東北玉米農(nóng)田行間土壤水分水平分布特性

東北玉米農(nóng)田行間土壤水分水平分布特性土壤水分不僅是植物生長(zhǎng)和植被恢復(fù)的主要影響因子,而且與土壤侵蝕過(guò)程密切相關(guān),還是水文過(guò)程中的重要變量。土壤水分通過(guò)蒸發(fā)蒸騰調(diào)節(jié)土壤與大氣之間水分和能量轉(zhuǎn)化,同時(shí)土壤水分也受到降雨、徑流、入滲過(guò)程和地表水的影響。土壤水分時(shí)空分布特征的研究一直是水文學(xué)、土壤學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。本文希望通過(guò)研究東北玉米農(nóng)田行尺度土壤水分的分布特征,了解行內(nèi)不同位置土壤水分的運(yùn)移規(guī)律,優(yōu)化土壤水分測(cè)定和蒸散(evapotranspiration,ET)計(jì)算的取樣位點(diǎn),從而加深對(duì)農(nóng)業(yè)應(yīng)用(灌溉、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè))和水文過(guò)程模型的理解。同時(shí)可以為進(jìn)一步研究多維土壤-植物-大氣模型提供參考。本研究通過(guò)測(cè)定玉米行內(nèi)不同位置的土壤體積含水量、穿透雨和土面蒸發(fā),對(duì)土壤水分在行內(nèi)的分布、運(yùn)移進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究。本研究于2013年和2014年在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)吉林梨樹(shù)實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行,田間試驗(yàn)設(shè)置了4個(gè)處理,分別為平作對(duì)照處理(FPB),平作秸稈覆蓋處理(FPM),膜壟無(wú)覆蓋處理(RPM)和膜壟溝內(nèi)秸稈覆蓋處理(RPM)。平作處理(FPB和FPM)中兩行玉米之間選取5個(gè)位點(diǎn)測(cè)定土壤體積含水量,分別為兩行玉米的位置(R1和R2位點(diǎn)),距R1位點(diǎn)15cm遠(yuǎn)(1/4R位點(diǎn)),距R1位點(diǎn)30cm遠(yuǎn)(1/2R位點(diǎn)),距R1位點(diǎn)45cm遠(yuǎn)(3/4R位點(diǎn))。壟作處理(RPB和RPM)以壟的正下方位點(diǎn)開(kāi)始(命名為A位點(diǎn)),依次水平距A位點(diǎn)15、30、45和60cm遠(yuǎn)(分別命名為B、C、D和E位點(diǎn))。其中,C位點(diǎn)為玉米種植的位置,E位點(diǎn)為溝中央的位置。每10cm深度土壤中設(shè)置5個(gè)土壤水分測(cè)定位點(diǎn),分別設(shè)置10cm、30cm、50cm和70cm深度。在這4個(gè)處理下分別分析了玉米行內(nèi)5個(gè)位點(diǎn)不同層次的土壤水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律以及它們之間的異質(zhì)性。同時(shí)分析了行內(nèi)不同位點(diǎn)的穿透雨和土面蒸發(fā)的異質(zhì)性。在田間試驗(yàn)基礎(chǔ)上,在考慮降雨通過(guò)冠層在行內(nèi)不均勻分布、和根系吸水條件下,應(yīng)用HUDRUS-2D模型模擬分析FPB與RPB處理行尺度下不同土壤層次中各位點(diǎn)的土壤水分通量以及通量間的差異性,主要研究結(jié)果如下：(1)在平作體系下,玉米行尺度土壤水分存在空間差異,主要出現(xiàn)在10cm和30cm深度的土層。在整個(gè)玉米生育期內(nèi),行中間或行內(nèi)位置的土壤水分最高或最低值。秸稈覆蓋處理與無(wú)覆蓋處理相比,秸稈覆蓋影響土壤水分的空間差異,影響深度主要集中在10cm深度,且不同的降雨年型表現(xiàn)不同。