【摘要】：土壤斥水性(Soil water repellency,簡稱SWR)是一種廣泛存在的土壤物理性質(zhì),對土壤水分運(yùn)動產(chǎn)生較大影響。隨著近年來數(shù)值模擬被廣泛應(yīng)用于土壤水分運(yùn)動,研究斥水性土壤中水分運(yùn)動的數(shù)值模擬對全面了解斥水性土壤中水分運(yùn)動規(guī)律具有指導(dǎo)意義。本文結(jié)合不同情況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)合HYDRUS-1D模型,確定其初始和邊界條件,進(jìn)行了均質(zhì)和層狀斥水性土壤入滲、蒸發(fā)及遮雨棚下斥水土壤中夏玉米生長過程中根系吸水規(guī)律的數(shù)值模擬。模型模擬的效果評價采用相關(guān)系數(shù)(R~2)、相對均方根誤差(RRMSE)和納什效率系數(shù)(NSE)表達(dá)。對于室內(nèi)入滲和蒸發(fā)試驗(yàn),通過應(yīng)用RETC軟件對van-Genutchen土壤水分特征曲線進(jìn)行土壤水力參數(shù)擬合,結(jié)合實(shí)測土壤水力參數(shù)殘余含水率(θ_r)、飽和含水率(θ_s)和飽和導(dǎo)水率(K_s),對土壤水力參數(shù)α和n經(jīng)過率定和驗(yàn)證,進(jìn)而應(yīng)用HYDRUS-1D模型對均質(zhì)和層狀斥水性土壤入滲、蒸發(fā)過程水分運(yùn)動進(jìn)行了模擬。遮雨棚下斥水土壤中夏玉米種植試驗(yàn)共5個處理(CK、WR1、WR2、WR3和WR4),斥水級別為親水和輕微斥水,生育期內(nèi)LAI與積溫的關(guān)系通過高斯三參數(shù)方程進(jìn)行擬合,根據(jù)LAI將Penman-Monteith計(jì)算的騰發(fā)量劃分為蒸發(fā)量和蒸騰量。應(yīng)用HYDRUS-1D根據(jù)實(shí)測的2016年含水率對土壤水力參數(shù)進(jìn)行反算,得到K_s、α和n,結(jié)合實(shí)測的θ_r和θ_s,應(yīng)用2017年的實(shí)測含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)的驗(yàn)證。最后對試驗(yàn)中較難直接觀測的不同剖面的逐日含水率變化值以及根系吸水量進(jìn)行了模擬。論文得出了以下主要結(jié)論:(1)應(yīng)用HYDRUS-1D模擬親水、輕微斥水和強(qiáng)度斥水級別的不同質(zhì)地土壤水平吸滲和垂直入滲過程的水分運(yùn)動過程模擬效果整體較好。對于親水土壤,RRMSE、R~2和NSE的變化范圍分別為2.2%-16.6%、0.93-0.999和0.783-0.998;對于輕微斥水土壤,RRMSE、R~2和NSE的變化范圍分別為1.5%-11.7%、0.942-0.996和0.796-0.996;對于強(qiáng)斥水土壤,RRMSE、R~2和NSE的變化范圍分別為8.4%-21.1%、0.876-0.99和0.774-0.989。對于同一土壤,隨著斥水性的增加,模擬的效果有所降低,但是整體模擬效果較好,肯定了HYDRUS-1D在斥水性土壤水分運(yùn)動模擬中的適用性。積水高度分別為4cm、6cm、8cm和10cm條件下,強(qiáng)度斥水土壤的預(yù)測模擬結(jié)果清晰地揭示了累積入滲量、濕潤鋒和剖面含水率隨入滲時間的變化規(guī)律,為進(jìn)一步研究不同質(zhì)地、不同斥水性土壤中水分運(yùn)動以及溶質(zhì)運(yùn)移等提供依據(jù)。(2)基于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐寥浪?shù)率定和驗(yàn)證,應(yīng)用HYDRUS-1D對層狀斥水性土壤積水入滲過程中的土壤水分運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬。層狀土壤分別為親水、輕微斥水、強(qiáng)度斥水和嚴(yán)重斥水X土以及親水砂土,有X土夾砂土和砂土夾X土兩個層狀土壤試驗(yàn)處理。親水土壤的夾層位置分別為5cm、10cm和20cm,斥水性土壤的夾層位置均為5cm。對于X夾砂情況,模擬的累積入滲量、濕潤鋒和剖面含水率的R~2變化范圍分別為0.912-0.999、0.951-0.999和0.940-0.993;對于砂夾X情況,累積入滲量、濕潤鋒和剖面含水率的實(shí)測值與模擬值R~2變化范圍分別為0.957-0.999、0.976-0.999和0.952-0.999。對于斥水性X土夾砂土以及砂土夾X土中夾層位置為10和20cm的情景,進(jìn)行水分入滲過程的預(yù)測。不同斥水級別層狀土壤水分運(yùn)動過程的模擬結(jié)果顯示,斥水性夾層土壤滯水造成水分回填從而降低水分入滲速率,很大程度影響水分運(yùn)動過程,尤其是對X土夾砂土情景,當(dāng)夾層位置為10cm時,土壤斥水性對水分運(yùn)動過程的影響最為顯著。對于砂土夾親水X土處理,夾層位置為10cm對水分運(yùn)動影響最大;對于砂土夾斥水(輕微、強(qiáng)度和嚴(yán)重斥水)X土,夾層位置為5cm對水分運(yùn)動影響最大。土壤斥水性對水分運(yùn)動的影響比夾層位置更為明顯,尤其是砂土夾X土情景的試驗(yàn)處理,當(dāng)夾層X土的斥水性由親水增加到嚴(yán)重斥水,各個處理上層和夾層的水分變化不大,但是下層土壤的含水率顯著降低。綜上,HYDRUS-1D為研究斥水性層狀土壤水分運(yùn)動規(guī)律提供了有力的幫助。(3)對均質(zhì)斥水性X土、砂土和鹽堿土蒸發(fā)過程中的水分運(yùn)動過程進(jìn)行了模擬,斥水級別分別為親水、輕微斥水和強(qiáng)度斥水。對于X土和鹽堿土,累積蒸發(fā)量隨著斥水級別的增加呈現(xiàn)明顯減小的規(guī)律,砂土無明顯規(guī)律。R~2、RRMSE和NSE值一致表明均質(zhì)斥水性土壤蒸發(fā)率的模擬效果與累積蒸發(fā)量和含水率的模擬效果相比稍差。層狀斥水性土壤蒸發(fā)試驗(yàn)處理與層狀斥水性土壤入滲試驗(yàn)處理相同。對于親水性層狀土蒸發(fā)試驗(yàn),累積蒸發(fā)量隨著夾層位置的增加呈現(xiàn)顯著上升的趨勢。不同斥水級別的X土夾砂土的累積蒸發(fā)量隨斥水級別的增加呈現(xiàn)下降的趨勢。X土夾砂土的試驗(yàn)處理中,蒸發(fā)率的模擬效果較好。對于親水性砂土夾X土,累積蒸發(fā)量隨著夾層位置的增加而增加,但是在砂土夾斥水性X土試驗(yàn)中,累積蒸發(fā)量無明顯規(guī)律,模擬效果較其他蒸發(fā)試驗(yàn)的稍差。通常HYDRUS-1D在斥水性土壤蒸發(fā)過程水分運(yùn)動規(guī)律的模擬中具有一定的適用性。(4)遮雨棚下斥水性土壤中夏玉米生長情況下,在參數(shù)驗(yàn)證階段,模擬5個試驗(yàn)處理含水率的R~2大于0.91,RRMSE小于19.4%,NSE大于0.95。對于2016年試驗(yàn),模擬CK、WR1、WR2、WR3和WR4試驗(yàn)處理的蒸散量(ET_a)的R~2分別是0.82、0.86、0.87、0.74和0.73;對于2017年試驗(yàn),CK、WR1、WR2、WR3和WR4試驗(yàn)處理的ET_a的R~2分別是0.81、0.74、0.71、0.72和0.66,土壤表層0.5cm處逐日含水率的模擬R~2大于0.65。因此,HYDRUS-1D的模擬效果整體較好。兩年度5個試驗(yàn)處理的根系吸水模擬結(jié)果表明,逐日根系吸水在生長旺盛時期即播后50天左右達(dá)到峰值,尤其是2016年。根系吸水用來維持夏玉米生長,斥水性土壤中的根系吸水值要比親水土壤中小。隨著初始WDPT值的增加,根系吸水呈現(xiàn)明顯下降的趨勢。較弱的根系吸水對夏玉米的長勢以及產(chǎn)量產(chǎn)生較大的影響,兩年度4個斥水土壤處理的根系吸水較弱,土壤蒸發(fā)較強(qiáng),夏玉米可吸收的土壤水分很少,因此斥水土壤中夏玉米的生長受到抑制。
【圖文】：

