季节性冻融灌区灌水结冰过程及其对土壤水热盐耦合运移影响机理研究

Due to the combined influences of natural processes such as freeze-thaw cycle and artificial process such as irrigation and drainage, the problem of soil salinization in seasonal freeze-thaw irrigation areas in China is more complex and difficult to control, which restricts the sustainable development of regional agricultural production. Salt leaching is an important measure to prevent and control soil salinization, but under the action of freeze-thaw process, the transport of soil water, heat and salt will be affected by the process of irrigation water freezing, the process and mechanism remain unclear. In this study, the continuous observation of surface water and heat during irrigation water freezing and infiltrating will be conducted using surface energy balance observation system in seasonal freeze-thaw irrigated farmland. The transport of soil water, heat and salt will be discussed to clarify the mechanisms of water and heat transport and transformation between soil, water layer, air space and ice cover in ‘soil-water-air-ice’ system, and numerical model will be built to quantified the transport and transformation of water and heat in ‘soil-water-air-ice’ system. The scientific basis and guidance will be provided for water-saving and salt-controlling in seasonal freeze-thaw irrigation area through this project.

由于冻融循环等自然过程及灌溉排水等人类活动的共同影响，我国季节性冻融灌区的土壤盐渍化问题变得更加复杂且难以治理，制约着地区农业生产的可持续发展。灌水洗盐是防治土壤盐渍化的重要措施，但在冻融过程作用下，土壤水热盐运移受到灌溉水结冰-入渗过程的影响，其过程及机理尚不明确。本研究以秋浇的季节性冻融农田为研究对象，通过地表能量平衡观测系统连续监测灌溉水结冰-入渗过程中地表水热盐垂直分布特征及其变化规律，明确灌溉水结冰-入渗过程及其对土壤水热盐运动的影响，阐明“土-水-气-冰”系统中土壤层、水层、空气层及冰层的水热传输和转化机理，构建灌水结冰条件下农田不同界面的水热运移数值模型，实现 “土-水-气-冰”系统内各层水热传输转化机理的量化表征，为指导季节性冻融灌区节水控盐提供科学依据和决策参考。

在干旱少雨、蒸发强烈、土壤冻融等自然因素以及灌排不当导致地下水埋深过浅等人为因素的共同作用下，我国北方季节性冻融灌区土壤盐渍化问题严重，威胁生态环境及粮食生产。将生育期结束后的秋浇/冬灌与土壤冻融过程进行统一考虑，在此基础上如何实现高效节水控盐保墒这一目标是本研究需要解决的问题。.为此，本研究从（1）灌水结冰过程及下伏土壤水热盐时空变化规律与主要特征，（2）灌水结冰过程及其对下伏土壤水热盐运移影响机理，（3）季节性冻融灌区“土-水-气-冰”系统水热盐运移模拟三个方面开展研究。取得的重要研究结果及关键数据如下：.通过本项目的完成，积累了研究区的土壤、水文、气象等基础参数以及2020-2022年冬季土壤水分、盐分、温度剖面连续观测等关键数据，可以为以后的研究或其他相关研究提供一定的基础。结合遥感观测的田间冰层覆盖数据以及地面观测的灌溉水量、时间，气象资料，土壤水分、盐分，地下水位等，通过主成分分析，证明了地表冰层覆盖的控盐保墒效果。秋浇时，受结冰-入渗过程的影响，在冰层与地表之间形成一定厚度的空气层，进一步加强冰层的隔热作用；田间灌水结冰条件下，土壤冻结可以划分为稳定冻结期与非稳定冻结期，非稳定冻结期冻结锋的发展主要受水分相变热量吸放影响，稳定冻结期冻结锋主要受地表边界条件及冻土热性质的影响。基于微区实验数据，结合最新发布的SHAW模型（添加VG模型模块），进行了参数敏感性分析及率定验证，为SHAW模型在非灌水条件下的应用提供了参考；基于该成果，结合微区实验数据，证明了SHAW模型无法应用于灌水结冰条件下的土壤水热盐运移模拟；进一步完善了SWAIS模型，修改了其冻土饱和水力传导度模型，提高了模型模拟精度。.本研究提出的控盐保墒新思路属于原创，是首次提出，并阐明了灌水结冰这种复杂边界条件下的土壤水热盐运移规律及机理；本研究构建的SWAIS模型，具有相当的应用前景，可以为季节性灌区的灌溉制度制定提高指导，实现高效节水控盐保墒。