于晗

摘 要：作物生長發(fā)育過程中所需的水分主要來源于根系吸收土壤中的水分，所以土壤中水分的運(yùn)移和分布能夠直接影響作物對水分的利用率。另外，作物生長發(fā)育所需要的鹽分也主要通過土壤水進(jìn)行運(yùn)輸，所以農(nóng)業(yè)灌水的合理施用是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的重要一環(huán)。在生態(tài)水文學(xué)四水GSPAC（地下水-土壤水-植物水-大氣水連續(xù)體）中，土壤水在其中發(fā)揮著承上啟下的作用，連接著地下水、植物水、大氣水。因此，對土壤水分運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，不僅可以揭示生態(tài)水文學(xué)的本質(zhì)，還能對作物生長發(fā)育所需灌水量提供科學(xué)參考，對科學(xué)管理水肥，優(yōu)化水分利用效率、提高作物產(chǎn)量、節(jié)約水資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：土壤水分運(yùn)移;模擬;模型

中圖分類號 S-1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）02-0108-03

Abstract： The water needed during the growth and development of crops mainly comes from the roots absorbing water in the soil. Therefore， the movement and distribution of water in the soil can directly affect the water use efficiency of crops. In addition， the salt required for growth and development of crops is also Transportation is mainly through soil water， so the rational application of agricultural irrigation is an important part of the agricultural field. In the GSPAC （groundwater-soil water-plant water-atmospheric water continuum） of the four waters of ecological hydrology， soil water plays a role as a link between groundwater， plant water and atmospheric water. Therefore， the study of soil water transport law can not only reveal the nature of eco-hydrology， but also provide scientific reference for the amount of irrigation needed for crop growth and development， which is of great significance for scientific management of water and fertilizer， optimization of water use efficiency， improvement of crop yield， conservation of water resources and protection of ecological environment.

Key words： Soil water transport; Simulation; Model

水資源的合理利用已經(jīng)成為當(dāng)今世界廣泛關(guān)注的問題，根據(jù)聯(lián)合國水資源調(diào)查報(bào)告分析可以得出：地球表層雖然有71%的面積被水覆蓋，但除去地球兩極冰山，人類容易利用的淡水資源只是地球總量的0.2%。隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)用水量已經(jīng)排在所有行業(yè)用水量的前列，但是水資源的匱乏又讓節(jié)水工作刻不容緩，在發(fā)達(dá)國家，經(jīng)過四五十年的探索，農(nóng)業(yè)灌溉水的利用率可以高達(dá)70%以上，并且可以利用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化灌溉。我國對農(nóng)業(yè)節(jié)水工作也是非常的重視，在《國家農(nóng)業(yè)節(jié)水綱要（2012—2020）》中就指出我國農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力很大，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水，在農(nóng)業(yè)用水量基本穩(wěn)定的同時(shí)擴(kuò)大灌溉面積、提高灌溉保證率，是促進(jìn)水資源可持續(xù)利用、保障國家糧食安全、加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的重要舉措[1]。多年來，我國采用了滴灌、噴灌、微灌等多種利于節(jié)水的農(nóng)業(yè)灌溉措施，大幅度推動(dòng)了我國農(nóng)業(yè)節(jié)水的進(jìn)度。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

