犁底層容重對(duì)微咸水膜下滴灌土壤水鹽運(yùn)移分布的影響

胡文同，栗現(xiàn)文，江思珉

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌712100；3.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092）

0 引言

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，又是一個(gè)水資源短缺且時(shí)空分布極不平衡的國家，淡水資源短缺已成為影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要問題。同時(shí)，我國微咸水資源儲(chǔ)量多、分布廣、開采條件較好[1,2]，高效利用微咸水資源已成為緩解淡水供需矛盾的重要途徑。膜下滴灌技術(shù)被認(rèn)為是目前最合理有效的微咸水開發(fā)利用技術(shù)[3,4]，但使用不當(dāng)會(huì)造成土壤積鹽，不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5-7]。有學(xué)者認(rèn)為微咸水膜下滴灌農(nóng)田是否積鹽的臨界灌溉水礦化度為3.0 g/L[8]。

目前，對(duì)層狀土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律的研究，主要集中在黏土夾層和夾沙層[9,10]，而對(duì)犁底層的研究相對(duì)不足。犁底層表現(xiàn)為土壤密實(shí)程度變化[11]，改變土壤水力性質(zhì)，影響土壤水分及溶質(zhì)運(yùn)移和分布。研究發(fā)現(xiàn)犁底層改變層狀土壤水分入滲過程、濕潤(rùn)鋒、累積入滲量[12]。張建兵等[13]發(fā)現(xiàn)犁底層能夠阻礙鹽分運(yùn)移而匯聚于該層，而樊慧敏等[14]通過對(duì)渭北農(nóng)田取樣發(fā)現(xiàn)，土壤容重對(duì)含鹽量有明顯的異位效應(yīng)。但在膜下滴灌條件下，不同容重犁底層對(duì)土壤水鹽運(yùn)移分布的影響尚不明確。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)學(xué)模擬模型HYDRUS 已廣泛應(yīng)用于滴灌及層狀土壤水鹽運(yùn)移分布模擬研究，為探究土壤水鹽變化提供了技術(shù)支持[12,15,16]。如Roberts 等[17]采用HYDRUS-2D/3D 模擬地下滴灌土壤水鹽運(yùn)動(dòng)，分析不同滴灌管埋深和灌溉水礦化度的地表積鹽問題；Xu 等[18]通過田間灌溉試驗(yàn)與HYDRUS-2D數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)灌溉對(duì)土壤脫鹽有明顯影響，模擬值與實(shí)測(cè)值的偏差小于0.5%；楊霞等[12]通過東北寒區(qū)分層土壤、均質(zhì)土壤室內(nèi)入滲試驗(yàn)與HYDRUS-2D數(shù)值模擬得出，犁底層抑制土壤水分下滲，模擬值與實(shí)測(cè)值吻合；李遠(yuǎn)[19]利用HYDRUS 進(jìn)行三維入滲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤容重越大，垂直濕潤(rùn)鋒越小，水平濕潤(rùn)鋒越大、脫鹽系數(shù)越小。但很少有學(xué)者利用HYDRUS-2D系統(tǒng)研究犁底層容重對(duì)微咸水膜下滴灌土壤水鹽運(yùn)移分布的影響。

本研究利用HYDRUS-2D軟件建立相同土質(zhì)不同犁底層容重的二維層狀土壤水鹽運(yùn)移模型，分析犁底層容重對(duì)微咸水膜下滴灌土壤水鹽運(yùn)移分布的影響，并通過模擬結(jié)果的溶質(zhì)示蹤量化不同模擬情景的排水來源，可為田間合理利用微咸水及灌溉排水提供參考。

