基于微润灌的固沙植物生长动态及灌溉模式研究

Wind-sand disaster is the most serious ecological environment problems in our country especially in the northwest area, vegetative sand-control is the most effective measures which prevent wind-sand disasters and construction of ecological barrier. Soil moisture is the biggest limiting factor for the survival and growth of vegetation. Reasonable irrigation is to prevent the degradation of vegetation and effective measures to ensure the sand fixing effect lasting. Moistube-irrigation use semipermeable membrane technology, and provide a new technology for sand fixing plants. Through this project research on moistube-irrigation soil water movement of sand fixing plants (Haloxylon ammodendron) growth to find slightly damp irrigation mechanism, reveal the water distribution of soil wetting and infiltration characteristics which under different irrigation technique elements, construct the empirical model of soil moisture distribution and the simplify infiltration model, on the basis of sand fixing plants environmental conditions for growth and irrigation measures can be adjusted, to coordinate the relationship between soil water and sand fixing plants growth, quantitative determination of according with the objective reality of moistube-irrigation technology elements combination of optimization method, to realize the fixing plant water use efficiency of theory innovation, put forward the sand fixing plant moistube-irrigation optimum irrigation index and water supply mode.

风沙灾害是我国尤其是西北地区最为严重的生态环境问题，植物固沙是防治风沙灾害和构建风沙区生态屏障的最有效的首选措施。土壤水分是固沙植物存活、生长的最大限制因子。合理灌溉是防止植被退化和保证固沙效果持久的有效措施。微润灌采用半透膜技术进行地下灌溉，为植物固沙提供了新的技术手段。本项目通过研究微润灌土壤水分运动规律及其对固沙植物（梭梭）生长的影响，探明微润灌灌溉机理，揭示不同灌水技术要素组合下土壤湿润体水分分布与入渗特性规律，构建土壤含水率分布的经验模型和简化入渗模型，依据固沙植物生长的环境条件和可调节的灌水措施，协调土壤水分与固沙植物生长的关系，定量确定符合客观实际的微润灌技术要素组合优化方法，实现固沙植物水分高效利用理论的创新，提出固沙植物微润灌最佳灌水指标和供水模式。

针对风沙区土体剖面普遍存在的夹层现象，验证了SWMS-2 D模拟层状土柱中土壤水分运动的可行性，采用数值模拟的方法，研究夹层土质、夹层埋深、夹层厚度、初始含水率和压力水头对“垆夹砂”和“砂夹垆”土壤水分运动的影响。建立了改进的夹砂层土壤Green-Ampt入渗模型，提出了由土壤物理特性参数进气值倒数估算进水吸力的计算公式。利用室内试验探明了倾角和压力对空气中微润管出流特性的影响，提出了包括倾角和压力的微润管比流量计算公式。分别建立了微润管水平和竖直铺设方式下的土壤水分运动数学模型，利用SWMS-2 D软件进行求解，证明了所建模型及采用SWMS-2 D软件进行求解是可行的，采用数值方法模拟水平和竖直微润灌土壤水分运动过程是可靠的。模拟研究了土壤质地、初始含水率、压力水头、长度和埋深等因素对水平和竖直微润灌土壤湿润体特性的影响，湿润体在形状上差异不大，土壤含水率等值线均为围绕微润管的近似“同心圆”；土壤质地对湿润体特性有显著影响，土壤质地越黏重，湿润锋运移速率越慢，湿润体体积越小，土壤含水率等值线越密集；同一土壤质地，初始含水率、压力水头和微润管长度对湿润体特性有较大影响，湿润锋运移距离及湿润体体积均随土壤初始含水率、压力水头和长度的增大而增大；微润管埋深对湿润体分布位置有显著影响，埋深较浅时，湿润锋容易到达地表，埋深较深时，土壤湿润体随埋深下移而同步下移。基于数值模拟结果，建立了水平微润灌土壤湿润锋运移距离预测模型，并结合大田试验，确定了适宜于固沙植物（梭梭）健康生长的微润灌灌溉制度和灌溉参数。同时还研究了风沙土膜孔灌灌溉入渗量的计算模型；不同入渗水头、初始含水率条件下垂直一维入渗Philip模型的确定方法；Van Genuchten模型参数θr、θs、α、n和Ks对入渗特性的影响；推导了Philip模型参数与Green-Ampt模型参数间量化关系；压砂土壤水分的变异性及节水灌溉技术。作为新发展的灌水技术，以上研究成果为微润灌推广应用到植物固沙区提供了良好的技术支撑。