李顯溦 石建初 王 數(shù) 左 強(qiáng)

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 北京 100083； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 北京 100193)

新疆地下滴灌棉田一次性滴灌帶埋深數(shù)值模擬與分析

李顯溦1石建初2王 數(shù)2左 強(qiáng)2

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 北京 100083； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 北京 100193)

由于灌水頻率高、定額小，在新疆地區(qū)大面積應(yīng)用膜下滴灌進(jìn)行棉花種植時(shí)，常出現(xiàn)根系分布淺、植株易早衰等影響產(chǎn)量的問(wèn)題，灌水濕潤(rùn)區(qū)域相對(duì)較深的地下滴灌可能是解決上述問(wèn)題的方法之一。但因顧及機(jī)械耕作和多次使用，傳統(tǒng)地下滴灌帶通常埋深較大，致使苗期灌水及管理維護(hù)極其不便。隨著工藝水平提高和生產(chǎn)成本降低，地下滴灌生產(chǎn)實(shí)際中采用一次性滴灌帶已成為可能，本研究通過(guò)數(shù)值模擬方法來(lái)探討地下滴灌一次性滴灌帶的合理埋深問(wèn)題。為了驗(yàn)證所建立的數(shù)值模型和選用的土壤物理參數(shù)，首先在新疆瑪納斯地區(qū)開(kāi)展了地下滴灌田間試驗(yàn)，繼而采用HYDRUS-2D/3D軟件對(duì)該試驗(yàn)條件下的土壤水鹽動(dòng)態(tài)進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，模擬值與實(shí)測(cè)值之間整體吻合較好，其中土壤含水量分布的平均絕對(duì)誤差Me和均方根差Rm分別不高于0.034、0.040 cm3/cm3，相關(guān)系數(shù)R最小值為0.8，Nash效率系數(shù)Ns在0.34～0.62之間；含鹽量Me、Rm也分別不超過(guò)3.31、4.24 g/kg，R最小值為0.6，Ns在-0.06～0.38之間，相關(guān)模型和參數(shù)較為合理可靠。在此基礎(chǔ)上，對(duì)該地區(qū)不同滴灌帶埋深(分別設(shè)為5、15、30 cm)情景下灌水過(guò)程中的水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了進(jìn)一步模擬與分析，結(jié)果表明：不同埋深導(dǎo)致土壤淡化和積鹽區(qū)域分布不同，淡化區(qū)域主要集中在滴灌帶附近，在遠(yuǎn)離滴灌帶的濕潤(rùn)鋒邊緣出現(xiàn)積鹽；隨著滴灌帶埋深加大，土面蒸發(fā)損失逐漸降低，但對(duì)表層土壤供水能力也相應(yīng)減弱；綜合考慮回收利用、棉花苗期水分供應(yīng)、根區(qū)淡化脫鹽需求及單方水的淡化脫鹽效率等因素，當(dāng)?shù)氐叵碌喂嗝尢镆淮涡缘喂鄮Р灰寺裨O(shè)過(guò)深，建議布置在15 cm左右。

地下滴灌； 一次性滴灌帶； 合理埋深； 數(shù)值模擬； HYDRUS-2D/3D； 水鹽運(yùn)動(dòng)

引言

膜下滴灌技術(shù)具有增溫、保墑和淡化根區(qū)等特點(diǎn)，節(jié)水效率高且對(duì)鹽堿地適應(yīng)能力較強(qiáng)[1]，在降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、土壤鹽漬化危害嚴(yán)重的新疆地區(qū)得以快速發(fā)展[2]。隨著膜下滴灌技術(shù)推廣面積的不斷增加，一些在生產(chǎn)實(shí)際中普遍存在且亟待解決的問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)，如：春季低溫、降雨阻礙出苗、地膜殘留污染嚴(yán)重以及高頻率、低定額的地面滴灌造成棉花根系淺、抗性弱、易早衰等[3]。

地下滴灌是一種包括毛管在內(nèi)的各級(jí)輸水管道均處于地下的灌溉技術(shù)[4]，相對(duì)于地面灌溉來(lái)講，可直接輸送水分及養(yǎng)分至植物根區(qū)[5]，除具有較高的節(jié)水效率外，還可促進(jìn)根系下扎，增強(qiáng)棉花抗性[6-7]，因而可能是解決上述膜下滴灌所導(dǎo)致問(wèn)題的有效方式之一。我國(guó)新疆地區(qū)從20世紀(jì)末開(kāi)始推廣應(yīng)用地下滴灌技術(shù)，相關(guān)研究主要集中在比較地表滴灌與地下滴灌對(duì)作物生長(zhǎng)、土壤水鹽分布的影響[8-10]：地下供水可促進(jìn)棉花根系向深處生長(zhǎng)，形成較為發(fā)達(dá)的根系，作物生長(zhǎng)性狀較好[11-12]；與常規(guī)地面溝灌和膜下滴灌相比，地下滴灌可分別節(jié)水36.1%和4.2%，鈴數(shù)增多27.4%和9.2%，單株鈴數(shù)增多36.8%和4.4%，單鈴質(zhì)量增加9.2%和2.2%[13]。