1 模型與方法

1.1 概念模型

在HYDRUS-2D 的Geometry 模塊構(gòu)建水平方向?yàn)?50 cm(田間一膜寬度，灌水模式為“一膜雙管”)，垂直深度為100 cm 的土壤水流、溶質(zhì)二維運(yùn)移模擬域，如圖1所示。上邊界不考慮蒸發(fā)和降水，滴頭處設(shè)為變流量邊界；下邊界不考慮地下水的影響，設(shè)為自由排水邊界；左右邊界為零流量邊界。溶質(zhì)運(yùn)移模型邊界條件均為第3類邊界條件，在滴頭處，滴灌時(shí)溶質(zhì)通量為灌溉水溶液濃度，無滴灌時(shí)為零；零流量邊界處溶質(zhì)通量也為零。

圖1 土壤水流、溶質(zhì)運(yùn)移概念模型Fig.1 Conceptual model of soil water and solute transport

1.2 水分運(yùn)動(dòng)方程

模型采用修改后的Richards方程描述土壤水分運(yùn)動(dòng)[20]：

式中：θ為土壤體積含水率；h為土壤壓力水頭，cm；t為入滲的時(shí)間，h；x為橫向坐標(biāo)，cm；z為垂向坐標(biāo)，cm；K(h)為非飽和導(dǎo)水率，cm/h。

土壤水分運(yùn)動(dòng)初始條件為：

式中：θ(x，z，0)、θi(x，z)為0 時(shí)刻i節(jié)點(diǎn)土壤體積含水率，假設(shè)各模擬情景初始土壤體積含水率為0.15。

土壤水分運(yùn)動(dòng)邊界條件：

式中：qd為滴頭流量，cm/h，有灌水時(shí)為100 cm/h，無灌水時(shí)為0。

土壤水力特性根據(jù)van Genuchten-Mualem 模型[21]表示為：

式中：θs為土壤飽和體積含水率；θr為土壤剩余體積含水率；Ks為土壤飽和水力傳導(dǎo)度，cm/h；Se為土壤有效飽和度，%；α、n、m、l均為擬合參數(shù)，l通常取0.5。

1.3 溶質(zhì)運(yùn)移方程

在溶質(zhì)運(yùn)移模擬中考慮對(duì)流和彌散2種運(yùn)動(dòng)的影響。溶質(zhì)運(yùn)移方程如下[20]：

式中：c為土壤溶液中溶質(zhì)濃度，g/L；D為彌散系數(shù)，cm2/h；q為體積通量，cm/h。

土壤溶質(zhì)運(yùn)移初始條件為：

式中：c(x,z,0)、ci(x,z)為0 時(shí)刻i節(jié)點(diǎn)土壤水礦化度，g/L，假設(shè)各模擬情景土壤水初始礦化度為1.0 g/L。

土壤溶質(zhì)運(yùn)移邊界條件：

式中：cd為滴灌用水礦化度，g/L，為3.0 g/L。

1.4 參數(shù)設(shè)定

1.4.1 土壤性質(zhì)

模型土壤質(zhì)地選自文獻(xiàn)[19]，其中沙粒(0.05～2 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(＜0.002 mm)含量分別為51.4%、26.6%和22%。

1.4.2 土壤水力參數(shù)

本研究利用HYDRUS-2D 模型中的Rosseta 模塊，根據(jù)土壤質(zhì)地(沙粒、粉粒、黏粒含量)和土壤容重，預(yù)測(cè)不同容重土層土壤水力參數(shù)。

1.4.3 溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)

研究表明，溶質(zhì)運(yùn)移彌散度與土壤容重呈線性相關(guān)[22]。因各層位土壤為各向同性，故認(rèn)為縱、橫向彌散度相同。彌散度(α，cm)與土壤容重(ρ，g/cm3)的關(guān)系參照文獻(xiàn)[19]：

1.5 情景設(shè)定

為系統(tǒng)探討犁底層容重對(duì)土壤水鹽運(yùn)移分布影響，設(shè)置4種情景(見表1)，其中S1 為均質(zhì)情景，S2～S4 情景20～40 cm 處犁底層容重不斷增大。由HYDRUS-2D 的Rosseta 模塊和式(11)，確定不同容重土層的土壤水力和彌散度參數(shù)(見表2)。

