基于LAWSTAC模型的植物生长条件下层状土壤水盐运移的数值模拟.pdf

节水灌溉Water Saving I基于LAWSTAC模型的植物生长条件下层状土壤水盐运移的数值模拟李睿冉1，刘思岐2，刘旭3，王均香4，宋增伟5（1.山东水利职业学院，山东 日照 276826；2.北京市南水北调团城湖管理处，北京 100195；3.日照市土地发展集团，山东 日照 276826；4.日照市国有大沙洼林场，山东 日照 276826；5.日照市政务服务中心，山东 日照 276826）摘 要：为研究层状土壤对水盐运移以及植被生长的影响，进一步了解植物水分的有效利用情况，以植物生长条件下的室内层状（上层为壤土，下层为河砂）一维土柱水盐运移试验为基础，利用课题组开发的层状土壤水盐运移模型(Layered soil water solute transport and crop growth model，LAWSTAC)进行了相应的模拟和分析。研究结果表明：LAWSTAC模型可以较好的模拟入渗过程中均质壤土的水盐运移，模型相关参数可以直接用于层状土土柱的模型中。LAWSTAC模型可以较好地模拟入渗条件下上细下粗型层状土的水盐运移情况，但是对于蒸发过程来说，由于下层河砂参数选取的误差、亦或由于目前水盐运移理论在有优先流存在的层状土中适用性不好，导致蒸发过程模拟效果不佳。粗质土覆盖细质土能有效减小蒸发量及蒸腾量，上层粗质土对水分运动和盐分运移均有抑制作用。上粗下细型层状结构土壤的蒸发失水主要来自上层粗质土，而上细下粗型层状结构土壤的蒸发失水主要来自下层粗质土，且其累积蒸发量远大于上粗下细型层状土。因此，LAWSTAC模型可为研究自然界中土壤质地差异较大的农田的盐碱化防治以及灌溉水的高效利用提供数据支持。关键词：植物生长；均质土；强异质层状土；层状结构；水盐运移模拟；入渗；蒸散发；LAWSTAC模型；数值模拟中图分类号：S27 文献标识码：A DOI：10.12396/jsgg.2022176李睿冉，刘思岐，刘 旭，等.基于 LAWSTAC 模型的植物生长条件下层状土壤水盐运移的数值模拟 J.节水灌溉，2023（9）：48-56.DOI：10.12396/jsgg.2022176.LI R R，LIU S Q，LIU X，et al.Numerical simulation of water and salt transport in subsoil under plant growth conditions based on LAWSTAC model J.Water Saving Irrigation，2023（9）：48-56.DOI：10.12396/jsgg.2022176.Numerical Simulation of Water and Salt Transport in Subsoil Under Plant Growth Conditions Based on LAWSTAC ModelLI Rui-ran1，LIU Si-qi2，LIU Xu3，WANG Jun-xiang4，SONG Zeng-wei5（1.Shandong Water Conservancy Vocational College，Rizhao 276826，Shandong Province，China；2.Tuancheng Lake Management Office of Beijing South-to-North Water Diversion Project，Beijing 100195，China；3.Rizhao Land Development Group，Rizhao 276826，Shandong Province，China；4.State-owned Dashawa Forest Farm of Rizhao，Rizhao 276826，Shandong Province，China；5.Rizhao Municipal Government Service Center，Rizhao 276826，Shandong Province，China）Abstract：To study the effect of layered soil on water and salt transport and vegetation growth,and further understand the effective utilization of plant water,based on the water and salt transport test of indoor one-dimensional soil column with layer(loam in the upper layer and river sand in the lower layer)under the condition of plant growth,the Layered soil water solute transport and crop growth model(Layered soil water solute transport and crop growth model,LAWSTAC)developed by the research group was used for the corresponding simulation and analysis.