為降低成本和避免農(nóng)機(jī)損壞，目前新疆棉田地下滴灌帶埋深多在35 cm左右[9]。盡管地下滴灌已呈現(xiàn)較高的節(jié)水效率和增產(chǎn)潛力，但大面積推廣應(yīng)用仍存在一定的困難，主要原因在于：地埋滴灌管容易被機(jī)械和植物根系破壞，檢修繁瑣；由于埋深較大，苗期灌水存在困難[14-15]；為降低成本，地埋滴灌帶常多年使用，滴頭可能會(huì)因?yàn)殡s質(zhì)淤積導(dǎo)致流量減小、均勻度降低，需要定期沖洗維護(hù)[16]等。事實(shí)上，隨著材料工藝水平的提高和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，逐漸降低的生產(chǎn)制造成本使滴灌帶的一次性使用已完全成為可能，采用一次性滴灌帶代替多年使用的滴灌管，或許能應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題。顯然，為便于回收利用，一次性滴灌帶的埋深不宜過(guò)大；為提高水分利用效率，其埋深也不宜過(guò)小。如何合理規(guī)劃一次性滴灌帶的埋深和布置模式仍有待進(jìn)一步研究。

由于土壤類(lèi)型及作物種類(lèi)不同，實(shí)踐中滴灌帶埋深從2 cm到70 cm，鋪設(shè)間距從25 cm到500 cm均有涉及[17]。做好地下滴灌系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的前提和關(guān)鍵是充分了解滴水過(guò)程中水分和鹽分的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，濕潤(rùn)區(qū)域大小和含水量分布、土壤淡化區(qū)域大小和分布都是設(shè)計(jì)滴灌帶埋深和間距等所需參考的重要指標(biāo)[6, 17]。用于了解滴灌過(guò)程中土壤水鹽運(yùn)動(dòng)和分布情況的方法眾多，數(shù)值模擬是其中最為準(zhǔn)確和可靠的手段之一[18-19]，相對(duì)于耗時(shí)費(fèi)力的田間試驗(yàn)，數(shù)值模擬可以根據(jù)需要任意調(diào)整埋深等設(shè)置參數(shù)進(jìn)行研究，從而選擇最優(yōu)方案，因而具有更高的效率，此外，數(shù)值模擬結(jié)果也可為田間試驗(yàn)的進(jìn)一步檢驗(yàn)驗(yàn)證提供合理可靠的依據(jù)。由美國(guó)國(guó)家鹽漬土實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的HYDRUS軟件是一款被廣泛用于模擬飽和-非飽和帶土壤水分、溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬軟件，其模擬準(zhǔn)確性較高[20]，并已獲得大量驗(yàn)證和諸多成功應(yīng)用[21]。國(guó)內(nèi)地下滴灌數(shù)值模擬大多是在室內(nèi)均質(zhì)土壤中采用點(diǎn)源試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，主要針對(duì)土壤質(zhì)地、滴頭流量和埋深等因素對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)的影響[22-24]，對(duì)土壤鹽分運(yùn)動(dòng)的研究相對(duì)較少。

本文擬建立地下滴灌條件下的土壤水鹽動(dòng)態(tài)模擬數(shù)值模型，采用HYDRUS-2D/3D軟件和田間試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)數(shù)值模型和土壤物理參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，分析滴灌帶埋深對(duì)剖面土壤水、鹽分布以及蒸發(fā)損失的影響等，為地下滴灌在新疆棉田中的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 田間試驗(yàn)

