西北旱區(qū)玉米不同覆膜方式下土壤水熱效應(yīng)數(shù)值模擬研究

魏萬成，戴 飛，張鋒偉，張仕林，史瑞杰，劉元祥

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

地膜覆蓋技術(shù)由于其優(yōu)異的抗旱保墑效果，自推廣以來極大地促進(jìn)了我國西北旱區(qū)農(nóng)業(yè)增收。該技術(shù)采用地膜全覆蓋技術(shù)，不但可顯著提高農(nóng)作物的增產(chǎn)效果，同時(shí)具有保溫、保濕、抑制雜草生長，以及防止病蟲害發(fā)生的作用。近年來全膜雙壟溝播技術(shù)為我國北方玉米增產(chǎn)增收做出了卓越貢獻(xiàn)[1]。玉米全膜雙壟溝種床土壤水熱效應(yīng)的研究將科學(xué)地給出水分年際持續(xù)性、溫度分布、雨水入滲等相關(guān)規(guī)律和玉米產(chǎn)量的關(guān)系，對此，相關(guān)學(xué)者通過大田試驗(yàn)全面系統(tǒng)分析了土壤水熱效應(yīng)對玉米產(chǎn)量的影響，取得了一系列研究成果[2-3]。然而，大田試驗(yàn)通常會受到氣候、土壤條件、地理位置等客觀條件限制，還需要大量重復(fù)試驗(yàn)，且試驗(yàn)周期較為漫長。通過數(shù)值模擬的方式來研究玉米全膜雙壟溝種床土壤水熱效應(yīng)可有效降低研究成本和周期。

ABAQUS作為國際上先進(jìn)的非線性有限元軟件之一，不斷吸取最新的分析理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)。貼合實(shí)際廣泛應(yīng)用于機(jī)械、土木、水利等工程領(lǐng)域，尤其在巖土領(lǐng)域，ABAQUS能結(jié)合復(fù)雜的土壤條件提供完善的土體本構(gòu)模型[4-5]，并結(jié)合其強(qiáng)大的建模能力和特有的solis分析步來求解復(fù)雜的土壤問題。相關(guān)學(xué)者已借助ABAQUS在土壤滲流、旋耕、深松、開溝、強(qiáng)度分析等領(lǐng)域取得了相似度極高的仿真模擬效果[6-9]。這說明只要建立正確的土壤模型、選擇合適的土體本構(gòu)模型、給出正確的土壤參數(shù)和模型載荷邊界條件后，ABAQUS有能力解決土壤水熱效應(yīng)數(shù)值模擬問題。

通過數(shù)值模擬的方式得到不同覆膜方式下土壤熱平衡以及降雨入滲結(jié)果具有可視化程度好、提取數(shù)據(jù)方便、試驗(yàn)方案處理迅速等優(yōu)點(diǎn)。因此，為了更進(jìn)一步探明玉米在不同覆膜方式下水熱效應(yīng)規(guī)律和增產(chǎn)效應(yīng)，需要提供強(qiáng)有力的理論依據(jù)和分析。本文結(jié)合相關(guān)學(xué)者的研究基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)在ABAQUS中建立了土壤的虛擬模型，通過對其水熱效應(yīng)規(guī)律的分析得到了全膜雙壟溝播為最優(yōu)覆膜方式的優(yōu)勢和理論支撐，以期為后期全膜雙壟溝播技術(shù)水熱效應(yīng)、種床的高效構(gòu)建和增產(chǎn)機(jī)理研究提供參考。

1 模型及原理

1.1 土體本構(gòu)模型的選擇

土壤作為典型的多孔介質(zhì)其受力關(guān)系十分復(fù)雜，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系往往具有高度非線性、彈塑性、剪脹型和各項(xiàng)異性等。因此，想要得到較為準(zhǔn)確的仿真結(jié)果選擇合適的土體本構(gòu)模型至關(guān)重要。除了常規(guī)的彈塑性模型和多孔介質(zhì)彈塑性模型外，ABAQUS還提供了一系列強(qiáng)大的土體本構(gòu)模型，其中Mohr-Coulomb模型主要適用于顆粒狀材料。而土壤實(shí)際就是形狀大小不同的顆粒在自然環(huán)境下堆積而成的[4]，因此本文選用Mohr-Coulomb模型作為仿真模型的本構(gòu)。

