李 惠，梁 杏，2，劉延鋒

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院濕地演化與生態(tài)恢復(fù)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074)

新疆地處西北內(nèi)陸盆地干旱地區(qū)，水資源短缺問題是制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)年用水量占自治區(qū)總用水量的97.3%[1]，其中99% 用于農(nóng)田灌溉[2]。農(nóng)業(yè)用水比例在逐年增加，但由于傳統(tǒng)灌溉方式的不合理性，造成新疆農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)僅為0.48，低于全國灌溉水利用系數(shù) 0.51，提升空間較大[3]。在農(nóng)田土壤-植被-大氣連續(xù)體(簡稱SPAC系統(tǒng))中，作物生長所需的水分主要來源于大氣降水和灌溉水，水分消耗量包括土壤蒸發(fā)、作物蒸騰以及深層滲漏等，其中只有作物蒸騰量為田間水分的有效利用量。提高農(nóng)田灌溉水有效利用率即要增加作物有效蒸騰量，減少土壤蒸發(fā)量及深層滲漏量[4]。因此，研究現(xiàn)行膜下滴灌方式下棉田SPAC 系統(tǒng)的水分通量，計算農(nóng)田灌溉水的利用效率，可為實施具體的農(nóng)業(yè)節(jié)水策略提供理論基礎(chǔ)。

膜下滴灌是近年來新疆棉花種植區(qū)廣泛實施的節(jié)水灌溉模式，覆膜改變了田間的上邊界條件，滴灌加劇了土壤水分的水平運動，致使田間土壤水鹽運移模式復(fù)雜[5～6]。為了定量研究膜下滴灌棉田中土壤水分運移過程及各邊界水分通量，通常在田間試驗和監(jiān)測的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建土壤水分運移模型進行模擬[7～12]。目前很多學(xué)者對膜下滴灌棉花根系生長及產(chǎn)量、水鹽運移規(guī)律及數(shù)值模擬、滴灌水資源利用效率以及優(yōu)化膜下滴灌制度等方面進行了針對性的研究并取得一系列成果[13～17]。不同的膜下滴灌種植方式產(chǎn)生的土壤水流系統(tǒng)模式不同，但是，目前針對一膜雙管六行種植方式下棉田的土壤水流系統(tǒng)模式及SPAC系統(tǒng)水分通量的研究較少。

本文在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團炮臺土壤改良試驗站棉花種植區(qū)田間試驗的基礎(chǔ)上，利用HYDRUS-2D軟件構(gòu)建二維膜下滴灌棉田土壤水分運移模型，模擬棉田土壤水分運移過程，定量評價一膜雙管六行種植方式下棉田SPAC系統(tǒng)的水分通量，確定農(nóng)田灌溉水的有效利用率，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

棉花試驗田設(shè)在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第八師炮臺鎮(zhèn)土壤改良試驗站內(nèi)。試驗站地處瑪納斯河中下游(圖1)，具有典型的內(nèi)陸性荒漠氣候，日照時間長，年均日照時長2 772 h，年均風速1.5 m/s。降水主要集中在6—9月，年降水量164.3 mm，蒸發(fā)量2 036.2 mm，年平均氣溫8.2 ℃[18]。試驗站實測地下水位埋深隨季節(jié)波動較小，地下水位埋深為3.48～3.74 m，地下水溶解性總固體為5.11 g/L，水化學(xué)類型為SO4·Cl—Na型。土壤質(zhì)地層次較明顯，依據(jù)實測土壤顆粒組成，采用美國制分類標準，分為壤質(zhì)砂土、粉砂質(zhì)黏土和粉砂質(zhì)黏壤土3種。研究區(qū)土地利用類型主要為耕地。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Location of the study area

2 材料來源與方法

2.1 試驗布置和監(jiān)測

試驗區(qū)棉花的種植布管模式采用一膜雙管六行的方式(圖2)，即一膜內(nèi)鋪設(shè)2根滴管，灌溉6行棉花。棉花窄行和寬行的行距分別為20 cm和40 cm，在寬行中間鋪設(shè)滴灌帶。滴灌帶間距60 cm，各滴頭間距30 cm。膜寬160 cm，膜間(未覆膜區(qū))寬40 cm。本次試驗?zāi)M從2016年7月1日—8月29日共計60 d。棉花生育期內(nèi)利用當?shù)氐叵滤M行膜下滴灌，共灌溉5次，間隔10～13 d。