地下滴灌田間試驗(yàn)于2012年6—8月在新疆昌吉州瑪納斯縣包家店鎮(zhèn)一塊鹽堿荒地(44°18′N(xiāo)、86°22′E，海拔438 m)上進(jìn)行，主要目的在于檢驗(yàn)土壤水鹽運(yùn)移參數(shù)和所建立的數(shù)值模型。試驗(yàn)地處于古爾班通古特沙漠南緣，降水少、蒸發(fā)大，地下水埋藏較深(4 m以下)。試驗(yàn)小區(qū)0～100 cm土壤共分兩層：0～40 cm為粉壤土，40～100 cm為粉土，質(zhì)地逐漸加重，導(dǎo)水性能逐漸降低，相關(guān)土壤物理參數(shù)如表1所示，具體測(cè)定方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[25]。土壤中可溶鹽以硫酸鹽為主，含鹽量極高，達(dá)到鹽土水平(大于20 g/kg)。

表1 土壤物理參數(shù)Tab.1 Soil texture and hydraulic parameters

注:β、n均為van Genuchten水分特征曲線擬合參數(shù)，利用Rosetta Lite 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模塊推算得出[26]。

選用當(dāng)?shù)啬は碌喂嗝尢锍Ｓ玫囊淮涡悦詫m式滴灌帶為供試材料，滴頭間距30 cm，壁厚0.2 mm，充滿水時(shí)管徑1.6 cm，每年回收重新加工次年再用，不需要檢修和沖洗等管理維護(hù)，價(jià)格較為便宜(約0.20元/m)。將3根長(zhǎng)500 cm的滴灌帶埋入地下20 cm處，水平間距為50 cm。取當(dāng)?shù)厍?電導(dǎo)率為0.19 mS/cm)作為灌溉水源，供水水頭100 cm，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)36 h。試驗(yàn)前、后(共2次)分別在兩條滴灌帶之間，水平方向上距滴灌帶所在位置(圖1中A點(diǎn))10、20 cm處(圖1中P、Q點(diǎn))的剖面上分層(每10 cm一層)采集土樣，然后采用烘干法和電導(dǎo)率法分別測(cè)定相應(yīng)土層的含水量和含鹽量，其中土壤含鹽量通過(guò)1∶5土水比溶解濾液電導(dǎo)率的測(cè)定換算獲得[27]。

2 數(shù)值模型

圖1 模型驗(yàn)證模擬區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic diagram of simulation area and generated finite-element meshes

采用HYDRUS-2D/3D 軟件[26]求解上述地下滴灌試驗(yàn)過(guò)程中的土壤水、鹽運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，其中水分、鹽分運(yùn)動(dòng)分別采用Richards方程和對(duì)流-彌散方程(CDE)予以描述。模擬初始條件設(shè)定為試驗(yàn)前實(shí)測(cè)獲得的土壤剖面平均含水量分布θ0(x,z)(圖2)和平均含鹽量分布S0(x,z)(圖3)。

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，滴灌過(guò)程中水鹽運(yùn)動(dòng)屬于三維問(wèn)題，但是由于滴頭間距較小(30 cm)，從滴頭流出的水分較易沿著滴灌帶外壁運(yùn)動(dòng)，滴頭與滴頭之間的濕潤(rùn)鋒會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)相遇[28]，所以當(dāng)灌水一定時(shí)間后可將滴灌帶看作線源，滴灌帶兩側(cè)的土壤水分、鹽分運(yùn)動(dòng)可視為以滴灌帶為對(duì)稱(chēng)軸的垂直剖面二維運(yùn)動(dòng)[1,20]。模型驗(yàn)證時(shí)，根據(jù)對(duì)稱(chēng)原則，取單根滴灌帶控制區(qū)域的一半作為研究區(qū)域(圖1ABCDEFGA區(qū)域)。模擬寬度Lx=25 cm，深度Lz=100 cm，弧線BCD代表滴灌管，半徑0.8 cm，埋深H=20 cm。采用三角形單元對(duì)模擬區(qū)域進(jìn)行剖分，節(jié)點(diǎn)之間最小距離為0.1 cm，最大為2.6 cm，滴灌管周?chē)}動(dòng)態(tài)變化較大，因而設(shè)置節(jié)點(diǎn)較為密集，遠(yuǎn)離滴灌管區(qū)域節(jié)點(diǎn)間距相對(duì)較大，經(jīng)剖分后，共形成1 216個(gè)節(jié)點(diǎn)、2 301個(gè)單元。

