一种基于冻融作用的灌区土壤盐渍化防治方法与流程

本发明属于土壤改良领域，具体涉及一种基于冻融作用的灌区土壤盐渍化防治方法。

背景技术：

土壤盐渍化是指易溶性盐分在土壤表层积累达到一定程度后而作物难以生长的过程。根据联合国粮农组织的资料表明，全球大约20％的灌溉土地受到土壤盐分的影响。随着全球变暖进程加剧，土壤盐渍化已上升为全球问题。中国是土壤盐渍化比较严重的国家，根据我国第二次土壤普查资料，全国盐渍土总面积约9.32亿亩，其中约有2.2亿亩是多类耕地中的盐渍土，主要分布在华北、西北、东北以及海滨地区。而且，近年来耕地由于灌溉不当，土壤次生盐渍化面积仍以每年15～20万亩的速度增加，严重威胁国家粮食安全与生态环境。

目前国内外改良盐碱地技术归纳起来有：(1)物理改良：平整土地、深耕晒垡、及时松土、抬高地形、微区改土、地膜覆盖、秸秆阻隔；(2)水利工程改良：排灌配套、蓄淡压盐、灌水洗盐、地下排盐；(3)化学改良：施加石膏、磷石膏、过磷酸钙、腐殖酸、泥炭、醋渣等；(4)生物改良：种植水稻、种植耐盐植物田菁或是种植耐碱树木等，使用微生物菌肥等。对于物理改良方法来说，大面积的平整土地、深耕晒垡、松土起垄、地膜“地毯”覆盖等都需要机械化实现，对地形有一定要求，且见效慢；地膜覆盖有一定的改良效果，但往往在膜孔和地膜之间的裸露地带出现积盐，从而影响作物出苗和生长；而秸秆阻隔虽然可以有效切断盐分向地表迁移的路径，但埋于土壤中的秸秆在腐熟过程中与作物存在氮素竞争关系，影响作物产量。对于水利工程改良方法来说，主要存在投资巨大，见效慢，易反复，受管理水平影响等问题。对于化学改良方法来说，虽然见效快，但存在容易复盐，长期使用可能对土壤理化性质造成不利影响等问题。生物改良方法实施难度较大，影响因素众多，改良效果不确定，难以全面推广。

随着对盐渍化研究的深入，人们逐渐意识到冻融作用是土壤盐渍化的重要成因之一。特别是分布在东北、内蒙、新疆等季节性冻融区的盐碱土，在冻结过程中，因受土壤剖面温度梯度的影响，高矿化度的潜水不断向冻土层迁移累积，使冻结区部分土层含水率呈饱和状态，同时盐分也伴随水分向上迁移累积于冻土层中；翌年融化期，土壤从表层和深层向中间开始解冻，表层土壤因融化的土壤水分被下部冻土层阻隔无法下渗而发生潮塌返浆，同时在蒸发作用下，水盐向表层积聚，形成次生盐渍化，影响春季播种、育苗。

上述改良方法都不同程度地受到冻融过程的影响，其中水利工程改良方法受影响最大。灌区的传统改良方法是在秋季或初冬进行灌溉洗盐，一方面淋洗表层盐分至下层土壤或地下水中，另一方面利用土壤的冻结作用进行储水保墒。由于没有考虑冻融作用，秋浇、冬灌往往是渠道什么时候来水就什么时候灌，来多少水就灌多少水，只关注了秋浇过程中的洗盐效果，而实际上大量灌水洗盐会使得地下水位升高，有研究指出较高的地下水位会加剧冻土中水盐向表层聚积，同时灌水过程中田间形成的冰层对下层土壤水热盐运动的影响也未得到考虑，不仅控盐效果不理想，还造成水资源的浪费。

技术实现要素：

本发明提出一种基于冻融作用的灌区土壤盐渍化防治方法，充分考虑冻融过程的改进型水利改良盐碱土的方法，通过建立的水层-冰层-空气层-土壤耦合模型，科学分配灌溉水量，进而达到更好地防治土壤盐碱化的目的。