表1 不同犁底層容重模擬情景土壤性質(zhì)Tab.1 Soil properties of different plow pan bulk density simulation scenarios

表2 模型水力及溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)Tab.2 Hydraulic and solute transport parameters of the model

模擬時(shí)間設(shè)定為63 h，其中，灌水時(shí)間15 h，重分布時(shí)間48 h。在進(jìn)行迭代計(jì)算時(shí)，離散時(shí)間單位為h，初始時(shí)間步長(zhǎng)0.000 1，最短時(shí)間步長(zhǎng)0.000 1，最大時(shí)間步長(zhǎng)為120，θ迭代精度為0.01，最大迭代次數(shù)取10。設(shè)置網(wǎng)格尺寸為2 cm，在滴頭和和土壤容重突變處加密單元格。在左側(cè)滴頭及兩滴頭中間10、30、50、70、90 cm 深度處設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)(見圖1)，用于觀測(cè)各土層土壤水鹽動(dòng)態(tài)變化。因膜下滴灌土壤鹽分主要集中在0～60 cm 土層[23，24]，在模型10、30、50 cm 深度每隔10 cm 設(shè)置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，每個(gè)深度設(shè)置16 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分別用于對(duì)耕作層（0～20 cm）、犁底層（20～40 cm）和底土層（40～60 cm）水鹽狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.6 敏感度指數(shù)

土壤水力參數(shù)對(duì)土壤水鹽運(yùn)移會(huì)產(chǎn)生重要影響。前人研究表明，土壤水鹽運(yùn)移對(duì)θs、n、Ks、αL的敏感性較強(qiáng)，因此，選擇上述參數(shù)進(jìn)行局部敏感性分析。采用擾動(dòng)分析法，將各參數(shù)在基準(zhǔn)參數(shù)的基礎(chǔ)上分別上下擾動(dòng)5%和10%。定義敏感度指數(shù)L為：

式中：n為擾動(dòng)次數(shù)；Δi為擾動(dòng)值，分別取-10%、-5%、+5%、+10%；m為觀測(cè)點(diǎn)數(shù)（分別為N1、N2、N3、N6、N7、N8），m=6；p為觀測(cè)時(shí)間點(diǎn)，分別為灌水結(jié)束、灌后24 h 及48 h；θ0為基準(zhǔn)參數(shù)情景對(duì)應(yīng)的土壤含水量。

1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與情景

利用Excel 對(duì)HYDRUS-2D 輸出文件的土壤水鹽數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和計(jì)算；采用SPSS 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征值分析、單因素方差分析和配對(duì)樣本T檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 犁底層容重對(duì)土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律的影響