上邊界(圖1中AG段)為蒸發(fā)邊界，09:00—21:00潛在蒸發(fā)強(qiáng)度按當(dāng)?shù)厮嬲舭l(fā)強(qiáng)度取為0.027 cm/h，21:00—次日09:00取為0[25]。滴灌帶外周(圖1圓弧BCD段)為定通量邊界，由于灌溉水含鹽量相對(duì)于土體含鹽量來(lái)說(shuō)非常小，因此忽略其帶入鹽分的影響；根據(jù)地下滴灌持續(xù)時(shí)間、灌水量和滴灌帶滴頭數(shù)量等計(jì)算，通過(guò)滴灌帶外周邊界的通量設(shè)定為1.29 cm/h。由于地下水埋深較大，忽略其對(duì)模擬區(qū)域水鹽運(yùn)動(dòng)的影響，將下邊界(圖1中EF段)設(shè)為自由排水邊界。根據(jù)對(duì)稱(chēng)原理，左、右邊界(包括圖1中AB、DE和FG段)均為隔水邊界(零通量邊界)。模擬時(shí)長(zhǎng)與試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間相同，為36 h。

為了驗(yàn)證所建模型和所取得的土壤物理參數(shù)，采用平均絕對(duì)誤差Me、均方根誤差Rm[29]、相關(guān)系數(shù)R和Nash效率系數(shù)Ns[30]對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，其中前幾項(xiàng)為常用評(píng)估參數(shù)，而Ns使用相對(duì)較少，其計(jì)算公式為

效率系數(shù)Ns在負(fù)無(wú)窮至1之間，越接近于1表示模擬效果越好，接近于0則表示模擬結(jié)果接近觀測(cè)值的平均值，總體結(jié)果相對(duì)較為一致。

3 情景設(shè)置

鹽堿棉田中使用地下滴灌時(shí)，滴頭間距與流量、毛管間距和埋深等眾多參數(shù)均對(duì)土壤水鹽分布產(chǎn)生較大影響，并最終影響根系生長(zhǎng)、生物量累積和棉花產(chǎn)量。合理灌溉模式和參數(shù)的選擇需基于不同布置方式下地下滴灌過(guò)程中水、鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析結(jié)果，因此，有必要設(shè)置不同布置情景，并對(duì)不同條件下滴灌帶濕潤(rùn)范圍、脫鹽效果和水分利用效率等進(jìn)行分析討論，從而篩選出科學(xué)合理的布置方案。鑒于本研究的主要目的在于探索一次性滴灌帶在新疆地下滴灌棉田中的合理埋深，因此數(shù)值模擬情景將主要針對(duì)不同埋深設(shè)置，其他各主要參數(shù)(如滴頭間距與流量、毛管間距等)則參照實(shí)際應(yīng)用和以往的研究成果取為固定值，具體如下：為了滿足棉花在苗期的用水需求且實(shí)現(xiàn)滴灌帶回收利用，減小施工難度和成本，滴灌帶埋設(shè)深度(H)不宜過(guò)大。因此，本研究共設(shè)置3個(gè)處理：5、15、30 cm。

主要受土壤水分分布的影響，地下滴灌條件下棉花根系分布通常較膜下滴灌深。如滴灌帶埋深為35 cm時(shí)，根系主要分布在15～50 cm，并在15 cm(苗期形成)和30 cm(鈴期形成)有2個(gè)明顯的根系集中層[11]。因此，綜合考慮植株生長(zhǎng)不同時(shí)期根系吸水需求，模擬過(guò)程中，將0～40 cm土層設(shè)定為計(jì)劃濕潤(rùn)層，當(dāng)計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤平均含水量達(dá)到田間持水量(0.36 cm3/cm3)時(shí)即停止供水，繼而分析比較不同處理剖面土壤含水量和含鹽量的分布情況。初始條件仍按田間試驗(yàn)實(shí)測(cè)獲得的初始含水量、含鹽量分布(圖2、圖3)給定。

其他參數(shù)包括：毛管鋪設(shè)間距主要取決于當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、土壤質(zhì)地、作物種植模式等，較小的毛管間距有助于灌溉水分的均勻分布，但間距太小會(huì)使投資增加[31]。參照新疆近年來(lái)主要推薦的超寬膜膜下滴灌棉花種植方式常設(shè)的滴灌帶間距[32]，本研究將毛管間距固定設(shè)為70 cm，根據(jù)對(duì)稱(chēng)原理，取單條滴灌帶控制區(qū)域的一半(35 cm×100 cm)作為研究區(qū)域(即圖1中的AG長(zhǎng)度為35 cm，AE長(zhǎng)度為100 cm)，邊界條件設(shè)置與上述第2節(jié)數(shù)值模型相同。另外，模擬過(guò)程中，根據(jù)當(dāng)?shù)匾淮涡缘喂鄮?shí)際應(yīng)用情況[2]，將滴頭間距和流量分別設(shè)定為30 cm和1.0 L/h。為了便于計(jì)算，按100 cm長(zhǎng)度滴灌帶來(lái)分析模擬結(jié)果。鑒于地下滴灌通常可以避免鋪設(shè)薄膜，且灌溉過(guò)程也相對(duì)較為短暫，故模擬過(guò)程中暫不考慮作物根系吸水、覆膜及裸行等因素的影響，地表均統(tǒng)一設(shè)定為蒸發(fā)邊界。

