壤水分蒸发的难题。Vries和Pfeffer在19世纪提出了渗透压理论的概念。有学者在20世纪提出了水势的概念[1-2]。Gardner提出了土壤-植物-大气的水分运移系统，Cowan对其进行了概述与完善，他认为系统虽然在介质上有所不同，但在物理上却是一个连续的统一体系[3-4]。
　　1966年土壤水文物理家Philips经过对已有的研究理论做出总结，首次提出土壤-植物-大气连续体的概念，他认为在系统运动的各个过程中，水就像链环一样在其中帮助衔接的完美无缺，研究整个系统之中各过程能量水平的变化，应用“水势”这一能量单位进行统一，使其定量并可以计算出水分运动的能量[5]。土壤-棉花-大气连续体（Soil-Cotton-Atmosphere Continuum，SCAC）是将土壤、棉花、大气以及这三者之间的介面过程组成了一个完整的系统，在一定的自然条件下，对灌溉水分进行预报等[6-8]。对于土壤-植被-大气系统，我国有许多领域的科研人员都对其进行了研究，主要包括：干旱、半干旱的条件下SPAC系统进行内部的水热交换和能量平衡;SPAC系统中的水分传输阻力包括土壤-根系和植物-大气系统水分传输阻力，水分的蒸散问题等[9-11]。这个连续的过程使能量关系统一，更利于水分的运动转移以及能量的转化。SPAC系统这一概念的提出从微观角度为研究水循环这一过程指明了研究方向，还进一步说明了水文学与其他学科的联系。Gardner等早年间用数学物理法定量研究根系吸水[12]。Molz提出具有广泛的代表性和重要的参考价值的吸水函数[13]。Talor和Klepper强调了在根系吸水过程中根系空间分布的重要性。
　　邵明安等[14]曾用数学模拟的方法对植物根系吸收土壤水分進行研究，由于根系吸水函数较复杂，着重于土-根系统，导致其应用困难。康绍忠等建立了冬小麦根系吸水模型并对其根系吸水分布进行了动态模拟[15]。刘昌明对土壤-植物-大气连续体的水分运动的相关计算运用水均衡法和水动力学法进行了多方面的研究[16]。
　　卢振民等根据大量的田间实验数据，研究分析了SPAC水流运动，之后建立了较完整的SPAC水流运动的模型。该模型针对水流运动的主要部分，一方面囊括了气孔阻力的调节作用以及水流运动中土壤温度对其的影响，另一方面又包含普通的气象资料和土壤水分运动的相关参数，预测土壤-作物的水分运动状况[17]。
　　2 棉花水分迁移模型的计算方法
　　2.1 根吸水模块 思路上采用Pedersen提出的根系吸水模型与根长密度分布模型统一求解的方法。由于根系吸水模型中算法复杂，开发难度大，Richards方程解法上下边界粗糙，借鉴IRE（积分型Richards方程解法）算法，对模型进行改进，并通过试验和实例进行验证。试验时农田土壤含水率用取土烘干法进行测定。基于IRE的水分迁移模拟可以得到以下几点：由气象资料获得本地降雨以及灌溉信息，之后计算棉田径流量并由此得到其入渗量，通过CASCADE模型计算棉田土壤入渗量;与此同时，由气象资料得到的相关量计算基准蒸发蒸腾总量，并计算得到潜在蒸发量与潜在蒸腾量，由南疆的土壤条件及水文条件确定实际蒸发量与实际蒸腾量，应用IRE模型对棉田土壤含水率进行重新分布，再分配到每一层土中，进而计算每一层土的对应蒸发量及蒸腾量;同时考虑向上的毛细管流。
　　计算24h时间步长内的降雨量、潜在的蒸发量和蒸腾量的平均;上层土的净入流量可以通过计算降雨量和蒸发量的差值得到，若其潜在蒸发量小于降雨量，则上层土的净入流量为入渗量。若其降雨量小于潜在蒸发量，则上层土的净入流量即为蒸发量;基于假设农作物的根系吸水量与它的根长密度成比例，对潜在蒸腾量进行分配，分配到含根的土层中;根据土层中的含水量，对其上层土的实际蒸发量和含根土层中根吸水量分别进行计算;从下而上进行对土体的研究，使用模型对棉田土壤的含水率进行重新分布，其土层间的负压决定土层中水的运动方向。 　　2.2 实际入渗或蒸发 降雨量和灌溉量两者之和与潜在蒸发量的差值即为棉田土体表面潜在的流量。若降雨量和灌溉量两者之和大于潜在蒸发量，净入流量为入渗量。在给定时间步长的最大降雨入渗流量[ΔImaxcm/d]以下式决定：