為監(jiān)測棉花田間水分運移過程，在棉花試驗田膜內(nèi)、滴管下、膜間分別布設(shè)了3組時域反射儀(Trime-IPH，測量精度±2%)監(jiān)測土壤含水量的變化，監(jiān)測深度為0～180 cm，間隔10 cm，每4 d測定一次。同時選取棉花典型生育日期和灌水后連續(xù)7 d，用手動采樣鉆取0～220 cm深度土壤樣品，使用便攜式土壤水分儀(MP406，測量精度±2%)補充測試每層土壤體積含水率，深度為5 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、70 cm、90 cm、110 cm、130 cm、150 cm、180 cm、210 cm。利用自動氣象站觀測試驗區(qū)水文氣象數(shù)據(jù)，如降水量、溫度、濕度、風速等。試驗站設(shè)有地下水水位監(jiān)測井，利用Sonlist多參數(shù)儀逐日自動監(jiān)測地下水位、溫度和電導(dǎo)率。

圖2 棉花及滴灌帶布置圖Fig.2 Layout of the cotton and pipes for drip irrigation

2.2 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值模擬模型

采用膜下滴灌時，水分自滴頭處向四周運動，土壤水流為三維運動。本次研究中滴頭間距為30 cm，滴頭流量約為2 L/h，滴灌帶間距60 cm，長度可達幾十米，單次灌水時間均大于6 h。已有研究表明，膜下滴灌條件下，垂直滴灌帶方向土壤水流呈點源入滲，沿著滴灌帶方向近似呈線源入滲[19～20]。因此，可將膜下滴灌土壤水分運動視為與滴灌帶延伸方向垂直的剖面二維流動。本次模擬選擇垂直于滴灌帶方向的二維剖面，模擬區(qū)域?qū)挾葹橐荒?00 cm，深度為220 cm。

2.2.1控制性方程

(1) 土壤水運動方程

考慮根系吸水項的Richards二維非飽和水流控制方程[21]：

(1)

式中：θ——土壤體積含水率；

h——土壤負壓；

x,z——空間坐標，左下角為其原點；

t——時間；

S——根系吸水項；

K(θ)——非飽和水力傳導(dǎo)度。

K(θ)=KsSe0.5[1-(1-Se1/m)m]2

(2)

(3)

式中：θ——土壤含水率；

Ks——飽和土壤導(dǎo)水率；

Se——土壤相對飽和度；

θs——土壤飽和含水率；

θr——土壤殘余含水率；

m，n——土壤水分特征曲線模型系數(shù)。

(2)根系吸水模型

采用Feddes模型求解根系吸水項：

S(h)=α(h)β(x,z)Tp

(4)

式中：α(h)——水分脅迫函數(shù)；

β(x,z)——標準化根系吸水分布函數(shù)；

Tp——潛在蒸騰速率。

2.2.2初始條件和邊界條件

取7月1日實測土壤剖面含水率為模擬區(qū)域初始含水率。該典型剖面二維模型下邊界取自由排水邊界，不考慮地下水對模擬區(qū)的影響。生育期膜間為大氣邊界，接受降水入滲和土壤蒸發(fā)；滴頭處(2 cm直徑半圓)為變流量邊界，由實際灌水量表示；滴頭以外的覆膜區(qū)域為零流量邊界。由于模型的平面對稱性，側(cè)向邊界設(shè)為無流量邊界(圖3)。

圖3 模擬區(qū)域邊界條件及含水量監(jiān)測點示意圖Fig.3 Layout sketch of the simulation region boundary conditions and water content observation points

2.2.3數(shù)值模型與參數(shù)識別

采用滴灌試驗田間監(jiān)測資料識別模型參數(shù)。試驗時間為2016年7月1日—10日。利用土壤水分儀實測土壤剖面含水率。模擬初始值根據(jù)灌水前(7月1日)土壤剖面含水率插值獲得。邊界條件按天為單位輸入。