蒸發(fā)運(yùn)動的規(guī)律；4）遮雨棚控水條件下玉米生長過程中土壤水分運(yùn)動過程的數(shù)值模擬。斥夏玉米試驗(yàn)分 2016 和 2017 兩年度，試驗(yàn)土樣為X土，斥水等級為親水根據(jù)初始 WDPT 值分為 5 個試驗(yàn)處理。選用 2016 年試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行夏玉系吸水模擬土壤水力參數(shù)的率定，，選用 2017 年試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤水力參出兩年度夏玉米生長過程中根系吸水量，揭示斥水性土壤中夏玉米產(chǎn)量因。 技術(shù)路線文旨在研究斥水性土壤中水分運(yùn)動規(guī)律的數(shù)值模擬。首先應(yīng)用 HYDRU平和垂直方向均質(zhì)斥水性土壤中水分入滲運(yùn)動進(jìn)行模擬，以確定 HYDR性土壤的適用性；然后對層狀斥水性土壤水分入滲過程、均質(zhì)斥水性土層狀斥水性土壤蒸發(fā)過程進(jìn)行模擬，全面揭示室內(nèi)斥水性土壤水分入滲律，進(jìn)而進(jìn)行遮雨棚下斥水性土壤中夏玉米種植試驗(yàn)根系吸水模擬，揭造成作物減產(chǎn)可能的原因。本論文的研究思路如圖 1-1 所示。

土樣（g kg-1）i（s）（g kg-1）i（s）（g kg-1）（s）水平方向X土 0.00 2.2 0.40 24 0.67 33砂土 0.00 0.9 0.40 7 0.67 11砂漿黑土 0.00 1.5 0.40 14 0.67 36鹽堿土 0.00 3.2 0.40 41 0.67 85垂直方向X土 0.00 3.1 0.40 32 0.67 31砂土 0.00 0.5 0.40 9 0.67 13砂漿黑土 0.00 2.2 0.40 18 0.67 35鹽堿土 0.00 4.0 0.40 27 0.67 10采用離心機(jī)測定親水、輕微斥水和強(qiáng)度斥水的X土、砂土、砂漿黑土和鹽堿土的水分特性曲線，測定結(jié)果見圖 2-1。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S152.7

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本文編號：2667353