長(zhǎng)期滴灌棉田土壤鹽分演變趨勢(shì)預(yù)測(cè)研究

孫 林，羅 毅

（1.中國(guó)科學(xué)院 生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)試驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101；2.荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊830011）

膜下滴灌既具備滴灌的防止深層滲漏、減少棵間蒸發(fā)、節(jié)水、節(jié)肥的特點(diǎn)，同時(shí)還具備地膜栽培技術(shù)的增溫、保墑作用［1］，在我國(guó)西北干旱地區(qū)，特別是新疆，得到了廣泛的應(yīng)用［2－3］。滴灌在根區(qū)可以形成淡化的脫鹽區(qū)［4－5］，覆膜抑制了膜內(nèi)的土壤蒸發(fā)作用，并使得膜內(nèi)鹽分發(fā)生側(cè)向運(yùn)移［2，6］，同時(shí)深層滲漏的減少，也降低了次生鹽漬化發(fā)生的可能性，因此膜下滴灌還被用于防治土壤次生鹽堿化［2，5］。但是，膜下滴灌只是調(diào)節(jié)土壤鹽分在作物根系層的分布狀況，鹽分并未排出土體，在灌溉用水含有一定鹽分時(shí)，鹽分會(huì)逐步在根底積累，有可能產(chǎn)生土壤積鹽爆發(fā)［2，5，7］，因此，長(zhǎng)期滴灌下土壤鹽分積累特征是決定這一灌溉方式能否可持續(xù)的重要問(wèn)題。近年來(lái)，通過(guò)室內(nèi)土柱試驗(yàn)［4－5，8］和田間調(diào) 查 及 試 驗(yàn)［2－3，6，9－10］，對(duì) 膜 下 滴 灌 的 水鹽運(yùn)移規(guī)律與特征有了一定的認(rèn)識(shí)。由于滴灌土壤水鹽運(yùn)動(dòng)為局部擴(kuò)散模式，其土壤水鹽分布表現(xiàn)出很強(qiáng)的時(shí)空分異與變異性，并受到土壤質(zhì)地、潛水位、根系等的影響［11］，田間試驗(yàn)所得的結(jié)果并不能直接應(yīng)用到具體的農(nóng)田灌溉管理中［12］。相對(duì)田間試驗(yàn)觀測(cè)，數(shù)值模擬的人力、物力時(shí)間成本低，且可針對(duì)不同環(huán)境分析，因此，模型模擬分析成為研究滴灌下土壤水鹽運(yùn)移與灌溉管理措施制定和評(píng)估的一個(gè)重要途徑［11－13］。Hydrus 2D是由美國(guó)國(guó)家鹽土實(shí)驗(yàn)室（US Salinity laboratory）開(kāi)發(fā)成功的一套用于模擬2D空間中變飽和多孔介質(zhì)中水分、能量、溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)值模型［14］，廣泛應(yīng)用于模擬滴灌條件下土壤水分和溶質(zhì)運(yùn)移分布規(guī)律以及灌溉管理措施評(píng)估研究中［15－19］。本文根據(jù)微咸水膜下滴灌棉田試驗(yàn)，驗(yàn)證并分析Hydrus 2D模型在膜下滴灌的有效性［20］，在此基礎(chǔ)上模擬分析長(zhǎng)期滴灌下根區(qū)土壤鹽分積累與分布特征。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在新疆石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)行（44°18′N，86°02′E），該站位于瑪納斯河流域洪積沖積扇中部，海拔400m左右，潛水位較深，年變化約7～11m。氣候?qū)儆谥袦貛Ц珊祬^(qū)氣候。根據(jù)石河子氣象站近30a資料統(tǒng)計(jì)，年平均氣溫（7.7±0.90）℃，無(wú)霜期（172.5±6.29）d，年降水量為（213±56.7）mm，年蒸發(fā)量（1 342±413）mm（小型蒸發(fā)皿）。原始土壤類型為荒漠灰鈣土，經(jīng)過(guò)多年耕作已改良熟化為耕作灰漠土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集