文章编号：1007-4929（2023）09-0048-09收稿日期：2022-08-03 接受日期：2023-06-06基金项目：国家自然科学基金重大项目课题（51790535）。作者简介：李睿冉（1980-），女，副教授，硕士，研究方向农业节水灌溉、水文水资源。E-mail:。48基于LAWSTAC模型的植物生长条件下层状土壤水盐运移的数值模拟 李睿冉 刘思岐 刘旭 等The results show that:The LAWSTAC model can well simulate the water and salt migration of homogeneous loam during infiltration,and relevant parameters of the model can be directly used in the model of the layered soil column.The LAWSTAC model can well simulate the water and salt migration in the fine-upper and coarser layered soil under infiltration conditions.However,for the evaporation process,due to the error in the selection of the parameters of the lower river sand,or the poor applicability of the current water and salt migration theory in the layered soil with preferential flow,the simulation effect of the evaporation process is not good.Covering fine soil with coarse soil can effectively reduce evaporation and transpiration,the upper coarse soil can inhibit water movement and salt migration.The evaporation and water loss of the upper coarse-lower fine layered soil is mainly from the upper coarse-grained soil,The evaporation and water loss of the upper fine layer soil and the lower coarse layer soil mainly came from the lower coarse soil,And the cumulative evaporation is much larger than that of the upper coarse and lower fine layered soil.As a result,the LAWSTAC model can provide data support for the study of salinization control and efficient utilization of irrigation water in farmland with large differences in soil texture in nature.Key words：plant growth；homogeneous soil；strong heterogeneous stratified soil；layered structure；water and salt transport simulation；infiltration；evapotranspiration；LAWSTAC model；numerical simulation0引 言农业生态水文模型是改善农田的盐碱化防治和水资源短缺现状的重要工具1-3。对于层状土壤来说，由于其水流运动方式的改变，传统的用于模拟水分和盐分在非饱和土壤中运移的Richards方程和对流弥散方程不再适用，许多学者在传统方程基础上进行改进并探索了新的水盐运移计算及模拟方法。1997年黄冠华等4利用随机方法对一维和二维层状土壤的非饱和水分运动进行了模拟。1998年王全九等5在对层状土入渗机制的研究中将层状土入渗过程分为两个阶段，用Green-Ampt 模型描述第一阶段均质土入渗的入渗过程，用以砂层的进水吸力改进的 Green-Ampt 模型描述第二阶段渗透问题。