李鑫鑫，劉洪光，龔 萍，侯夢(mèng)杰

(石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000)

0 引 言

膜下滴灌技術(shù)將覆膜栽培技術(shù)與滴灌技術(shù)相結(jié)合，具有保溫保墑、節(jié)水節(jié)肥、增產(chǎn)抑鹽、減少深層滲漏的優(yōu)點(diǎn)[1-4]，廣泛應(yīng)用于西北干旱半干旱地區(qū)，至2017年已經(jīng)推廣應(yīng)用333 萬hm2，成為世界最大的滴灌應(yīng)用區(qū)域[5]。

隨著人工工資的普遍增加，棉花采摘成本大幅提升，為降低棉花管理成本，提高采摘效率和經(jīng)濟(jì)效益，機(jī)械化采摘成為必由之路。經(jīng)過大量生產(chǎn)實(shí)踐，在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)逐漸探索出了1膜2管6行，1膜3管6行，1膜3管5行等機(jī)采棉種植模式，替代以往的1膜1管2行，1膜1管4行，1膜2管4行模式，機(jī)械化采摘程度大幅提升。種植模式的創(chuàng)新帶來了優(yōu)勢(shì)，膜下土壤和膜間土壤中水分和鹽分的運(yùn)動(dòng)也因作物種植模式和滴頭布置的差別而發(fā)生改變，土壤水鹽平衡問題還需要進(jìn)一步研究[6, 7]。不同種植模式下土壤水分分布直接影響鹽分遷移，探明不同種植模式下土壤水分分布規(guī)律，將為滴灌棉田水鹽平衡問題的研究提供良好基礎(chǔ)。

對(duì)滴灌棉田土壤水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律有很多學(xué)者從灌溉制度，種植模式，數(shù)值模擬方面開展了研究。栗現(xiàn)文，黃曉敏等[8, 9]研究認(rèn)為適宜土壤含水率上、下限差值形成的灌溉制度決定土壤水鹽運(yùn)移分布及積累特征，土壤水鹽呈相反的分布規(guī)律，分別與距離滴灌帶的遠(yuǎn)近呈負(fù)、正相關(guān)。王一民等[10]研究得出滴施水分可將土壤中鹽分淋洗至濕潤(rùn)鋒邊緣，膜間積鹽現(xiàn)象明顯。楊昕馨等[11]研究得出種植模式影響土壤水分均勻度，1管2行優(yōu)于1管4行，灌水前后內(nèi)行與外行含水量差值小于1%，1管2行利于抑制鹽分對(duì)作物生長(zhǎng)的脅迫，寧松瑞等[12]認(rèn)為3管6行模式下根區(qū)土壤水鹽分布對(duì)棉花吸收利用水分最為有利。棉田土壤水鹽運(yùn)移的研究大多以大田試驗(yàn)實(shí)測(cè)為主，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，已有研究表明以Hydrus軟件建立的數(shù)值模型研究土壤水鹽運(yùn)動(dòng)問題，計(jì)算結(jié)果及預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均高度擬合，具有高參考價(jià)值，這為研究土壤水鹽運(yùn)動(dòng)問題開辟了新的思路[13-20]。本文以目前3種有代表性的種植模式為對(duì)象，控制灌溉制度，探明水分分布規(guī)律，同時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬，指導(dǎo)膜下滴灌的灌溉管理，也為Hydrus應(yīng)用于實(shí)際研究提供參考。