土壤水是指地表面以下至地下水面（潛水面）以上土壤層中的水分，是土壤孔隙中的水分，包括存在于非飽和帶土壤孔隙中和為土壤顆粒所吸附的水分，和土壤混合[2]。在探究水分運(yùn)移規(guī)律的過程中，國內(nèi)外學(xué)者逐漸認(rèn)識到土壤水是整個(gè)水體循環(huán)中非常重要的一部分，由于田間試驗(yàn)受自然條件制約，觀測工作量大，獲取的數(shù)據(jù)缺少系統(tǒng)性，無法詳細(xì)精確的反映土壤水分運(yùn)移變化過程，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們開始研究土壤水分運(yùn)移模型，模型通常以計(jì)算機(jī)程序?yàn)檩d體，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，利用數(shù)學(xué)模型來分析土壤中水分的運(yùn)移和轉(zhuǎn)化過程。利用模型不僅可以減小工作量，還能詳細(xì)反映土壤水分變化的過程。國內(nèi)外學(xué)者利用模型結(jié)合大田實(shí)驗(yàn)研究了土壤水的運(yùn)移規(guī)律，有效推動(dòng)了土壤水分運(yùn)移模型的發(fā)展。牛赟等利用田間長期定位觀測數(shù)據(jù)建立了大氣降水、土壤水、地下水三者之間的回歸模型，指出了土壤水與大氣降水和地下水三者之間的相關(guān)性[3];吳普特等根據(jù)非飽和土壤水動(dòng)力學(xué)理論和多點(diǎn)源滴灌條件下土壤水分運(yùn)動(dòng)特征，建立了多點(diǎn)源滴灌條件下土壤水分運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，并用Hydrus軟件對模型進(jìn)行了求解[4]。馮江等在滴灌試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對不同土壤水分模型進(jìn)行了介紹，比較了不同模型之間的差異，表明不同地區(qū)的不同適用模型[5]。周宏等通過研究干旱區(qū)土壤與大氣界面以及包氣帶與飽和帶界面水、汽、熱耦合轉(zhuǎn)化形式與能量驅(qū)動(dòng)過程，揭示了包氣帶土壤水分運(yùn)移形態(tài)與能量和驅(qū)動(dòng)力之間耦合關(guān)系[6]。Van Dam等總結(jié)了SWAP的主要特點(diǎn)，描述了SWAP模型的發(fā)展，包括Richards方程的數(shù)值解、大孔隙流、蒸發(fā)蒸騰和與地下水的相互作用并指出未來5～10年SWAP這樣的獨(dú)立和垂直導(dǎo)向的農(nóng)業(yè)水文模型將繼續(xù)對研究和教育具有重要意義[7]。Davie M等利用HYDRUS-2D模擬沙質(zhì)土壤水分和養(yǎng)分運(yùn)動(dòng)，說明了該模型對土壤水分和溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)的實(shí)測值和模擬值具有較好的一致性[8]。土壤水分運(yùn)移規(guī)律的研究逐漸發(fā)展為一門成熟的學(xué)科。本文通過探究土壤水分運(yùn)移模擬的發(fā)展進(jìn)程，以期對我國土壤水分研究和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供參考。

2 土壤水分運(yùn)移理論的發(fā)展

自1856年達(dá)西定律提出后，達(dá)西定律就成為土壤水分運(yùn)移研究的基礎(chǔ)定律，隨后大量學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行建模。之后基于達(dá)西定律和質(zhì)量守恒定律的Richards方程被廣泛應(yīng)用于飽和-非飽和帶水分?jǐn)?shù)值模擬，其中最具代表性的是 HYDRUS模型和SWAP模型。Green和Ampt提出以毛管為基礎(chǔ)的入滲原理，隨后Green-Ampt入滲模型成為研究土壤入滲機(jī)制的強(qiáng)有力工具。土壤水運(yùn)動(dòng)研究在20世紀(jì)50年代以前廣泛采用毛管理論，把非飽和土壤中水分運(yùn)動(dòng)看作是水分在均一或孔徑不同的毛管中的運(yùn)動(dòng)，毛管理論只能解決邊界條件簡單的一維問題，不能分析土壤剖面層面上的問題[9]。澳大利亞著名土壤水文學(xué)家Philip（1966）提出了SPAC（Soil-Plant-Atmosphere Continuum）系統(tǒng)概念，其中第一層就是土壤層[10]，這也說明了土壤水在整個(gè)水文循環(huán)中所占據(jù)的重要作用。后來，有學(xué)者提出GSPAC（Ground Water-Soil-Plant-Atmosphere Continuum）系統(tǒng)的概念，這一概念中加入了地表水，充分考慮了地表水與SPAC系統(tǒng)的關(guān)系，而土壤水也成了聯(lián)系地表水與植被的關(guān)鍵一環(huán)，在整個(gè)系統(tǒng)的水循環(huán)中起著重要作用。

3 土壤水分運(yùn)移模型

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬應(yīng)運(yùn)而生，使用作物生長模擬模型已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究中重要的輔助手段之一，對土壤水分的運(yùn)移的研究逐漸不再局限于田間觀測，將田間觀測得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入特定的能模擬土壤水分運(yùn)移的模型中便能更詳細(xì)精確地模擬作物的生理過程。由于水資源的緊缺，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的節(jié)水問題越來越受到重視，以節(jié)水為出發(fā)點(diǎn)，以土壤水運(yùn)移為研究目的的模型應(yīng)運(yùn)而生，近些年比較有影響力的研究土壤水分運(yùn)移的模型有HYDRUS、SWAP、AquaCrop、WAVES、SWAT等。