　　[ΔImax=minθs-θiΔzΔt，RainΔt] （1）
　　式中：[Raincm/d]为每日降雨量，[Δtd]为时间步长。同时假设地表积水无，若潜在的入渗量大于[ΔImax]，则多余出来的水便会以径流的形式瞬间流失。给定时间步长下，若降雨量和灌溉量两者之和小于潜在蒸发量，上层土的实际蒸发量[ΔEactcm/d]以下式表达：
　　[ΔEact=minKhmin-hiΔz+1，EpotΔt] （2）
　　式中：[hmincm]为大气层能施加给上层土形成蒸发的最低压力，相关研究发现该值取[-26500cm]较为合适。
　　2.3 实际蒸腾 给定时间步长下，棉田中各含根土层中根吸水的总量即为作物的实际蒸腾量。根据现有的研究成果，实际蒸腾量[ΔTactcm/d]以下式计算：
　　[ΔTact=ΔSz=αhΔSmaxz，h] （3）
　　式中：[α]为根吸水率折减系数，[Smaxcm/d]为最大根吸水率，以下式计算：
　　[ΔSmaxz=LrzKcbΔET0Lrz] （4）
　　式中：[Lrz]为土层中的根长。
　　[α]的计算与相关文献的研究成果相似，若棉田中水负压值低于枯萎点[h3=-15000cm]，则根吸水过程停止;对快速蒸腾作用（蒸腾速率为[0.5cm/d]），土中水负压值处于[h1=-1cm]、[h2=-500cm]，负压对根吸水过程没有影响;对慢速蒸腾作用（蒸腾速率为[0.1cm/d]），土中水负压值处于[h1=-1cm]、[h2=-1100cm]时，负压对根吸水过程没有影响;在[h2]和[h3]之间，[α]与[h]大小成正比例;当负压值大于[h1=-1cm]时，因为其土层中缺氧则会导致根吸水过程的停止。具体计算公式如下：
　　[αh=0         h≤h3，h≥hh-h3h2-h3h3<h<h21         h2≤h<h1] （5）
　　2.4 IRE方法计算水土运动 用改进后的IRE方法来计算，由式[?θ?t=?wθ?z]可以进一步推导为如下：
　　[?θ?t=?w?z=??zKθ?h?z+1] （6）
　　对上式进行竖向积分得：
　　[ΔθiΔt=1ΔzWi+1-Wi=1ΔzKi+1Δhi+1，iΔz-KiΔhi，i-1Δz] （7）
　　式中：[i]为土层标号，[Wcm/d]为土层间流量，[Δθicm3/cm]为第[i]层土的平均含水率，[Δhi+1，icm]为第[i+1]层与第[i]层土中负压差值，[Δhi，i-1cm]为第[1]层以及第[i-1]层土中的负压差值。
　　3 棉花水分迁移模型的问题及展望
　　土壤-棉花-大气界面过程模拟经过专家多年的研究改进，形成了完整的系统性理论模型，为南疆棉花田间的水分调控以及节水农业环节提供了很好的依据。但在实际模拟工作当中还是存在各种缺陷，需要进一步加强和完善。
　　（1）土壤-棉花-大气系统与棉花下垫面存在多重复杂的关系，棉花对土壤利用方式的不同、当地降水空间上的不均衡以及植被的保护措施都会对下垫面造成不同程度的影响，因此如何解决这个问题仍需要进一步探究。
　　（2）SCAC模型当中面临的另一大困难是尺度转换的问题，水循环如何在宏观与微观上完美的衔接利用仍存在挑战，模型当中的参数和常用数據仍需要精确的数值，但实际中很难得到精确的数值，如何提高SCAC系统模拟的有效准确性仍是一个有待解决的问题。
　　（3）在以后的模型建造当中应该考虑到与当地水分、热量的模型进行耦合，最终在二、三维的中尺度当中进行扩充，构造一个良好的具有实际验证性的参数化方案，对南疆地域棉花的水分、碳含量和能量的循环进行定性、定量的考究。
　　针对SCAC模型运行当中所需参数以及经验常数难以获得的难点，其中关键点是如何建立简化模型，解决水分和能量交换过程中的关键因子，从而寻找到简洁合理描述地垫面水分、能量流动的过程的方案，高效利用所得的参数。借鉴其他各类的模型，最终构建出效果良好的土壤-棉花-大气系统模型，实现精准化和简单化，这也是未来的研究方向之一。
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