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不同灌溉制度条件下土壤溶质迁移规律及其数值模拟

作　者: 曹红霞
导　师: 康绍忠
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 农业水土工程
关键词: 土壤溶质运移 灌水频率 次灌水量 地下水位 溶质施加方式 数值模拟
分类号: S153
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要


土壤养分运移和土壤次生盐碱化都是土壤溶质运移领域研究的主要内容，而且土壤养分运移研究起源于土壤水盐运动的研究理论。水是溶质运移的载体，水管理（灌水管理和地下水管理）对溶质运移影响很大。目前灌溉制度、地下水位、溶质施加方式对溶质运移影响的研究还很不够。本文通过大量的室内土柱试验，对有、无蒸发条件下不同灌水频率风干土壤中，不同次灌水量、灌水频率、溶质施加方式下各地下水位土壤中水分、溶质（NO3-、Br-）迁移规律进行了较为深入的研究。以期探明次灌水量、灌水频率、地下水位、溶质施加方式等因素对土壤溶质运移的影响，为减缓地下水的NO3-—N污染、提高氮肥利用率、防止土壤次生盐碱化、保证作物不受盐害等提供理论依据。并在此基础上建立了溶质运移模型，以便人们随时了解土壤溶质迁移动态，及时采取相应措施，最大程度地控制土壤溶质运移趋势。主要结论如下： 1．蒸发和灌水频率对风干土壤中水分分布的影响表现为：1)有、无蒸发条件下土壤水分差异在灌水初期主要体现在上部土层，此时，灌水频率越低，此区水分差异越大；随灌水次数增多，有、无蒸发条件下上部土层水分差异减少，且灌水频率越高，这种差异减少得越快，而下部土层水分差异增加，主要表现为蒸发条件下湿润锋深度明显小于无蒸发条件下。2)灌水频率可改变土壤水分的空间分布和土壤蓄水量。在相同灌水量下，灌水频率增高，上部土层水分含量在一定范围内增高，且湿润锋深度变浅，上部土层蓄存水量增加；适宜的灌水频率可增加土壤蓄水量。 2．蒸发和灌水频率对风干土壤中溶质迁移的影响表现为：有、无蒸发条件下土壤中NO3-浓度峰随灌水频率增加而变陡、变窄，峰值增高，NO3-整体向下迁移变慢；在蒸发条件下，还明显表现为随灌水频率增加，NO3-浓度峰和浓度锋深度变浅；有效淋洗水量（或灌水频率）影响着溶质峰和溶质锋的深度。 3．灌溉制度和地下水埋深对潜水蒸发影响较大。总体表现为：低灌水频率下，随地下水位升高，潜水蒸发呈增加趋势；在同一水位下，低灌水频率土壤随次灌水量增加潜水蒸发减少，且水位越深，潜水蒸发量减少越多，水位越浅，潜水蒸发量减少越小；在同一水位下，总灌水量相同，灌水频率不同时，随灌水频率增高，潜水蒸发量显著减少。 4．通过对不同地下水位（1.7、1.2、0.8m）土壤在三种灌水处理下表施溶质（Br-）迁移规律分析研究，结果表明：1)水位对各灌水处理土壤中B-迁移有较大影响。表现为：水位越浅，Br-向下迁移越快；水位变深，土表Br-聚集量增加；随灌水次数增加，土表Br-含量虽逐渐降低，但降低速度随水位加深而减缓；2)灌水频率， ‘.电.........................................口................口口.........................口...........对不同地下水位土壤中溶质迁移影响表现为:在同一水位下，高灌水频率土壤土表Br一含量降低较快，低灌水频率土壤土表Br一含量降低较慢;水位变浅，高、低灌水频率土壤土表Br一含量降低均加快，但高灌水频率比低灌水频率降低得快:水位越浅，高灌水频率土壤中溶质峰形成得越快，从而高灌水频率土壤中Br相对较集中地向下迁移;低灌水频率土壤中Br一分布范围较大，除土表SCm土层外，水位越深，Br一分布越均匀、平缓、分散:不同水位或同一水位条件下，高、低灌水频率土壤中溶质锋迁移趋势是变化的，在本试验条件下，1.2m水位可看作高、低灌水频率土壤中溶质迁移快慢的转折点，即水位大于1.2m时，低灌水频率土壤中溶质迁移一直快于高灌水频率，水位小于1.Zm时，在含水量相对较低的上部土层中，低灌水频率土壤中溶质迁移快于高灌水频率，随溶质向下迁移，逐渐转变为慢于高灌水频率，总体而言，水位由深变浅，高灌水频率土壤中Br一迁移由慢于低灌水频率转变为快于低灌水频率;各水位条件下，高、低灌水频率土壤中Br一浓度锋向下迁移的快慢取决于潜水蒸发量和Br一浓度锋处溶质的扩散能力。 5.溶质施加方式对土壤溶质迁移的影响表现为:l)初始风干土壤中，在次灌水量较大的情况下，表施和灌施对溶质迁移有较大影响，灌施溶质将在较大深度内较均匀分布，而表施溶质则在一定深度处集中分布，且土表层分布较少;而当次灌水量很小且灌水非常频繁时（如6Inln/d），表施和灌施土壤中N氏一分布差异不大。2)在地下水位较浅的土壤中，灌施Br一浓度峰较缓、胖，Br一主要分布在近地表土层内，且在近地表一定深度范围内较均匀分布;表施Br一浓度峰较陡、窄，Br一主要分布在一定深度处，非常集中;Br一以表施和灌施方式随等量灌水进入土壤后，形成Br-浓度峰峰形上的差异，在随后迁移过程中一直保持着，灌水频率对表施和灌施Br-峰形无影响，只是影响Br一整体迁移的快慢。 6.次灌水量对地下水位较浅土壤中溶质（Br）迁移影响表现为:溶质峰迁移距离与灌水量成正相关，与有效淋洗水量成倍比关系;次灌水量对溶质迁移方式有很大影响，当次灌水量等于灌水间隔期耗水量（土表蒸发、根系吸水等）时，土壤溶质主要在扩散作用下进行迁移，表现为溶质峰?

