一种土壤冻融过程中氮素的模拟方法

摘要

本发明公开了一种土壤冻融过程中氮素的模拟方法，包括S1、根据大气温度计算各层土壤的温度；S2、根据获取的各层土壤温度以及前一日各层土壤的含水率计算各层土壤的溶质势、基质势和重力势，并根据各层土壤的溶质势、基质势和重力势计算各层土壤的总土水势；S3、根据各层土壤的总土水势，利用一维垂直水分流动方程计算当日各层土壤的含水率；S4、根据当日各层土壤的含水率，计算各层土壤中氮素的汇源项；S5、根据各层土壤中氮素的汇源项，利用对流弥散方程计算各层土壤中的氮素浓度。优点是：提高了水文过程模拟的准确性，并且可以很好的模拟出土壤冻结过程中向上集聚以及冻土融化过程中的集中释放现象。

说明书

技术领域

本发明涉及寒区氮循环技术领域，尤其涉及一种土壤冻融过程中氮素的模拟方法。

背景技术

土壤的冻融是一个非常复杂的过程，它伴随物理、物理化学、力学的现象和子过程，最主要的包括水分、热量的传输、水分相变和盐分的积聚。土壤冻结过程中，因受温差影响，矿质化的潜水不断向冻土层迁移累积，使冻土层含水率与含冰率之和接近或者等于饱和含水率，同时盐分也伴随水分由下层未冻土层向上层冻土层迁移；土壤融化过程中，存在双向融化的现象，底层向上融化，表层向下融化，形成壤中流，从土壤流向河道。

此外，国内主流的流域水文模型之一的大尺度流域水与能量转化过程模拟(Waterand Energy tranfer Processes in Large river basins，简称WEP-L)可以很好的模拟土壤冻融过程中的水分迁移过程，但该模型在考虑土水势时仅考虑了基质势与重力势，忽略了冻融过程中溶质势对水分迁移的影响；该模型为水文模型，未考虑土壤中污染物的迁移过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土壤冻融过程中氮素的模拟方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种土壤冻融过程中氮素的模拟方法，包括如下步骤，

S1、根据大气温度计算各层土壤的温度；

S2、根据获取的各层土壤温度以及前一日各层土壤的含水率计算各层土壤的溶质势、基质势和重力势，并根据各层土壤的溶质势、基质势和重力势计算各层土壤的总土水势；

S3、根据各层土壤的总土水势，利用一维垂直水分流动方程计算当日各层土壤的含水率；

S4、根据当日各层土壤的含水率，计算各层土壤中氮素的汇源项；

S5、根据各层土壤中氮素的汇源项，利用对流弥散方程计算各层土壤中的氮素浓度。

优选的，步骤S1具体为，搜集水文站点的大气温度，WEP_L模型中假定地表温度等于大气温度，并根据土壤热容、热传导系数以及各土壤层的含冰率，使用一维垂直流动基本方程计算剩余各层土壤温度；某层土壤的土壤温度计算公式为，

其中，z为该层土壤相对于基准面的高度；λ

优选的，步骤S2中，根据某层土壤的土壤温度以及前一日该层土壤的含水率计算该层土壤的溶质势、基质势和重力势，并根据该层土壤的溶质势、基质势和重力势计算该层土壤的总土水势的具体过程为，

S21、根据前一日该层土壤的含水率计算该层土壤中水的重力势和基质势；重力势的计算公式为，

h

其中，z表示该层土壤相对于基准面的高度；ρ

基质势的计算公式为，

其中，α和β表示该层土壤的水分吸力常数，θ

S22、WEP_L模型首次运行时，土壤水中溶解态氮素的浓度C

S23、根据该层土壤温度和该层土壤水中氮素的浓度，计算该层土壤中水的溶质势；

溶质势的计算公式为，

其中，C

S24、根据该层土壤的重力势、基质势和溶质势，计算该层土壤的总土水势；总土水势的计算公式为，

h＝h

其中，h为该层土壤水的总土水势；h

优选的，步骤S3中，根据某层土壤的总土水势利用一维垂直水分流动方程计算当日该层土壤的含水率的具体过程为，

其中，θ

其中，K

优选的，步骤S4中，根据当日某层土壤的含水率，计算该层土壤中氮素的汇源项的具体过程为，

S41、根据当日某层土壤的含水率计算该层土壤中由于地表积雪融化进入土壤层中的氮量、由于土壤引力引起的土壤水和氮素在相邻两层间的迁移量和氮素通过壤中流的流失量；

氮素通过壤中流的流失量、由于土壤吸引力造成的上下层氮素迁移量以及由于地表积雪融化进入土壤层中的氮量分别计算如下，

M

其中，M

S42、根据计算获取的该层土壤中由于地表积雪融化进入土壤层中的氮量、由于土壤引力引起的土壤水和氮素在相邻两层间的迁移量和氮素通过壤中流的流失量，获取该层土壤中氮素的汇源项；