2.1.1 犁底層容重對(duì)土壤水分運(yùn)移規(guī)律的影響

模擬結(jié)果顯示飽和體積含水量(θs)隨土壤容重(ρ)增加而降低(θs=-0.252 6ρ+0.773 9，R2=0.999 5)。圖2 為模擬過程各情景滴頭及2 滴頭中間不同深度θ變化過程。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，處于相同層位的觀測(cè)點(diǎn)有相似的變化規(guī)律：飽和含水率相同且模擬結(jié)束后θ變化規(guī)律基本一致。各情景N6～N8 處θ開始變化所需時(shí)間明顯長(zhǎng)于相同層位觀測(cè)點(diǎn)N1～N3，但N9、N10處θ開始變化所需時(shí)間與相同層位觀測(cè)點(diǎn)N4和N5基本一致，說明滴灌條件下，土層水分經(jīng)過犁底層后逐漸呈層狀運(yùn)動(dòng)。灌水結(jié)束后，犁底層容重越大，耕作層N1 和N6 處θ越大，犁底層N2和N7 處Se越高，說明犁底層對(duì)該層及其上層土壤涵養(yǎng)水分具有積極作用，且容重越大效果越明顯。其原因?yàn)槔绲讓尤葜卦酱?，土壤穩(wěn)定入滲率越小[25]，等量水分下滲需要的時(shí)間越長(zhǎng)。底土層N3 處θ開始變化所需時(shí)間：S1(6.5 h)＜S2(6.7 h)＜S3(7.1 h)＜S4(7.2 h)，但開始變化與達(dá)到飽和的時(shí)間間隔為：S1(5.6 h)＞S2(5.0 h)＞S3(4.3 h)＞S4(3.9 h)。這是因?yàn)槔绲讓尤葜卦酱?，該土層?duì)濕潤(rùn)鋒的吸力越大，濕潤(rùn)鋒會(huì)暫停在容重突變界面，隨著水分的不斷下滲，吸力減弱，土壤水分才進(jìn)入下層土壤中；同時(shí)，犁底層容重越大，該土層θs越低，土壤達(dá)到飽和所需灌水量越少，犁底層土壤入滲率達(dá)到穩(wěn)定(最大)所需時(shí)間越短，故下層土壤達(dá)到飽和所需時(shí)間越短。

圖2 各情景滴頭位置N1～N5和2滴頭中間N6～N10處θ變化曲線Fig.2 Dynamic changes of θ at N1～N5 at emitter position and N6～N10 between the two emitters in each scenario

2.1.2 濕潤(rùn)鋒動(dòng)態(tài)變化

圖3顯示各情景左側(cè)滴頭濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化。隨灌水時(shí)間增加，各情景濕潤(rùn)鋒水平和垂直推進(jìn)距離均逐漸增加。滴灌后期，模型邊界土壤水分垂直運(yùn)移速度明顯增加，這是滴灌和不透水邊界共同作用的結(jié)果；隨滴灌進(jìn)行，2滴頭濕潤(rùn)鋒發(fā)生交匯，圖3中右側(cè)交匯區(qū)土壤水分運(yùn)移速度較左側(cè)明顯增加。濕潤(rùn)鋒垂直推進(jìn)距離主要表現(xiàn)出3 個(gè)階段：各情景前3 h 濕潤(rùn)鋒垂直推進(jìn)距離基本相同；第4～7 h 隨犁底層容重增加而降低；9 h 后隨犁底層容重增加而增加；濕潤(rùn)鋒水平推進(jìn)距離表現(xiàn)出2 個(gè)階段：前3 h 基本相同，之后濕潤(rùn)鋒水平推進(jìn)距離或模型邊界垂直運(yùn)移深度均隨犁底層容重增加明顯增加。有研究發(fā)現(xiàn)微潤(rùn)灌溉土壤容重越大，濕潤(rùn)鋒向下運(yùn)移速度越慢[26]，沙土中的黏土夾層可以減小濕潤(rùn)鋒的垂直推進(jìn)速度[27]，這均與本研究有相似之處。