全文目录


第一章 绪论  14-34
  1.1 研究背景与意义  14-17
    1.1.1 氮肥用量与农田土壤氮素储量  14-15
    1.1.2 国内外地下水氮素污染现状  15-16
      1.1.2.1 国外情况  15-16
      1.1.2.2 国内情况  16
    1.1.3 灌水与氮素淋移  16-17
  1.2 田间管理措施对NO_3~--N迁移影响的研究进展  17-23
    1.2.1 耕作措施对NO_3~--N迁移的影响  17-19
    1.2.2 氮肥管理对NO_3~--N迁移的影响  19-20
      1.2.2.1 氮肥施用量  19
      1.2.2.2 氮肥施用方法  19-20
    1.2.3 水管理  20-23
      1.2.3.1 灌水管理  20-21
      1.2.3.2 地下水水位管理  21-23
  1.3 土壤溶质运移机理  23-25
    1.3.1 对流  23
    1.3.2 分子扩散  23-24
    1.3.3 机械弥散  24-25
    1.3.4 水动力弥散  25
  1.4 土壤溶质运移模型综述  25-31
    1.4.1 确定性模型  26-28
      1.4.1.1 确定性函数模型  26
      1.4.1.2 确定性机理模型  26-28
    1.4.2 随机模型  28-30
      1.4.2.1 机理性随机模型  28-29
      1.4.2.2 完全随机模型  29-30
    1.4.3 简化模型  30-31
      1.4.3.1 “活塞流”模型  30
      1.4.3.2 CDE简化模型  30-31
  1.5 存在问题与发展趋势  31-33
  1.6 本论文研究目的和研究内容  33-34
    1.6.1 研究目的  33
    1.6.2 研究内容  33-34
第二章 试验研究方法  34-41
  2.1 研究方法  34-38
    2.1.1 试验材料  34-35
    2.1.2 试验设计  35-37
      2.1.2.1 灌水频率、蒸发、溶质施加方式对土壤水分、溶质运移的影响(试验一)  35-36
      2.1.2.2 次灌水量对1.5m水位土柱中表施溶质运移规律的影响(试验二)  36
      2.1.2.3 溶质施加方式和灌水频率对1.5m水位土柱中溶质运移规律的影响(试验三)  36
      2.1.2.4 灌水频率对1.7m水位土柱中灌施溶质运移规律的影响(试验四)  36-37
      2.1.2.5 地下水位、灌水量、灌水频率对表施溶质运移规律的影响(试验五)  37
    2.1.3 测定项目及其测定方法  37-38
      2.1.3.1 土壤溶质Br~-、NO_3~-的测定  37
      2.1.3.2 土壤水分测定  37-38
      2.1.3.3 蒸发量测定  38
      2.1.3.4 排水量测定(试验五)  38
      2.1.3.5 补水量测定(试验五)  38
  2.2 参数测定  38-41
    2.2.1 土壤水分特征曲线的测定  38-39
    2.2.2 饱和导水率K_S的测定  39
    2.2.3 纵向弥散度D_L的测定  39-41
第三章 不同灌水频率下土壤水分、溶质(Br~-、NO_3~-)迁移规律  41-55
  3.1 不同灌水频率下初始风干土壤水分分布规律  41-44
    3.1.1 蒸发对不同灌水频率土壤水分分布的影响  41-42
    3.1.2 灌水频率对土壤水分分布的影响  42-44
  3.2 不同灌水频率下初始风干土壤溶质(NO_3~-)运移规律  44-49
    3.2.1 蒸发对不同灌水频率土壤中NO_3~-运移的影响  44-46
    3.2.2 灌水频率对溶质迁移的影响  46-49
  3.3 灌水频率对地下水位较浅土壤溶质(Br~-、NO_3~-)迁移的影响  49-55
    3.3.1 初始条件控制  49-50
    3.3.2 不同灌水频率下地下水位较浅土壤水分分布  50-51
    3.3.3 不同灌水频率下地下水位较浅土壤中Br~-、NO_3~-迁移规律  51-55
      3.3.3.1 不同灌水频率下地下水位较浅土壤中Br~-迁移规律  51-52
      3.3.3.2 不同灌水频率下地下水位较浅土壤中NO_3~-迁移规律  52-55
