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咸水冻融灌溉下土壤水盐运移规律解析与数值模拟探究

一、引言

1.1研究背景与意义

水资源是人类社会赖以生存和发展的重要基础,然而,当前全球面临着严峻的水资源短缺问题。据统计,全球约有超过20亿人生活在水资源紧张的地区,可用淡水资源匮乏,无法满足人们日常生产生活的需求。在干旱与半干旱地区,这一问题尤为突出,淡水资源的不足严重制约了当地农业生产的发展。例如,我国的西北干旱地区,年降水量稀少,蒸发量大,农业灌溉用水极度紧张,许多农田因缺水而无法得到有效灌溉,导致农作物产量低下。

在这样的背景下,咸水作为一种潜在的水资源,其开发利用逐渐受到关注。咸水在全球范围内分布广泛,如我国的沿海地区、内陆盐碱地周边以及部分地下水资源中,咸水储量较为可观。合理利用咸水进行灌溉,能够在一定程度上缓解淡水资源短缺的压力,为农业生产提供新的水源保障。以新疆地区为例,当地通过对微咸水的合理利用,在一定程度上解决了部分农田的灌溉问题,保障了农作物的生长需求。

然而,咸水灌溉也带来了一系列的问题,其中土壤盐渍化是最为突出的。咸水中含有较高浓度的盐分,长期使用咸水灌溉会导致土壤中盐分不断积累,超过一定限度后,就会形成土壤盐渍化。土壤盐渍化会对土壤的物理、化学和生物学性质产生负面影响,如改变土壤的结构,降低土壤的透气性和透水性,影响土壤中微生物的活性,进而影响农作物的生长发育,导致农作物减产甚至绝收。在我国的黄河三角洲地区,由于长期不合理地利用咸水灌溉,部分农田出现了严重的土壤盐渍化,农作物产量大幅下降,土地生产力降低。

在寒冷地区,土壤冻融过程又为咸水灌溉下的土壤水盐运移增添了复杂性。冬季,土壤中的水分冻结,体积膨胀,会破坏土壤的原有结构;春季,气温回升,土壤开始融化,水分重新流动,这一过程会导致土壤中盐分的重新分布。土壤的冻融循环会影响土壤的孔隙结构、水分保持能力和盐分运移特性。例如,在东北地区,冬季土壤冻结深度可达几十厘米甚至更深,春季融化时,土壤中的盐分随着水分的流动会发生明显的迁移,可能会在土壤表层或某一深度处发生积聚,对农作物的生长产生不利影响。

深入研究咸水冻融灌溉下土壤水盐运移规律具有重要的理论意义。通过对这一复杂过程的研究,可以揭示土壤水盐运移的内在机制,丰富土壤物理学的理论体系。同时,建立准确的数值模型对土壤水盐运移进行模拟,能够为土壤水盐动态的预测提供有效的手段,有助于深入理解土壤水盐系统的变化规律,为相关理论研究提供有力支持。

从实践应用角度来看,研究咸水冻融灌溉下土壤水盐运移规律及数值模拟,对于指导合理的灌溉策略制定、保障农业可持续发展具有重要的现实意义。通过掌握土壤水盐运移规律,可以优化咸水灌溉方案,确定适宜的灌溉时间、灌溉量和灌溉频率,减少土壤盐渍化的风险,提高咸水资源的利用效率。利用数值模拟结果,可以对不同灌溉条件下土壤水盐动态进行预测,为农业生产提供科学依据,帮助农民合理安排农事活动,保障农作物的产量和质量,促进农业的可持续发展。研究成果对于盐碱地的改良和利用也具有重要的参考价值,有助于推动盐碱地资源的开发利用,增加可耕地面积,缓解土地资源紧张的局面。

1.2国内外研究现状

国外对咸水灌溉的研究起步较早,早在20世纪中叶,美国、以色列等国家就开始了相关研究。美国在加利福尼亚州的部分干旱地区,开展了咸水灌溉试验,研究不同盐分浓度的咸水对农作物生长和土壤盐分积累的影响。以色列则在沙漠地区利用咸水灌溉技术,结合滴灌等高效节水灌溉方式,成功实现了农业的可持续发展,其在咸水灌溉技术和管理方面积累了丰富的经验。在土壤盐分运移方面,国外学者提出了许多经典的理论和模型,如Richards方程用于描述土壤水分运动,对流-弥散方程用于描述土壤溶质(盐分)运移,这些理论和模型为后续的研究奠定了坚实的基础。

国内对咸水灌溉的研究始于20世纪70年代,随着我国水资源短缺问题的日益突出,咸水灌溉研究逐渐受到重视。众多科研人员在不同地区开展了大量的试验研究,分析了咸水灌溉对不同土壤类型、不同农作物品种的影响。在华北平原,研究人员通过长期定位试验,探究了咸水灌溉对冬小麦-夏玉米轮作系统中土壤盐分动态和作物产量的影响,为该地区的咸水灌溉提供了科学依据。针对土壤盐分运移规律,国内学者在借鉴国外理论的基础上,结合我国实际情况,进行了深入研究,提出了一些适合我国国情的修正模型和方法。

土壤冻融过程的研究在国内外也取得了丰硕的成果。国外学者利用先进的监测技术,如时域反射仪(TDR)、热脉冲技术等,对土壤冻融过程中的水分和温度变化进行实时监测,深入研究了土壤冻融对土壤物理性质、化学性质和生物学性质的影响。在加拿大的寒温带地区,研究人员通过长期监测,分析了土壤冻融循环对土壤碳氮循环的影响机制。国内学者则针对我国北方地区的气候特点和土壤类型,开展

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