于2010年4—10月進(jìn)行膜下微咸水滴灌田間試驗(yàn)，灌溉水質(zhì)為3.32g／L，設(shè)置3個(gè)灌溉量處理，次灌水量分別為36，48，60mm，記為 Q36，Q48，Q60，歷時(shí)分別為6，8，10h，滴頭流量為1.6L／h，灌水間隔時(shí)間為10d，總灌溉量分別為320，420，520mm。小區(qū)面積為54m2，每小區(qū)3條膜，代表3個(gè)重復(fù)。種植方式為一膜兩管四行模式（圖1），膜寬140cm，行距為30cm＋60cm，株距10cm。棉花品種為新陸早7號(hào)，于2010年5月1日采用“干播濕出”方式播種。

土壤鹽分采用土鉆取樣，利用烘干配制1∶5浸提液，采用電導(dǎo)法測(cè)定 （DDP－210便攜式電導(dǎo)儀，中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所）。取樣部位設(shè)在垂直滴灌帶的膜間、寬行和窄行之間（圖1），設(shè)5個(gè)剖面點(diǎn)，取樣深度為5，10，20，30，45，60，80，100，120，140，160，180，200cm。取樣時(shí)間分兩類：（1）年內(nèi)變化取樣，于播種前（4月中旬）、蕾期（6月中旬）、花鈴期（7月中旬）、鈴期（8月中旬）、吐絮期（9月中旬）、秋收（10月中旬）取樣，除秋收取樣深度至地下200cm，其余深度至地下100cm；（2）灌溉周期內(nèi)變化取樣。選取次灌水量為60mm的處理，取樣時(shí)間為灌前6h和灌后36h；并在花鈴期加密取樣，即灌后1，36，72，120，228h時(shí)取樣，深度至地下100cm。10d測(cè)一次葉面積，每次5株，摘取葉子烘干稱重后用葉比換算，根據(jù)株面積計(jì)算出葉面積指數(shù)；氣象數(shù)據(jù)從石河子氣象站（http：∥www.shzqx.gov.cn／）獲取，該站距離本試驗(yàn)站約1.5km。

圖1 膜下滴灌設(shè)置、取樣

1.3 數(shù)值模擬模型

1.3.1 模擬單元設(shè)置 Hydrus 2D模型的土壤水分動(dòng)態(tài)模擬采用的是理查茲（Richards）方程，溶質(zhì)運(yùn)移模擬采用的是對(duì)流—彌散（CDE）方程，通過(guò)對(duì)模擬對(duì)象進(jìn)行三角網(wǎng)剖分，利用迦遼金（Galerkin）線性有限單元法求解水鹽運(yùn)移模擬特征［14］。一膜兩管四行方式下土壤水分分布以膜下中部呈對(duì)稱分布，因此以半膜剖面作為基本模擬單元，構(gòu)造2D三角網(wǎng)幾何體（圖1），其寬度為90cm，深度到潛水位，為600cm。

模擬單元上邊界中的無(wú)覆膜部位使用大氣邊界，用以模擬計(jì)算降水入滲與土壤蒸發(fā)過(guò)程；有覆膜部位使用無(wú)流量邊界；本文假定單元兩側(cè)水分交換處于平衡，將土體兩側(cè)也設(shè)為無(wú)流量邊界；底邊界取至潛水層，選取的是0定水頭邊界；滴灌入滲采用時(shí)變水頭邊界實(shí)現(xiàn)，將水頭設(shè)為0，入滲寬度根據(jù)灌溉量、灌溉歷時(shí)以及入滲速率計(jì)算得到。Hydrus 2D模型運(yùn)行所需要的環(huán)境驅(qū)動(dòng)變量主要為降水、潛在蒸騰、潛在土壤蒸發(fā)和邊界流量4項(xiàng)。其中降水直接來(lái)源于氣象數(shù)據(jù)，邊界流量由灌溉確定，潛在蒸騰和潛在土壤蒸發(fā)需要單獨(dú)計(jì)算，本文采用由葉面積指數(shù)（LAI）計(jì)算得到的作物系數(shù)法分割潛在蒸散ETp［20］。