(1)土壤水力參數(shù)

采用van Genuchten模型確定土壤水力參數(shù)。典型土壤剖面垂向上分為壤質(zhì)砂土(0～60 cm)、粉砂質(zhì)黏土(60～110 cm)和粉砂質(zhì)黏壤土(110～220 cm)。根據(jù)測定的土壤顆粒組成及干容重，利用Rosetta軟件SSCBD模式預(yù)測初始水力參數(shù)。利用2016年7月1日—10日土壤含水率監(jiān)測值來率定土壤水力參數(shù)。通過均方根誤差(RMSE)[22]、平均相對誤差(MRE)[23]評價，率定后的土壤水力參數(shù)滿足模擬精度要求(表1)。

表1 土壤水力參數(shù)取值

(2)根系吸水參數(shù)

根據(jù)田間試驗情況并參考新疆地區(qū)前人研究成果[24]，確定根系吸水參數(shù)值(表2)。

表2 作物吸水參數(shù)

3 模型驗證與結(jié)果分析

3.1 模型驗證

為進一步驗證模型可靠性，利用2016年棉花生育期(7月11日—8月29日，計50d)土壤含水率進行模型驗證。通過20 cm、60 cm、100 cm及160 cm處實測土壤含水率值與模型模擬值的對比結(jié)果，采用相對誤差(RE)、均方根誤差(RMSE)和Nash-Sutcliffe效率系數(shù)(NSE)評價模型的模擬精度[25]。模擬結(jié)果及評價指標值見圖4。當NSE=1時，說明模擬值與實測值相等，NSE>0.5時為可接受的模擬值。經(jīng)計算，土壤剖面20 cm、60 cm、100 cm和160 cm處的模擬效率系數(shù)分別為0.794、0.724、0.785和0.922，效率系數(shù)均在0.7以上，表明模擬效果較好。相對誤差(RE)絕對值均小于5.43%，均方根誤差(RMSE)均小于0.040，表明模型的預(yù)測精度較高?？傮w而言，該模型對深層土壤含水率的模擬精度高于淺層土壤，主要是由于淺層土壤水分動態(tài)變化頻繁，變化幅度較大，并受溫度、參數(shù)非均質(zhì)性和優(yōu)先流等影響。

圖4 不同深度土層模擬結(jié)果及評價指標圖Fig.4 Simulation results of soil water content at different depths and evaluation index values

3.2 滴灌周期內(nèi)不同深度土層土壤含水率動態(tài)變化

基于建立的土壤水分運移模型分析滴灌周期內(nèi)土壤剖面20 cm、60 cm、100 cm及160 cm深度處土壤含水率的動態(tài)變化過程(圖5)。由圖5可以看出該模型模擬值與實測值隨時間動態(tài)變化過程較一致。從一個完整灌水周期看，不同深度(20 cm、60 cm、100 cm及160 cm)土層均對灌水有響應(yīng)，在灌溉補給時含水量迅速顯著增加，而后在蒸發(fā)與根系吸水作用下隨時間逐漸減小，至下次灌水前達到最低值。同一剖面各深度由淺至深，對灌溉的響應(yīng)逐漸滯后，20 cm處對滴灌響應(yīng)最快。四個不同深度土壤含水率變化趨勢總體相似，其中，100 cm及160 cm處土壤含水率波動情況明顯較淺土層20 cm及60 cm處平緩，主要是由于滴灌單次灌水量小，淺層土壤水受灌溉、根系吸水和膜間蒸發(fā)作用，存在水平和垂向運移，導(dǎo)致其變化幅度大；而深部土壤水分運動所受影響較小，土壤水分動態(tài)變化幅度小。

圖5 滴灌周期內(nèi)不同深度土壤水分動態(tài)Fig.5 Dynamic process of soil moisture at different depths during drip irrigation