1.2 模型基本原理

ABAQUS中給出的Mohr-Coulomb模型受力屈服面函數(shù)為[4-5]；

F=Rmcq-ptanφ-c=0

(1)

式中，p和q為應(yīng)力面符號；φ為應(yīng)力面上Mohr-Coulomb屈材料摩擦角，0°≤φ<90°；c為土壤材料的粘聚力(MPa)；Rmc為屈服面在π面的形狀控制函數(shù)，按照下式計(jì)算：

(2)

采用上述函數(shù)會在屈服面產(chǎn)生尖角導(dǎo)致計(jì)算繁瑣、收斂性差等問題，因此在等勢面處理上ABAQUS采用了連續(xù)光滑的橢圓函數(shù)作為等勢面，函數(shù)表達(dá)式如下；

(3)

式中，C0為初始粘聚力(MPa);β為剪脹角(°);ε為土壤應(yīng)力空間子午面上的偏心率，它控制了G在子午面上的形狀與函數(shù)的漸近線之間的相似度，ABAQUS中ε默認(rèn)取0.1。

其余參數(shù)可在選擇土體本構(gòu)模型時(shí)在材料屬性中自行制定，其中粘聚力在軟件中制定后即默認(rèn)不變，即將土體視為理想的線性模型。

1.3 土壤材料參數(shù)選擇

土壤參數(shù)直接決定了土壤的特性，合適的土壤參數(shù)是得到準(zhǔn)確模擬結(jié)果的關(guān)鍵。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和試驗(yàn)參考土壤模型的主要材料參數(shù)如表1所示，采用ABAQUS米制國際單位[7-9]。

2 模擬試驗(yàn)方案

以玉米出苗期為時(shí)間點(diǎn)，研究了不同覆膜方式下土壤的水熱效應(yīng)，參考已有的研究和農(nóng)藝要求在ABAQUS中分別建立了如圖1所示的露地平作、全膜平作、單壟覆膜和全膜雙壟溝播4種模式下的土壤模型[10-11]。技術(shù)規(guī)范為：露地平作下行距40 cm，株距25 cm，穴播種植；全覆膜平作下不起壟全地覆膜穴播，行距40 cm，株距24 cm；單壟覆膜模式為起單壟后覆膜穴播，壟面寬70 cm，壟距35 cm，采用壟上雙株栽培，行距40 cm，株距24 cm；全膜雙壟溝播模式下大壟寬70 cm、高15 cm，小壟寬40 cm、高20 cm，壟溝內(nèi)穴播，行距40 cm,株距24 cm,土壤深度均為40 cm。以此模型為研究對象分別模擬了4種模式下土壤的水熱效應(yīng)規(guī)律，并得出可靠的模擬效果，提取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析對比后得到保水增溫效果最優(yōu)的覆膜方式并給出理論支撐。

表1 土壤材料屬性參數(shù)

圖1 不同覆膜方式下土壤模型Fig.1 Models of soil under different film mulching

3 模擬試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 模型基本原理

土壤本身作為一種導(dǎo)熱介質(zhì)，在其內(nèi)部主要進(jìn)行的是導(dǎo)熱交換。按照傳熱學(xué)理論旱區(qū)黃綿土是典型的多孔性土壤，分析時(shí)可以忽略空氣的傳熱作用。其傳熱系數(shù)為堅(jiān)實(shí)土壤導(dǎo)熱系數(shù)和多孔系數(shù)的乘積，導(dǎo)熱規(guī)律基本符合常規(guī)固體內(nèi)部導(dǎo)熱規(guī)律[12-13]。因此只要給出正確的初始邊界條件就可以精確地得出溫度場和傳熱規(guī)律。

由于一個(gè)地區(qū)的天氣和土質(zhì)是基本一致的，研究一定面積的土壤的過程中可以將其抽象成半無限大平板的一維溫度響應(yīng)問題。研究土壤的水分變化、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等變化下如果考慮熱物性變化，就可簡化一維問題，對應(yīng)的一維熱擴(kuò)散基本方程為[14]

(4)