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際和相關(guān)研究結(jié)果，共設(shè)置了以上3個(gè)處理情景，相對(duì)于傳統(tǒng)地下滴灌中滴灌帶布置深度(35 cm)，情景處理中5、15、30 cm的滴灌帶埋深相對(duì)較淺，田間布置施工要求降低，且滴灌帶布置間距具有配套的生產(chǎn)機(jī)械，進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)具有較強(qiáng)的可操作性。

4 結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果及模型、參數(shù)驗(yàn)證

地下滴灌田間試驗(yàn)中，滴灌帶埋深H=20 cm，供水持續(xù)36 h，耗水量為0.35 m3。試驗(yàn)前后，水平方向上距滴灌帶10 cm(圖1中P點(diǎn))和20 cm(圖1中Q點(diǎn))處剖面土壤含水量、含鹽量的實(shí)測(cè)分布情況分別如圖2、圖3所示。

圖2 初始含水量分布及灌水結(jié)束時(shí)水平方向距滴灌帶不同位置處含水量分布實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比Fig.2 Comparisons of measured and simulated soil water content distributions at different sampling sites

圖3 初始含鹽量分布及灌水結(jié)束時(shí)水平方向距滴灌帶不同位置處含鹽量分布實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比Fig.3 Comparisons of measured and simulated soil salinity distributions at different sampling sites

供水開(kāi)始后，水分經(jīng)滴灌帶和滴頭被源源不斷地送進(jìn)土壤，致使滴頭周?chē)寥篮恐饾u增加，濕潤(rùn)范圍不斷擴(kuò)大，距滴灌帶越近，含水量越高，滴頭處附近含水量增幅最大。受灌溉水分淋洗和蒸發(fā)作用等影響，距離滴灌帶較近的區(qū)域脫鹽(如圖3a中5～40 cm深度范圍內(nèi)土壤含鹽量明顯降低，其中15～35 cm脫鹽程度最大)，而濕潤(rùn)鋒邊緣和地表局部區(qū)域處于積鹽狀態(tài)(如圖3a中0～5 cm，及圖3b中15～45 cm深度處均積鹽)。

應(yīng)用上述模型、參數(shù)和軟件對(duì)地下滴灌試驗(yàn)中的水鹽動(dòng)態(tài)進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明：除個(gè)別點(diǎn)外，剖面土壤含水量分布模擬值和實(shí)測(cè)值總體吻合較好(圖2)，平均絕對(duì)誤差Me和均方根差Rm分別不大于0.034、0.040 cm3/cm3(表2)，相關(guān)系數(shù)R最小值為0.8，Nash效率系數(shù)Ns在0.34～0.62之間，在可接受范圍之內(nèi)；含鹽量分布結(jié)果也基本反映實(shí)測(cè)鹽分變化動(dòng)態(tài)(圖3)，相應(yīng)Me和Rm分別不大于3.31、4.24 g/kg(表2)，R最小值為0.6，Ns在-0.06～0.38之間，兩層土壤分層界面附近模擬值與實(shí)測(cè)值之間的較大誤差導(dǎo)致鹽分分布模擬效果稍差，但其他深度處的總體趨勢(shì)仍然基本一致。由于剖面土壤含鹽量整體較高(基本在20 g/kg以上)，這樣的數(shù)值模擬誤差也應(yīng)在可接受范圍之內(nèi)?？傮w而言，所建立的模型和選用的土壤物理參數(shù)是合理可靠的，可有效用于模擬當(dāng)?shù)氐叵碌喂噙^(guò)程中的水、鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律。當(dāng)然，如何提高不同質(zhì)地土壤分界面處水鹽動(dòng)態(tài)的模擬精度仍有待進(jìn)一步研究。

4.2 情景模擬

應(yīng)用以上經(jīng)校驗(yàn)的模型和參數(shù)，按照前述第3節(jié)所設(shè)置的情景(包含5、15、30 cm共3種埋深)進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)值模擬，以探討一次性滴灌帶的合理埋深問(wèn)題。

表2 數(shù)值模型和土壤物理參數(shù)驗(yàn)證情況Tab.2 Validation results of numerical model and soil physical parameters