3.3 灌水中土壤水勢分布特征

圖6為模擬期內(nèi)第1次灌水(7月18日)過程中垂直滴灌帶方向半膜寬度的土壤剖面水勢分布圖。土壤水勢梯度控制著土壤水分運動方向。在周期性滴灌條件下發(fā)育了一個發(fā)散型零通量曲面，其兩側(cè)土壤水流分別向上和向下流動。零通量曲面發(fā)育位置距地表50～70 cm。零通量曲面以上由于滴灌、蒸發(fā)和蒸騰作用，土壤水流形態(tài)較復(fù)雜。在灌溉過程中，滴頭處土壤水勢最大，距滴灌帶越遠處水勢越低。土壤水由水勢高處流向低處，因此，滴頭處土壤水流呈發(fā)散形態(tài)向著根系及膜間裸地方向運移。零通量曲面以下土壤水流向著地下水運動，表明土壤水向地下水產(chǎn)生入滲補給。灌水結(jié)束2 d后，實測土壤剖面含水率，結(jié)果顯示0～60 cm深度內(nèi)土壤含水率較低，這與該區(qū)域作物根系分布最大相對應(yīng)。根據(jù)灌水中土壤水勢分布及灌水后土壤剖面含水率分布狀況，可知灌水補給后在強烈蒸騰作用下，作物根系吸水范圍主要集中于0～60 cm土層。這也與基于氫氧穩(wěn)定同位素示蹤并利用多水源混合模型(IsoSource模型)計算的研究結(jié)果相一致[26]。

圖6 灌水中垂直滴灌帶方向剖面土壤水勢分布Fig.6 Soil water potential distribution of the vertical drip line profile during drip irrigation

3.4 土壤水資源均衡分析

根據(jù)膜下滴灌棉田的土壤水分運動模擬結(jié)果分析可得：土壤水補給來源為灌溉量和膜間的降雨入滲量。模擬區(qū)域水資源的消耗項為根系吸水量、土壤蒸發(fā)量及滲漏量。因此，模擬區(qū)域水資源均衡方程為：

ΔW=Win-Wout=P+I-E-T-Rs-Rg

(5)

式中：ΔW——模擬區(qū)域水資源的變化量；

Win——區(qū)域輸入總水量；

Wout——區(qū)域流出總水量；

P——降雨量；

I——灌溉量；

E、T——土壤蒸發(fā)和植株蒸騰量；

Rs——地表徑流；

Rg——土壤水與地下水交換量。

本次模擬不考慮地表徑流量，植株蒸騰量由根系吸水量表征，可將式(5)簡化為：

ΔW=P+I-E-R-Rg

(6)

式中：R——根系吸水量。

模擬期內(nèi)區(qū)域輸入及流出水量變化情況，見圖7。模擬期內(nèi)，降雨量較小，僅為26.2 mm。期間灌水4次，灌溉總量為185.3 mm，區(qū)內(nèi)累積輸入水量在灌溉當天明顯激增，整體呈現(xiàn)階梯狀增長趨勢。區(qū)內(nèi)累積流出水量大體呈線性增長，其中根系吸水累積量占71.0%，遠遠高于蒸發(fā)量及滲漏量。土壤水滲漏量在每次灌溉后有明顯的增加，并隨時間逐漸減小。在灌溉后的1～2 d達到最大滲漏強度，具有一定的時間滯后效應(yīng)。灌溉結(jié)束后的7 d左右，區(qū)內(nèi)土壤含水量不斷降低，滲漏量由負變正，地下水通過毛細作用上升補給土壤水。與滲漏量相比，這部分上升水量仍然較小。

灌溉條件下棉田根系吸水速率及蒸發(fā)速率逐日變化見圖8。根系日吸水量及日蒸發(fā)量動態(tài)變化幅度較大。前10 d(蕾期)根系吸水速率較低，平均2.50 mm/d；之后根系后吸水速率迅速上升，最大值為4.95 mm/d。38 d后再次下降，而土壤蒸發(fā)速率則在38 d后逐漸增加。這是由于棉花在生育前期階段，根系短淺稀疏，葉片發(fā)育較小，植株低矮，長勢較弱，生理需水量及根系吸水量也相對較小，故前10 d根系吸水速率較低；隨著作物的生長，在花鈴期葉面積指數(shù)迅速增大，根系分布范圍加深加寬，根系吸水量達到最大值。在吐絮期，植株葉片逐漸變黃，葉面積指數(shù)及生理需水量均逐漸減小，生育后期根系吸水量也減小，而土壤蒸發(fā)量相對增加。

