基于HYDRUS-2D滴灌棉田不同深度排鹽溝土壤水鹽運(yùn)移的試驗(yàn)及模擬

李卓然，虎膽·吐馬爾白，由國棟

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

新疆地處干旱半干旱地區(qū)，鹽堿荒地面積達(dá)2.81×10 hm2，占中國鹽堿地總面積的 1/3[1]，截止2014年，新疆灌區(qū)鹽漬化耕地占灌區(qū)耕地的37.72%[2]。在有限的耕地資源中，采用滴灌技術(shù)進(jìn)行灌溉的棉田占其中很大一部分。由于滴灌技術(shù)自身的灌排特點(diǎn)，水分不能對土體鹽分進(jìn)行有效淋洗，造成鹽分只在耕層上下運(yùn)動，不能排出土體[3]。隨著滴灌運(yùn)用年限的增加，滴灌帶來的土壤次生鹽漬化問題日益嚴(yán)重。目前，治理農(nóng)田次生鹽堿化的灌排手段較多，雖行之有效但各有優(yōu)缺。大水漫灌洗鹽可有效將鹽分淋洗出土體，但對于水資源產(chǎn)生極大浪費(fèi)且會對地下水造成威脅[4]，而采用明溝排水，僅一條長500 m寬10 m的農(nóng)渠，占地面積達(dá)到0.5 hm2，從而使土地利用率大大降低。采用暗管排鹽可對土壤進(jìn)行有效排鹽[5-6]，但鋪設(shè)成本較高、維護(hù)管理復(fù)雜等問題卻不可忽視。針對此問題，王少麗[7]、周和平[8]等提出定向上移地表排鹽方式突破傳統(tǒng)大水漫灌淋洗鹽分模式，研究結(jié)果為滴灌棉田水鹽的防治提供技術(shù)支持；馬合木江[9]利用土槽開展滴灌技術(shù)排鹽試驗(yàn)，探討土壤鹽分運(yùn)動特點(diǎn)，結(jié)果表明鹽分從滴頭向膜邊緣裸露部分運(yùn)移明顯，滴頭以下部位形成鹽分淡化區(qū)，鹽分在排鹽溝表面形成累積。

排鹽溝排鹽效果與諸多因素密不可分，如排鹽溝深度、距離、設(shè)置方式等，而確定這些因素的前提在于明確土壤內(nèi)水鹽分布動態(tài)，利用軟件模型進(jìn)行模擬已成為可靠便捷的方式之一，如利用HYDRUS系列軟件[10-12]，對一維、二維以及三維土壤剖面水分鹽分進(jìn)行分析，可以更直觀的體現(xiàn)土壤水鹽的分布規(guī)律與變化趨勢。莫彥等[13]基于HYDRUS-2D構(gòu)建并驗(yàn)證了玉米地下滴灌開溝播種模型，確定了適宜于此種模式的滴灌帶深埋、開溝深度、灌水量等技術(shù)參數(shù)；李亮[14]等利1用HYDRUS-2D對生育期耕荒地間水鹽遷移進(jìn)行模擬，結(jié)果表明：在蒸發(fā)作用下，20、40、70 cm土層土壤鹽分分別上升 67.23%、62.37%、37.2%，經(jīng)檢驗(yàn)，Hydrus-2D對土壤含水率與含鹽率模擬具有較高精度，可反映土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律。這些研究利用Hydrus軟件從不同角度對滴灌條件下的技術(shù)參數(shù)與土壤水鹽動態(tài)進(jìn)行分析。因此，為了評估排鹽溝對土壤排鹽效果的影響，本文在開展測坑試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，確定合理的Hydrus模型，并分析滴灌棉花設(shè)置排鹽溝后土壤水鹽變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)進(jìn)行地位于新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)水利工程室外試驗(yàn)場測坑，該地區(qū)為溫帶大陸性氣候，晝夜溫差大，寒暑分配不均。年平均降雨量194 mm，平均蒸發(fā)量2200 mm，年均日照時數(shù)達(dá)2645 h。