本发明采取的技术方案为：

一种基于冻融作用的灌区土壤盐渍化防治方法，包括以下步骤：

步骤一：根据田间灌溉水的入渗及结冰过程，建立水层-冰层-空气层-土壤耦合模型，其中，各层的能量、水分控制方程分别为：

1)土壤层

能量控制方程

方程(1)中的五项，从左至右分别为土壤温度改变引起的热容项(wm^-3)、结冰潜热项(wm^-3)、热传导项(wm^-3)、热对流项(wm^-3)和土壤蒸发潜热项(wm^-3)；z和t分别为土壤厚度(m)和时间步长(s)；cs和t分别为土壤比热容(jkg^-1c^-1)和土壤温度(℃)，ρi为冰密度(kgm^-3)，θi为体积含冰率(m³m^-3)，lf为冰的融化潜热(jkg^-1)，ks为土壤热传导率(wm^-1c^-1)，ρl为水密度(kgm^-3)，cl为水比热容(jkg^-1c^-1)，ql为液态水通量(ms^-1)，qv为水汽质量通量(kgm^-2s^-1)，lv为水的蒸发潜热(jkg^-1)，ρv为土壤水汽密度(kgm^-3)；

水分控制方程

方程(2)中的五项，从左至右分别为土壤水容项(m³m^-3s^-1)、土壤冰容项(m³m^-3s^-1)、土壤液态水通量项(m³m^-3s^-1)、土壤水汽通量项(m³m^-3s^-1)和源汇项(m³m^-3s^-1)；θl为体积含水率(m³m^-3)，k为土壤非饱和水力传导率(ms^-1)，ψ为土壤基质势(m)，其他各符号同上；

2)冰层

能量控制方程

方程(3)中的五项，从左至右分别为冰层温度改变引起的热容项(wm^-3)、融化潜热项(wm^-3)、热传导项(wm^-3)、冰层吸收的净辐射项(wm^-3)和冰层升华净潜热项(wm^-3)；wi为冰层液态水体积含量(m³m^-3)，ki为冰热传导率(wm^-1c^-1)，rn为辐射的冰层入射量(wm^-2)，ls为冰的升华潜热(jkg^-1)，其他各符号同上；

水分控制方程

wi,hold为冰层保持的液态含水量(m³m^-3)，wi,min为冰层所能保持液态水含量的最小值(m³m^-3)，wi,max为冰层所能保持液态水含量的最大值(m³m^-3)，ρe为对应wi,min的冰层密度(kgm^-3)，其他各符号同上；

3)灌溉水层

能量控制方程

方程(5)中的四项，从左至右分别为灌溉水层热容项(wm^-3)、结冰潜热项(wm^-3)、热传导项(wm^-3)和灌溉水层吸收的净辐射项(wm^-3)；kl为液态水热传导率(wm^-1c^-1)，其他各符号同上；

水量控制方程

wir,hold＝win-wout(6)

灌溉水层水量控制方程表示的含义是：储水项(m)等于入流项(m)与出流项(m)之差；入流项包括降水、上覆冰雪层融化；出流项包括蒸发、结冰、入渗；

4)空气层

能量控制方程

空气层能量控制方程表示的含义是：空气层热容项(wm^-3)等于热传导项(wm^-3)与热对流项(wm^-3)之差；ρa为空气密度(kgm^-3)，ca为空气比热容(jkg^-1c^-1)，ka为空气热传导率(wm^-1c^-1)，其他各符号同上；

水分控制方程

方程(8)等号两端分别为储水项(kgs^-1m^-3)和对流项(kgs^-1m^-3)；由于上层的冰雪融水将直接进入灌水层或土壤层，空气层的水分运移仅有气相的交换，各符号同上；

步骤二：耦合模型建立完成后，将各层控制方程联合求解，具体过程如下：

1)将各层分成若干节点，在每个时间步长内根据气象及表层水温资料，通过空气动力学方程计算大气与水层的质量、能量交换通量，并将其作为边界条件带入方程(1)、(5)进行能量平衡计算，得到土壤层、水层各节点温度，以此判断是否结冰及计算结冰量，并作为水层上边界条件，通过green-ampt入渗公式计算入渗量作为水层下边界条件及土壤上边界条件，将上下边界条件带入公式(2)、(6)计算水量平衡；