4.2.1不同埋深對(duì)灌水量及水分損失的影響

模擬開(kāi)始后，水分從滴灌帶進(jìn)入周邊土壤，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后(表3)，3個(gè)處理計(jì)劃濕潤(rùn)層(0～40 cm)土壤平均含水量均從0.17 cm3/cm3上升到0.36 cm3/cm3(田間持水量)，相應(yīng)的灌水量、蒸發(fā)及深層滲漏損失量如表3所示。

表3 不同滴灌帶埋深條件下的供水時(shí)長(zhǎng)、灌水量、蒸發(fā)及滲漏損失量Tab.3 Duration of drip irrigation and corresponding amount of irrigation, evaporation and deep drainage under different treatments

注：蒸發(fā)、滲漏、綜合損失率分別指蒸發(fā)量、滲漏量、水分綜合損失量在灌水量中所占的比例。

滴灌帶埋深不同，使得計(jì)劃濕潤(rùn)層達(dá)到田間持水量所需灌水時(shí)長(zhǎng)和灌水量差異較大。15 cm滴灌帶靠近計(jì)劃濕潤(rùn)層中部位置，因此使計(jì)劃濕潤(rùn)層達(dá)到田間持水量所需供水時(shí)長(zhǎng)最短、灌水量最少，與5 cm和30 cm相比，15 cm供水時(shí)長(zhǎng)分別減少9 h和3 h，灌水量分別減少43%和20%。

3個(gè)處理的蒸發(fā)損失量分別為2.3、1.8、0.9 mm(表3)，顯然，加大H有助于減少土面蒸發(fā)損失。但H的加大將直接導(dǎo)致深層滲漏量的增加，故30 cm處理深層滲漏量最大，損失率達(dá)18.6%，相比之下，5 cm和15 cm滲漏損失率僅有4.9%和5.1%，事實(shí)上，由于供水時(shí)間長(zhǎng)、灌水量大，盡管5 cm處理的滲漏損失率較15 cm處理略低，但其深層滲漏損失量卻大大高于15 cm。總體而言，與15 cm相比，5 cm和30 cm處理?yè)p失水量較多，蒸發(fā)和滲漏量之和分別增加53%和202%。

4.2.2不同埋深對(duì)土壤水鹽分布和淡化脫鹽效果的影響

不同H處理灌水結(jié)束時(shí)剖面土壤含水量分布情況如圖4所示，從圖中可以看出，滴灌帶附近含水量最高，距離滴灌帶越遠(yuǎn)含水量越低。隨埋深加大，運(yùn)動(dòng)到土壤表層的水分相對(duì)減少，水分向下運(yùn)動(dòng)深度也逐漸加大。5 cm處理和15 cm處理向上運(yùn)動(dòng)的水分均達(dá)到土壤表面，但5 cm處理在土壤表面濕潤(rùn)寬度較15 cm處理大；30 cm處理有相當(dāng)一部分水分運(yùn)動(dòng)到計(jì)劃濕潤(rùn)層以下，造成較大滲漏損失。另外，隨著H加大，水平方向上最大濕潤(rùn)寬度所在位置逐漸下移，其中30 cm處理表現(xiàn)最為明顯，受土壤分層結(jié)構(gòu)影響，下層土壤導(dǎo)水性能較上層土壤差，濕潤(rùn)鋒到達(dá)土壤分層界面后，向下運(yùn)動(dòng)速度減緩，水平方向上運(yùn)動(dòng)得以加強(qiáng)。

相應(yīng)地，灌水結(jié)束時(shí)滴灌帶不同埋深處理土壤剖面含鹽量分布情況如圖5所示。滴灌帶附近的土壤脫鹽淡化，而濕潤(rùn)鋒處積鹽，滴灌帶埋深不同導(dǎo)致土壤淡化和積鹽區(qū)域分布不同。隨埋深加大，土壤淡化區(qū)域逐漸下移，5 cm處理主要在滴灌帶附近的土壤表面形成脫鹽區(qū)域；15 cm和30 cm處理土壤表面基本處于淡化區(qū)之外，因而含鹽量有不同程度的增加。相對(duì)來(lái)看，15 cm處理淡化區(qū)域集中分布在計(jì)劃濕潤(rùn)層，有利于根系生長(zhǎng)。

圖4 不同滴灌帶埋深(H)灌水結(jié)束時(shí)土壤剖面含水量分布情況Fig.4 Simulated distributions of soil water contentat end of simulation for different treatments