本試驗(yàn)?zāi)M田間種植方式，試驗(yàn)用土取自新疆地區(qū)最早開展膜下滴灌技術(shù)的石河子墾區(qū)121團(tuán)炮臺鎮(zhèn)，土壤機(jī)械組成見表1，初始含水率、電導(dǎo)率見圖1。在此基礎(chǔ)上分別設(shè)置2種不同深度（10 cm，30 cm）排鹽溝。試驗(yàn)所用測坑長1.4 m，寬0.9 m，高1m。每個測坑分別設(shè)置不同深度排鹽溝，其中編號為1、2、3號的測坑設(shè)置10 cm深度排鹽溝，編號為4、5、6號的測坑設(shè)置30 cm深度排鹽溝（測坑排列見圖2）。試驗(yàn)開展時間為2016年4月至2016年10月。

表1 土壤類型與顆粒等級Tab.1 Soil type and particle level

圖1 土壤初始電導(dǎo)率與含水率Fig.1 Soil initial electricity conductivity and moisture content

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2016年 4月19日種植棉花（新陸早62）后進(jìn)行灌溉，棉花灌溉定額為3900 m3/hm2，分別于每月10日，20日和30日灌水，初次灌水時間為4月20日，最后一次灌水時間為8月20日，共計(jì)13次灌水。灌溉安排見表2。

表2 灌溉安排Tab.2 Irrigation schedule

灌水時用馬氏瓶（內(nèi)徑22 cm，高38 cm）精準(zhǔn)控制水量，并記錄起止時間。

試驗(yàn)所用滴灌管設(shè)置4個滴頭，其中滴灌管直徑2 cm，滴頭間距30 cm；棉花種植于滴灌管兩側(cè)，采用一膜一管兩行種植方式，株距20 cm。不同深度排鹽溝試驗(yàn)測坑排列示意圖與種植布置示意圖見圖2。

圖2 不同深度排鹽溝試驗(yàn)測坑排列示意圖與種植布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of planting arrangement in different depth of salt drainage ditch

為避免化肥內(nèi)有機(jī)質(zhì)對土壤水鹽運(yùn)移產(chǎn)生影響，整個生育期內(nèi)不進(jìn)行施肥。

1.2.2 數(shù)據(jù)觀測與測定

觀測指標(biāo)包括含水率與電導(dǎo)率。將所取土壤烘干測試含水率，并將烘干土壤粉碎，按照5∶1的水土比例制取混合溶液，利用電導(dǎo)率儀測定土壤電導(dǎo)率。

取樣時間定于棉花不同生育期內(nèi)，具體為4月30日（苗期），5月 25日（蕾期），6月 30日（花期），7月 11日（齡期），9月 11日（絮期）。

由于土壤表層受外界影響較為強(qiáng)烈，為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性需適當(dāng)減少取樣點(diǎn)間隔。因此，取樣點(diǎn)定于滴頭下與排鹽溝邊，深度分別為5、15、25、40 cm與60 cm，取樣點(diǎn)如圖3所示。

圖3 排鹽溝取樣點(diǎn)示意圖Fig.3 Demonstration of sampling point of salt drainage

各測坑中排鹽溝左右兩側(cè)對稱取樣，兩側(cè)滴頭處同深度取樣點(diǎn)所測含水率值與電導(dǎo)率值取平均作為此測坑滴頭處實(shí)測值；兩側(cè)排鹽溝下方同深度取樣點(diǎn)所測含水率值與電導(dǎo)率值取平均作為此測坑排鹽溝處實(shí)測值。根據(jù)此方法計(jì)算6組測坑含水率與電導(dǎo)率，后將10 cm排鹽溝3組測坑數(shù)據(jù)取平均值，作為最終使用數(shù)據(jù)；30 cm排鹽溝亦同。

2 模型建立

2.1 數(shù)學(xué)模型

2.1.1 土壤水分運(yùn)動模型

在膜下滴灌條件下，土壤水分運(yùn)動屬于三維運(yùn)動水分入滲問題，但運(yùn)動模式可簡化為二維問題來解決[15]。此時土壤水分運(yùn)動可用Richards方程表示為[16]：