2)出现冰层之后，每个时间步长内根据气象及冰层表面温度资料，通过空气动力学方程计算大气与冰层的质量、能量交换通量，并将其作为边界条件带入方程(1)、(3)、(5)进行能量平衡计算，得到冰层、水层、土壤层各节点温度，以此判断冰层是否融化及计算融化量作为冰层上边界条件、判断水层是否结冰及计算结冰量作为冰层下边界及水层上边界条件，通过green-ampt入渗公式计算入渗量作为水层下边界条件及土壤上边界条件，将各个上下边界条件带入公式(2)、(4)、(6)计算水量平衡；

3)随着结冰和入渗过程的进行，水层厚度不断减小，每个时间步长内判断水层厚度是否小于田间沟壑深度及计算空气层厚度，空气层出现后，重复上述计算过程；

步骤三：根据模型所需资料，收集研究区域地理参数(经纬度、海拔、坡度、方位角)、气象数据(气温、气压、相对湿度、风速、降水及太阳辐射)及基本土壤参数(质地、容重、饱和含水率、进气值、初始含水率含盐量剖面)，输入建立的灌水结冰过程数学模型中进行模拟，确定最优的灌水时间、灌水水量及空气层厚度；

步骤四：在灌区收割完成之后，根据确定的空气层厚度，对田间进行翻耕，一方面是将表层盐分较高土壤翻至下部，另一方面翻耕形成的沟壑能对冰层进行顶托，形成空气层；之后根据步骤三确定的参数进行灌溉。

本发明的有益效果：

冻融土壤的水盐运动本身是一个极其复杂的过程，再加上灌溉水的入渗，冰层、空气层的形成，使得这一过程更加复杂。不同的气候、地表粗糙度、土壤、地下水条件及灌水时间、灌溉水量都会对冰层、空气层的厚度及盐分积累产生影响。

本发明提出一种充分考虑冻融过程的改进型水利改良盐碱土的方法。利用灌溉水冻结形成的冰层、空气层的“隔热”效应，减小地表和深层土壤之间的温度梯度，从而减小水分、盐分从未冻区向冻结区迁移累积。另外，由于冰层的“隔热”效应，减轻了土壤的冻结程度，使得融化期土壤能够更快地融通，部分融化的表层土壤水分能够携带盐分向下运移，缓解土壤的次生盐渍化。通过建立的水层-冰层-空气层-土壤耦合模型，科学地指导灌溉水分配，更好地防治土壤盐碱化。

本发明的优势具体表现在：

(1)与传统的物理改良、水利改良、化学改良以及生物改良相比，本发明提出的方法充分考虑了冻融过程对土壤盐渍化的影响，在水利改良淋洗盐分的基础上能进一步控制冻融期的盐分累积，在季节性冻融灌区具有更好的控盐效果。

(2)与传统的水利工程改良方法相比，节约了水资源。

(3)充分利用了已有的水利工程设施，不需要额外的大量投资。

附图说明

图1灌水入渗结冰过程；

图2不同处理下的土壤水盐通量：(a)12月8日～12月18日各田块水分通量；(b)12月18日～1月16日各田块水分通量；(c)12月8日～12月18日各田块盐分通量；(d)12月18日～1月16日各田块盐分通量。

具体实施方式

一种基于冻融作用的灌区土壤盐渍化防治方法，包括以下步骤：

步骤一：根据田间灌溉水的入渗及结冰过程，建立水层-冰层-空气层-土壤耦合模型，其中，各层的能量、水分控制方程分别为：

1)土壤层

能量控制方程

方程(1)中的五项，从左至右分别为土壤温度改变引起的热容项(wm^-3)、结冰潜热项(wm^-3)、热传导项(wm^-3)、热对流项(wm^-3)和土壤蒸发潜热项(wm^-3)；z和t分别为土壤厚度(m)和时间步长(s)；cs和t分别为土壤比热容(jkg^-1c^-1)和土壤温度(℃)，ρi为冰密度(kgm^-3)，θi为体积含冰率(m³m^-3)，lf为冰的融化潜热(jkg^-1)，ks为土壤热传导率(wm^-1c^-1)，ρl为水密度(kgm^-3)，cl为水比热容(jkg^-1c^-1)，ql为液态水通量(ms^-1)，qv为水汽质量通量(kgm^-2s^-1)，lv为水的蒸发潜热(jkg^-1)，ρv为土壤水汽密度(kgm^-3)；

