西北旱区玉米不同覆膜方式下土壤水热效应数值模拟研究
发布时间：2022-01-02 13:43
为了进一步探明西北旱区玉米在不同覆膜方式下土壤水热效应规律以及保温保水性能,采用数值模拟的方法通过ABAQUS软件分别建立了露地平作、全膜平作、单垄覆膜、全膜双垄沟播4种覆膜方式下的土壤模型,并对不同覆膜方式下玉米出苗期土壤热平衡和降雨入渗进行了数值模拟试验。通过热平衡模拟得出,起垄和覆膜改变了土壤剖面温度和热通量分布,增加了表层温度和热传递能力。在40 cm土层范围内全膜平作模式下垄沟内土壤平均温度最高,为24.1℃,其次为全膜双垄沟播模式,但全膜双垄沟播模式下温度变化趋势最为缓慢,稳定性最好。降雨入渗模拟结果表明:降雨结束后全膜双垄沟播模式产生了明显的侧渗现象,垄沟内土壤平均含水率最高,为19%,高于其他3种模式。研究表明在玉米出苗期全膜双垄沟播技术保水和保温性达到最佳。
【文章来源】：干旱地区农业研究. 2020,38(01)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
不同覆膜方式下土壤模型
分别对以上4种模型施加边界条件,ABAQUS会根据模型结构、分析步以及边界条件计算出2 h后土壤剖面温度结果。如图2所示,在热辐射持续2 h后土壤剖面温度分布差异性很大,说明起垄和覆膜改变了土壤的温度分布结构。变化规律上总体表现为:随着土壤深度的增加温度逐渐下降,且有地膜覆盖的土壤表层温度明显高于其他模式。另外温度分布上差异也较为明显,在同一深度的土壤剖面内露地平作和全膜平作土壤温度分布在水平方向上无明显差异,而单垄覆膜和全膜双垄沟播模式土壤剖面温度和垄体结构有直接联系,随着深度增加逐渐稳定。总体来看地膜对浅层土壤的增温效果十分明显,因此有必要对垄沟内温度进行进一步研究。3.2.3 垄沟内土壤温度变化
为了探究垄沟内土壤热量收支的详细情况,参照温度数据提取方式得到垄沟内土壤热通量在土层分布方向的变化曲线(图5)。如图5所示,不同覆膜方式下热通量变化差异很大,露地平作模式热通量在深度方向上变化不大,基本保持在18 W·m-2左右,数值为正值说明单位时间内通过土壤单位横截面积上的热量基本保持不变且热量始终在向下传递,但通过的能量流量值较小。全膜平作同样保持了与露地平作相同的变化趋势,热通量保持在35 W·m-2左右,表明同样是向下传递但通过土壤单位横截面积上的热量有所增加,更多的热量被传递到深层土壤。而反观单垄覆膜和全膜双垄沟播两种模式热通量变化速率在不同深度的土层下表现均有差异,但40 cm土层深度都为正值说明热量传递方向始终为向下传递。在5 cm土层内全膜双垄沟播模式热通量急剧下降,5 cm土层以下下降趋势开始缓解,在40 cm土层时甚至有变为负值的趋势。在3 cm土层范围内单垄覆膜模式热通量急剧下降,3 cm土层以下下降趋势开始缓解。说明起垄后的土壤在地膜的作用下垄沟内土壤在单位时间内单位面积上通过的热量明显提高,随着土层加深热传递能力迅速减弱。其主要原因有:(1)地膜覆盖热辐射增加土壤接收的热量多,热通量累计值也增大,热量迅速向下传递,使土壤温度在很短时间内增加;(2)起垄后改变了土壤表层接收热辐射的面积,改变了土壤整体的热分布规律,使得表层土壤热量传递能力急剧增大;(3)超过一定的深度后,热辐射能力减弱,土壤接收的热量减小,热通量下降趋势逐渐减弱甚至无法接收来自表层土壤的热辐射。对比以上结果发现,10 cm浅层土壤内全膜双垄沟播模式下垄沟内土壤热通量值最高,且热通量下降速率也最大,说明全膜双垄沟播能有效抑制垄沟内温度快速向下传递的趋势,能有效提高浅层土壤的保温性能。图4 垄体土壤热通量分布状态
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于HYDRUS-1D的不同质地土壤入渗过程数值模拟[J]. 刘彬彬,刘尧兵,张科锋. 干旱地区农业研究. 2018(04)
[2]垄沟集雨种植系统水分入渗特性模拟研究[J]. 刘玉华,史纪安,王帅飞,张少杰. 西北农林科技大学学报(自然科学版). 2018(06)
[3]全膜双垄沟播玉米穗茎兼收对行联合收获机的研制[J]. 辛尚龙,赵武云,戴飞,石林榕,马明义,赵新平. 农业工程学报. 2018(04)
[4]土壤含水量测定方法综述[J]. 郭焘,于红博. 内蒙古科技与经济. 2018(03)
[5]基于ANSYS的浅层土壤温度场特征模拟分析[J]. 于洋,谭峰,廉琦,韩国鑫,辛元明,张乃夫. 安徽农业科学. 2017(35)
[6]基于Abaqus的缺口圆盘刀开沟作业有限元仿真及分析[J]. 齐鹏,高富强,邱立春. 农机化研究. 2016(09)
[7]基于ABAQUS的非饱和边坡流-固耦合分析[J]. 陈勇,杨贝贝. 地下空间与工程学报. 2016(04)
[8]圆盘式开沟机作业功耗仿真分析及试验验证[J]. 康建明,李树君,杨学军,刘立晶,李长荣. 农业工程学报. 2016(13)