式中，C為比熱容(J·m-3·K-1)；k1為傳熱系數(shù)；t為時(shí)間(h)；x為土壤深度(cm);T為土壤溫度(℃)。

對于不同條件的土壤給出相應(yīng)的初始邊界條件便可得出對應(yīng)的溫度分布。在ABAQUS中也是基于以上理論建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解[4]。

ABAQUS對土壤飽和滲流和非飽和滲流問題有強(qiáng)大的計(jì)算分析能力，尤其是針對灌溉降雨等非飽和滲流能夠準(zhǔn)確得到土壤地下水分的分布、含量和遷移狀況[4]。作為一種均質(zhì)且各項(xiàng)同性的多孔介質(zhì)，單純的雨水入滲仿真可忽略土壤中的氣體對土壤水分的影響，不考慮根系的吸水作用，根據(jù)滲流基本定律——達(dá)西定律和能量守恒相結(jié)合得到非飽和一維Richards滲流控制方程來描述壟體內(nèi)土壤水分運(yùn)動[15-16]。

(5)

式中，θ為單位體積土壤含水量(%);t為時(shí)間(h);z為土壤深度(cm);K為土壤導(dǎo)水率(cm3·h-1);h為土壤壓力水頭(cm)。

ABAQUS規(guī)定應(yīng)力以拉為正，而液體和氣體壓力則以壓為正。因此ABAQUS中的有效應(yīng)力原理和常規(guī)土力學(xué)表達(dá)略有差異，如下表示[8]：

(6)

3.2 熱平衡過程模擬

3.2.1 模型前處理及邊界條件 玉米是感溫性很強(qiáng)的作物，土壤溫度直接影響了玉米種子的發(fā)芽、出苗和生長效率[15]。例如，玉米種子發(fā)芽出苗效率在土壤溫度為10℃～12℃時(shí)最佳，而最適宜的根系生長溫度為24℃左右[12]。因此研究不同覆膜方式下土壤的溫度分布特性和變化規(guī)律具有十分重要的意義。根據(jù)典型玉米種植地區(qū)甘肅省土壤類型，本文以黃綿土為研究對象，默認(rèn)土壤空隙結(jié)構(gòu)溫度不受含水率變化影響，即土壤環(huán)境為理想狀態(tài)[13]，同時(shí)不考慮土壤水分含量對熱平衡的影響。

為了降低仿真模擬成本和時(shí)間，在不影響模擬結(jié)果的前提下將土壤模型處理為二維平面模型，選取壟體任意剖面為研究對象，選擇Mohr-Coulomb土體本構(gòu)模型，給定表1的土壤材料彈塑性參數(shù)，并指派截面給模型，選擇單元類型DC2D4單元。根據(jù)土壤熱平衡理論，土壤熱量主要來源為太陽熱輻射，地膜覆蓋可以提高輻射量，增加土壤表層溫度。且下層土壤的熱量主要來源于表層熱交換[12]，因此選擇熱傳導(dǎo)分析步。表層溫度邊界為土壤或地膜表層實(shí)測溫度值。取2017年5月初在甘肅省蘭州市榆中縣試驗(yàn)田晴天12∶00—14∶00多次測量后的平均值。測量結(jié)果為：露地平作土壤表層平均溫度為18.5℃，全膜平作地膜表層平均溫度為21.8℃，單壟覆膜壟體表層平均溫度為28℃，壟溝內(nèi)為24℃。全膜雙壟溝播大小壟壟體地膜表層平均溫度為27.6℃，與壟溝表層溫度差為3℃～4℃，與覆土帶溫差為1.4℃～2℃。假設(shè)日照時(shí)間為2 h，期間天氣狀況無重大變化且日照良好，因此將模擬時(shí)間設(shè)置為2 h。

