基于双孔隙模型研究刺槐林地和苹果地水量平衡要素的差异性.pdf
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1、第3 0卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持研究R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 0,N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 7-1 5 修回日期:2 0 2 2-0 8-0 2 资助项目:中国科学院战略性先导专项(B类)课题(X D B 4 0 0 0 0 0 0 0);中国科学院战略性先导科技专项课题(X D B 2 0 0 2 0 2 0 2)第一作者:郭天崎(1 9 9 8),女,山西忻州人,硕士研究生,主要从事土壤物理研究。E-m a i l:
2、g u o t q 2 7 91 6 3.c o m 通信作者:黄明斌(1 9 6 8),男,湖北荆门人,研究员,主要从事生态水文和土壤物理方面研究。E-m a i l:h m b d n w s u a f.e d u.c nh t t p:s t b c y j.p a p e r o n c e.o r gD O I:1 0.1 3 8 6 9/j.c n k i.r s w c.2 0 2 3.0 5.0 1 7.郭天崎,黄明斌,朱谧远,等.基于双孔隙模型研究刺槐林地和苹果地水量平衡要素的差异性J.水土保持研究,2 0 2 3,3 0(5):1 3 8-1 4 5.GUOT i a n
3、 q i,HUAN G M i n g b i n,Z HU M i y u a n,e ta l.S t u d yo nt h eD i f f e r e n c eo fW a t e rB a l a n c eB e t w e e nR o b i n i aP s e u d o a c a c i aF o r e s t l a n da n dA p p l eO r c h a r dB a s e do nD u a l-P o r o s i t yM o d e lJ.R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s
4、e r v a t i o n,2 0 2 3,3 0(5):1 3 8-1 4 5.基于双孔隙模型研究刺槐林地和苹果地水量平衡要素的差异性郭天崎1,黄明斌2,朱谧远1,张 锐1(1.西北农林科技大学 资源环境学院,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0;2.西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0)摘 要:目的 明晰刺槐林地和苹果园水量平衡要素的动态变化和差异,可为生态可持续发展提供理论指导。方法 利用H y d r u s-1 D中的双孔隙模型和标定的参数模拟了2 0 1 22 0 2 1年刺槐林地和苹果地的水量平衡各要素的动态变化
5、过程。结果 优化期和验证期H y d r u s-1 D中双孔模型的R2分别为0.6 1,0.7 6,RM S E分别为0.0 2 6,0.0 4 8c m3/c m3,模拟期水量平衡误差分别为0.1 8%和0.0 4%;刺槐林地与苹果地的蒸腾量分别为(3 7 27 0)mm和(3 2 03 4)mm,蒸发量为(2 5 6 4 4)mm和(2 8 8 3 6)mm,土壤储水量变化量为(-0.6 1 9 6)mm和(-3.2 68 7)mm,深层渗漏量为(3 44 5)mm和(5 94 8)mm。结论 该模型可以较好地模拟刺槐林地和苹果地的水量平衡要素的动态变化;相比于与苹果地,刺槐林地的蒸腾量
6、偏大,蒸发量和深层渗漏量偏小,S的波动更为明显。关键词:土地利用方式;双孔模型;再分布过程;土壤剖面水分含量;水量平衡中图分类号:S 1 5 2.5;S 1 6 1.4 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 5-3 4 0 9(2 0 2 3)0 5-0 1 3 8-0 8S t u d yo nt h eD i f f e r e n c eo fW a t e rB a l a n c eB e t w e e nR o b i n i aP s e u d o a c a c i aF o r e s t l a n da n dA p p l eO r c h a r dB a s e
7、 do nD u a l-P o r o s i t yM o d e lGUOT i a n q i1,HUANG M i n g b i n2,Z HU M i y u a n1,Z HANGR u i1(1.C o l l e g eo fN a t u r a lR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t,N o r t h w e s tA&FU n i v e r s i t y,Y a n g l i n g,S h a a n x i7 1 2 1 0 0,C h i n a;2.S t a t eK e yL a b o r a t
8、 o r yo fS o i lE r o s i o na n dD r y l a n dF a r m i n go nt h eL o e s sP l a t e a u,I n s t i t u t eo fS o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,N o r t h w e s tA&FU n i v e r s i t y,Y a n g l i n g,S h a a n x i7 1 2 1 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eT h es t u d ya i m