FPB處理與FPM處理中,選取行內(nèi)1/4或3/4的位點(diǎn)來(lái)測(cè)定土壤水分,能較好的代表行內(nèi)土壤水分的平均值。(2)在壟作體系下,玉米行尺度土壤水分存在空間異質(zhì)性,主要出現(xiàn)在10cm和30cm深度的土層。10cm土層中A位點(diǎn)的土壤水分最低值。秸稈覆蓋影響土壤水分的空間異質(zhì)性,影響深度主要集中在10cm和30cm深度。RPB處理中BD位點(diǎn)組合(壟下1/4處與溝內(nèi)1/4處)的平均值能較好的代表行尺度內(nèi)土壤水分的平均值；RPM處理中為BE位點(diǎn)組合(壟下1/4處與溝內(nèi)1/2處位置)。(3)行內(nèi)不同位點(diǎn)的穿透雨也存在空間異質(zhì)性。2013年與2014年穿透雨測(cè)定日期內(nèi)(每年各測(cè)定了7次),行內(nèi)不同位點(diǎn)穿透雨變異系數(shù)范圍為分別為15.9&～45.4%和8.9%～42.2%。且在兩行玉米中間的位置穿透雨量較大。冠層下各位點(diǎn)穿透雨量與降雨量正相關(guān),與葉面積指數(shù)、株高負(fù)相關(guān)；穿透雨率與降雨量正相關(guān),與葉面積指數(shù)、株高負(fù)相關(guān)。行內(nèi)1/4位點(diǎn)和3/4位點(diǎn)的穿透雨量值能較好的代表行尺度內(nèi)穿透雨量的平均值,且兩年結(jié)果相同。通過(guò)多元線性逐步回歸,建立的基于降雨量、葉面積指數(shù)、株高3個(gè)參數(shù)的玉米冠層下穿透雨量的估算方程,其相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平。(4)4個(gè)處理中行內(nèi)不同位點(diǎn)的土面蒸發(fā)均存在空間異質(zhì)性。無(wú)覆蓋處理(FPB和RPB)處理中的土面蒸發(fā)要比有覆蓋處理(FPM和RPM)的大；2013年4個(gè)處理間不同位點(diǎn)土面蒸發(fā)值的變異系數(shù)測(cè)定日期內(nèi)平均值基本相同。2014年,壟作條件下(RPB和RPM)測(cè)定日期內(nèi)變異系數(shù)的平均值比平作條件下(FPB和FPM)的大。(5)利用HYDRUS-2D模型,在考慮根系吸水和冠層對(duì)降雨在玉米行內(nèi)分布的影響,模擬研究了行尺度下水分的運(yùn)移及水分通量,并分析了行間土壤水分通量的差異性。通過(guò)建立的各位點(diǎn)穿透雨量與降雨量、LAI和株高的方程對(duì)上邊界不同位點(diǎn)降雨量進(jìn)行離散,從而作為模型的降雨時(shí)的上邊界條件。利用2013年FPB與RPB處理土壤含水量對(duì)HYDRUS-2D模型進(jìn)行參數(shù)化,確定了模型的土壤水力學(xué)參數(shù),并利用2014年FPB與RPB處理對(duì)模擬參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。2013和2014年,FPB處理中不同深度各位點(diǎn)土壤體積含水量模擬值和實(shí)測(cè)值RMSE分別在0.0175～0.0332cm3cm-3和0.0093～0.0250cm3cm-3之間,ME分別為0.70～0.95和0.37～0.64之間,d分別為0.94～0.99和0.67～0.90之間,R2分別為0.90～0.97和0.37～0.71之間。RPB處理不同深度各位點(diǎn)土壤體積含水量模擬值和實(shí)測(cè)值RMSE分別在0.0116～0.0387cm3cm3和0.0088～0.0243cm3cm-3之間,ME分別為0.69～0.98和0.38～0.86之間,d分別為0.91-1.00和0.76～0.96之間,R2分別為0.85～0.99和0.48～0.92之間。(6)模擬結(jié)果表明同一土層中不同位點(diǎn)間的土壤水分通量存在差異,而且10cm和30cm土層深度的土壤水分通量差異較大。水平方向不同位點(diǎn)間的土壤水分通量變異性在30cm深度中最大,70cm深度的最小。垂直方向不同位點(diǎn)間的的土壤水分通量變異性,隨土層深度增加而變異性降低。(7)考慮與不考慮