2001年任理等6利用传递函数的方法对室内人工构造的两种非均质土柱进行了模拟，以此研究稳定流场中饱和及非均质土壤盐分优先运移的随机特性。2010 年毛晓敏等7根据土壤水动力学的基本原理，提出了计算多层土壤稳渗率的饱和层最小通量法。为了描述非饱和土壤中水流和溶质的运动，Liu 等8根据土壤介质和土壤水流运动自身的特点建立了活动流场模型。活动流场模型将分形理论引入连续性模型，解决了大尺度实际问题，也能捕捉小尺度下流动的细部特征9。盛丰等建立了活动流场模型下描述和模拟非饱和带土壤中水流运动和溶质运移过程的控制方程，更好的描述了土壤优先流运动整体的非均匀特征10。孙燕等11提出了通过累积入渗量和湿润锋深度求得模型参数，还提出了生化黄腐酸在盐碱土水分入渗条件下的水盐分布及其对入渗模型参数的影响，明晰了对土壤盐分降低和水分运移的作用效果12。目前层状土水盐运移研究比较成熟的软件有HYDRUS和SWAP 等。HYDRUS 模型是由美国国家盐渍土改良中心(US Salinity Laboratory)开发的一套用于模拟变饱和多孔介质中水分、能量、溶质运移的新型数值模拟软件13；软件在模拟土壤中水分、溶质及能量的分布，时空变化及运移规律方面效果较好，对于分析农田灌溉、施肥、环境污染等实际问题也有很大的帮助14；同时，HYDRUS可以与其他地下水、地表水模型相结合，从宏观上分析水资源的转化规律。SWAP是由荷兰瓦赫宁根大学开发的，主要用于模拟农田尺度水盐运移的软件，适用于多层土壤，同时考虑了地下水动态变化的影响；SWAP模型不仅可以模拟土壤水分运动和溶质运移，同时也可以对土壤中的热量传输、土壤蒸发、植物蒸腾及作物生长进行模拟15。但是HYDRUS模型缺少作物生长模拟模块，SWAP模型的溶质运移模块采用的是显式差分，划分节点较粗。因此，应用SWAP和HYDRUS模型模拟农田土壤中水盐运移过程存在一定的局限性。以往的研究多是在土质差异较小、入渗或蒸发单一条件下的室内土柱试验的数值模拟，缺少对强异质层状土壤在植物生长条件下的水盐运移试验进行的数值模拟。本研究以一维土柱水盐运移试验为基础16，进行了表面栽种富贵竹的层状土水盐运移数值模拟研究，利用层状土壤水盐运移模型(Layered Soil Water Solute Transport and Crop Growth Model，LAWSTAC)模拟，可以更好的对研究自然界中土壤质地差异较大的农田的盐碱化防治以及灌溉水的高效利用提供数据支持。1研究方法及内容1.1研究方法本文主要利用LAWSTAC模型对表面栽种植物的上细下粗型异质层状土柱水盐运移规律和溶质运移对变化边界的响应进行模拟分析，并分析了在蒸发条件下不同土壤排列(上粗下细、上细下粗)对土壤中的水盐动态以及蒸散发量的影响。LAWSTAC模型是以土壤水、盐动态迁移的Richards、CDE 方程和作物生长的基本原理为基础，利用有限差分方法构建的一维层状土条件下土壤水盐运移和作物生长的耦合模型，主要由水分运动模块、盐分运移模块和作物生长模块这3个子模块组成，模型中考虑了土壤的层状结构对土壤水盐运移和作物生长的影响，并对有限差分网格中的半节点参数采用了算术平均、几何平均、调和平均、间接算术平均、间接几何平均、间接调和平均、三点平均和迎风平均等8种不同的平均方式，为土壤水盐运移和作物生长耦合模拟提供了更多的数值模拟算法3,17。1.2研究内容1.2.1LAWSTAC模型模拟与对比本文根据对有植物生长的上细下粗型强异质层状土建立49基于LAWSTAC模型的植物生长条件下层状土壤水盐运移的数值模拟 李睿冉 刘思岐 刘旭 等了LAWSTAC模型，利用LAWSTAC模型在土柱水盐运移的试验基础上进行模拟，并与试验结果进行对比，验证LAWSTAC(Layered soil Water-Solute Transport And Crop growth model)模型对强异质层状土水盐运移模拟的可靠性，并对粗质土的部分基本水力参数进行敏感性分析。1.2.2情景分析利用LAWSTAC模型对植物生长条件下不同层状土壤排列的蒸发过程进行模拟，分别设置上细下粗型和上粗下细型两种不同排列的土壤，评价土壤的不同层状结构对植物蒸腾、水分运动以及盐分累积的影响。1.2.3LAWSTAC模型验证与评价方法LAWSTAC模型模拟层状土柱的水盐运移过程，通过对下层河砂的基本水力特性参数比如、n进行调节，从而可以较好的模拟层状土壤入渗率、累积入渗量、含水率以及盐分浓度的变化，考虑了非稳定流情况以及植物的蒸腾作用对水盐运移产生的影响。将试验结果与模拟结果进行对比分析，利用均方根误差（RMSE）和决定系数（R2）来衡量模拟值和实测值16之间的符合程度，其中RMSE越接近于0、R2越接近于1表示符合效果越好，通过分析符合程度验证模型模拟的可靠性。2均质土和层状土水盐运移的数值模拟2.1模型建立及参数的确定利用LAWSTAC分别模拟一维均质壤土土柱和一维层状土柱的水盐运移全过程，模拟深度是50 cm，剖分为51个节点，节点之间间距为1 cm。