[9]非饱和成层土一维降雨入渗水力耦合分析[J]. 刘果果,吴礼舟. 水电能源科学. 2015(07)
[10]半干旱区全膜双垄沟播玉米栽培技术规程[J]. 安治中,王伟. 内蒙古农业科技. 2014(06)
硕士论文
[1]旱地全膜双垄沟播玉米增产效应研究[D]. 孙学保.甘肃农业大学 2009
本文编号：3564280
【文章来源】：干旱地区农业研究. 2020,38(01)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
不同覆膜方式下土壤模型
分别对以上4种模型施加边界条件,ABAQUS会根据模型结构、分析步以及边界条件计算出2 h后土壤剖面温度结果。如图2所示,在热辐射持续2 h后土壤剖面温度分布差异性很大,说明起垄和覆膜改变了土壤的温度分布结构。变化规律上总体表现为:随着土壤深度的增加温度逐渐下降,且有地膜覆盖的土壤表层温度明显高于其他模式。另外温度分布上差异也较为明显,在同一深度的土壤剖面内露地平作和全膜平作土壤温度分布在水平方向上无明显差异,而单垄覆膜和全膜双垄沟播模式土壤剖面温度和垄体结构有直接联系,随着深度增加逐渐稳定。总体来看地膜对浅层土壤的增温效果十分明显,因此有必要对垄沟内温度进行进一步研究。3.2.3 垄沟内土壤温度变化
为了探究垄沟内土壤热量收支的详细情况,参照温度数据提取方式得到垄沟内土壤热通量在土层分布方向的变化曲线(图5)。如图5所示,不同覆膜方式下热通量变化差异很大,露地平作模式热通量在深度方向上变化不大,基本保持在18 W·m-2左右,数值为正值说明单位时间内通过土壤单位横截面积上的热量基本保持不变且热量始终在向下传递,但通过的能量流量值较小。全膜平作同样保持了与露地平作相同的变化趋势,热通量保持在35 W·m-2左右,表明同样是向下传递但通过土壤单位横截面积上的热量有所增加,更多的热量被传递到深层土壤。而反观单垄覆膜和全膜双垄沟播两种模式热通量变化速率在不同深度的土层下表现均有差异,但40 cm土层深度都为正值说明热量传递方向始终为向下传递。在5 cm土层内全膜双垄沟播模式热通量急剧下降,5 cm土层以下下降趋势开始缓解,在40 cm土层时甚至有变为负值的趋势。在3 cm土层范围内单垄覆膜模式热通量急剧下降,3 cm土层以下下降趋势开始缓解。说明起垄后的土壤在地膜的作用下垄沟内土壤在单位时间内单位面积上通过的热量明显提高,随着土层加深热传递能力迅速减弱。其主要原因有:(1)地膜覆盖热辐射增加土壤接收的热量多,热通量累计值也增大,热量迅速向下传递,使土壤温度在很短时间内增加;(2)起垄后改变了土壤表层接收热辐射的面积,改变了土壤整体的热分布规律,使得表层土壤热量传递能力急剧增大;(3)超过一定的深度后,热辐射能力减弱,土壤接收的热量减小,热通量下降趋势逐渐减弱甚至无法接收来自表层土壤的热辐射。对比以上结果发现,10 cm浅层土壤内全膜双垄沟播模式下垄沟内土壤热通量值最高,且热通量下降速率也最大,说明全膜双垄沟播能有效抑制垄沟内温度快速向下传递的趋势,能有效提高浅层土壤的保温性能。图4 垄体土壤热通量分布状态
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于HYDRUS-1D的不同质地土壤入渗过程数值模拟[J]. 刘彬彬,刘尧兵,张科锋. 干旱地区农业研究. 2018(04)
[2]垄沟集雨种植系统水分入渗特性模拟研究[J]. 刘玉华,史纪安,王帅飞,张少杰. 西北农林科技大学学报(自然科学版). 2018(06)
[3]全膜双垄沟播玉米穗茎兼收对行联合收获机的研制[J]. 辛尚龙,赵武云,戴飞,石林榕,马明义,赵新平. 农业工程学报. 2018(04)
[4]土壤含水量测定方法综述[J]. 郭焘,于红博. 内蒙古科技与经济. 2018(03)
[5]基于ANSYS的浅层土壤温度场特征模拟分析[J]. 于洋,谭峰,廉琦,韩国鑫,辛元明,张乃夫. 安徽农业科学. 2017(35)
[6]基于Abaqus的缺口圆盘刀开沟作业有限元仿真及分析[J]. 齐鹏,高富强,邱立春. 农机化研究. 2016(09)
[7]基于ABAQUS的非饱和边坡流-固耦合分析[J]. 陈勇,杨贝贝. 地下空间与工程学报. 2016(04)
[8]圆盘式开沟机作业功耗仿真分析及试验验证[J]. 康建明,李树君,杨学军,刘立晶,李长荣. 农业工程学报. 2016(13)
[9]非饱和成层土一维降雨入渗水力耦合分析[J]. 刘果果,吴礼舟. 水电能源科学. 2015(07)
[10]半干旱区全膜双垄沟播玉米栽培技术规程[J]. 安治中,王伟. 内蒙古农业科技. 2014(06)
硕士论文
[1]旱地全膜双垄沟播玉米增产效应研究[D]. 孙学保.甘肃农业大学 2009
本文编号：3564280
本文链接：https://www.wllwen.com/nykjlw/nzwlw/3564280.html
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