坑口構造對低溫季節壤溫功效影響分析探究

丁良帥

(沈陽市蘇家屯區應急管理事務服務中心，遼寧 沈陽 110101)

農用坡地田間水利灌溉設計經常選擇應用蓄水坑灌方法。為設計出功能更為理想的坑灌坑口構造型式，本文分別基于各種構造形式，借助Suffer8.0和MOE2010系統，以坑灌坑口構造對越冬期果樹根區壤溫時空演變趨勢的影響為評價指標，對農田水利坑灌的坑口構造低溫季節壤溫功效影響課題展開專題分析，探究低溫季節低溫環境下，坑灌坑口構造的壤溫功效日影響規律，以為同類坑灌技術的農田灌溉應用提供研究和技術參考。

1 案例概況

本文以西北某農科院果園的節水灌溉型式作為案例對象，區域氣候系屬典型的暖溫帶大陸性氣候，年降雨量相對比較充沛，達到了459.6mm。年均氣溫基本保持在9.8℃左右，無霜期長達175d。通過地質實勘發現，該地區以粉砂壤土為主，適合種植矮砧紅富士蘋果樹，以地下井水為農作物灌溉之源。區域土壤主要組分及相關物理參數見表1—2。

2 實驗方案

本實驗以坑口徑及是否蓋覆為控制因子，總共設計了5個重要坑灌蓄水坑口，分別為：DM(地表灌溉)、DB5(坑口徑為5cm，坑口無蓋覆)、DF5(坑口徑為5cm，坑口存在蓋覆)、DB30(坑口徑為30cm，坑口無蓋覆)、DF30(坑口徑為30cm，坑口有蓋覆)。各坑口均設置了4個坑壁溫度及坑內溫度均選用壤溫傳感器進行動態監測，每隔0.5h就會測量并記錄一次壤溫。選用5cm的圓形聚乙烯泡沫塑料板作為蓋覆材料。各坑灌蓄水坑口構造如圖1所示。

表1 案例區域土壤主要組分

表2 案例區域土壤主要物理參數

圖1 蓄水坑坑口構造

3 坑口構造的低溫季節壤溫功效影響分析

3.1 基于坑周壤溫日影響的坑口構造壤溫功效分析

3.1.1基于坑口構造差異的坑周壤溫日演變狀態

將距坑壁0～35cm的深度土壤在不同時刻生成的溫度進行有效匯總，并將其視為各坑周壤溫日演變特點值。由此繪制出更直觀的壤溫日演變趨勢分析圖，如圖2所示。通過圖2數據分析進一步發現，相較于無蓋覆處理，坑口蓋覆處理的壤溫日演變幅度更小一些，隨著坑口蓋覆面積的不斷增大，壤溫日演變幅值則相應減小。DB5、DB30、DF5、DF30的壤溫日演變幅值分別是0.64、0.99、0.65、0.59℃，也就表明坑口蓋覆能將壤溫的大氣溫度影響降到最低，通過壤溫與外界氣溫的有效阻斷，能夠合理控制壤溫日演變趨勢，經數值對比發現，DF30處理的壤溫演變幅值與DF5處理相比相對更小。相較于DB30處理，DF30處理的壤溫更高一些，兩者溫差為1.67℃，相較于DB5處理，DF5處理的日平均壤溫也明顯更高一些，兩者溫差為0.48℃，這就直觀體現了坑口蓋覆的重要性，不僅能阻礙壤溫向外耗散，還能達到保溫的效果。相較于DF5處理，DF30處理的日平均壤溫也高一些，兩者溫差為0.29℃，說明蓋覆面積越大，達到的保溫效果就越顯著。

3.1.2坑口構造對距坑壁不同距離壤溫日演變的影響

將距坑壁0～10cm的深度土壤在不同時刻生成的溫度進行有效匯總，并將其視為各坑周壤溫日演變特點值，由此繪制出基于不同坑壁距離和0～10cm壤深的壤溫影響DF30、DF5、DB30和DB5日變分析曲線，如圖3所示。圖3系DB5日變曲線。通過曲線分析可以發現，0～10cm深的土壤溫度比較低，在蓋覆處理的工況下，各坑口的壤溫日演變態勢無太大變化，但距坑壁不同距離的坑口壤溫差異卻非常顯著。在不蓋覆處理的工況下，不僅各坑口的壤溫日演變態勢無太大變化，而且距坑壁不同距離的坑口壤溫差異也在可控范圍之內。在距坑壁25cm的部位，15:30左右DF30、DB30這兩個處理生成了一日中壤溫的最大值，分別達到了-4.6℃和-6.8℃，在0:00左右則生成了一日中壤溫的最低值，分別降到了-6.3℃和-10.1℃。即