圖7 模擬區(qū)域輸入水量和流出水量Fig.7 Accumulated water inflow and outflow in the simulation region

圖8 模擬區(qū)域土壤蒸發(fā)及根系吸水速率Fig.8 Rate of evaporation and root uptake in the simulation region

由表3可知，模擬期內(nèi)區(qū)域輸入水量為211.5 mm，其中灌溉量占87.6%，降雨量僅占12.4%。因此，灌溉是棉田主要水分輸入來源。區(qū)域累積出水量為222.3 mm，根系吸水量占流出水量的71.0%，土壤蒸發(fā)量及滲漏量分別占8.2%和20.8%。由此可看出，現(xiàn)行一膜雙管六行的滴灌方式能大大減少土壤無效蒸發(fā)量，區(qū)域70%的輸入水量均能被植物利用。土壤水累積滲漏量為46.2 mm，占降雨和灌溉總量的21.8%。整個模擬時段內(nèi)，土壤水分基本均衡，土壤水資源變化量為10.8 mm，表明模擬期內(nèi)輸出水量中消耗了土壤原有部分含水量。

在農(nóng)田SPAC系統(tǒng)中，土壤水滲漏量及蒸發(fā)量屬于無效耗損量，尤其灌溉后產(chǎn)生較大的滲漏，會導(dǎo)致灌溉水利用效率下降。不同灌溉制度下的土壤水滲漏量有所差別[27]。本次模擬結(jié)果顯示一膜雙管六行的滴灌模式下灌溉水的利用率可達85.2%。

表3 模擬區(qū)域土壤水資源均衡結(jié)果

4 結(jié)論

本文利用Hydrus-2D模型對新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團炮臺土壤改良試驗站膜下滴灌棉田的土壤水分運移進行數(shù)值模擬，估算了棉田土壤水分通量，主要得出了以下結(jié)論：

(1)模擬期內(nèi)，20 cm、60 cm、100 cm及160 cm處土壤含水率模擬精度較高，驗證后的模型能較好地反映滴灌周期內(nèi)土壤水分運移過程。不同深度土層均對灌水有響應(yīng)，在灌溉補給時含水率迅速增加，而后在蒸發(fā)與根系吸水作用下隨時間逐漸減小，至下次灌水前達到最低值。100 cm及160 cm處土壤含水率隨時間波動較平緩。

(2)通過模擬灌水(7月18日)過程中垂直滴灌帶方向半膜寬度的土壤剖面水勢分布，表明在周期性滴灌條件下距地表50～70 cm處發(fā)育有一發(fā)散型零通量曲面。在灌溉過程中，滴頭處土壤水勢最大，距滴灌帶越遠處水勢越低。在滴頭處土壤水流呈發(fā)散形態(tài)向著根系及膜間裸地方向運移。零通量曲面以下土壤水流向著地下水產(chǎn)生入滲補給。灌溉后作物根系吸水范圍主要集中在0～60 cm淺土層內(nèi)。

(3)利用驗證后的模型估算了模擬區(qū)域膜下滴灌棉田的土壤蒸發(fā)量、根系吸水量及土壤水滲漏量。在整個模擬期內(nèi)，灌溉量占模擬區(qū)輸入水量的87.6%，是主要的水分輸入來源。作物根系吸水量占模擬區(qū)域出水量的70%以上。覆膜后土壤蒸發(fā)量明顯減小，僅占出水量的8.2%。在棉花生育后期土壤蒸發(fā)速率相對增加。土壤水累積滲漏量為46.2 mm，占降雨和灌溉總量的21.8%，主要在每次灌溉后產(chǎn)生較大的滲漏。

(4)整個模擬期內(nèi)區(qū)域輸入總水量為211.5 mm，輸出總水量為222.3 mm，土壤水分變化量為10.8 mm。本次模擬中，灌溉水的利用率可達85.2%。表明現(xiàn)行的一膜雙管六行的棉田種植模式能有效的減少土壤蒸發(fā)量及滲漏量，提高灌溉水的利用率。

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