基于HYDRUS-1D 土壤不同摻沙模式下水分入滲與蒸發特征研究

摘要：風蝕荒漠與綠洲農田是新疆旱區地表景觀的典型表現，水資源短缺成為當地農業發展的重要限制因素。為揭示土壤不同摻沙模式下的水分運動規律，基于積水入滲試驗，結合HYDRUS-1D軟件，以均質壤土為對照（CK），對土壤表層覆沙（TF）、深層埋沙（TG）、淺層混沙（TH）3種土壤摻沙模式下的水分遷移特性進行研究。結果表明，累計入滲量實測值與模擬值之間吻合度較好，決定系數（R2）在0.998 1～0.999 3，均方根誤差（root mean square error， RMSE）在0.135 3～0.220 4，基于HYDRUS-1D數值模型對積水入滲條件下土壤水力參數進行反演具有較好的適用性與較高的可靠性。TF、TG、TH 入滲歷時分別比CK 時間縮短29.6%、?0.8%、40.0%，TF與TH均能顯著減少入滲時間（Plt;0.05），TF與TG對累計入滲量影響差異不顯著，TH可以顯著降低累計入滲量（Plt;0.05）。土壤摻沙模式對濕潤鋒與累計入滲量均有顯著影響。歷時214 d，TF、TG與TH的累計蒸發量分別較CK提高?17.47%、?1.89%、40.82%。TH能顯著提高土壤水分蒸發散失量（Plt;0.05），TF能顯著抑制土壤蒸發（Plt;0.05），TG對土壤蒸發的作用不明顯。考慮到地區水資源短缺的現狀，綜合土壤不同摻沙模式下水分運動特性，推薦在南疆地區無膜栽培作物種植應用表層覆沙的農藝管理措施。

關鍵詞：HYDRUS-1D；入滲；反演；蒸發；模擬；荒漠沙

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0496

中圖分類號：S152.7；S278 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2025）03018311

新疆地區氣候干旱少雨，且風蝕荒漠廣泛分布，水資源短缺是制約地區綠洲農田發展的重要障礙因子[12]。因地制宜利用沙與土壤耦合提高水分利用效率、改善作物生長的土壤水環境，成為旱區農業的重要節水措施。針對土壤摻沙模式對水分遷移影響的研究已有報道。趙伶俐[3]在瓜田覆蓋砂礫石，發現覆砂可以顯著抑制土壤蒸發，并明確了瓜田覆砂的最佳粒徑、厚度與覆蓋年限。宋日權等[4]研究摻沙對農田土壤水分的調控作用發現，表層土壤摻沙率≥25% 時可大幅提高水分入滲能力，摻沙率≥75% 時將大幅降低土壤的蒸發能力。馮壯壯等[5]將砂礫埋置于田間土壤一定深度形成夾砂層，確定河套地區砂夾層在40—110 cm 深度時水分利用效率與產量最優。可以看出，土壤摻沙模式基本可分為表層覆沙[6]、深層埋沙[7]、淺層混沙[8]3種，不同摻沙模式對土壤水分遷移的影響效果各異。HYDRUS-1D數值模型適用于一維條件下飽和-非飽和多孔介質中水、熱、鹽遷移及根系吸水等過程的模擬，其操作簡便、邊界靈活的特點使之在土壤水運動研究方面得到廣泛應用[9-11]。范嚴偉等[12]基于HYDRUS-1D軟件對砂夾層的土壤水分入滲過程進行了數值模擬發現，當入滲穿過砂層上界面時上層土壤基本飽和，砂層具有一定的阻水和減滲作用，與王春穎等[13]的試驗結果一致。王國帥等[14]在河套灌區沙丘與荒地進行了2年的土壤水分定點監測，同時開展HYDRUS-1D動態模擬，結果表明，降雨對于綠洲農業水平衡作用較小，灌溉對改善農業水生態至關重要。馬蒙蒙[15]利用實測入滲數據，借助HYDRUS-1D 反演出土壤水力參數后，對層狀土的入滲和出流過程進行模擬，實測值與模擬值吻合度較好。Musa等[16]在卡塔爾未灌溉區安裝智能稱重蒸滲儀連續收集了17個月的土壤蒸發數據，與HYDRUS-1D 的模擬結果進行比對分析，驗證了利用數值模擬預測土壤蒸發的可行性。

目前，砂與土壤耦合模式下的水分遷移特征研究多為單一模式，多種模式間的橫向對比研究較少，且涉及的砂粒徑多為2 mm以上的砂，對粒徑小于2 mm風積沙鮮有報道。本研究以阿拉爾市田間土壤及周邊荒漠風積沙為研究對象，基于水分入滲試驗與HYDRUS-1D 數值模擬軟件，進行土壤水力參數反演與蒸發模擬，對土壤表層覆沙、淺層混沙與深層埋沙的水分入滲與蒸發特征進行探究，以期為指導南疆地區利用風積沙調控農田土壤水分、改善作物生長水環境提供一定的科學依據和理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤選自塔里木大學水利與建筑工程學院試驗基地（40°32'16″ N、81°18'15″ E）棉花試驗田，為南疆綠洲區典型沙壤土，飽和含水率（體積分數，下同）39.55%，田間持水量28.40%，黏粒、粉粒與砂粒的質量占比分別為3.98%、28.65%、67.37%。取0—20 cm土層土壤，經風干、碾碎、過2 mm篩后備用。供試風積沙取于阿拉爾市周邊，天然容重1.56 g·cm?3，含水率1.37%，粒徑顆分大于0.5 mm為0%、0.25～0.5 mm為27.27%、0.1～0.25 mm為33.05%、0.074～0.1 mm為26.89%、小于0.074 mm為12.79%，取沙深度為0—20 cm。

1.2 試驗方法

通過室內薄層積水垂向入滲試驗分析不同土壤摻沙模式下水分入滲特征。以累計入滲量實測數據為目標函數利用HYDRUS-1D 反演出均質土、風積沙夾層和混沙層的水力學參數，基于HYDRUS-1D 對土壤蒸發開展數值模擬分析，探究土壤不同摻沙模式下的水分蒸發特征。

試驗設置表層覆沙（TF）、深層埋沙（TG）、淺層混沙（TH）和均質土對照（CK）4個處理，每個處理3 個重復。TF 表層覆沙5 cm，TG 夾沙層厚度5 cm，TH摻沙深度表層20 cm，3個處理的風積沙用量相同。各處理土層剖面見圖1。