圖2 基于坑口構造差異的坑周壤溫日演變曲線

圖3 基于不同坑壁距離和0～10cm壤深的壤溫影響DB5日變曲線

便大氣溫度在不斷變化，但蓋覆處理的壤溫演變態勢仍比較穩定，地表土壤受大氣熱輻射的影響在大氣溫度達到最高值是會降到最低，所以土壤溫度沒有急劇升高，而在大氣溫度最低值時，由于熱量傳播減弱，地表溫度也就能得到有效控制。由此可以看出，坑口蓋覆對面層壤溫演變的有較顯著影響。在對上圖中a及b的整體走勢進行分析后發現，在距坑壁25cm的部位，15:30左右生成了一日中壤溫的最大值，DF30和DF5這兩個處理的壤溫值分別達到了-4.6℃及-5.1℃，在0:00左右則生成了一日中壤溫的最低值，分別降到了-6.3℃和-6.6℃。即便大氣溫度在不斷變化，只要盡可能地擴大蓋覆面積，就能防止壤溫產生過大差距。

同理，研究也繪制了基于不同坑壁距離和10～20cm壤深的壤溫影響DF30、DF5、DB30和DB5日變分析曲線。曲線揭示，相較于0～10cm深度土壤，10～20cm深度土壤的日溫度變化更趨向于平穩，差值差異非常小，幾乎可省略不計。由此表明，此深度的土壤層未受到大氣溫度太多的影響。距坑壁不同距離的坑口壤溫差異并不顯著，距坑壁5～35cm處的坑口平均壤溫差分別控制在0.17℃及1.27℃左右，蓋覆面積越大的坑口處理，壤溫差越小。

同理，基于不同坑壁距離和20～30cm壤深的壤溫影響DF30、DF5、DB30和DB5日變分析曲線揭示，距坑壁20～30cm的深度土壤距坑壁不同距離在不同溫度演變狀態下整體壤溫變化較小，不過距坑壁不同距離的坑口壤溫卻存在較大差距，由此表明，該土壤層徑向坑壁部位的壤溫受外部氣溫影響較大，而垂直方向壤溫受環境氣溫的影響很小，相較于距坑壁15～35cm部位，距坑壁5cm部位的壤溫非常低，原因在于此處距離坑壁很近，容易受外部氣溫影響。

在坑壁距離不斷延長的情況下，溫度慢慢趨向于平穩。分析揭示，在距坑壁5cm部位，DB30和DF30這兩大處理的壤溫分別達到了-5.57℃及-2.46℃，由此表明，坑口蓋覆面積越大，壤溫耗散就越小，坑壁壤溫越平穩。在距坑壁5cm部位，DF5和DF30這兩大處理的壤溫分別達到了-4.11℃及-2.46℃，由此表明，坑口蓋覆性能越好，壤溫耗散就越少。

同理，研究也繪制了基于不同坑壁距離和30～40cm壤深的壤溫影響DF30、DF5、DB30和DB5日變分析曲線。曲線揭示，距坑壁30～40cm的深度土壤距坑壁不同距離在不同時的溫度演變情況，即便大氣溫度不斷變化，該壤層的壤溫日演變也不會發生極值及低谷值，這就意味著中層壤溫基本趨向于穩定狀態狀態。各處理距坑壁15～35cm處的壤溫不會出現太大差異，但蓋覆及不蓋覆處理的壤溫差異卻非常顯著，5cm處的壤溫分別是-0.78℃及-4.09℃，隨著土壤深度的不斷增大，蓋覆與不蓋覆處理的溫度差距相應加大。通過對比a及b發現，5cm部位壤溫分別為-0.78℃及-2.85℃，隨著土壤深度的不斷增大，DF30和DF5這兩大處理的壤溫差也相應加大。