圖5 不同滴灌帶埋深(H)處理灌水結(jié)束時(shí)土壤剖面含鹽量分布情況Fig.5 Simulated distributions of soil salinity at end of simulation for different treatments

從濕潤(rùn)層整體含鹽水平和淡化脫鹽效果看，灌水前各處理土壤鹽分分布一致，計(jì)劃濕潤(rùn)層平均含鹽量為25.4 g/kg，灌水結(jié)束時(shí)各處理分別為24.1、25.4、22.9 g/kg。整體來(lái)看，15 cm處理的供水基本以濕潤(rùn)土壤、增加計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤含水量為主，而5 cm和30 cm處理由于供水時(shí)間較長(zhǎng)、供水量較多，其深層滲漏量較大，從而對(duì)計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤產(chǎn)生了一定的淋洗作用，其中30 cm處理的淋洗最強(qiáng)，因此15 cm處理整體含鹽量基本保持不變，5 cm處理出現(xiàn)小幅下降、30 cm處理則下降明顯。與初始含鹽量相比，各處理計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)土壤剖面淡化脫鹽面積占比分別為34.7%、27.8%、33.3%，就單位長(zhǎng)度(100 cm)滴灌帶而言，其單方水的淡化脫鹽效率(即淡化脫鹽區(qū)域體積占灌水量的比例)分別為1.39、1.95、1.87 m3/m3。由此可見(jiàn)，由于灌水量相對(duì)較小，且水鹽運(yùn)動(dòng)主要集中在計(jì)劃濕潤(rùn)層，盡管15 cm處理淡化脫鹽面積較小，但其單方水的脫鹽效率卻最高；而較大的蒸發(fā)損失以及灌溉水分運(yùn)動(dòng)深度較淺，使得5 cm處理單方水的淡化脫鹽效率最低。

5 討論

應(yīng)用一次性滴灌帶的地下滴灌技術(shù)具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)：①地下滴灌可有效解決膜下滴灌所導(dǎo)致的棉花根系淺、抗性弱、易早衰等問(wèn)題，而一次性滴灌帶的采用則可充分保證苗期水分供應(yīng)，并避免繁瑣的設(shè)備維護(hù)和檢修；合理的滴灌帶埋深可減小地表濕潤(rùn)面積和蒸發(fā)損失，并進(jìn)而抑制雜草生長(zhǎng)[31]。②可避免塑料薄膜的大規(guī)模應(yīng)用，從而減少對(duì)田間土壤和周邊環(huán)境的白色污染[3]。③地下滴灌條件下相對(duì)干燥的地面還有利于降低病蟲(chóng)害發(fā)生概率[33]，且便于機(jī)械行進(jìn)、提高田間管理效率。④目前新疆地下滴灌棉田中的滴灌帶埋深較大、多年使用，埋設(shè)位置往往無(wú)法與植株種植模式完全匹配，滴灌帶上方可能是植株行，也可能是膜間空白區(qū)域，從而使灌溉效率無(wú)法得到可靠保障；而淺埋一次性滴灌帶可在播種時(shí)將滴灌帶準(zhǔn)確地布設(shè)在植株行中間，既能保證“一管兩行”的布置模式，獲得較好的灌溉均勻性，還能有效避免根系入侵對(duì)滴灌帶的影響。

較高的土壤含鹽量會(huì)對(duì)根系水分/養(yǎng)分吸收產(chǎn)生不利影響，無(wú)論是地面還是地下滴灌都僅能在滴灌帶附近形成一定程度的淡化區(qū)域，保持短期內(nèi)尚不至于對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生較大影響，但鹽分并沒(méi)有被排除農(nóng)田之外，從可持續(xù)發(fā)展角度看，長(zhǎng)期滴灌條件下如何保證根區(qū)處于脫鹽狀態(tài)仍有待進(jìn)一步深入研究。

6 結(jié)論

(1)地下滴灌田間試驗(yàn)結(jié)果表明，本文所建立的數(shù)值模型和取得的土壤物理參數(shù)可較好地用于模擬地下滴灌條件下的土壤水鹽動(dòng)態(tài)，控制土壤含水量分布模擬值和實(shí)測(cè)值間的平均絕對(duì)誤差Me≤0.034 cm3/cm3、均方根差Rm≤0.040 cm3/cm3、相關(guān)系數(shù)R≥0.8、Nash效率系數(shù)Ns在0.34～0.62之間；含鹽量Me≤3.31 g/kg、Rm≤4.24 g/kg、R≥0.6、Ns在-0.06～0.38之間，除土壤分層界面上下模擬效果稍差外，其他位置整體趨勢(shì)基本一致。