9、st oc l a r i f yt h ed y n a m i cc h a n g e sa n dd i f f e r e n c e si n w a t e rb a l a n c ee l e m e n t sb e t w e e nR o b i n i ap s e u d o a c a c i aw o o d l a n da n da p p l eo r c h a r d,a n d t op r o v i d e t h e o r e t i c a l g u i d a n c e f o re c o l o g i c a l s u s t
10、 a i n a b l ed e v e l o p m e n t.M e t h o d sT h i s s t u d yu s e d t h e d u a l p o r em o d e l a n d c a l i b r a t e dp a r a m e t e r s i nH y-d r a s-1 Dt os i m u l a t e t h ed y n a m i cc h a n g e so fv a r i o u se l e m e n t so fw a t e rb a l a n c e i nR o b i n i ap s e u d
11、 o a c a c i aw o o d-l a n da n da p p l eo r c h a r df r o m2 0 1 2t o2 0 2 1.R e s u l t sT h eR2a n dRM S Eo f t h e t w oh o l em o d e l i n t h eo p t i m i-z a t i o na n dv a l i d a t i o np e r i o d so fH y d r a s-1 Dw e r e0.6 1a n d0.7 6,r e s p e c t i v e l y,a n d0.0 2 6a n d0.0 4
12、 8c m3/c m3,r e s p e c t i v e l y.T h ew a t e rb a l a n c e e r r o r s i n t h e s i m u l a t i o np e r i o dw e r e 0.1 8%a n d 0.0 4%,r e s p e c t i v e l y;T h e t r a n s p i-r a t i o no fR o b i n i ap s e u d o a c a c i af o r e s t l a n da n da p p l eo r c h a r dw e r e(3 7 27 0)
13、mma n d(3 2 03 4)mm,r e s p e c t i v e l y,a n d t h e e v a p o r a t i o nw a s(2 5 64 4)mma n d(2 8 83 6)mm.V a r i a t i o no f s o i lw a t e r s t o r a g ew a s(-0.6 1 9 6)mma n d(-3.2 6 8 7)mm,a n dd e e pl e a k a g ew a s(3 44 5)mma n d(5 94 8)mm.C o n c l u s i o nT h em o d e l c a nb e
14、 t t e r s i m u l a t e t h ed y n a m i c c h a n g e so fw a t e rb a l a n c ee l e m e n t s i nR o b i n i ap s e u d o a c a c i aw o o d-l a n da n da p p l eo r c h a r d.C o m p a r e dw i t ha p p l e f i e l d s,R o b i n i ap s e u d o a c a c i af o r e s th a sa l a r g e r t r a n s
15、p i r a t i o n,as m a l l e re v a p o r a t i o na n dd e e p e r l e a k a g e,a n dam o r es i g n i f i c a n t f l u c t u a t i o n i ns o i lw a t e rs t o r a g e.K e y w o r d s:l a n du s e t y p e;d u a l-p o r o s i t ym o d e l;r e d i s t r i b u t i o np r o c e s s;s o i lw a t e rc
16、 o n t e n t;w a t e rb a l a n c e 干旱和半干旱的黄土高原地区植被覆盖度低,水土固持能力差1。为了保持水土、改善生态环境,2 0世纪9 0年代实施了“退耕还林(草)”2的治理措施,导致人工刺槐林和苹果园种植面积大幅度增加3-4。然而,二者均为深根系、高耗水植物5-6,强烈的蒸腾作用会过量消耗深层土壤储水量,导致土壤干燥化,恶化土壤水分生态环境,造成土壤环境恶化,最终引起植被退化7-1 2。因此,明晰人工刺槐林和苹果园耗水强度和水量平衡各要素的动态变化对生态可持续发展具有重要意义。大孔隙通常是指直径位于7 550 0 0m的孔隙1 3,主要是由植物根系、土壤动
17、物、土壤团聚体和土壤裂隙等形成的1 4。大孔隙使土壤导水率显著增加,入渗和再分布过程加快,出现优势流,对土壤剖面水分再分布和水平衡要素产生显著影响。研究表明,人工林增加和生态环境恢复有利于土壤大孔隙形成1 5,因此,研究人工刺槐林和苹果树水分消耗和水分平衡要素动态变化不能忽略大孔隙的影响。例如,M o n i k a等1 6应用H y d r u s-1 D模拟农田灌溉结果表明,考虑优先流的双孔隙模型能更加准确地模拟土壤水分动态过程;L u c a s等1 7人利用H y d r u s-1 D中的单孔和双孔隙模型对巴西半干旱地区水文过程进行模拟,得到双孔隙模型模拟结果更可靠。但是,目前考虑优