同理曲線分析亦發現，距坑壁70～80cm的深度土壤距坑壁不同距離在不同時的溫度演變狀態下，該層壤溫基本趨向于穩定狀態狀態，但蓋覆及不蓋覆處理的壤溫差異卻非常顯著，說明坑口覆蓋是非常有必要的。5～35cm處的DF30和DB30坑口的溫差最大值分別是0.2℃及0.48℃；DF5和DB5坑口的溫差最大值分別為0.3℃及0.72℃，由此表明，坑口狀態對深層壤溫的影響相對較小。

3.2 基于坑內壤溫日影響的坑口構造壤溫功效分析

3.2.1不同坑口構造及不同坑內部位的壤溫日影響狀態

研究圍繞坑口大氣溫度、坑口地表溫度、坑內溫度以及坑底溫度，開展了溫度狀態測量并分別繪制了溫度影響日演變曲線，如圖4所示，圖4系其

圖4 不同坑內部位之坑口地表溫度影響日演變曲線

圖5 不同坑底壤深之距離地面50～60cm的溫度影響日演變狀態

中不同坑內部位之坑口地表溫度影響日演變曲線。數據和曲線揭示，各處理的平均日溫度差保持在16.33℃左右。分析也發現，蓋覆處理與不蓋覆處理的日溫度極值較小、溫度演變幅值較小，DB30和DF30這兩大處理的日最大溫度差分別是5.8℃及3.2℃，由此表明，坑口蓋覆能防止地表溫度日演變幅值增大，在溫度較高時，坑口蓋覆能遮擋太陽輻射，降低地表溫度攀升，在外部氣溫非常低時，能降低散熱量，從而降低晝夜溫度差。DF30處理溫度日演變過程相對更平緩，蓋覆范圍越廣，坑內溫度變化就越小。另外，DB30處理的坑內溫度與大氣溫度演變態勢高度吻合，但坑內溫度日演變趨勢近似于水平線，說明坑口蓋覆具有保溫作用。各處理坑底溫度基本未受外部溫度變化影響，DF30和DB30這兩大處理的坑內日均溫度分別是-0.89℃及-3.4℃，因為坑口蓋覆防止熱量耗散，從而達到良好保溫效果。

3.2.2坑底不同壤深基于不同坑口構造的壤溫日影響狀態

研究分析了不同坑底壤深的溫度影響日演變狀態，分別就距離地面40～50cm、50～60cm、60～70cm以及70～80cm溫度影響日演變曲線，如圖5所示，8系不同坑底壤深之距離地面50～60cm的溫度影響日演變狀態。通過圖線數據分析發現，隨著距離地面深度的不斷加增，壤溫也相應加大。距離地面40～80cm內，DF30和DB30這兩大處理的壤溫分別提高0.9℃及1.8℃，是因為坑口蓋覆降低了壤溫與外界的冷熱交換，使深層壤溫變幅降低，維持壤溫的基本穩定狀態。

4 結語

本文以坑灌坑口構造對越冬期果樹根區壤溫時空演變趨勢的影響為評價指標，探究坑灌坑口構造的低溫環境下壤溫功效的日影響規律。主要研究收獲：

(1)分析揭示，蓄水坑各坑口型式的壤溫日影響規律類似，均為隨環境氣溫的演變而演變。

(2)垂向角度分析，隨壤深的加大，垂直方向上的壤溫呈對應逐漸攀升的特點；較比坑口不存在蓋覆，存在坑口蓋覆的結構處理其壤溫的日影響差值相對較小，不蓋覆處理的壤溫小于有蓋覆處理的壤溫；較大蓋覆的垂直方向土壤日溫度差演變幅值低于較小蓋覆，較大蓋覆的壤溫大于較小蓋覆。

(3)徑向角度分析，距坑壁近區域蓋覆與否，對應壤溫相對差異較大，呈現二者溫度差隨距離加大而逐漸降低的規律，且蓋覆處理的壤溫大于不蓋覆處理；隨著距坑壁距離的加大，較大蓋覆與較小蓋覆的壤溫差呈對應降低規律，較大蓋覆壤溫大于較小蓋覆。