3.2.2 壟體土壤溫度分布 分別對以上4種模型施加邊界條件，ABAQUS會根據(jù)模型結(jié)構(gòu)、分析步以及邊界條件計(jì)算出2 h后土壤剖面溫度結(jié)果。如圖2所示，在熱輻射持續(xù)2 h后土壤剖面溫度分布差異性很大，說明起壟和覆膜改變了土壤的溫度分布結(jié)構(gòu)。變化規(guī)律上總體表現(xiàn)為：隨著土壤深度的增加溫度逐漸下降，且有地膜覆蓋的土壤表層溫度明顯高于其他模式。另外溫度分布上差異也較為明顯，在同一深度的土壤剖面內(nèi)露地平作和全膜平作土壤溫度分布在水平方向上無明顯差異，而單壟覆膜和全膜雙壟溝播模式土壤剖面溫度和壟體結(jié)構(gòu)有直接聯(lián)系，隨著深度增加逐漸穩(wěn)定?？傮w來看地膜對淺層土壤的增溫效果十分明顯，因此有必要對壟溝內(nèi)溫度進(jìn)行進(jìn)一步研究。

圖2 壟體土壤溫度分布Fig.2 Temperature distribution in the body of ridge

3.2.3 壟溝內(nèi)土壤溫度變化 玉米出苗期莖葉生長緩慢，根系發(fā)展迅速，想要達(dá)到苗早、苗足、苗齊、苗壯需求需要保證土壤有充足的熱量和水分。而研究不同覆膜方式下土壤熱效應(yīng)關(guān)鍵要看壟溝內(nèi)土壤溫度變化規(guī)律[10]。因此，通過ABAQUS后處理分別提取了模型壟溝內(nèi)土壤的溫度值得到了壟溝內(nèi)土壤在深度方向的變化曲線，如圖3所示。出苗期壟溝內(nèi)土壤溫度變化趨勢總體表現(xiàn)為表層大于深層，隨著土層深度的增加溫度逐漸下降，露地平作模式下土壤溫度始終小于其他3種覆膜方式，說明該模式下土壤的保溫性能最差。土層深度在10 cm時(shí)，各模型下降速率出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)。在10 cm淺層土壤內(nèi)，全膜雙壟溝播模式土壤溫度下降趨勢最為緩慢，基本保持在24℃左右，這一溫度更加接近于玉米種子發(fā)育和根系生長所需的最適溫度(23℃～25℃)，而其他覆膜方式下溫度下降趨勢較為明顯。說明全膜雙壟溝播模式能夠保持壟溝內(nèi)淺層土壤熱量的恒定，更有利于根系的生長。另外，從圖3觀察到全膜雙壟溝播和單壟覆膜下40 cm土層深度范圍內(nèi)土壤溫度始終保持在22℃左右。造成上述現(xiàn)象的主要原因是地膜覆蓋在增加土壤表層的熱輻射量的同時(shí)有效抑制了土壤熱量的散失，以及全膜雙壟溝播大小壟設(shè)計(jì)和地膜覆蓋的雙重因素在抑制土壤熱量散失的同時(shí)還具有平衡土壤熱量的作用[2]。以上結(jié)果與文獻(xiàn)[2-3]有關(guān)研究相吻合，充分驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。說明在土壤保溫性能上全膜雙壟溝播明顯優(yōu)于其他3種模式。

3.2.4 壟體土壤熱通量變化 土壤熱通量雖然不是土壤植被大氣系統(tǒng)能量的主要支出項(xiàng)，但直接影響土壤溫度的變化速度和時(shí)間，其大小方向決定了土壤得失熱量的多少，分析土壤熱通量分布特征可以了解土壤能量的收支情況[15-16]。因此土壤熱通量的研究對壟體土壤熱平衡分析有著重要意義。在ABAQUS中添加熱通量場輸出后會得到土壤剖面熱通量分布云圖(圖4)。由圖4可知，熱通量變化梯度和溫度基本保持一致，即土壤表層大于底層。全膜雙壟溝播和單壟覆膜兩種模式沿深度方向熱通量變化差距較為明顯且規(guī)律性差，說明地膜覆蓋和壟體形狀對土壤表層熱量收支產(chǎn)生的影響大于深層土壤，其主要原因是壟體表層地膜使土壤熱輻射增加以及不同結(jié)構(gòu)的壟體可接收的熱輻射存在差異。