上式中：θ為土壤水含量（cm3/cm3）；t為時間(d)；h 為水頭壓力（cm）；x，z為坐標(biāo)系坐標(biāo)（cm）；K(h)為土壤非飽和導(dǎo)水率（cm/h）；S(h,x,z)代表了根系吸水（cm/cm3·h），其具體表示為：

式（2）中，Sp為α(h)=1時無水分脅迫周期內(nèi)的吸水率，α(h)是植物根系吸水的無量綱響應(yīng)函數(shù)，定義為：

式（3）中，h1-h4表示影響根系從土壤吸水的不同水頭壓力。

2.1.2 土壤溶質(zhì)運(yùn)移模型

在均勻介質(zhì)中，用可控的對流彌散方程模擬非反應(yīng)離子運(yùn)移，其公式為：

式（4）中，下標(biāo) i，j表示 x、z軸坐標(biāo)，c表示液體中的溶質(zhì)濃度（g/cm3）。

2.2 模型水力參數(shù)

土壤的水力函數(shù)計(jì)算一般選擇Van Genuchten-Mualem公式[17]，表示為：式（5）、（6）中：θs為飽和體積含水率 cm3/cm3；θr為殘余體積含水率cm3/cm3；m、、n為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，m=1-1/n；Ks為飽和水力傳導(dǎo)度（cm/d）；l為形狀系數(shù)，通常取平均值0.5；Se為無量綱的相對飽和系數(shù)。

經(jīng)RETC軟件擬合，其土壤水分運(yùn)動參數(shù)見表3。

表3 土壤水分運(yùn)動參數(shù)Tab.3 Soil water movement parameters

2.3 溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)

溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)包含縱向彌散度系數(shù)DL，橫向彌散系數(shù)DT，以及鹽分在水體中的擴(kuò)散系數(shù)Dw，其取值分別為 0.1、0.01、2.14 cm2/d。

2.4 初始條件

2.4.1 水分運(yùn)動初始條件

假設(shè)測坑初始含水量為均勻分布，其初始條件為：

式（7）中：θ0為土壤初始含水率（cm3/cm3），z為土壤空間坐標(biāo)，取向下為正。

土壤初始邊界條件為：在二維垂直水流運(yùn)動下，滴頭流量造成的通量變化可視為變通量邊界；由于土地表面覆膜，因此視其為隔水邊界條件；測坑設(shè)有排鹽溝，直接受到蒸發(fā)及降雨的影響，因此排鹽溝處為大氣邊界條件；測坑底部設(shè)有排水管用于排水，因此底邊界為自由排水邊界。

2.4.2 溶質(zhì)運(yùn)移初始條件

假設(shè)測坑初始含鹽量為均勻分布，其初始條件為：

式（8）中：C0為土壤初始含鹽量（g/kg），z為土壤空間坐標(biāo)，取向上為正。

溶質(zhì)運(yùn)移邊界條件與水分運(yùn)動邊界條件相對應(yīng)，滴頭處、排鹽溝處與測坑底部同為第三類邊界條件。

2.5 模型檢驗(yàn)

利用Spss軟件中配對樣本t檢驗(yàn)判斷實(shí)測值與模擬值間有無對比意義，利用計(jì)算平方根誤差來比較土壤含水率與電導(dǎo)率的實(shí)測值與模擬值的可靠程度：

式（9）中：Mi與Si為實(shí)測值與模擬值，n為觀測點(diǎn)數(shù)量。

由于土壤表層5cm與15cm深度含水率與電導(dǎo)率受實(shí)際外界因素影響明顯，而模型構(gòu)建過程中的邊界情況與實(shí)際邊界情況存在差異，這些差異對含水率與電導(dǎo)率會產(chǎn)生一定影響。若此時模擬值與實(shí)測值匹配良好，則可以更好反映模型的合理性。因此采用2016年生育期各深度排鹽溝5 cm與15 cm深度土壤含水率與電導(dǎo)率值實(shí)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，含水率實(shí)測值與模擬值對比如圖4、電導(dǎo)率實(shí)測值與模擬值對比如圖5。含水率與電導(dǎo)率實(shí)測值與模擬值平方根誤差分別為0.014與0.107(表4)；在顯著性水平設(shè)置為0.05時，含水率與電導(dǎo)率配對樣本的t檢驗(yàn)Sig值（雙尾檢驗(yàn)概率P值）分別為0.235、0.126，由于t檢驗(yàn)Sig值（雙尾檢驗(yàn)概率P值）大于0.05，故模擬值與實(shí)測值無顯著差異，因此模型模擬結(jié)果可被接受，可用于實(shí)際問題中。