模拟过程中设置3个土壤体积含水率和电导率的监测点，深度分别为5 cm、15 cm和25 cm。入渗过程中上表面设置为2 cm薄层积水。2.1.1土壤水力特性参数模型中需要设置的参数有饱和体积含水率s，残余体积含水率r，饱和导水率Ks、经验参数、n。其中s和Ks是由试验测得，l是土柱高度，其余参数是由人工神经网络模型调试得到，调试后的参数如表1所示。2.1.2溶质运移参数模型是以对流-弥散方程为基础的，溶质运移模型有纵向机械弥散系数DL和水中的溶质分子自由扩散系数D0两个，本研究中纵向机械弥散系数DL取10 cm，自由扩散系数D0取2.5 cm/h2。2.2均质土柱模拟结果与实测结果对比2.2.1入渗过程均质土土柱的入渗率、累积入渗量、土壤体积含水率和土壤盐分浓度随时间变化的模拟值与实测值16的对比图，如图1图4所示。从图1图4中可以看出，入渗率及累积入渗量的模拟值与实测值16符合程度较好，土壤体积含水率与土壤盐分浓度的模拟结果与实测结果存在一定的差异，主要表现在：25 cm层土壤体积含水率在入渗初期的实测值16变化快于模拟值，盐分浓度模拟值的变化快于实测值16是由于压实不均导致湿润锋受空气阻力影响产生优先流。通过误差统计（表2）可知，R2在0.9以上，RMSE最大为0.261 cm。两者误差都在可接受范围内，表示LAWSTAC模型可以较好的模拟入渗过程中均质壤土的水盐运移，模型相关参数可以直接用于层状土土柱的模型中。薄丽媛等人验证了LAWSTAC模型对模拟不同灌溉水平下土壤水盐运移与制种玉米生长的适用性3。2.2.2蒸发过程均质土土柱的蒸发体积含水率和土壤盐分浓度随时间变化的模拟值与实测值16的对比图，如图5和图6所示。由图5和图6可见，15 cm层和25 cm层水分符合较好，误差统计值较为理想（表 3），但是 5 cm层水分模拟值与实测值16不符，原因是实测蒸发过程中，土壤表面压实程度较低，蒸发过程中出现裂隙延伸至探头处，对体积含水率的测量造成了影响，导致上层体积含水率测量出现误差，下降较快。在盐分浓度模拟中，盐分模拟趋势与实际相符，蒸发过程中，随着水分的蒸发，盐分浓度应该增加，但是在实测结果16中盐分却是降表1土壤水力特性参数Tab.1Parameters of soil hydraulic characteristics土壤壤土河砂r/(cm3cm-3)0.043 00.005 2s/(cm3cm-3)0.500.320.0100.075n1.582.92Ks/(cmmin-1)0.0216.000l/m0.50.5图1均质土土柱入渗过累积入渗量模拟值与实测值对比结果Fig.1Comparison between simulated and measured values of cumulative infiltration volume of soil column infiltration in homogeneous soil图2均质土土柱入渗过程入渗率模拟值与实测值对比结果Fig.2Comparison results of simulated and measured infiltration rates in the process of soil column infiltration in homogeneous soil50基于LAWSTAC模型的植物生长条件下层状土壤水盐运移的数值模拟 李睿冉 刘思岐 刘旭 等低的，原因之一是在蒸发过程中，土壤中部分盐分析出，探头无法测得，其二由于土壤三参数传感器探头之间的相互影响，导致测量出现误差。2.3层状土柱模拟结果与实测结果对比2.3.1入渗过程层状土土柱的入渗率、累积入渗量、土壤体积含水率和土壤盐分浓度随时间变化的模拟值与实测值16的对比图，如图7图10所示。由图7图10可见，由于试验过程中在土层交界处发生了指流，导致累积入渗量出现转折，入渗率后期较大，与模拟值符合情况比均质土稍差，但是经过误差统计（表4），R2在0.8以上，RMSE最大为0.387 cm，误差在可接受范围之内。体积含水率和盐分浓度的模拟值与实测值符合程度不理想，尤其是25 cm层，模拟值变化快于实测值16，原因是交界面处入渗水流不稳定，有指流产生，而且受到上层植物的影响，阻滞了盐分的运移，对于下层河砂的水力基本参数把控不佳，造成实测值存在误差，导致入渗过程中的体积含水率以及浓度模拟值与实测值符合程度较差。