水分控制方程

方程(2)中的五项，从左至右分别为土壤水容项(m³m^-3s^-1)、土壤冰容项(m³m^-3s^-1)、土壤液态水通量项(m³m^-3s^-1)、土壤水汽通量项(m³m^-3s^-1)和源汇项(m³m^-3s^-1)；θl为体积含水率(m³m^-3)，k为土壤非饱和水力传导率(ms^-1)，ψ为土壤基质势(m)，其他各符号同上；

2)冰层

能量控制方程

方程(3)中的五项，从左至右分别为冰层温度改变引起的热容项(wm^-3)、融化潜热项(wm^-3)、热传导项(wm^-3)、冰层吸收的净辐射项(wm^-3)和冰层升华净潜热项(wm^-3)；wi为冰层液态水体积含量(m³m^-3)，ki为冰热传导率(wm^-1c^-1)，rn为辐射的冰层入射量(wm^-2)，ls为冰的升华潜热(jkg^-1)，其他各符号同上；

水分控制方程

wi,hold为冰层保持的液态含水量(m³m^-3)，wi,min为冰层所能保持液态水含量的最小值(m³m^-3)，wi,max为冰层所能保持液态水含量的最大值(m³m^-3)，ρe为对应wi,min的冰层密度(kgm^-3)，其他各符号同上；

3)灌溉水层

能量控制方程

方程(5)中的四项，从左至右分别为灌溉水层热容项(wm^-3)、结冰潜热项(wm^-3)、热传导项(wm^-3)和灌溉水层吸收的净辐射项(wm^-3)；kl为液态水热传导率(wm^-1c^-1)，其他各符号同上；

水量控制方程

wir,hold＝win-wout(6)

灌溉水层水量控制方程表示的含义是：储水项(m)等于入流项(m)与出流项(m)之差；入流项包括降水、上覆冰雪层融化；出流项包括蒸发、结冰、入渗；

4)空气层

能量控制方程

空气层能量控制方程表示的含义是：空气层热容项(wm^-3)等于热传导项(wm^-3)与热对流项(wm^-3)之差；ρa为空气密度(kgm^-3)，ca为空气比热容(jkg^-1c^-1)，ka为空气热传导率(wm^-1c^-1)，其他各符号同上；

水分控制方程

方程(8)等号两端分别为储水项(kgs^-1m^-3)和对流项(kgs^-1m^-3)；由于上层的冰雪融水将直接进入灌水层或土壤层，空气层的水分运移仅有气相的交换，各符号同上；

步骤二：耦合模型建立完成后，将各层控制方程联合求解，具体过程如下：

1)将各层分成若干节点，在每个时间步长(根据用户需求自行设定，本实施例设定为2h)内根据气象及表层水温资料，通过空气动力学方程计算大气与水层的质量、能量交换通量(该部分内容为现有技术内容，不再赘述)，并将其作为边界条件带入方程(1)、(5)进行能量平衡计算，得到土壤层、水层各节点温度，以此判断是否结冰及计算结冰量，并作为水层上边界条件，通过green-ampt入渗公式计算入渗量作为水层下边界条件及土壤上边界条件，将上下边界条件带入公式(2)、(6)计算水量平衡；

2)出现冰层之后，每个时间步长内根据气象及冰层表面温度资料，通过空气动力学方程计算大气与冰层的质量、能量交换通量，并将其作为边界条件带入方程(1)、(3)、(5)进行能量平衡计算，得到冰层、水层、土壤层各节点温度，以此判断冰层是否融化及计算融化量作为冰层上边界条件、判断水层是否结冰及计算结冰量作为冰层下边界及水层上边界条件，通过green-ampt入渗公式计算入渗量作为水层下边界条件及土壤上边界条件，将各个上下边界条件带入公式(2)、(4)、(6)计算水量平衡；