表4 模擬效果評價Tab.4 Statistical test results

圖4是不同排鹽溝深度設(shè)置土壤含水率模擬值與實(shí)測值對比情況。由圖4可知：

（1）10 cm排鹽溝深度處理下，滴頭下方5 cm與15 cm深度土壤含水率由4月30日的0.25左右下降到9月11日的0.1左右，排鹽溝處5 cm與15 cm深度土壤含水率由4月30日的0.18左右下降到9月11日的0.06左右。

（2）30 cm排鹽溝深度處理下，滴頭下方5 cm與15 cm深度土壤含水率由4月30日的0.28左右下降到9月11日的0.1左右，排鹽溝處5 cm與15 cm深度土壤含水率由4月30日的0.22左右下降到9月11日的0.8左右。

（3）2種處理下，滴頭處含水率均大于排鹽溝處含水率。這是由于排鹽溝裸露部分較大，蒸發(fā)強(qiáng)烈，造成含水率降低。

（4）2種排鹽溝深度處理下含水率實(shí)測值與模擬值存在一定的誤差。這是因?yàn)槟Ｐ椭械纳线吔鐥l件與實(shí)際情況存在細(xì)微差別，實(shí)際情況中的蒸發(fā)蒸騰等邊界條件比模型中所構(gòu)建的要復(fù)雜，尤其在7月25日與9月11日的模擬結(jié)果對比中尤為明顯。

圖4 不同排鹽溝深度設(shè)置土壤含水率模擬值與實(shí)測值對比Fig.4 compared with the simulation and measured of water content under different depth of salt drainage ditch

圖5 是不同排鹽溝深度設(shè)置土壤電導(dǎo)率模擬值與實(shí)測值對比情況。由圖5可見：

（1）10 cm排鹽溝深度處理下，滴頭下方5 cm與15 cm深度土壤電導(dǎo)率由4月30日的0.44 ds/m左右下降到9月11日的0.24 ds/m左右，排鹽溝處5 cm與15 cm深度土壤電導(dǎo)率由4月30日的0.6 ds/m左右變化為9月11日的0.5 ds/m左右。

（2）30 cm排鹽溝深度處理下，滴頭下方5 cm與15 cm深度土壤電導(dǎo)率由4月30日的0.6 ds/m左右下降到9月11日的0.3 ds/m左右，排鹽溝處5 cm深度土壤電導(dǎo)率由4月30日的0.8 ds/m左右突增到7月25日的1.5 ds/m。

（3）2種處理下，30 cm深度排鹽溝處理排鹽溝表層5 cm深度土壤電導(dǎo)率增加明顯，鹽分在排鹽溝表層由一定程度聚集。

（4）電導(dǎo)率實(shí)測值與模擬值的吻合程度小于含水率的吻合程度。這是兩方面原因造成的，一是影響含水率的因素間接影響土壤電導(dǎo)率，二是土壤溶質(zhì)運(yùn)移過程本身比較復(fù)雜，溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)與儀器所測電導(dǎo)率的精確程度都會帶來實(shí)測值與模擬值的誤差。

圖5 不同排鹽溝深度設(shè)置土壤電導(dǎo)率模擬值與實(shí)測值對比Fig.5 compared with the simulation and measured of electricity conductivity under different depth salt drainage ditch