3.2.5 壟溝內(nèi)土壤熱通量變化 為了探究壟溝內(nèi)土壤熱量收支的詳細(xì)情況，參照溫度數(shù)據(jù)提取方式得到壟溝內(nèi)土壤熱通量在土層分布方向的變化曲線(圖5)。如圖5所示，不同覆膜方式下熱通量變化差異很大，露地平作模式熱通量在深度方向上變化不大，基本保持在18 W·m-2左右，數(shù)值為正值說明單位時(shí)間內(nèi)通過土壤單位橫截面積上的熱量基本保持不變且熱量始終在向下傳遞，但通過的能量流量值較小。全膜平作同樣保持了與露地平作相同的變化趨勢，熱通量保持在35 W·m-2左右，表明同樣是向下傳遞但通過土壤單位橫截面積上的熱量有所增加，更多的熱量被傳遞到深層土壤。而反觀單壟覆膜和全膜雙壟溝播兩種模式熱通量變化速率在不同深度的土層下表現(xiàn)均有差異，但40 cm土層深度都為正值說明熱量傳遞方向始終為向下傳遞。在5 cm土層內(nèi)全膜雙壟溝播模式熱通量急劇下降，5 cm土層以下下降趨勢開始緩解，在40 cm土層時(shí)甚至有變?yōu)樨?fù)值的趨勢。在3 cm土層范圍內(nèi)單壟覆膜模式熱通量急劇下降，3 cm土層以下下降趨勢開始緩解。說明起壟后的土壤在地膜的作用下壟溝內(nèi)土壤在單位時(shí)間內(nèi)單位面積上通過的熱量明顯提高，隨著土層加深熱傳遞能力迅速減弱。其主要原因有：(1)地膜覆蓋熱輻射增加土壤接收的熱量多,熱通量累計(jì)值也增大，熱量迅速向下傳遞，使土壤溫度在很短時(shí)間內(nèi)增加;(2)起壟后改變了土壤表層接收熱輻射的面積，改變了土壤整體的熱分布規(guī)律，使得表層土壤熱量傳遞能力急劇增大；(3)超過一定的深度后，熱輻射能力減弱，土壤接收的熱量減小，熱通量下降趨勢逐漸減弱甚至無法接收來自表層土壤的熱輻射。對比以上結(jié)果發(fā)現(xiàn)，10 cm淺層土壤內(nèi)全膜雙壟溝播模式下壟溝內(nèi)土壤熱通量值最高，且熱通量下降速率也最大，說明全膜雙壟溝播能有效抑制壟溝內(nèi)溫度快速向下傳遞的趨勢，能有效提高淺層土壤的保溫性能。

圖3 壟溝土壤溫度變化Fig.3 Temperature change in the furrow

圖4 壟體土壤熱通量分布狀態(tài)Fig.4 Heat flux distribution in the body of ridge

3.3 降雨入滲模擬試驗(yàn)

3.3.1 模型前處理及邊界條件 雨水入滲的仿真模擬其重點(diǎn)是研究土壤在降雨結(jié)束后的水分分布和遷移特性。因此降雨邊界條件要盡量接近實(shí)際降雨日變化才能得到可靠的模擬效果。采用上文中的二維平面模型選擇Mohr-Coulomb土體本構(gòu)模型，添加表1給出的土壤滲透系數(shù)、孔隙比、水的容重等材料參數(shù)，劃分網(wǎng)格類型為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為了提高計(jì)算精度壟溝附近網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密，單元類型為CPE4P，采用solis分析步。

在ABAQUS中降雨邊界條件通過降雨入滲強(qiáng)度q(m·h-1)來表示，并且排除降雨所造成的積水現(xiàn)象，另外為了更好地模擬實(shí)際降雨效果，ABAQUS中通過定義幅值曲線的方式來模擬降雨量隨時(shí)間的變化[18-20]。參考相關(guān)土壤雨水入滲模擬的研究，由于土壤含水量受到降雨量影響較大，為了減小仿真成本，此處假設(shè)降雨時(shí)間為72 h，降雨前模型土壤飽和度為0，即土壤為干土。另外根據(jù)農(nóng)藝要求膜上穴播時(shí)膜孔直徑為5 cm左右，覆膜狀態(tài)下降雨僅可通過膜孔入滲，地膜不透水。參考相關(guān)土壤雨水入滲仿真模擬經(jīng)驗(yàn)定義初始入滲強(qiáng)度為0.02 m·h-1，降雨量隨時(shí)間的變化幅值曲線如圖6所示，降雨量從0時(shí)刻開始達(dá)到峰值后在72 h后降雨停止。計(jì)算過程中軟件會按照該幅值函數(shù)自動調(diào)節(jié)入滲強(qiáng)度大小。