1 試驗(yàn)區(qū)概況與試驗(yàn)布置

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于石河子灌區(qū)，該灌區(qū)是瑪納斯河流域最大綠洲農(nóng)耕區(qū)，總面積1 326.15 km2，地處北疆準(zhǔn)噶爾盆地邊緣，古爾班通古特沙漠交匯處，是新疆天山北坡經(jīng)濟(jì)帶中心，地理位置為東經(jīng)84°43′～86°35′，北緯43°21′～45°20′。灌區(qū)農(nóng)田與山丘沙漠相間分布，土壤質(zhì)地以壤土為主，平均海拔為 300～500 m，氣候條件干燥，冬夏時(shí)長(zhǎng)，春秋時(shí)短，年均氣溫為7.5～8.2 ℃，日照2 318～2 732 h，無霜期147～191 d，年降水量為 180～270 mm，年蒸發(fā)量為1 000～1 500 mm[21]，干旱指數(shù)5.5，為典型內(nèi)陸干旱區(qū)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年4月在石河子灌區(qū)146團(tuán)選取1膜2管6行(Ⅰ)、1膜3管6行(Ⅱ)、1膜3管5行(Ⅲ)3塊不同種植模式的棉田，經(jīng)土壤顆粒分析，3塊棉田土壤類型均為黏質(zhì)壤土，種植模式見圖1，品種為創(chuàng)雜100號(hào)，株距為10 cm。滴灌帶采用新疆天業(yè)節(jié)水公司生產(chǎn)的單翼迷宮式滴灌帶，直徑16 mm，滴頭間距為30 cm。于4月29日灌出苗水，灌溉水源為當(dāng)?shù)氐叵滤晤^流量為2.6 L/h，控制3塊棉田灌水量均為1 275 m3/hm2。分別于4月27日(灌出苗水前2 d)和5月6日(灌出苗水后第7 d)對(duì)3塊棉田定點(diǎn)取樣，測(cè)定0～80 cm深度土層土壤含水率。1膜2管6行試驗(yàn)在水平方向設(shè)置了4個(gè)取土點(diǎn)(中間窄行、滴頭處、膜邊窄行、膜間)，1膜3管6行和1膜3管5行比1膜2管6行多鋪設(shè)一條滴灌帶，在40 cm間距滴灌帶間增設(shè)取土點(diǎn)，即試驗(yàn)在水平方向設(shè)置了5個(gè)取土點(diǎn)(寬間距滴管帶間、窄間距滴管帶間、滴頭處、窄行、膜間)；在每點(diǎn)垂直方向按照0～5、5～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～80 cm共計(jì)8個(gè)土層設(shè)置取土點(diǎn)，每個(gè)取土點(diǎn)設(shè)3個(gè)重復(fù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果以三次重復(fù)試驗(yàn)平均值進(jìn)行分析。

圖1 試驗(yàn)區(qū)棉田種植模式(單位：cm)

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤基本物理性質(zhì)

2 結(jié)果與分析

選擇作物生育期內(nèi)灌出苗水前2 d和灌后第7 d兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，分析比較不同種植模式土壤水分分布規(guī)律，結(jié)果見圖2。

圖2 不同種植模式灌水前后土壤含水率變化

1膜2管6行種植模式下，垂直方向上，灌水前0～80 cm土層內(nèi)，土壤含水率先增大后減小，20 cm深度土壤含水量最大，達(dá)到14%，因?yàn)檠芯繀^(qū)冬季降雪，春季融化，在播種前土壤有一定的儲(chǔ)水量，但是因入滲深度不大，同時(shí)由于春季蒸發(fā)影響，表層土壤水分蒸發(fā)較大，形成了灌頭水前的土壤水分分布特征。灌水7 d后，膜下部分的土壤水分分布呈現(xiàn)上層大，下層小，膜間部分先增大后減小，上層土壤含水量除膜間部分都在15%～20%之間。水平方向來看，灌水后，各取樣點(diǎn)平均含水率表現(xiàn)為，滴頭處(14.10%)>中間窄行(13.59%)>膜邊窄行(13.21%)>膜間(11.30%)，即離滴頭越近灌水后土壤含水率越高，同時(shí)膜間灌水前后土壤平均含水率變幅較小為2.30%，中間窄行，滴頭處，膜邊窄行變幅較大分別為3.62%，4.46%，3.50%。說明苗期棉花根系吸水對(duì)土壤含水量影響不大。

1膜3管6行種植模式下，垂直方向上，灌水前0～80 cm土層內(nèi)，土壤水分分布與1膜2管6行有所不同，土壤整體含水量分布均勻且平均含水量較大，可能是田間環(huán)境復(fù)雜，冬季降雪時(shí)風(fēng)速等因素影響了積雪分布，使此區(qū)域雪量較大，進(jìn)而影響田間的含水量和融水入滲深度。灌水7 d后，膜下部分的土壤水分分布呈現(xiàn)上層和下層大，中間土層小，膜間部分先增大后減小又增大，上層土壤含水量除膜間部分外都在20%～23%之間。具體來看每個(gè)取樣點(diǎn)的平均含水率為窄行(20.94%)>窄間距滴灌帶間(20.91%)>寬間距滴灌帶間(20.64%)>滴頭處(20.53%)>膜間(18.02%)，可以看出除膜外裸地外，膜內(nèi)的土壤含水率分布均勻。因?yàn)榇说貕K土壤的初始含水量較大，且棉花處于苗期，根系吸水對(duì)土壤含水量影響很小，所以在灌水后每個(gè)取樣點(diǎn)的平均含水率相對(duì)灌水前變幅較大。而膜外裸地部分因蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，在灌水7 d后土壤的平均含水率低于灌水前。