3.1 HYDRUS模型 美國鹽土實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的HYDRUS模型是一款模擬變量飽和多孔介質(zhì)下的水、熱和多溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)的有限元計(jì)算模型。其中一維HYDRUS模型可以模擬非飽和土壤水的一維垂向運(yùn)動(dòng)形式，應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，并把根系的吸水和生長以及二氧化碳的影響考慮在內(nèi)。二維HYDRUS模型中的水分運(yùn)動(dòng)采用Richard方程作為基礎(chǔ)方程，還可通過其他模塊對土壤水鹽的運(yùn)移進(jìn)行反演。三維HYDRUS模型擁有強(qiáng)大的計(jì)算能力，其生成的模擬結(jié)果可以真實(shí)形象地反映水和溶質(zhì)的滲透運(yùn)移過程。HYDRUS模型中還有許多附加模塊，如UNSATCHEM模塊模擬變飽和多孔介質(zhì)中主要離子的運(yùn)移（如鈣、鎂、鈉、鉀、SO4、Cl等），包括主要離子平衡和非平衡化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué);Dual Perm模塊可以用于模擬雙滲透多孔介質(zhì)中二維可變飽和水運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移，即優(yōu)先和非平衡水分和溶質(zhì)運(yùn)移。該模型還擁有友好的用戶界面以滿足參數(shù)配置、問題執(zhí)行和結(jié)果輸出的可視化，非常便于推廣，被廣泛應(yīng)用于土壤水分和溶質(zhì)運(yùn)移的模擬研究。對不同鹽堿度下的土壤水鹽運(yùn)移動(dòng)態(tài)模擬精度較高，對土壤水分的分布和運(yùn)動(dòng)具有較強(qiáng)的計(jì)算和評價(jià)能力，具有通用性強(qiáng)，適用性廣等優(yōu)點(diǎn)[11]。被廣泛應(yīng)用于世界各地合理灌溉、合理施肥、和生態(tài)環(huán)保等問題的研究中。

3.2 SWAP模型 瓦赫寧根大學(xué)研制開發(fā)的SWAP （Soil-Water-Atmosphere-Plant）是一個(gè)用于模擬包氣帶中水分、溶質(zhì)和熱量的運(yùn)輸與植被發(fā)育的相互作用的模型，SWAP將Richards方程應(yīng)用于非飽和-飽和區(qū)域，模型中選擇的數(shù)值格式以精確的質(zhì)量平衡求解一維Richards方程，并快速收斂，該方法與上邊界法相結(jié)合，能較準(zhǔn)確地處理干土入滲過程中土壤水分的快速運(yùn)動(dòng)。SWAP的核心是由多孔介質(zhì)（土壤）中來描述非飽和土壤中的水分運(yùn)動(dòng)，模型的上下邊界分別位于植物冠層之上和地下水飽和層之上。除了一般的基質(zhì)流動(dòng)，SWAP還考慮大孔隙中的流動(dòng)，這可能發(fā)生在粘土和泥炭土壤中。對于更詳細(xì)的溶質(zhì)運(yùn)移研究，SWAP可以與專門的化學(xué)運(yùn)移模型結(jié)合使用，如農(nóng)藥的PEARL模型和氮的Soil-N或ANIMO模型。SWAP可以通過土壤表面的輸入正弦函數(shù)和土壤熱擴(kuò)散系數(shù)來解析模擬土壤溫度。SWAP數(shù)值方法考慮了土壤濕度對土壤熱容和土壤導(dǎo)熱系數(shù)的影響，頂部邊界條件可以包括空氣溫度或土壤表面溫度SWAP模擬土壤的熱流，考慮了實(shí)際的熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。土壤水分、熱量和溶質(zhì)模塊在每個(gè)時(shí)間步驟交換狀態(tài)信息，以說明它們的相互作用。作物的生長受到天氣、土壤水分和鹽分等實(shí)際條件的影響。SWAP模型綜合考慮了自然大氣環(huán)境和地下水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化，在國內(nèi)外干旱、半干旱地區(qū)得到廣泛應(yīng)用[12]。