3 結(jié)果與分析

應(yīng)用已建立的滴灌棉田排鹽溝模型分別對2種深度排鹽溝設(shè)置下土壤水鹽運(yùn)移進(jìn)行模型，以確定適合的排鹽溝尺寸。

3.1 不同深度排鹽溝土壤含水率

圖6是不同排鹽溝深度（10 cm，30 cm）不同時期土壤含水率的分布情況，由圖6可知：

（1）整個生長周期內(nèi)，無論何種深度處理排鹽溝，土壤含水率都隨時間的變化呈現(xiàn)出遞減趨勢，且含水率基本呈現(xiàn)滴頭處大于排鹽溝處。但在6月30日出現(xiàn)15-40 cm土層排鹽溝處含水率大于滴頭處情況，是由于降雨因素使得水分從排鹽溝裸露部位入滲到15-40 cm土層，從而導(dǎo)致含水率出現(xiàn)增加。

（2）無論何種深度處理排鹽溝，表層 0-15 cm土層滴頭處與排鹽溝處含水率差異較大，這是由于受到蒸發(fā)的影響，使得含水率變化劇烈。

（3）40-60 cm深度土壤滴頭處含水率與排鹽溝處含水率基本保持相同，表明排鹽溝處40-60 cm土壤受表層蒸發(fā)影響較小。

圖6 距明溝不同位置含水率示意圖Fig.6 Schematic of water content in different positions of the salt drainage ditch

3.2 不同深度排鹽溝土壤電導(dǎo)率

圖7 是不同排鹽溝深度（10 cm，30 cm）設(shè)置下土壤電導(dǎo)率的分布情況。

圖7 距明溝不同位置電導(dǎo)率示意圖Fig.7 Schematic of electricity conductivity in different positions of the salt drainage ditch

由圖7可知：

（1）土壤電導(dǎo)率受到排鹽溝的影響較為明顯，總體呈現(xiàn)排鹽溝處電導(dǎo)率大于滴頭處電導(dǎo)率。

（2）滴頭下方0-25 cm土壤電導(dǎo)率明顯小于排鹽溝下方。這是由于滴灌作用下水分不斷下滲，使得濕潤鋒不斷下移，鹽分隨著濕潤鋒的擴(kuò)大同樣也向下移動，造成了滴頭下方電導(dǎo)率表層較小而深層較大。且排鹽溝與外界接觸面積較大，進(jìn)而增大了蒸發(fā)能力。土壤水分在蒸發(fā)作用下，向排鹽溝方向移動，土壤鹽分在水分運(yùn)動的帶動下同時向排鹽溝方向移動。水分蒸發(fā)到大氣的同時，鹽分聚集在排鹽溝處，因此造成了排鹽溝處0-15 cm土層電導(dǎo)率持續(xù)增加。

（3）排鹽溝深度為10 cm處理，滴頭處0-25 cm土壤電導(dǎo)率整體呈穩(wěn)定趨勢，變化幅度較小，25-60 cm土壤則呈現(xiàn)先減小后增大，滴頭下方60 cm處積鹽現(xiàn)象明顯；排鹽溝處土壤電導(dǎo)率有較大幅度變化，表現(xiàn)為先減小，后增大，再減小，再增大趨勢。生育早期4月30日，10 cm排鹽溝滴頭下方60 cm土層含鹽量較高，已經(jīng)形成下大上小的狀況，造成這一現(xiàn)象的原因是前期降雨較多（4月20日至5月20日降雨量39.2 mm，且全年降雨較往年偏多五成），鹽分在雨水下滲與滴灌的共同作用下被淋洗至60 cm土層，加之生育前期蒸發(fā)量小，導(dǎo)致土壤電導(dǎo)率較高。

（4）排鹽溝深度為30 cm處理，滴頭處土壤電導(dǎo)率變化情況與深度為10 cm處理基本保持一致，但生育期末期9月11日滴頭下方土壤電導(dǎo)率處于較低的水平，排鹽溝處土壤電導(dǎo)率變化明顯不同于深度為10 cm的處理，其表層0-15 cm土壤形成表層鹽分積累區(qū)，這是由于30 cm處理時土壤裸露部分增加，土壤表面蒸發(fā)強(qiáng)烈，鹽分伴隨著水分蒸發(fā)而向排鹽溝處移動，使得返鹽現(xiàn)象明顯加劇，這說明30 cm處理排鹽溝對土壤排鹽有明顯效果。

