【摘 要】
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中国北方地区水资源短缺,冬春干旱少雨,土壤蒸发强烈。季节性冻融期土壤水分发生相变并与土壤温度强烈耦合,土壤蒸发规律复杂。探索研究地表调控措施下土壤蒸发规律对于缓解水资源短缺,寻求抑制土壤蒸发的可行措施均具有一定的理论意义。基于2005-2006年冻融期不同秸秆覆盖厚度下(5 cm、10 cm、15 cm、20 cm和30 cm)和2015-2016年冻融期不同冬灌水量下(2015年11月7日一次性
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目,季节性冻融期土壤蒸发规律的试验及模拟研究,41572239; 国家自然科学基金青年基金项目,季节性冻融期浅层潜水与土壤水转化规律的试验研究,41502243; 山西省自然科学基金面上项目,潜水浅埋条件下非饱和带土壤特性和冻融环境对土壤水热的影响,201901D111053;
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中国北方地区水资源短缺,冬春干旱少雨,土壤蒸发强烈。季节性冻融期土壤水分发生相变并与土壤温度强烈耦合,土壤蒸发规律复杂。探索研究地表调控措施下土壤蒸发规律对于缓解水资源短缺,寻求抑制土壤蒸发的可行措施均具有一定的理论意义。基于2005-2006年冻融期不同秸秆覆盖厚度下(5 cm、10 cm、15 cm、20 cm和30 cm)和2015-2016年冻融期不同冬灌水量下(2015年11月7日一次性灌水100 m3·hm-2、200m3·hm-2、300 m3·hm-2、500 m3·hm-2和700 m3·hm-2)的土壤水热实测数据,采用SHAW模型模拟研究了不同秸秆覆盖厚度及不同冬灌水量下的冻融期土壤蒸发和土壤冻融过程。通过2017-2018年冻融期大田实测的不同秸秆覆盖模式下的土壤蒸发及土壤水热数据,分析了SHAW模型参数的敏感性;以实测土壤蒸发量作为因变量,影响冻融期土壤蒸发的9个因素作为自变量,基于机器算法构建了冻融期土壤蒸发预报模型,并对三个冻融阶段影响土壤蒸发的因素进行了重要度评价。主要研究结论如下:(1)秸秆覆盖对冻融期土壤蒸发的抑制作用达24%~56.7%,平均日土壤蒸发量减小2.02~2.48 mm。土壤蒸发速率在不稳定冻结阶段最高,稳定冻结阶段最低。当秸秆覆盖厚度超过10 cm时,秸秆覆盖厚度的增加对土壤蒸发的影响减小,秸秆覆盖厚度与冻融期累积土壤蒸发量呈负相关。(2)土壤温度、土壤含水率和土壤蒸发模拟精度对SHAW模型中的四个水力参数负向变化时的敏感性较高,均与孔隙大小分布指数较为敏感。稳定冻结阶段的土壤蒸发模拟精度对土壤水力参数的敏感性较小,最大冻结深度对孔隙大小分布指数的敏感性最大。(3)基于随机森林算法的冻融期土壤蒸发影响因素的重要度评价结果表明:秸秆覆盖下,不稳定冻结阶段气压和地表土壤含水率对土壤蒸发的影响较大,稳定冻结阶段气压为影响土壤蒸发的主要因素,消融解冻阶段相对湿度与降雨量的影响较大。(4)冬灌可使冻结期土壤温度提高0.7-1.0℃,但消融期土壤温度回升缓慢,灌水地块土壤剖面温度比未灌水地块低0.3~0.9℃。冬灌增加了0~100 cm土层的蓄水量,但当冬灌水量大于200 m3·hm-2,对耕作层(0~20 cm)土壤含水量的影响不明显。(5)冬灌使土壤最大冻结深度增加1.1-8.6 cm,灌水量与最大冻结深度和累积土壤蒸发量均呈正相关。灌水使冻融期土壤累积蒸发量增加1.5~12.6 mm,土壤蒸发量增加约为相应灌水量的15%-18%。稳定冻结阶段土壤蒸发率仅为其余两个阶段的19%-31%,消融解冻阶段的土壤蒸发速率最高。
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