(2)利用上述經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的數(shù)值模型和土壤物理參數(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)啬は碌喂嗝尢锍Ｒ?guī)種植模式，以灌水至根系層平均含水量達(dá)田間持水量為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步對(duì)3種不同滴灌帶埋深(5、15、30 cm)條件下灌水過(guò)程中的水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析，模擬結(jié)果表明：隨滴灌帶埋深加大，地表蒸發(fā)損失減小，但深層滲漏損失相對(duì)增加；淡化區(qū)域主要集中在滴灌帶附近，在遠(yuǎn)離滴灌帶的濕潤(rùn)鋒邊緣出現(xiàn)積鹽；不同埋深導(dǎo)致土壤淡化和積鹽區(qū)域分布不同，15 cm處理淡化區(qū)域集中分布在計(jì)劃濕潤(rùn)層，有利于根系生長(zhǎng)，盡管其淡化脫鹽區(qū)域面積相對(duì)較小，但由于耗水量較低，其單方水脫鹽效率最高，達(dá)1.95 m3/m3?？傮w而言，考慮到回收方便、苗期用水及根區(qū)脫鹽等需求，當(dāng)?shù)氐叵碌喂嗝尢镆淮涡缘喂鄮裆钜?5 cm左右為宜。

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NumericalSimulationandAnalysisonDepthofDisposableTapeinCottonFieldunderSubsurfaceDripIrrigationinXinjiang,China

LI Xianwei1SHI Jianchu2WANG Shu2ZUO Qiang2

(1.CollegeofWaterResourcesandCivilEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China2.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China)

The technology of film mulched drip irrigation (FMDI) is applied widely to cotton cultivation in Xinjiang, China. Resulted from its characteristics of high ratio and small amount of irrigation, a problem of shallow roots and weak adversity resistance is often found in practice and thus would limit further development of FMDI. Since the irrigation water is supplied deeper in the root zone, the subsurface drip irrigation (SDI) is easily to be considered as an alternative to solve the problem. To avoid probable damage from mechanical farming and prolong the application duration, the irrigation tape in a traditional SDI system is usually buried in deeper root zone (e.g. beneath 35 cm from the soil surface), which might be extremely inconvenient for seedling irrigation and management maintenance of the irrigation system. In fact, with the technological progress and cost reduction for manufacturing the irrigation tape, the practical use of disposable drip irrigation tape is becoming more and more popular. The objective was to explore the reasonable depth of disposable drip irrigation tape in SDI by using numerical simulation method. The HYDRUS-2D/3D software was used to simulate the dynamics of soil water and salt, and a field experiment was conducted in Manasi County of Xinjiang autonomous region to validate the numerical model and selected hydraulic parameters. Simulated and observed soil water content distributions were in good agreement with the maximum mean absolute error (Me) and root mean square error (Rm) of 0.034 cm3/cm3and 0.040 cm3/cm3, the minimum correlation coefficient (R) of 0.8 and Nash-Sutcliffe efficiency coefficient (Ns) of 0.34～0.62, respectively, between them. Correspondingly for soil salinity distributions, the values of maximumMeandRmwere 3.31 g/kg and 4.24 g/kg, the minimumRwas 0.6 andNswere -0.06～0.38, respectively, which was also in acceptable range. Then the transport processes of soil water and salt under SDI with different burying depthsH(5 cm, 15 cm and 30 cm, respectively) for irrigation tape were simulated by using the validated numerical model and hydraulic parameters. The results showed that salt was gradually driven away from the tape by irrigation water, with soil salinity decreased around the tape but increased near the wetting front. While the increase ofHresulted in decrease of evaporation loss, the shallow soil layers near surface would be more and more difficult to be wetted by irrigation water. Synthesizing the factors such as recycling convenience of disposable tape, water requirement for cotton seedling, desalination demand of root zone and water use efficiency for desalination, local disposable tape of SDI was recommended to set at about 15 cm, a moderate depth from the soil surface.

subsurface drip irrigation; disposable drip irrigation tape; reasonable depth; numerical simulation; HYDRUS-2D/3D; water and salt dynamics

S275.4

A

1000-1298(2017)09-0191-08

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.024

2017-05-05

2017-07-14

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0501401、2016YFD02003003)

李顯溦(1986—)，男，博士生，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究，E-mail: lxwei5945@163.com

左強(qiáng)(1965—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤物理與節(jié)水農(nóng)業(yè)機(jī)理研究，E-mail: qiangzuo@cau.edu.cn