图7层状土土柱入渗过程累积入渗量模拟值与实测值对比结果Fig.7Comparison results of simulated and measured cumulative infiltration volume in layered soil column infiltration process图6均质土土柱蒸发过程浓度模拟值与实测值对比结果Fig.6Comparison of simulated and measured concentrations during evaporation of soil column in homogeneous soil表3均质土蒸发过程模拟效果Tab.3Simulation of evaporation process of homogeneous soil深度/cm51525体积含水率/（cm3cm-3）R20.9340.9320.921RMSE0.1300.0190.018图5均质土土柱蒸发过程体积含水率模拟值与实测值对比结果Fig.5Comparison between simulated and measured volumetric water content during evaporation of soil column in homogeneous soil图3均质土土柱入渗过程体积含水率模拟值与实测值对比结果Fig.3Comparison between simulated and measured volumetric water content in the process of soil column infiltration in homogeneous soil图4均质土土柱入渗过程浓度模拟值与实测值对比结果Fig.4Comparison of simulated and measured concentrations in the process of soil column infiltration in homogeneous soil表2均质土入渗过程模拟效果Tab.2Simulation of infiltration process of homogeneous soil深度/cm51525累积入渗量/cmR20.998RMSE0.261入渗率/（cmmin-1）R20.904RMSE0.027体积含水率/（cm3cm-3）R20.9410.9820.978RMSE0.0190.0190.032盐分浓度/（molL-1）R20.9560.9360.902RMSE0.0040.0090.01551基于LAWSTAC模型的植物生长条件下层状土壤水盐运移的数值模拟 李睿冉 刘思岐 刘旭 等2.3.2蒸发过程层状土土柱的蒸发体积含水率和土壤盐分浓度随时间变化的模拟值与实测值16的对比图，如图11和图12所示。由图11和图12可见，100 h以前，除表层外的其他两层体积含水率符合较好，100 h之后，实测值16体积含水率随时间减小量增加，与模拟值之间的差距变大，所以之后的符合程度较差。体积含水率100 h后符合较差的原因之一是由于下层河砂粒径过大，不完全符合 Richard 方程及对流弥散方程，利用LAWSTAC模型模拟的结果不符合实际，蒸发时，两层交界以下河砂体积含水率较低，下层基本不向上层供水，导致层状土壤实测体积含水率下降较均质土大；其二是对参数的把握不好，所以导致差异明显，于是进行了敏感性分析。浓度的实测值16在5 cm处无数据，由于盐分析出，传感器无法测出在含水率较低状态下的盐分，在15 cm和25 cm处浓度实测值降低。2.4模型敏感性分析敏感性分析是将模型表示为y=f(x1,x2,xn)(xi为模型的第i个属性值)，每个属性值在可能的取值范围内变动，进而研究出这些属性对模型输出值的影响程度，这种影响程度大小称为该属性的敏感性系数。敏感性系数越大，即该属性对模型输出值的影响越大。进行敏感性分析的目的主要是分析模型的属性，求得各属性的敏感性系数，在应用中主要考虑敏感性系数大的属性，减小模型的复杂程度，从而减轻数据分析的工作量，提高模型精度18。由于在层状土蒸发过程中，蒸发实测体积含水率与模拟值符合程度不理想是由于对下层河砂的水力特性参数影响的理解不透彻，所以对层状土蒸发条件下河砂的参数进行敏感图9层状土土柱入渗过程体积含水率模拟值与实测值对比结果Fig.9Comparison results between simulated and measured volumetric water content in layered soil column infiltration process图 8层状土土柱入渗过程入渗率模拟值与实测值对比结果Fig.8Comparison between simulated and measured infiltration rates of layered soil column infiltration process表4层状土入渗过程模拟效果Tab.4Simulation effect of layered soil infiltration process深度/cm51525累积入渗量/cmR20.995RMSE0.387入渗率/（cmmin-1）R20.923RMSE0.076体积含水率/（cm3cm-3）R20.8560.9320.877RMSE0.0320.0430.079盐分浓度/（molL-1）R20.8580.829RMSE0.0180.023图10层状土土柱入渗过程浓度模拟值与实测值对比结果Fig.10Comparison between simulated and measured concentrations