圖3 濕潤(rùn)鋒動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of wet front

2.1.3 犁底層容重對(duì)土壤鹽分運(yùn)移規(guī)律的影響

圖4 為各情景N1～N5、N6～N10 土壤水礦化度隨時(shí)間變化規(guī)律。隨土層深度增加，滴頭位置剖面土壤水礦化度開始變化時(shí)間不斷變長(zhǎng)，且最大值不斷降低。犁底層容重越大，滴頭下方N2～N4 土壤水礦化度越低，2 滴頭中間N6～N10 土壤水礦化度越高。其原因?yàn)槔绲讓幼璧K土壤鹽分隨水分垂直運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)其水平運(yùn)動(dòng)，容重越大效果越明顯，有學(xué)者通過溝灌研究發(fā)現(xiàn)，土壤容重越大，鹽分運(yùn)動(dòng)受到的阻礙越強(qiáng)[28]。各情景耕作層N1和均質(zhì)條件犁底層N2處土壤水礦化度均在灌水結(jié)束前達(dá)到入滲水礦化度，之后一直維持不變，S2～S4模擬時(shí)段內(nèi)犁底層N2 處土壤水礦化度最大值分別是S1(3.0 g/L)的97.67%(2.93 g/L)、95.33%(2.86 g/L)和93.67%(2.81 g/L)；底土層N3 和N4 在灌水結(jié)束前后均有增長(zhǎng)，S1 底土層N3 處土壤水礦化度最大值(2.86 g/L)分別是S2～S4 的1.05(2.73 g/L)、1.08(2.64 g/L)和1.16 倍(2.59 g/L)。對(duì)比2 滴頭中間剖面：各情景耕作層N6 處土壤水礦化度最先開始變化，但觀測(cè)后期卻低于犁底層N7 處。其原因?yàn)槔绲讓尤葜卦酱螅喔人竭_(dá)犁底層后在耕作層及犁底層交界面的橫向運(yùn)動(dòng)速度越快，由于“鹽隨水動(dòng)”的特性，N7處土壤水礦化度增加越快。

圖4 各情景滴頭位置N1～N5和2滴頭中間N6～N10處土壤水礦化度變化曲線Fig.4 Dynamic changes of soil water salinity at N1～N5 at emitter position and at N6～N10 between the two emitters in each scenario

2.1.4 土壤水礦化度空間分布

模擬結(jié)束時(shí)土壤水礦化度等值線如圖5所示。可以看出，受微咸水膜下滴灌影響，滴頭下方土壤水礦化度最高，因此在含鹽量較低土壤中用微咸水膜下滴灌時(shí)，土壤鹽分會(huì)優(yōu)先在滴頭下方聚集。犁底層顯著影響土壤水礦化度等值線，土壤水礦化度高值區(qū)垂直分布深度隨犁底層容重增加明顯減小，水平方向則隨犁底層容重增加而增加，可見犁底層具有和黏土夾層一樣的隔水滯鹽作用[29]。有研究發(fā)現(xiàn)土層之間的滲透性差異越大，黏土夾層的滯鹽作用越強(qiáng)[30]。本研究中犁底層容重越大，鹽分往深層運(yùn)移越慢。滴頭下方土壤水礦化度變化界面深度均約90 cm，但2 滴頭中間變化界面存在差別，表現(xiàn)為隨犁底層容重增加而增加，但均小于滴頭下方土壤水礦化度。不過也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)犁底層土壤鹽分含量較耕作層顯著增大[13,31]，這是長(zhǎng)期往復(fù)灌溉和蒸發(fā)多種因素綜合作用的結(jié)果。

圖5 模擬結(jié)束時(shí)土壤水礦化度空間分布Fig.5 Spatial distribution of soil water salinity at the end of the simulation

2.2 敏感性分析

根據(jù)上文定義的敏感度指數(shù)，計(jì)算土壤水鹽對(duì)各參數(shù)的敏感度指數(shù)L（見表3）。從表3 中可以看出，θ對(duì)各參數(shù)的敏感度指數(shù)大于土壤水礦化度。θ對(duì)各參數(shù)的敏感度指數(shù)為：θs＞n＞Ks，土壤水礦化度對(duì)各參數(shù)的敏感度指數(shù)為：θs＞n＞αL＞Ks。敏感度指數(shù)L大于1，說明參數(shù)對(duì)輸出變量的影響大；L小于1，說明參數(shù)對(duì)輸出變量的影響小[32]。土壤水鹽對(duì)4 個(gè)參數(shù)的敏感度指數(shù)均小于1，說明其影響較小。