圖5 壟溝內(nèi)土壤熱通量變化Fig.5 Heat flux change in the furrow

3.3.2 壟體土壤滲流速度分布 雨水在土壤中的滲流主要表現(xiàn)為雨水在土壤骨架空隙內(nèi)的流動，該運(yùn)動十分復(fù)雜。通過ABAQUS可得到土壤滲流速度變化規(guī)律。當(dāng)前處理準(zhǔn)備完成時(shí)提交計(jì)算通過軟件后處理功能即可觀察壟體土壤降雨后的飽和度、孔隙壓力、水分流速和體積含水率等結(jié)果。該過程旨在能夠直觀地觀察土壤內(nèi)水分的遷移規(guī)律。模擬結(jié)束后通過ABAQUS后處理場輸出得到不同覆膜模式下降雨后土壤的雨水滲流速度分布云圖，如圖7所示，其中箭頭表示雨水流速矢量?？芍涤杲Y(jié)束后不同覆膜方式下雨水滲流速度的大小和方向差異較大。在相同的降雨邊界條件下露地平作模式的雨水滲流速度大體表現(xiàn)為豎直向下。單壟覆膜和全覆膜平作模式下由于降雨僅能通過膜孔入滲，降雨后雨水的滲流速度明顯與露地平作不同，其最大速度集中在膜孔附近。全膜雙壟溝播模式下降雨僅能通過壟溝入滲，其滲流速度表現(xiàn)為壟溝附近大于其他位置且流速方向改變最為明顯。具體表現(xiàn)為雨水通過壟溝時(shí)先向四周擴(kuò)散然后向下入滲，有明顯的側(cè)滲現(xiàn)象。造成流速分布差異的主要原因是地膜覆蓋導(dǎo)致雨水僅能通過膜孔入滲，使得降雨入滲邊界被限制，以及壟體結(jié)構(gòu)改變了雨水的初始流動方向。對于全膜雙壟溝而言獨(dú)特的壟溝集雨效應(yīng)使得雨水全部集中到壟溝內(nèi)并通過壟溝獨(dú)特的外形結(jié)構(gòu)改變了雨水入滲速度和方向，使得雨水產(chǎn)生了側(cè)滲。

圖6 降雨幅值曲線Fig.6 The curve of rainfall amplitude

圖7 降雨結(jié)束后壟體土壤滲流速度分布狀態(tài)Fig.7 The distribution of seepage velocity in the body of ridge after rainfall

3.3.3 壟溝內(nèi)土壤滲流速度變化 分別提取4種模型壟溝內(nèi)土壤滲流速度得到其變化曲線(圖8)。由圖8可知，降雨結(jié)束后露地平作和全膜平作兩種模式的入滲速率變化不大，基本保持在0.1 m·h-1左右，40 cm深度內(nèi)基本保持勻速，露地平作模式平均下滲速度略大于全膜平作模式。這說明單純的地膜覆蓋對于土壤滲流速度影響不大。而全膜雙壟溝播和單壟覆膜兩種模式下雨水下滲速度變化差異較為明顯，具體變現(xiàn)為在0～10 cm淺層土壤內(nèi)下滲速度迅速降低，超過10 cm土層后全膜雙壟播模式雨水下滲速度趨于穩(wěn)定。以上結(jié)果說明不同的處理模式對土壤雨水下滲有較大的影響，起壟和地膜覆蓋都抑制了雨水下滲的速度。其主要原因是起壟后的土壤由于旋耕等機(jī)具的作用使得表層土壤骨架空隙明顯大于底層，降雨能迅速滲透到土骨架間隙內(nèi)，隨著深度的增加孔隙比下降，其入滲能力受到了限制。其次，兩種起壟模式改變了雨水初始流動的方向，降雨在起初就出現(xiàn)了明顯的側(cè)滲現(xiàn)象。