3.3 AquaCrop模型 國際糧農(nóng)組織開發(fā)的AquaCrop模型是一款作物生長模型，該模型以水分驅(qū)動(dòng)為主，模擬產(chǎn)量對水的響應(yīng)，可以模擬不同生物物理和管理?xiàng)l件下作物的水分限制產(chǎn)量，作物的產(chǎn)量主要由可提供的土壤水分的多少來決定。此模型考慮了水分脅迫、氣溫脅迫、土壤鹽分脅迫、礦物養(yǎng)分脅迫對植被冠層生長狀況的影響，和其他模型相比，AquaCrop模型整體由四大模塊組成：土壤水分平衡模塊、作物生長模塊、氣候模塊和管理模塊，它只需要比其他模型更少的輸入，就可以輸出作物的生物量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，在簡易性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性三者之間達(dá)到了很好的平衡。AquaCrop模型最大的特點(diǎn)就是使用了冠層覆蓋率作為其輸入?yún)?shù)之一，使用冠層覆蓋率可以最大限度減少葉面積指數(shù)的誤差，模型中還考慮了水分脅迫、氣溫脅迫、土壤鹽分脅迫、養(yǎng)分脅迫對植被冠層的影響，并根據(jù)植被所受脅迫和種類的不同來調(diào)整觀測覆蓋率，另外大田試驗(yàn)中的充分灌溉、虧缺灌溉和降雨的情況在模型中也有體現(xiàn)。

3.4 WAVES模型 WAVES（Water Vegetation Energy and Solute）模型是澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織水土資源研究所開發(fā)的生態(tài)水文模型，WAVES模型可以動(dòng)態(tài)模擬土壤水的垂直方向分配和蒸散發(fā)過程，該模型以每日時(shí)間為步長模擬土壤-植物-大氣連續(xù)體中水、能量、溶質(zhì)的動(dòng)態(tài)輸移過程，適用于研究土地利用及氣候變化對水文過程的影響[13]。在作物水分利用效率，土地變化對土壤水的影響等大田試驗(yàn)中，WAVES模型已經(jīng)能進(jìn)行精確模擬，為農(nóng)業(yè)節(jié)水提供依據(jù)。

3.5 SWAT模型 SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型，是由美國農(nóng)業(yè)部（USDA）農(nóng)業(yè)研究中心（ARS，Agricultural Research Service）的Jeff Aronld博士于1994年研發(fā)的一款主要適用于流域尺度較大、流域數(shù)量較多的分布式水文模型[14]。SWAT模型的3個(gè)子模型分別為水文過程模型、土壤侵蝕模型和污染負(fù)荷模型，水文過程模型又包括水文循環(huán)陸地階段和水文循環(huán)演算，其中水文過程模型中的水文循環(huán)陸地部分有水文、氣候、土地利用/植被生長、侵蝕、營養(yǎng)物質(zhì)、土壤溫度等部分組成，其中水文循環(huán)演算又包含主河道中的演算、水庫演算，同時(shí)模型還設(shè)置了積融雪模塊，SWAT模型有著強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以同時(shí)計(jì)算數(shù)百個(gè)子流域。

4 結(jié)語

土壤水在自然界水循環(huán)中占據(jù)著重要位置，也一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。其飽和-非飽和帶不僅是農(nóng)業(yè)水文過程的重要環(huán)節(jié)，更是整個(gè)生態(tài)水文學(xué)中的重要過程。運(yùn)用計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行模擬能更直觀的表示出土壤水運(yùn)移的規(guī)律，并且具有更精確、更省時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，對土壤水分運(yùn)移的模擬研究不僅能夠揭示自然界中水循環(huán)的規(guī)律，還能為作物生產(chǎn)工作中的合理用水問題提供理論依據(jù)。在以后的研究中，數(shù)值模擬方法將會(huì)在科學(xué)的理論指導(dǎo)下提供更精確的結(jié)果，土壤水分運(yùn)移模型在國內(nèi)外學(xué)者的不斷探索過程得到了長足發(fā)展，擁有巨大的應(yīng)用前景。如果在未來的模型研究中能參考AquaCrop模型將植物蒸騰和土壤蒸發(fā)作為獨(dú)立模塊，將對制定合理灌溉方案，節(jié)約農(nóng)田用水，有著十分重要的意義，如果土壤水分運(yùn)移模型能更多的與農(nóng)藥施用、病蟲害防治等決策知識相結(jié)合，建立更加完善的耦合模型，將會(huì)給實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來更大的便利。

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