该层土壤中氮素的汇源项计算如下，

其中，

优选的，步骤S5中，根据某层土壤中氮素的汇源项，利用对流弥散方程计算该层土壤中的溶解态氮素浓度C

其中，C

本发明的有益效果是：1、考虑了基质势、重力势与溶质势对土壤水分迁移过程的影响，提高了水文过程模拟的准确性。2、使用对流弥散方程计算冻融过程中污染物的迁移过程，在源汇项中考虑了由于吸引力引起的污染物在相邻两层间的迁移，考虑了通过壤中流流失的氮量，可以很好的模拟出土壤冻结过程中向上集聚以及冻土融化过程中的集中释放现象。

附图说明

图1是本发明实施例中模拟方法的流程图；

图2是本发明实施例中冻结期各层土壤有机氮含量变化图；

图3是本发明实施例中融化期土壤有机氮含量变化图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图3所示，本实施例中，提供了一种土壤冻融过程中氮素的模拟方法，包括如下步骤，

S1、根据大气温度计算各层土壤的温度；

S2、根据获取的各层土壤温度以及前一日各层土壤的含水率计算各层土壤的溶质势、基质势和重力势，并根据各层土壤的溶质势、基质势和重力势计算各层土壤的总土水势；

S3、根据各层土壤的总土水势，利用一维垂直水分流动方程计算当日各层土壤的含水率；

S4、根据当日各层土壤的含水率，计算各层土壤中氮素的汇源项；

S5、根据各层土壤中氮素的汇源项，利用对流弥散方程计算各层土壤中的氮素浓度。

本实施例中，步骤S1具体为，搜集水文站点的大气温度，WEP_L模型中假定地表温度近似等于大气温度，并根据土壤热容、热传导系数以及各土壤层的含冰率，使用一维垂直流动基本方程计算剩余各层土壤温度；某层土壤的土壤温度计算公式为，

其中，z为该层土壤相对于基准面的高度，m；λ

本实施例中，步骤S2中，根据某层土壤的当日土壤温度以及前一日该层土壤的含水率计算该层土壤的溶质势、基质势和重力势，并根据该层土壤的溶质势、基质势和重力势计算该层土壤的总土水势的具体过程为，

S21、根据前一日该层土壤的含水率计算该层土壤中水的重力势和基质势；重力势的计算公式为，

h

其中，z表示该层土壤相对于基准面的高度，m；ρ

基质势的计算公式为，

其中，α和β表示该层土壤的水分吸力常数，θ

S22、WEP_L模型首次运行时，土壤水中溶解态氮素的浓度C

S23、根据该层土壤温度和该层土壤水中氮素的浓度，计算该层土壤中水的溶质势；

溶质势的计算公式为，

其中，C

S24、根据该层土壤的重力势、基质势和溶质势，计算该层土壤的总土水势；总土水势的计算公式为，

h＝h

其中，h为该层土壤水的总土水势，m；hm为该层土壤水的基质势，m；h

本实施例中，步骤S3中，根据某层土壤的总土水势利用一维垂直水分流动方程计算当日该层土壤的含水率的具体过程为，

其中，θ

其中，K

本实施例中，由于氮沉降会在地表沉积部分氨氮与硝态氮，因此需要计算由于地表积雪融化进入土壤中的氮量；计算由于土壤吸力引起的土壤水和氮素在上下层间的迁移；计算氮素通过壤中流的流失量；并根据这些计算获取的结果进而确定各层土壤的汇源项；具体内容即为步骤S4。

步骤S4中，根据当日某层土壤的含水率，计算该层土壤中氮素的汇源项的具体过程为，

S41、根据当日某层土壤的含水率计算该层土壤中由于地表积雪融化进入土壤层中的氮量、由于土壤引力引起的土壤水和氮素在相邻两层间的迁移量和氮素通过壤中流的流失量；

氮素通过壤中流的流失量、由于土壤吸引力造成的上下层氮素迁移量以及由于地表积雪融化进入土壤层中的氮量分别计算如下，

M

其中，M

由于土壤分为11层，只在第一层土壤考虑氮沉降与施肥，层与层之间考虑由于重力势引起的下渗，由于吸引力引起的土壤水分在上下层的迁移量，进而引起氮素在上下层的迁移，同时考虑壤中流流失量。

S42、根据计算获取的该层土壤中由于地表积雪融化进入土壤层中的氮量、由于土壤引力引起的土壤水和氮素在相邻两层间的迁移量和氮素通过壤中流的流失量，获取该层土壤中氮素的汇源项；

该层土壤中氮素的汇源项计算如下，

其中，

本实施例中，步骤S5中，根据某层土壤中氮素的汇源项，利用对流弥散方程计算该层土壤中的溶解态氮素浓度C

其中，C

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明提供了一种土壤冻融过程中氮素的模拟方法，该方法考虑了基质势、重力势与溶质势对土壤水分迁移过程的影响，提高了水文过程模拟的准确性。使用对流弥散方程计算冻融过程中污染物的迁移过程，在源汇项中考虑了由于吸引力引起的污染物在相邻两层间的迁移，考虑了通过壤中流流失的氮量，可以很好的模拟出土壤冻结过程中向上集聚以及冻土融化过程中的集中释放现象。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。