3.3.4 壟體土壤飽和度分布 土壤飽和度反映了土體空隙中充滿水的程度，其大小為孔隙水的體積與空隙總體積之比，對于干土其飽和度為0，對于飽和土該值為1[21]。圖9所示為降雨結(jié)束后壟體土壤飽和度分布狀況。當(dāng)降雨結(jié)束后起壟和覆膜都對土壤飽和度有較大的影響，而對于露地平作模式降雨后40 cm土層土壤飽和度為1，說明降雨后雨水充滿了土壤空隙達(dá)到了完全飽和的狀態(tài)。全膜平作模式表層土壤飽和度呈“W”型，達(dá)到一定深度后逐漸穩(wěn)定接近飽和。單壟覆膜模式下由于降雨可通過壟溝和膜孔入滲土壤剖面飽和度在淺層有明顯的分層現(xiàn)象，深層土壤也處于近飽和狀態(tài)。全膜雙壟溝播模式下土壤剖面飽和度分布在表層表現(xiàn)為壟溝附近飽和度大于其他部位，深層土壤逐漸平衡但深度方向上差值較為明顯。這一結(jié)果清晰反映出了不同覆膜方式下降雨結(jié)束后土壤飽和度分布狀態(tài)。

3.3.5 壟溝內(nèi)土壤飽和度變化 為了得到不同覆膜方式下壟溝內(nèi)土壤飽和度變化規(guī)律，從ABAQUS后處理功能中提取壟溝內(nèi)土壤飽和度得到如圖10所示的曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)降雨結(jié)束后露地平作土壤整體處于絕對飽和狀態(tài)，全膜平作在淺層有微小下降，10 cm以下土層又恢復(fù)了飽和狀態(tài)。

單壟覆膜模式下淺層土壤飽和度迅速下降，超過2 cm土層逐漸升高，在23 cm土層左右重新達(dá)到飽和狀態(tài)。而全膜雙壟溝播模式下土壤飽和度變化起伏較大，總體上為先降后升，直到40 cm土層才達(dá)到飽和狀態(tài)。分析其原因主要是由于全膜雙壟溝播和單壟覆膜兩種模式土壤表層存在側(cè)滲現(xiàn)象，導(dǎo)致垂直方向上雨水入滲無法達(dá)到飽和狀態(tài)，使得淺層土壤壟溝內(nèi)出現(xiàn)非飽和區(qū)域，超過一定深度后土層側(cè)滲現(xiàn)象逐漸消失，雨水下滲方向重新以重力方向?yàn)橹鳌？傮w來說雖然每種模式下土壤剖面飽和度變化有所差異，但在數(shù)值上始終大于0.95，基本上很接近飽和狀態(tài)，說明在相同的降雨下4種覆膜方式土壤飽和度差異不大。

圖8 降雨結(jié)束后壟溝內(nèi)土壤滲流速度變化Fig.8 Velocity of seepage in the furrow after rainfall

圖10 降雨結(jié)束后壟溝內(nèi)土壤飽和度變化Fig.10 Soil saturation change in the furrow after rainfall

3.3.6 壟體土壤含水率分布 土壤含水量一直是土壤水熱效應(yīng)研究中非常重要的觀測指標(biāo)[2,16]。圖11所示為壟體土壤體積含水率分布云圖,可以發(fā)現(xiàn)，降雨結(jié)束后壟體含水率變化有很明顯的規(guī)律性，濕潤的土壤和干土之間有明顯的交界面，濕潤鋒的空間分布非常明顯。露地平作模式的富集區(qū)主要在土壤表層，其他3種模式其富集區(qū)主要分布在膜孔或壟溝內(nèi)附近，但全膜平作模式的富集區(qū)更加貼近于表層土壤膜孔附近，主要是由于地膜阻止了大量的雨水入滲，使得進(jìn)入土壤的水量十分有限。在全膜雙壟溝播模式下降雨經(jīng)大小壟面覆蓋的地膜攔截形成徑流進(jìn)入壟溝內(nèi)，與該部位承接的自然降雨疊加造成局部水分相對豐沛從而促進(jìn)水分入滲。

圖9 降雨結(jié)束后壟體土壤飽和度分布Fig.9 The distribution of saturation in the body of ridge after rainfall

圖11 降雨結(jié)束后壟體土壤體積含水率分布Fig.11 The distribution of soil volumetric moisture content in the body of ridge after rainfall