1.3.2 參數(shù)獲取與率定 模型選用的土壤水分特征函數(shù)的是van Genuchten－Mualem 公式［21］，其參數(shù)首先用Hydrus 2D程序包提供Rosetta軟件，由觀測(cè)的飽和含水量、容重、土壤質(zhì)地預(yù)測(cè)得到初始參數(shù)值，然后以加密觀測(cè)灌溉周期內(nèi)得到的土壤水分、鹽分分布數(shù)據(jù)率定。

根系吸水模型選用的是Feddes［22］提出的van Genuchten改進(jìn)公式，根系吸水參數(shù)參考Forkutsa［13］的成果，分別設(shè)為h1＝－10cm，h2＝－25cm，h3（high）＝－200cm，h3（low）＝－6 000cm和h4＝－14 000cm；鹽分脅迫參數(shù)采用Hydrus 2D自帶作物庫(kù)參數(shù)，其鹽分脅迫閾值為7.7dS／m，每增加1dS／m，其吸水能力降低5.2%，根系深度60cm，其分布按危常州等［23］的觀測(cè)結(jié)果計(jì)算得到。

1.3.3 模型檢驗(yàn) 模型檢驗(yàn)選用的是以灌水量為60mm處理生長(zhǎng)季的土壤鹽分，以及3個(gè)處理下秋末200cm剖面的鹽分?jǐn)?shù)據(jù)；滴灌的土壤分布具有較高的空間分異特征，本文采用分區(qū)與剖面比較兩種方法檢驗(yàn)?zāi)M效果，以75cm為根底邊界，劃分為膜外、根區(qū)、膜中和根底4個(gè)區(qū)（圖1）。模擬效果評(píng)價(jià)方法一是通過(guò)曲線進(jìn)行直觀定性比對(duì)，二是利用統(tǒng)計(jì)指標(biāo)選取均方根誤差（RMSE）和相對(duì)平均誤差（RMAE）。進(jìn)行定量評(píng)估。

1.4 情景設(shè)置與分析

根據(jù)已有的新疆北疆地區(qū)棉花滴灌田間實(shí)驗(yàn)與調(diào)查［1，24］，情景分析中灌溉水量為280～560mm ，灌溉水質(zhì)分別設(shè)為4.8，3.2，1.6，0.8g／L，以2010年氣象數(shù)據(jù)與觀測(cè)的葉面積指數(shù)為基本背景，連續(xù)模擬50a，分別統(tǒng)計(jì)根區(qū)鹽分、根底鹽分，并計(jì)算實(shí)際蒸騰與潛在蒸騰之比，也即蒸騰滿足率，以反映土壤水鹽對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，確定適宜的灌溉量。

2 結(jié)果與分析

2.1 參數(shù)化結(jié)果

表1是根據(jù)灌后水鹽動(dòng)態(tài)反演率定的土壤水分特征參數(shù)，圖2是模擬灌溉周期內(nèi)分區(qū)土壤鹽分與觀測(cè)值比較，模擬結(jié)果表明，滴灌的水鹽運(yùn)移特征為：在滴頭所在根區(qū)土壤鹽分因輸入先增加，再經(jīng)淋洗遷移出現(xiàn)降低的過(guò)程，其它部位則為一個(gè)緩慢增加的過(guò)程。總體來(lái)看，第一灌溉周期的模擬效果較好，第二灌溉周期模擬值偏小，這主要是因?yàn)檩斎霛撛谡趄v項(xiàng)是根據(jù)葉面積指數(shù)計(jì)算的作物系數(shù)法推算的，而第二灌溉周期已處于吐絮期，葉片活性降低，蒸騰減緩，相應(yīng)的根區(qū)水分降低速度減慢造成的。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明（表2），土壤鹽分模擬RMSE為0.6mg／cm3，除膜外分區(qū)外，RMAE基本低于10%。

2.2 模型檢驗(yàn)結(jié)果

圖3是模擬的Q60處理年內(nèi)分區(qū)土壤鹽分與觀測(cè)值的比較，從觀測(cè)值變化趨勢(shì)來(lái)看，隨著灌溉時(shí)間的增加，各分區(qū)的鹽分呈增加趨勢(shì)，直觀對(duì)比與統(tǒng)計(jì)分析評(píng)估顯示（表2），各分區(qū)RMAE低于10%，模擬效果好于灌溉周期，這主要是由于短期觀測(cè)值的變異性超出其變化趨勢(shì)，而較長(zhǎng)期的土壤鹽分變化趨勢(shì)則大于觀測(cè)值變異。