3)随着结冰和入渗过程的进行，水层厚度不断减小，每个时间步长内判断水层厚度是否小于田间沟壑深度及计算空气层厚度，空气层出现后，重复上述计算过程；

步骤三：根据模型所需资料，收集研究区域地理参数(经纬度、海拔、坡度、方位角)、气象数据(气温、气压、相对湿度、风速、降水及太阳辐射)及基本土壤参数(质地、容重、饱和含水率、进气值、初始含水率含盐量剖面)，输入建立的灌水结冰过程数学模型中进行模拟，确定最优的灌水时间、灌水水量及空气层厚度。

通过河套灌区义长灌域的实验数据对模型进行验证，确定了最优的灌水时间是在11月20日～30日，灌溉水量为180mm，空气层厚度控制在3cm。

步骤四：在灌区收割完成之后，根据确定的空气层厚度，对田间进行20cm左右翻耕，一方面是将表层盐分较高土壤翻至下部，另一方面翻耕形成的沟壑能对冰层进行顶托，形成空气层；之后根据步骤三确定的参数进行灌溉，灌水入渗结冰过程如图1所示。

具体实施过程如下：

2013年12月至2014年1月在内蒙古河套灌区义长灌域下属永联试验场进行了方案实施。选取初始水盐状况大体一致的4个田块，编号w0，w1，w2及w3。其中w0为对照组，无灌水；w1为灌水量为150mm的控制组；w2为灌水量为200mm的控制组；w3为灌水量为250mm的控制组。在灌水之前，对田块进行了20cm翻耕。实施期间共有三次取样，分别为灌水之前的2013年12月8日及冰层形成之后的12月18日、2014年1月16日。取样深度为5cm、10cm、20cm、30cm、40cm、60cm、80cm和100cm。对于土壤温度的监测则通过预先埋设的pt100温度探头进行测量，观测时间分别为：2013年12月12日、12月18日、12月20日、12月25日、12月31日、2014年1月6日、1月15日、1月15日。

以0℃等温线作为冻结区与非冻结区的分界线，w0，w1，w2，w3的最大冻结深度分别为70cm，90cm，75cm与65cm，冻结速度分别为1.22cm/d，1.41cm/d，1.24cm/d及1.07cm/d。w0，w2，w3的冻结深度与冻结速度对比表明了冰层的“隔热”效应，但w1田块冻结程度却是最深，因此少量灌水不利于春季的融通，易造成次生盐渍化。根据质量平衡原理计算土壤的水分通量与盐分通量，如图2所示。田块水分、盐分在温度梯度的作用下从非冻区向冻结区运动，水盐通量随着冰层厚度增加而减小，也表明了冰层的隔热效应。

根据冻土的冻结融化过程可知，在冻结期时，土壤水分向表层运动，盐分也随着水分积聚在表层；到融化期时，冻土从表层和底层同时向中间融化，表层融化水分由于受到中间冻土层的阻隔不能向下运动，在蒸发作用下发生次生盐渍化。故冻土表层30cm的水分不仅不能保墒，还为盐分向表层运动提供介质，因此表层30cm土壤水分为无效水分。w0田块的温度梯度最大，在试验期间表层30cm土壤累积的无效水分最多，积盐量最大，以其累积水分、盐分作为基础值。田块w1，w2，w3无效水分累积、盐分累积占基础值的比例为相对累积量。此处从保墒与控盐两个角度定义用水效率，如下：

其中eff为灌溉用水效率；a为水分、盐分相对累积量；i为灌溉水量(mm)。土壤保墒的用水效率随着灌水量增加而增大，并逐渐趋于平稳；而土壤洗盐的用水效率在200mm灌水量时最低，比150mm灌水量时更低，表明当只考虑洗盐目标时，灌水量不足不仅不能洗盐，反而可能导致积盐。从保墒控盐效率及冻结程度综合考虑，考虑冰层、空气层的隔热效应后，灌水量宜在180mm左右，相对于该地区没有考虑冻融过程的200mm灌溉洗盐水量，既提高了洗盐效率，又节约了水资源。