3.3.7 壟溝內(nèi)土壤含水率變化 參考現(xiàn)有的農(nóng)田土壤含水率研究和土壤學(xué)相關(guān)理論，含水率一般都指質(zhì)量含水率，為了進(jìn)一步詳細(xì)研究壟溝內(nèi)土壤含水率分布變化規(guī)律，此處通過土體三相組成關(guān)系將體積含水率通過下面的公式轉(zhuǎn)換為質(zhì)量含水率[21-23]。

(7)

式中,ω為質(zhì)量含水率(%)；ρd為土壤干密度(g·cm-3)；ρω為水密度(g·cm-3)；θω為體積含水率。

提取壟溝內(nèi)土壤體積含水率后，經(jīng)過換算到質(zhì)量含水率變化曲線(圖12)。如圖所示,降雨后不同覆膜方式下土壤質(zhì)量含水率有很大的差異，隨著深度的增加質(zhì)量含水率逐漸下降。全膜平作模式從26%下降到接近于0的狀態(tài) 。主要原因是該模式下地膜阻擋了大量的降雨入滲，有限雨水只能通過膜孔進(jìn)入土壤，因此大量的雨水被浪費(fèi)。全膜雙壟溝播模式從最高的32%下降到15%，平均含水率依然高于其他3種模式。露地平作模式含水率從27%下降到10%左右，單壟覆膜模式含水率較為穩(wěn)定，但平均含水量較低。綜合以上對比，全膜雙壟溝播模式能有效提高玉米出苗期土壤含水率，尤其是25 cm以內(nèi)表層土壤含水率。這一結(jié)果與文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[21]相關(guān)研究結(jié)果一致[2,20]。說明全膜雙壟溝播模式能充分利用出苗期有限降雨，保水性能極佳，為玉米增產(chǎn)增收提供了保障。

圖12 降雨結(jié)束后壟溝內(nèi)土壤質(zhì)量含水率變化Fig.12 Soil mass moisture change in the furrow after rainfall

4 結(jié) 論

本文通過數(shù)值模擬的方式對玉米出苗期內(nèi)全膜雙壟溝播、露地平作、全膜平作、單壟覆膜4種覆膜方式下的土壤熱平衡和降雨入滲過程進(jìn)行了仿真模擬實(shí)驗(yàn)，得到了如下結(jié)論：

1)起壟覆膜改變了土壤剖面溫度和熱通量分布結(jié)構(gòu)，增加了表層溫度和熱傳遞能力。壟溝內(nèi)平均溫度為全膜雙壟溝播22.4℃，露地平作19.6℃，全膜平作24.1℃，單壟覆膜23.4℃。全膜雙壟溝播模式下溫度變化趨勢最為緩慢，穩(wěn)定性最好；全膜雙壟溝播模式壟溝內(nèi)熱通量從109.38 W·m-2迅速下降至0.47 W·m-2，且淺層土壤下降速率更快。說明全膜雙壟溝播模式有效抑制了土壤溫度向下傳遞的趨勢，保證了土壤溫度的長時(shí)間恒定，尤其是25 cm內(nèi)的淺層土壤。

2)通過入滲模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，全膜雙壟溝和單壟覆膜兩種模式下雨水產(chǎn)生了側(cè)滲現(xiàn)象，其中全膜雙壟溝播最為明顯，滲流速度在10 cm土層內(nèi)從0.15 m·s-1下降至0.10 m·s-1，但超過 10 cm土層后又趨于穩(wěn)定，有效抑制了雨水過快下滲的趨勢。其次，在含水率分布上，全膜雙壟溝播和單壟覆膜模式的濕潤鋒富集區(qū)都集中在玉米根部(壟溝)附近。壟溝內(nèi)土壤平均含水率分別為全膜雙壟溝播19.0%，露地平作18.2%，全膜平作8.0%，單壟覆膜14.4%。全膜雙壟溝播模式壟溝內(nèi)土壤平均含水率明顯高于其他3種模式，尤其是20 cm的淺層土壤內(nèi)更加明顯。

3)通過對比分析發(fā)現(xiàn)4種覆膜方式中全膜雙壟溝播模式下壟溝內(nèi)土壤溫度穩(wěn)定性最好，平均含水率最高，保水性和保溫性最佳。