由于不再有灌溉與根系吸水的驅(qū)動(dòng)作用，秋收后的剖面土壤鹽分分布處于相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)，可以有效反映出一個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)的土壤鹽分遷移積累特征。圖4是模擬不同灌溉處理秋后剖面鹽分模擬值與觀測(cè)值比較，結(jié)果表明：模型較好地模擬出不同灌溉量下根區(qū)鹽分的分布積累特征，模擬出的滴頭內(nèi)側(cè)、滴頭下、滴頭外側(cè)剖面的RMSE小于0.75mg／cm3，除滴頭內(nèi)側(cè)RAME較大外，滴頭下、滴頭外側(cè)剖面小于10%，模擬效果較好。

表1 觀測(cè)與灌溉后水鹽動(dòng)態(tài)反演率定的土壤水分特征參數(shù)

圖2 率定階段灌溉周期內(nèi)分區(qū)土壤鹽分動(dòng)態(tài)模擬與觀測(cè)比較

圖3 驗(yàn)證階段分區(qū)的土壤鹽分模擬與觀測(cè)比較

表2 土壤鹽分模擬統(tǒng)計(jì)評(píng)估

2.3 不同灌溉量與灌溉水質(zhì)根區(qū)土壤鹽分積累

圖5為模擬計(jì)算的不同灌水量與灌溉水質(zhì)下鈴期根區(qū)（0—60cm）和根底（60—120cm）土壤鹽分以及蒸騰滿足率與根底下滲量，結(jié)果顯示：根區(qū)鹽分與灌溉水量表現(xiàn)為拋物線關(guān)系（圖5a），隨著灌溉量的增加，輸入土壤中的鹽分增加，但當(dāng)灌溉量超出蒸騰耗水量時(shí)，多余的水分向深層下滲，產(chǎn)生鹽分的淋洗，使得根區(qū)鹽分降低，灌溉水礦化度分別為4.8，3.2，1.6，0.8g／L 時(shí)，灌溉量分別為370，365，300，180 mm時(shí)根區(qū)鹽分積累最大；灌溉量超出300mm時(shí)出現(xiàn)根底下滲（圖5d），根底土壤鹽分增加（圖5b）；作物的蒸騰滿足率隨著灌溉量的增大而增加（圖5c），當(dāng)灌溉額為300mm時(shí)，蒸騰滿足率可達(dá)85%以上，在同一灌溉量下，隨著灌溉水質(zhì)的增加，蒸騰滿足率有一定程度的降低，但0.8～4.8（g／L）之間總體差別不大，這主要是因?yàn)楦鶇^(qū)積累的土壤鹽分尚未對(duì)蒸騰造成明顯脅迫，因此，微咸水灌溉對(duì)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量的影響，在滴灌初期并不明顯。

圖4 秋后不同灌溉量不同剖面鹽分的模擬值與觀測(cè)值比較

圖5 不同灌溉量根區(qū)鹽分、根底鹽分、蒸騰滿足率的變化

2.4 長(zhǎng)期滴灌根區(qū)鹽分動(dòng)態(tài)與分布特征

灌溉定額為390～450mm。圖6a是灌溉量為420mm時(shí)不同灌溉水質(zhì)長(zhǎng)期滴灌下根區(qū)（0—75cm）土壤鹽分動(dòng)態(tài)，結(jié)果顯示：對(duì)于灌溉水質(zhì)分別為4.8，3.2，1.6，0.8g／L，分別在10，15，20，35a后根區(qū)鹽分相繼達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)，分別為4.2，3.8，3.2，2.8 mg／cm3，此時(shí)根區(qū)剖面鹽分也處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)（圖6b），其中根區(qū)部位的鹽分則隨著深度的增加而逐步增加，根底75cm以下分別穩(wěn)定在6.0，5.6，4.9，4.3 mg／cm3，作物的蒸騰滿足率分別為72%，80%，85%，91%。長(zhǎng)期滴灌后根區(qū)鹽分趨于穩(wěn)定的主要原因在于，隨著根區(qū)鹽分的增加，作物蒸騰受限，下滲淋洗量加大，最終根區(qū)輸入鹽量與淋洗鹽量相當(dāng)，根區(qū)鹽分處于相對(duì)平衡狀態(tài)。