1膜3管5行種植模式下，垂直方向上，灌水前0～80 cm土層內(nèi)，土壤含水率呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，80 cm深度土壤含水量最大，達(dá)到17%。灌水7 d后，膜下部分的土壤含水量先減小后增大，上層下層土壤含水量在15%～20%之間，中間土層約30～40 cm深度土壤含水量最小，在15%～17%之間。膜外裸地部分土壤含水量呈遞增趨勢(shì)。水平方向上，灌水后靠近滴頭的位置土壤含水量偏大，具體表現(xiàn)為窄間距滴灌帶間(18.07%)>滴頭處(17.77%)>寬間距滴灌帶間(16.14%)>窄行(16.08%)>膜間(14.87%)，同樣因作物苗期根系吸水作用弱，且試驗(yàn)地初始含水量偏高，所以每個(gè)取樣點(diǎn)在灌水后平均含水率變幅都較大，其中膜外裸地部分因蒸發(fā)強(qiáng)烈，灌水7 d后土壤含水量低于灌前。

3 土壤水分運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬

Hydrus-2D用來模擬飽和-非飽和土壤水、熱、鹽運(yùn)移，該模型可靈活處理各類水流邊界，包括定水頭和變水頭邊界、給定流量邊界、滲水邊界、大氣邊界以及排水溝等(表2)。在此將研究對(duì)象簡(jiǎn)化為剖面二維飽和-非飽和水流運(yùn)移問題。用修改過的 Richards 方程[20]作為二維入滲水流控制方程，以描述土壤水分運(yùn)動(dòng)。

3.1 模擬結(jié)果

如表3、圖3模擬結(jié)果定性展示了3種種植模式的水分運(yùn)動(dòng)情況，灌水當(dāng)天，隨水分滴施，除膜間以外,3種種植模式0～50 cm土層內(nèi)，土壤含水率大，50～80 cm土層內(nèi)含水率逐漸下降。因模型邊界條件與實(shí)際大田環(huán)境相比更加理想，符合理論狀態(tài)下的均質(zhì)連續(xù)假設(shè)，所以土壤含水率變化呈現(xiàn)出均勻遞減的趨勢(shì)。灌水7 d后，1膜2管6行種植模式在20～30 cm土層內(nèi)土壤含水率存在峰值，40～80 cm土層內(nèi)土壤含水率隨土層深度增加而減小至60～80 cm土層范圍內(nèi)降至最低。1膜3管6行種植模式下，0～20 cm土層內(nèi)土壤含水率高，在20～30 cm處存在峰值，30～50 cm土層深度內(nèi)，土壤含水率略微下降，50～80 cm土層深度內(nèi)又有回升趨勢(shì)。1膜3管5行種植模式各取樣點(diǎn)不同土層含水率都有所上升，但整體維持在一個(gè)固定值左右。整體來看模擬結(jié)果，1膜3管6行與1膜3管5行水分均勻度都優(yōu)于1膜2管6行，但1膜3管6行與1膜3管5行相比，1膜3管6行膜間土壤水分小，說明該模式保持水分不流向膜間的能力較強(qiáng)，且同種布管方式與同樣覆膜寬度情況下，1膜3管6行比1膜3管5行多種植一行作物，經(jīng)濟(jì)效益也更好。3種種植模式模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比，趨于一致，具有較強(qiáng)相關(guān)性。為進(jìn)一步驗(yàn)證模型，重點(diǎn)分析了3種種植模式灌水7 d后滴頭處與膜間的實(shí)測(cè)值和模擬值相關(guān)性。

表2 水分模擬邊界條件設(shè)定表

表3 土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)

3.2 滴頭和膜間含水率模擬結(jié)果驗(yàn)證

誤差分析判斷標(biāo)準(zhǔn)是：均方根差RMSE越小,表明模擬結(jié)果越接近于實(shí)測(cè)值；相對(duì)平均絕對(duì)誤差RMAE的范圍在0～1之間,分別表示預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間“最優(yōu)”到“最差”的吻合；相關(guān)系數(shù)r的取值范圍在-1～1之間,相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越接近于1，表明預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值高度相關(guān),越接近于0，表明相關(guān)程度越弱(表4)。