of layered soil column infiltration process图11层状土土柱蒸发过程体积含水率模拟值与实测值对比结果Fig.11Comparison of simulated and measured volumetric water content in the evaporation process of layered soils图12层状土土柱蒸发过程浓度模拟值与实测值对比结果Fig.12Comparison between simulated and measured concentrations of layered soil column evaporation process52基于LAWSTAC模型的植物生长条件下层状土壤水盐运移的数值模拟 李睿冉 刘思岐 刘旭 等性分析，以期更好的理解模型结构，发现模型的缺陷，进而对模型结构进行改善。经过对模型参数的调试，发现下层河砂的和n这两个经验参数的影响较大，所以本文采用局部敏感性分析法对蒸发条件下模型中河砂的参数和n进行单因素敏感性分析，详见下式19，敏感系数见表5。RS=|x y()x+x-y()xy()x x式中：RS 为相对敏感度；x 为模型参数中的某一个参数值；x为该参数的改变量；y(x)和y(x+x)分别为参数改变前后的模拟输出值，包括植物蒸腾量、蒸发结束30 cm根区储水量及30 cm根区含盐量。RS越大即该参数的敏感性越大。将和n的值分别减少或增加50%、40%、30%、20%、10%，而其他的参数保持原值不变。然后将变化的参数代入模型，求解得出相应输出值。通过表5可以看出，蒸发过程中，植物出现了水分胁迫。对于植物蒸腾量来说，增大值对其影响不大，增大n值几乎无影响，但是减小n值对其影响很大，且减小幅度越大，敏感性系数越大。说明蒸发过程中，河砂孔隙度越小，水分胁迫越明显。基本水力特性参数越大，对于30 cm根区储水量的相对敏感度越小，减小50%时，相对敏感度在0.07左右。河砂孔隙度n对30 cm根区储水量的影响较为显著，n越小，相对敏感度越大，n减小50%时，其相对敏感度在0.2左右。对于30 cm根区含盐量来说，越小，相对敏感度越高，但是总体影响较小；根据模拟结果可知，河砂孔隙度减小，30 cm根区含盐量反而增大，在n减小40%时，30 cm根区含盐量的相对敏感系数最大，在0.105左右。说明在上细下粗的强异质层状土的蒸发过程中，下层河砂的孔隙度对于30 cm根区储水量影响较大，对于其他结果影响较小。3层状土结构对水盐运移影响的情景模拟分析在蒸发过程中，由于实测值16与模拟值的符合效果不佳，因此，为了更好的分析层状结构对蒸发过程的影响，以植物生 长 条 件 下 的 一 维 土 柱 水 盐 运 移 试 验 为 基 础16，利 用LAWSTAC模型对植物生长条件下不同层状土壤排列对蒸发过程中水盐动态的影响进行了分析。在情景模拟中用到两种不同质地的土壤，土壤参数见表1，模拟深度是50 cm，剖分为51个节点，节点之间间距为1 cm，植物根系层厚度设置为10 cm。在不同的情景模拟中，上边界条件采用受蒸发控制的大气边界。下边界采用0通量边界，其他条件与以植物生长条件下的室内层状（上层为壤土，下层为河砂）一维土柱水盐运移试验条件一致16。在土柱试验的基础上，分别设置上细下粗型和上粗下细型两种不同排列的土壤，用LAWSTAC模型模拟这两种情景在蒸发条件下土壤中的水盐状况，并分析层状土对蒸发量和土壤中盐分累积的影响，图 13 和图 14 给出了情景设置的示意图。3.1蒸散发量分析不同排列下的蒸散发量如表6所示。上细下粗型层状土的植物蒸腾量与土壤蒸发量的比例约为0.1，而在上粗下细型层状土中，植物蒸腾量与土壤蒸发量相差不大。上粗下细型层状土的植物蒸腾量要比上细下粗型层状土的植物蒸腾量少0.002 cm，说明上层为粗质土是不利于植物的蒸腾的，土质结表5模型参数的相对敏感度RSTab.5Relative sensitivities of model parameters参数n模型参数植物蒸腾量根区储水量根区含盐量植物蒸腾量根区储水量根区含盐量变化幅度-50%0.0050.0700.0060.0160.2040.096-40%0.0040.0610.0060.0110.1500.105-30%0.0040.0530.0050.0040.0710.028-20%0.0030.0470.0040.0020.0450-10%0.0030.0430.0030.0010.0340.00510%0.0020.0350.0040.0010.0230.00720%0.0020.0330.0030.0010.0200.00730%0.0020.0300.0030.0010.0180.00640%0.0020.0280.0030.0010.0160.00650%0.0010.0260.00200.0140.006图14“上粗下细”型土壤情景设置示意图（单位：cm）Fig.14Schematic diagram of top coarse and bottom soil scenario setting图13“上细下粗”型土壤情景设置示意图（单位：cm）Fig.13Schematic diagram of fine on top and coarse on bottom fine soil scenario setting53基于LAWSTAC模型的植物生长条件下层状土壤水盐运移的数值模拟 李睿冉 刘思岐 刘旭 等构的改变影响了植物的蒸腾速率。