長(zhǎng)期滴灌根區(qū)鹽分平衡值由灌溉水質(zhì)和灌溉量決定，圖7是不同灌溉量與灌溉水質(zhì)長(zhǎng)期灌溉平衡時(shí)根區(qū)鹽分、根底鹽分、蒸騰滿足率與根底下滲水，基本特征為隨著灌溉量的增大，土壤鹽分降低；隨著灌溉水質(zhì)增大，土壤鹽分增加。將根區(qū)鹽分限制在一定水平是保證作物蒸騰吸水的前提，以85%灌溉滿足率最低要求，對(duì)于4.8，3.2，1.6，0.8g／L灌溉水質(zhì)，從圖7c得出所需要的灌溉量至少分別為495，470，425，395mm。

圖6 長(zhǎng)期滴灌下根區(qū)（0－75cm）土壤鹽分動(dòng)態(tài)（a）與穩(wěn)定時(shí)0－300cm土壤剖面鹽分分布（b）

圖7 不同灌溉量長(zhǎng)期灌溉后土壤鹽分穩(wěn)定時(shí)根區(qū)鹽分（a）、根底鹽分（b）、蒸騰滿足率（c）的變化

3 結(jié)論

本文利用微咸水灌溉的實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，率定并校驗(yàn)Hydrus2D模型在膜下滴灌棉田土壤鹽分運(yùn)移積累的模擬效果。結(jié)果顯示：生長(zhǎng)季內(nèi)，土壤鹽分模擬的RMSE低于0.6mg／cm3，RMAE基本低于10%，秋后剖面分布中RMSE小于0.75mg／cm3，滴頭內(nèi)側(cè)與滴頭下剖面模擬RAME小于10%，Hydrus 2D模型可用于干旱區(qū)綠洲灌區(qū)中膜下滴灌土壤鹽分運(yùn)移模擬。以2010年為基準(zhǔn)氣象條件，模擬計(jì)算瑪納斯流域綠洲不同灌溉水質(zhì)與灌溉量滴灌土壤鹽分積累過(guò)程，結(jié)果顯示：

（1）根區(qū)鹽分與灌溉水量呈現(xiàn)出拋物線關(guān)系，灌溉量低時(shí)，根區(qū)土壤鹽分隨著灌溉量的增加而增加，對(duì)于礦化度分別為4.8，3.2，1.6，0.8g／L灌溉水質(zhì)，相應(yīng)的灌溉量分別為370，365，300，180mm時(shí)根區(qū)鹽分積累速率最大，由于滴灌初期根區(qū)鹽分較低，微咸水灌溉對(duì)作物耗水的影響，在滴灌初期表現(xiàn)不明顯。

（2）隨著滴灌年限的增加，土壤鹽分逐步增加，作物蒸騰受限，下滲淋洗量加大，對(duì)于礦化度分別為4.8，3.2，1.6，0.8g／L的灌溉水質(zhì)，在灌溉量為420 mm，分別在10，15，20，35a后土壤鹽分相繼達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)，根區(qū)鹽分分別為4.2，3.8，3.2，2.8mg／cm3，作物的蒸騰滿足率分別為72%，80%，85%，91%，由于根區(qū)鹽分是限制作物用水的直接因素，為保證作物正常生長(zhǎng)，合理的灌溉量至少應(yīng)分別為495，470，425，395mm。

滴灌輸入的土壤鹽分會(huì)在根區(qū)積累，長(zhǎng)期滴灌根區(qū)土壤鹽分在灌溉輸入與深層淋洗作用下逐步達(dá)到穩(wěn)定平衡，其中深層淋洗量除直接決定于灌溉量外，還受因鹽分積累對(duì)作物蒸騰限制的反饋調(diào)節(jié)，因此，需要根據(jù)土壤鹽分對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，確定合理的灌溉淋洗用水，另外還需要一定的排水系統(tǒng)將深層下滲水排出灌區(qū)，以避免淺層潛水的上升。

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