表4 灌水7 d后土壤含水率實(shí)測(cè)值與模擬值誤差分析表

圖3 不同種植模式水分運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果

圖4 灌水7 d后土壤含水率實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比圖

4 討 論

綜合三種種植模式，灌水前0～80 cm土層內(nèi)，因?yàn)楦鞣N因素影響，冬季田間積雪分布不均勻，積雪融化時(shí)入滲深度也受之影響，所以3種種植模式在灌水前有不同的土壤水分分布特征，具體表現(xiàn)為1膜2管6行土壤含水量先增大后減小，1膜3管6行土壤含水量分布均勻，1膜3管5行含水量持續(xù)增大。灌水7 d后，3種種植模式土壤含水量都有所增加，均表現(xiàn)出離滴頭越近土壤含水量越高的趨勢(shì)，這與栗現(xiàn)文[8]等得出的結(jié)論相當(dāng)，膜下部分土壤在0～20 cm土層處有最大含水率，1膜2管6行，1膜3管5行在15%～20%之間，1膜3管6行在20%～25%之間。因作物苗期根系吸水作用弱，所以3種種植模式在灌水后土壤平均含水量變幅都較大，但是1膜3管6行和1膜3管5行的變幅又低于1膜2管6行，這是因?yàn)?膜3管6行和1膜3管5行的試驗(yàn)地土壤初始含水量較大造成的。膜外裸地部分在春季蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤水分蒸發(fā)損失很大，所以灌水7 d后土壤含水量低于灌前。楊昕馨[11]研究得出種植模式會(huì)影響土壤水分均勻度，1膜1管2行優(yōu)于1膜1管4行，本文中1膜3管6行種植模式在某種程度亦可以認(rèn)為是1管控制2行作物，從水分條件及保墑性來看，1膜3管6行種植模式和1膜2管6行，1膜3管5行種植模式相比，灌前土壤水分分布最均勻，灌后土壤水分變幅適中，與1膜3管5行相當(dāng)，保墑性好，這與寧松瑞[12]得出的1膜3管6行模式下根區(qū)土壤水分分布對(duì)棉花吸收利用水分最為有利的結(jié)論相同，再?gòu)慕?jīng)濟(jì)效益考慮，1膜3管6行與1膜3管5行覆膜寬度與布管方式相同的情況下，多種植一行作物將明顯提高經(jīng)濟(jì)效益，所以綜合考慮，選擇1膜3管6行種植模式對(duì)土壤保墑，提高產(chǎn)量，增加收益都有積極的影響。

滴頭處和膜間土壤含水率模擬值和實(shí)測(cè)值的變化規(guī)律一致，總體接近(圖4)?；⒛憽ね埋R爾白[18]研究得出土壤表層和深層的土壤含水率模擬值與實(shí)測(cè)值均存在不同程度的偏差，而中間層土壤含水率模擬值較接近實(shí)測(cè)值，本文中1膜2管6行滴頭處0～30 cm土層實(shí)測(cè)值小于模擬值，40～80 cm土層實(shí)測(cè)值大于模擬值，膜間0～80 cm土層實(shí)測(cè)值大都大于模擬值。1膜3管6行，1膜3管5行的滴頭處和膜間模擬結(jié)果表明，0～80 cm土層模擬值都稍大于實(shí)測(cè)值。和已有研究結(jié)論存在差異的原因是模型中的邊界條件設(shè)置，參數(shù)的選擇有不同，且與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況相比也存在差異，蒸發(fā)量亦存在一定誤差。不過總體來說，已有研究和本文在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，模擬環(huán)境都符合理論狀態(tài)下的均質(zhì)連續(xù)假設(shè)，土壤含水率的模擬值與實(shí)測(cè)值擬合度較好，誤差分析均在理想范圍內(nèi)，證明Hydrus-2D模型可以很好模擬滴灌棉田土壤水分在空間上的分布，能為膜下滴灌棉花機(jī)械化種植生產(chǎn)提供技術(shù)支持。但在模擬過程中土壤蒸發(fā)參數(shù)、土壤水分運(yùn)移參數(shù)的選取非常重要，如果能獲得更為精確的參數(shù)，考慮根系吸水等更多因素影響，模擬結(jié)果將會(huì)更加準(zhǔn)確。

5 結(jié) 論

(1)灌水后1膜3管6行土壤水分條件優(yōu)于1膜2管6行，1膜3管5行，保墑性最好，經(jīng)濟(jì)效益也最高。

(2)Hydrus-2D模型模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較好，變化趨勢(shì)一致，可以較好地模擬土壤水分運(yùn)動(dòng)，能為膜下滴灌棉花機(jī)械化種植生產(chǎn)提供技術(shù)支持。當(dāng)模型參數(shù)設(shè)定、初始條件、邊界條件設(shè)置更加合理時(shí)，模擬結(jié)果可以達(dá)到更加理想的狀態(tài)。