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蓄水多坑施肥灌溉土壤水氮分布规律试验研究及数值模拟

姚颖  
【摘要】:鉴于我国北方山丘区水土流失和干旱等问题,孙西欢教授提出一种在坡地果林灌溉中具有广阔发展前景的新型的灌溉方法——蓄水坑灌法。该灌水方法已从室内走向田间,并且在蒸发和水分入渗方面的研究已趋于成熟。但是关于养分的研究刚起步,仅研究了单坑水氮运移规律,尚未涉及多坑氮素分布规律方面的研究。而近年来,氮肥的不合理施用引起的氮素淋溶损失及环境污染问题日益严重,因此进行多坑施肥灌溉条件下水氮分布特性的试验研究及数值模拟对进一步开展该灌水方法具有重要意义。 本论文结合国家自然基金项目(50979065)研究内容,进行了蓄水多坑条件下水分运移室内试验,并基于溶质运移理论和土壤水动力学理论,建立了多坑条件下非饱和土壤水氮分布规律数学模型,运用算子分裂有限体积法(FVM)结合高斯—赛德尔迭代法进行了模型求解。主要结论如下: (1)蓄水多坑水分入渗有自由和交汇入渗两个阶段。自由入渗阶段的水分分布特性同单坑类似,即:①入渗初期,水分运动以水平扩散为主,表现为径向推进距离大于垂向;②湿润体形状是以蓄水坑轴为中心的近似椭球体。湿润锋到达挡板(零通量面)后即交汇入渗阶段,挡板附近湿润锋垂向推进距离不断变大。多坑灌施条件下含水率在垂向的变化为先增大后减小,高含水率集中于30-70cm深度区域;在水势梯度(由基质势和重力势产生)作用下,水分再分布阶段的湿润锋在垂向不断下移;土壤含水率在径向剖面分布状况为:随着与坑中心距离的增大不断减小,但是随着时间的推移,减小的幅度不断变小。水分入渗过程中挡板处的含水率是先增大后减小并随着时间的变化而趋于均匀化。 (2)同单坑入渗类似,多坑灌施条件下土壤N03--N在湿润体边缘累积。垂向的高浓度区域分布在湿润锋附近;水分入渗过程中湿润体内部发生N03--N淋溶现象;径向的高浓度区域在挡板处,并且N03--N分布比较均匀;由N03--N在土壤中的分布状态看出,N03--N在土壤中的运移与水分运移一致,其主要的运移方式是对流。 (3)土壤中的NH4+-N离子受土壤胶体对其的吸附性影响,在土壤中的分布特征不同于N03--N。分布特征:主要分布在蓄水坑周围,并且其含量随径向距离的增大而减小;其垂向分布相对均匀,在浓度锋处迅速减小为本底值,其分布具有中间高周围低的特点;由NH4+-N分布特征看出,NH4+-N离子的运移滞后于水分运动,其主要的运移方式是扩散。 从蓄水坑灌条件下的水氮分布特征看出,该方法具有保水保肥效果。 (4)文中采用算子分裂法结合有限体积法(FVM)建立了蓄水多坑条件下均质土水氮分布规律的数学模型,并运用高斯--赛德尔迭代法对模型进行求解。通过对比分析模拟值与实验数据,表明二者吻合较好,且水分模拟精度比养分高,故认为所建立模型能用于模拟水氮运移特性。


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