表3 土壤水鹽敏感度指數(shù)Tab.3 Soil water and salt sensitivity index

2.3 土壤水鹽空間變異分析

2.3.1 土壤含水量空間變異分析

由于灌水結(jié)束時(shí)0～60 cm 深度θ處于飽和狀態(tài)，故僅對(duì)灌后重分布48 h 土壤水分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(見表4)。重分布48 h，耕作層θ均值隨犁底層容重增加而增加(p＜0.05)；犁底層θ均值雖然逐漸降低，但其Se分別為79.61%、80.65%、83.05%和87.02%，隨犁底層容重增加而增加(p＜0.05)；S2～S4 底土層θ均值隨犁底層容重增加而降低(p＜0.05)，故犁底層不僅對(duì)本土層土壤水分重分布產(chǎn)生重要影響，而且會(huì)產(chǎn)生異位影響。各情景θ變異系數(shù)隨土壤深度增加而增大；S4各土層變異系數(shù)最低(S3 和S4 耕作層均為0)，S1 各土層變異系數(shù)最大，故犁底層容重的增加可以降低本層及相鄰?fù)翆应鹊目臻g變異程度。變異系數(shù)可以反映樣本的空間變異性，低于10%為弱變異，10%～100%為中度變異，大于100%為強(qiáng)變異[33]，各情景θ變異系數(shù)遠(yuǎn)小于10%，均為弱變異。

表4 模擬結(jié)束時(shí)土壤水分統(tǒng)計(jì)特征值 %Tab.4 Statistical characteristic value of soil moisture at the end of simulation

2.3.2 土壤水礦化度空間變異分析

表5 為灌水結(jié)束及重分布48 h 后土壤水礦化度統(tǒng)計(jì)特征值。隨犁底層容重增大，各土層土壤水礦化度最小值逐漸增大，而犁底層和底土層最大值逐漸減小。各情景土壤水礦化度均值表現(xiàn)為：耕作層＞犁底層＞底土層，耕作層土壤水礦化度均值隨犁底層容重增加而增加，S2～S4 和S1 的差異均達(dá)顯著水平(p＜0.05)。有研究發(fā)現(xiàn)，上層土壤鹽分與下層土壤容重正相關(guān)[14]，這與本研究中犁底層對(duì)耕作層土壤水礦化度的影響結(jié)果一致；但層狀土壤中的黏土夾層在抑制表土積鹽的同時(shí)會(huì)增加本土層含鹽量[9]，而本研究中犁底層的土壤水礦化度卻低于均質(zhì)條件相同位置，可能原因是土質(zhì)不同及本研究未考慮蒸發(fā)和地下水的影響。灌水結(jié)束時(shí)，S1 土壤水礦化度變異系數(shù)隨土層深度增加而增加，但其余情景犁底層位置最低，且各土層土壤水礦化度變異系數(shù)隨犁底層容重增加而降低；S4 耕作層、犁底層和底土層土壤水礦化度變異系數(shù)分別是S1 相同土層的61.92%、35.05%和35.51%，因此，犁底層能夠顯著降低土壤鹽分的空間異質(zhì)性。重分布48 h，各情景各土層土壤水礦化度最小值、最大值、均值有不同程度的增長(zhǎng)或不變，且增長(zhǎng)量隨土層深度增加而增加；S2～S4 和S1 耕作層土壤水礦化度均值差異仍達(dá)到顯著水平(p＜0.05)；各情景各土層土壤水礦化度變異系數(shù)較灌水結(jié)束時(shí)均有所降低，但降低幅度隨犁底層容重增大而減小。

表5 灌水結(jié)束時(shí)(模擬灌水時(shí)長(zhǎng)15 h)及重分布48 h后(模擬時(shí)長(zhǎng)63 h)土壤水礦化度統(tǒng)計(jì)特征值 g/LTab.5 Statistical characteristic values of soil water salinity after irrigation and 48 hours'redistribution