对于棵间蒸发量来说，上粗下细型层状土的棵间蒸发量要远远小于上细下粗型层状土，这是由于粗质土对下层水分运动有阻碍作用，这与李毅等20,21的研究结论一致，即粗质土在土表时，蒸发量最小。3.2土壤水分运动分析不同排列下蒸发时的体积含水率模拟结果如图15和图16所示，分别取上层5 cm、15 cm和25 cm 3个观测点和下层35 cm一个观测点来分析体积含水率的变化。由图15可知粗质土体积含水率低于细质土体积含水率。上层细质土体积含水率随时间减小，但是减小幅度不大，蒸发进行到100 h左右时，上层粗质土的体积含水率开始变化，而且下层体积含水率降低幅度要大于上层细质土，说明上细下粗型层状结构蒸发失水主要来自下层粗质土，粗质土位于下层时对水分运动的阻碍作用不明显。由图16可知下层细质土的体积含水率基本不变，那么蒸发失水主要来自上层粗质土，上层粗质土在蒸发初始阶段体积含水率瞬间减小，之后以较小的速率稳定蒸发，产生这种现象主要是粗质土的导水率以及孔隙度过大，由于蒸发是在各层体积含水率接近饱和的状态下开始的，所以水分在蒸发的同时也向下运动，水分下渗速率远远大于蒸发速率，导致初始阶段的体积含水率下降很快。由于下层粗质土的级配越差，有效粒径越大，越不利于水分的运行，所以上层的粗质土有阻碍水分运动的作用，下层细质土蒸发失水较少，体积含水率变化不大，这与史文娟等21-23的研究结果一致。对比上细下粗型层状土和上粗下细型层状土的体积含水率变化可知，上细下粗型层状土体积含水率变化幅度远大于上粗下细型层状土，即上细下粗型层状土的累积蒸发量要远大于上粗下细型层状土，也可以得出粗质土位于上层起到抑制蒸发的作用，这与Huang等21,24人的研究结果一致。3.3土壤盐分浓度的分析不同排列下蒸发时的土壤盐分浓度的模拟结果如图17和图18所示，分别取上层5 cm、15 cm和25 cm 3个观测点和下层35 cm一个观测点来分析土壤盐分浓度值的变化。由图17可知各层的浓度是随蒸发的进行而增加的，盐分随水分向上迁移，水分蒸发之后盐分就累积在各层土中，所以盐分浓度升高，下层粗质土并未对盐分的运移产生抑制作用。由图18可知15 cm和25 cm上层盐分浓度逐渐减小，由于粗质土层对盐分的吸附作用较小，盐分无法在层间停留，导致盐分浓度随后降低，盐分浓度的降低可以有效降低根系层内的含盐量，减小植物的盐分胁迫。5 cm土层盐分浓度前期有上升趋势是由于上层植物根系的阻滞作用，增加了根系层内的盐分。下层细质土蒸发初期随蒸发的进行盐分会向上累积，后期土壤的盐分浓度趋于稳定，上层粗质土对盐分迁移有一定的阻碍作用，盐分迁移受到抑制，最终盐分累积在交界面处，这与邹桂梅25等研究夹砂土有阻隔盐分的结果一致。4结 论在植物生长条件下的一维土柱水盐运移试验的基础上16，利用Matlab软件的LAWSTAC模型分别模拟均质土柱和层状土表6不同排列下蒸散发量cmTab.6Evapotranspiration under different arrangements上细下粗蒸发量3.773蒸腾量0.353上粗下细蒸发量0.382蒸腾量0.351图17上细下粗型土壤盐分浓度模拟结果对比Fig.17Comparison of simulation results of salt concentration in fine and coarse soils图18上粗下细型土壤盐分浓度模拟结果对比Fig.18Comparison of simulation results of salt concentration in coarse and fine soils图16上粗下细型体积含水率模拟结果对比Fig.16Comparison of simulation results of upper coarse and lower fine bulk moisture content图15上细下粗型体积含水率模拟结果对比Fig.15Comparison of simulation results of upper fine and lower coarse bulk moisture content54基于LAWSTAC模型的植物生长条件下层状土壤水盐运移的数值模拟 李睿冉 刘思岐 刘旭 等柱中的水盐运移全过程，得到以下结论：（1）如果 LAWSTAC 模型选择的壤土的水力特性参数合理，那么LAWSTAC模型可以较好的模拟植被生长条件下的均质土柱在入渗及蒸发条件下的水盐运移过程。（2）对于有植被生长上细下粗型强异质层状土来说，LAWSTAC模型可以较好的模拟入渗条件下的层状土水盐运移情况，但是对于蒸发过程来