4 結(jié)論

（1）利用HYDRUS-2D軟件對排鹽溝排鹽效果的模擬結(jié)果可較為準(zhǔn)確反映土壤內(nèi)水鹽運(yùn)移變化規(guī)律，可為棉花種植區(qū)水鹽調(diào)控提供有效的依據(jù)。

（2）從時間分析，無論何種深度排鹽溝滴頭處與排鹽溝處土壤含水率均呈現(xiàn)下降趨勢；從不同土層深度分析，0-40 cm土層含水率受排鹽溝影響較大，呈現(xiàn)滴頭處含水率大于排鹽溝處含水率，而60 cm土層滴頭處含水率與排鹽溝處含水率基本保持一致。

（3）土壤電導(dǎo)率受到排鹽溝影響較為明顯，排鹽溝深度越深，0-15 cm土層電導(dǎo)率上升趨勢越大。從同種排鹽溝深度設(shè)置來看，電導(dǎo)率呈現(xiàn)排鹽溝處大于滴頭處特點(diǎn)。從不同深度設(shè)置排鹽溝來看，30 cm深度排鹽溝處電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于10 cm排鹽溝，形成更明顯的鹽分積累區(qū)域，且滴頭處形成鹽分淡化區(qū)域。綜合來看，30 cm深度排鹽溝對土壤排鹽效果更好，這為進(jìn)一步開展機(jī)械刮鹽、大水洗鹽等工作提供了科學(xué)依據(jù)。

5 討論

（1）本文在膜下滴灌棉田的基礎(chǔ)上設(shè)置10 cm與30 cm兩種深度排鹽淺溝，試驗(yàn)及模擬結(jié)果表明在深度為30 cm時排鹽淺溝土壤裸露處鹽分累積效果更明顯。周和平[18]的研究結(jié)果表明滴灌棉田采用不同梯度排鹽明溝并配合棉花收獲后地表溝灌排鹽，田間地表鹽分平均下降36.7%-63.3%。本研究得到的排鹽淺溝處土壤呈現(xiàn)鹽分累積現(xiàn)象與其結(jié)果相類似，但本文缺少關(guān)于鹽分累積區(qū)進(jìn)行大水洗鹽的研究，僅針對設(shè)置排鹽溝土壤水鹽分布開展模擬分析，這為今后開展深入研究提供了一定的依據(jù)。

（2）對于本試驗(yàn)中出現(xiàn)30 cm深度排鹽溝處電導(dǎo)率出現(xiàn)明顯變化的原因如下：30 cm深度設(shè)置下，膜間裸露部分遠(yuǎn)大于10 cm深度設(shè)置，進(jìn)而蒸發(fā)能力較強(qiáng)，伴隨強(qiáng)烈的蒸發(fā)，“水走鹽留”現(xiàn)象越發(fā)明顯，從而導(dǎo)致排鹽溝處電導(dǎo)率上升明顯。10 cm設(shè)置雖具有一定效果，但滴頭下方60 cm處電導(dǎo)率無較大變化。此外，對于鹽分運(yùn)移規(guī)律研究，本試驗(yàn)僅在排鹽淺溝邊緣與覆膜連接位置取樣測試電導(dǎo)率，并未在排鹽溝邊坡與排鹽溝溝底位置設(shè)置取樣點(diǎn)，這種情況下僅能解釋鹽分由膜間向膜外運(yùn)移的特點(diǎn)，但并不能很好的解決鹽分沿水平方向運(yùn)移特征等問題。

（3）由于本研究采用測坑進(jìn)行試驗(yàn)，整個過程中水分鹽分運(yùn)動的邊界條件與實(shí)際情況有所不同，因而土壤本身的水分交換與鹽分遷移運(yùn)動與大田種植會有所出入，所構(gòu)建模型中缺少單獨(dú)考慮土壤熱通量交換，這同樣會對結(jié)果造成一定的誤差。同時，考慮到土地利用率的問題，排鹽溝若設(shè)置過寬，會減少棉花種植面積，進(jìn)而影響收獲期棉花產(chǎn)量。因此綜合考慮各種因素，今后有待對膜下滴灌棉花排鹽模型進(jìn)行進(jìn)一步研究。