2.4 犁底層容重對(duì)排水排鹽的影響

4 種情景模擬結(jié)束時(shí)累積排水排鹽量見表6。S4 累積排水排鹽量最大，其次是S3，而S1 最小；灌水結(jié)束時(shí)，犁底層容重越大，透過犁底層到達(dá)底土層的水量越大（見圖3），底土層排出的水量越多，但犁底層上部土層的下滲水量越少。在本研究的特定情境下，受犁底層的影響，多透過犁底層的水量大于犁底層導(dǎo)致的上部土層減滲的水量，且其影響隨容重增加而變大，故犁底層容重越大，模型底部累積排水排鹽量越大(p＜0.05)。S1 和S4 累積排水量差為32.157 cm3/cm，遠(yuǎn)小于模擬結(jié)束時(shí)犁底層容重對(duì)本土層產(chǎn)生的水量差異（124.2 cm3/cm，犁底層面積×模擬結(jié)束時(shí)兩情景犁底層位置θ之差），各情景排水礦化度隨犁底層容重增加而增大，但遠(yuǎn)小于滴灌用水礦化度。

表6 各情景模擬結(jié)束時(shí)排水排鹽量Tab.6 Drainage and salt discharge at the end of simulation

通過將礦化度作為溶質(zhì)示蹤劑，發(fā)現(xiàn)排水中新水所占比例很小(見表7)，且該比例隨犁底層容重增大而略有增加。有學(xué)者通過同位素技術(shù)和溶質(zhì)示蹤劑揭示降雨前儲(chǔ)存在土壤中的老水是降雨徑流的主要來源，而雨水主要起驅(qū)遣老水的作用[34]。基于本研究的模擬域及灌溉情景，灌溉水會(huì)驅(qū)使背景礦化度較低的土壤水排出，而礦化度較高的灌溉水會(huì)滯留在土壤中；故對(duì)于不受鹽堿化影響或鹽堿化程度較輕的農(nóng)田，使用礦化度較低的微咸水進(jìn)行灌溉仍會(huì)加重土壤鹽堿化程度。

表7 排水來源百分比 %Tab.7 Percentage of drainage water

3 結(jié)論

本文通過Hydrus-2D軟件模擬犁底層容重對(duì)微咸水膜下滴灌土壤水鹽變化、統(tǒng)計(jì)特征值及排水排鹽的影響，得出以下主要結(jié)論。

（1）在相同土質(zhì)和滴灌條件下，犁底層容重越大，耕作層土壤水流橫向滲流擴(kuò)展能力越強(qiáng)，土壤水分下滲速度越慢，底土層含水量變化所需時(shí)間越長(zhǎng)。犁底層對(duì)濕潤(rùn)鋒垂直推進(jìn)距離的影響表現(xiàn)為先抑制后促進(jìn)，而水平方向一直為促進(jìn)。犁底層顯著影響土壤水礦化度空間分布，該層容重越大，滴頭下方土壤水礦化度越小，2滴頭中間越大。模擬結(jié)束時(shí)累積排水排鹽量隨犁底層容重增大而增大(p＜0.05)。通過將礦化度作為溶質(zhì)示蹤劑發(fā)現(xiàn)，所排水量中灌溉水所占比例很小，且隨犁底層容重和累積排水量的增加而增加。

（2）灌水結(jié)束時(shí)，各情景土壤水礦化度均值隨土層深度增加而降低；均質(zhì)條件土壤水礦化度變異系數(shù)隨土層深度增加而增加，但其余情景犁底層最低，且各土層土壤水礦化度變異系數(shù)均隨犁底層容重增加而降低。重分布48 h，各情景土壤水礦化度變異系數(shù)較灌水結(jié)束時(shí)均有所降低，但降低幅度隨犁底層容重增大而減小。

（3）本研究?jī)H考慮了犁底層容重對(duì)微咸水膜下滴灌土壤水鹽運(yùn)移分布的影響，未考慮蒸發(fā)、地下水、植被與犁底層的耦合影響規(guī)律。應(yīng)用本文研究成果時(shí)，還需根據(jù)田間具體條件開展相關(guān)試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模型參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步率定，并在必要時(shí)完善模型結(jié)構(gòu)。