第四章 不同地下水位土壤溶质(Br~-)迁移规律  55-72
  4.1 不同地下水位土壤水分分布规律  55-57
    4.1.1 初始水分分布  55
    4.1.2 灌水前后水分分布规律  55-57
  4.2 潜水蒸发规律  57-58
  4.3 不同地下水位土壤溶质(Br~-)迁移规律  58-72
    4.3.1 不同地下水位相同灌水处理土壤中Br~-迁移规律  58-65
      4.3.1.1 90mm／15d灌水处理下不同地下水位土壤中Br~-迁移规律  58-61
      4.3.1.2 45mm／15d灌水处理下不同地下水位土壤中Br~-迁移规律  61-62
      4.3.1.3 30mm／5d灌水处理下不同地下水位土壤中Br~-迁移规律  62-65
    4.3.2 次灌水量对不同地下水位土壤中Br~-迁移规律影响  65
    4.3.3 灌水频率对不同地下水位土壤中Br~-迁移影响  65-72
第五章 次灌水量对地下水位较浅土壤中溶质(Br~-)迁移影响  72-76
  5.1 次灌水量对土壤含水量分布的影响  72
  5.2 次灌水量对Br~-迁移的影响  72-76
第六章 溶质施加方式对土壤溶质(NO_3~-、Br~-)迁移的影响  76-80
  6.1 溶质施加方式对初始风干土壤中溶质(NO_3~-)迁移的影响  76-77
  6.2 溶质施加方式对地下水位较浅土壤中溶质(Br~-)迁移影响  77-80
    6.2.1 表施和灌施土壤中Br~-初始分布差异  77-78
    6.2.2 灌水频率对土壤中表施和灌施溶质(Br~-)迁移的影响  78-80
第七章 饱和-非饱和土壤一维溶质运移数值模拟  80-100
  7.1 土壤水分运动  80-88
    7.1.1 土壤水分运动数学模型  80-82
      7.1.1.1 控制方程  80-81
      7.1.1.2 定解条件  81-82
        7.1.1.2.1 初始条件  81-82
        7.1.1.2.2 边界条件  82
    7.1.2 土壤水分运动数学模型的数值过程  82-86
      7.1.2.1 土壤水分运动方程的离散  82-84
      7.1.2.2 边界条件的处理  84-86
        7.1.2.2.1 第一类(Dirichlet)边界条件  84
        7.1.2.2.2 第三类(Neumann)边界条件  84-86
    7.1.3 数值解策略  86-88
      7.1.3.1 迭代过程  86
      7.1.3.2 时间步长控制  86
      7.1.3.3 大气边界条件  86
      7.1.3.4 水量平衡  86-87
      7.1.3.5 节点水流通量  87-88
  7.2 土壤溶质运移  88-100
    7.2.1 土壤溶质运移数学模型  88-93
      7.2.1.1 控制方程  88-91
      7.2.1.2 定解条件  91-93
        7.2.1.1.1 初始条件  91
        7.2.1.1.2 边界条件  91-92
        7.2.1.1.3 有效弥散系数  92-93
    7.2.2 土壤溶质运移方程的数值过程  93-96
      7.2.2.1 空间离散  93-95
      7.2.2.2 时间离散  95-96
    7.2.3 数值解策略  96-100
      7.2.3.1 求解过程  96-97
      7.2.3.2 质量平衡  97-98
      7.2.3.3 数值振荡和弥散  98-100
第八章 模型检验与分析  100-115
  8.1 参数选取  100
  8.2 边界条件的确定  100-101
    8.2.1 水分边界条件  100-101
    8.2.2 溶质边界条件  101
  8.3 模拟结果  101-110
  8.4 模型精度分析  110-112
  8.5 模拟试验  112-115
第九章 结论与讨论  115-118
致谢  118-134
作者简介  134-135

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中图分类: > 农业科学 > 农业基础科学 > 土壤学 > 土壤化学、土壤物理化学
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