18、势流的影响,利用双孔隙模型研究人工刺槐林和苹果地水量平衡差异性的报道还很少。为此,本文以陕西省中国科学院长武黄土高原农业生态试验站附近的刺槐林和苹果地为研究对象,选择H y d r u s-1 D中的双孔水流模型研究优势流存在条件下刺槐林和苹果园水量平衡要素的动态变化和差异,其中,双孔模型中的水力参数用再分布过程和水分交换过程中测定的含水量动态来标定和检验,以期为刺槐林和苹果园的可持续发展提供相应的理论依据。1 试验材料与方法:1.1 研究区概况试验区位于中国科学院长武黄土高原农业生态试验站附近,隶属于陕西省咸阳市长武县(1 0 7.8 E,3 5.2 N),平均海拔为11 8 6.7m,属于
19、暖温带半湿润大陆性季风气候。年平均降水量5 8 4mm,年平均气温9.1,无霜期1 7 1 D,地下水位约5 08 0m。主要土壤类型为黑垆土,母质是马兰黄土。1.2 田间试验1.2.1 刺槐林和苹果地样地布设及土壤剖面水分含量监测 2 0 2 1年5月在试验站附近选择具有代表性的刺槐林地和苹果地。在2块样地中分别选取代表性的位置于安装3根5m和1根3m的中子管,其中3根5m中子管用于土壤水分动态监测,1根3m中子管用于后期土壤水分入渗和再分布试验。同时用铝盒按照01 0 0c m隔1 0c m,1 0 03 0 0c m隔2 0c m取土样,用烘干法测定土壤质量含水量;除此之外,在每块样地中
20、选择代表性区域挖掘5 0c m深的土壤剖面,按照1 0c m间隔划分,共5层,利用环刀取各层原状土,每层3个重复,共1 5个。用于测定土壤容重1 8、饱和含水量1 9,计算出总孔隙度2 0(表1)。假设5 03 0 0c m土壤质地均匀2 1。51 1月用中子仪进行土壤剖面水分含量动态监测,时间间隔为1 01 5d,测定的土层间隔为01 0 0c m隔1 0c m,1 0 03 0 0c m隔2 0c m。1.2.2 入渗与再分布试验 2 0 2 1年7月,利用双环入渗仪(J Z-I N 1 2)进行入渗与再分布试验。双环入渗仪由双环入渗桶和马氏瓶组成,其内环直径为3 0c m,外环直径为6
21、0c m,与之匹配的马氏瓶容量分别为3L,1 0L。入渗前,根据测定的土壤容重计算出总孔隙度。为确保入渗结束后5 0c m剖面的土壤含水量接近饱和含水量,因此利用05 0c m剖面的总孔隙度计算出刺槐林地和苹果地的总灌溉量分别为1 2 5L和1 0 0L。然后以3m长的中子管为圆心放置双环入渗桶,外环桶壁用土壤填充,确保无水分外流。然后,连接好对应的马氏瓶,开始注水于两环中,打开马氏瓶,内外环水位相同均控制在5c m。灌水结束后,待地表无水层,即入渗过程结束,记录确切的入渗水量和入渗时间,开始水分再分布过程。按照入渗结束后1h,3h,6h,1 2h,2 4h,4 8h,9 6h和1 9 2h用
22、中子仪测定土壤剖面水分含量,其中01 0 0c m隔1 0c m,1 0 03 0 0c m隔2 0c m。1.2.3 叶面积指数的测定及计算 利用L A I-2 2 0 0植物冠层分析仪,每隔7d分别测定刺槐林地和苹果地的叶面积指数(L e a fa r e ai n d e x,L A I)。将最大L A I和刺槐林、苹果树从发芽至落叶天数定为1,以相对L A I(01)和相对时间(01)为参数进行L A I931第5期 郭天崎等:基于双孔隙模型研究刺槐林地和苹果地水量平衡要素的差异性动态模拟。采用C u r v eE x p e r t 1.4曲线拟合软件2 2最终筛选,建立适合刺槐林地
23、(R2=0.9 9)和苹果地(R2=0.9 4)的相对化L A I动态模型:Lf o r e s t=4.0 1t3-9.8 3t2+5.8 4t-0.0 2(1)La p p l e=5.3 3t3-1 1.0 2t2+5.7 5t-0.0 1(2)L A I=LRL A Im a x(3)式中:Lf o r e s t和La p p l e为刺槐林地和苹果地的相对L A I值(LR);t为相对生育时间;L A Im a x为最大叶面积指数。查阅历史资料和实际测定得到2 0 1 02 0 2 1年长武试验站附近刺槐林地和苹果地的L A Im a x,建立L A Im a x的年际变化回归方程
24、,其中刺槐林地(R2为0.9 8):L A Im a x=0.3 0T-6 0 9.5 8(4)苹果地(R2为0.9 8):L A Im a x=0.0 2 3 5T2-9 4.6 4 4T+9 5.3 6 1(5)式中:T为年份,将(4)、(5)式代入(3)式得到每日的叶面积指数。1.3 模型评价与运用1.3.1 双孔水流模型1 7 H y d r u s-1 D模型中的双孔隙模型是基于R i c h a r d s方程和简单的质量平衡方程的组合来描述大孔隙内的水分运动及基质中水分的动态交换过程:m t=aK(h)(h z+1)-Sm-w(6)m t=-Si m+w(7)式中:m,i m分别
25、表示大孔隙域和基质域;=m+mi m为体积含水量(c m3/c m3);Si m,Sm为两个区域的根系吸水速率(1/d);K(h)为非饱和导水率(c m/d);w为大孔隙与基质之间水交换的交换速率(1/d),用如下公式计算:w=i m t=Sme-Si me(8)式中:i m为基质含水量(c m3/c m3);为一级交换速率系数(1/天);Sme,Si me分别为大孔隙域和基质域相对含水量。土壤水分特征曲线和非饱和导水率(K)与土壤含水量的关系由v a nG e n u c h t e n-M u l a e m方程拟合2 3:(h)=r+s-r1+hn()m h0s h0(9)K(h)=Ks
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