金 輝，郭軍玲，查元源，楊治平

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與經(jīng)濟研究所，山西太原030006；2.土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點實驗室，山西太原030031；3.山西省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031；4.武漢大學水資源與水電工程國家重點實驗室，湖北武漢430072）

山西鹽堿地面積30 萬hm2，其中，大同盆地約占2/3，作為寶貴的后備土地資源，鹽堿地的合理開發(fā)和利用在增加耕地面積、提高生產(chǎn)力、恢復退化生態(tài)環(huán)境方面具有重要意義[1-2]。在干旱少雨的自然條件下，土壤水分快速蒸發(fā)和鹽分表層積聚成為鹽堿地作物出苗與后期生長的制約因素[3]。近年來，干旱半干旱地區(qū)全膜雙壟溝栽培技術以提高土壤溫度[4-6]、節(jié)水集雨[7-8]、改善土壤水鹽脅迫環(huán)境[9]、增產(chǎn)效果顯著[10-11]而得到廣泛應用。而在山西大同盆地因其氣候干旱多風、地下水埋深較淺、地勢低洼導致土壤鹽堿化嚴重。顯然，利用全膜雙壟溝栽培技術以合理配置地區(qū)水資源，調(diào)控土壤鹽分的時空分布是解決該地區(qū)土壤鹽漬化嚴重、水資源匱乏的基礎，這就需要研究大同盆地土壤水資源循環(huán)和鹽分遷移的機制。

本研究為明確山西北部冷涼干旱地區(qū)鹽堿土水鹽運移規(guī)律，開展田間試驗，運用HYDRUS 構(gòu)建田間尺度二維土壤水鹽運移模型，通過對不同種植模式（平作不覆膜、平作覆膜、起壟覆膜和全膜雙壟溝）下的土壤水分的徑向遷移和鹽分的交換過程進行模擬預測，確定節(jié)水控鹽的優(yōu)化種植模式，為當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源利用和土壤水鹽調(diào)控提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

表1 土層0～60 cm 土壤理化性質(zhì)

試驗地位于山西省朔州市懷仁縣毛皂鎮(zhèn)，該地區(qū)春秋季干旱多風、夏季高溫多雨、冬季寒冷干燥，年均氣溫7.3 ℃，年均日照時數(shù)2 800 h，年均降雨量315～159 mm，年均蒸發(fā)量1 500 mm，無霜期150 d。試驗區(qū)土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，按鹽堿土分類為蘇打型鹽堿土，主要土壤理化性質(zhì)指標列于表1。

1.2 試驗設計

本試驗以飼草玉米（雅玉8 號）為研究對象，于2015 年5 月底播種，9 月底收獲，播種密度為6.75 萬株/hm2。試驗共設置4 種種植模式：平作不覆膜、平作覆膜、起壟覆膜和全膜雙壟溝，以裸地為空白對照。小區(qū)隨機排列，面積72 m2（9 m×8 m）。其中，裸地為不施肥不種植作物；平作不覆膜為傳統(tǒng)種植方式不使用地膜；平作覆膜為傳統(tǒng)種植方式鋪普通地膜；起壟覆膜為起壟30 cm，壟上鋪膜；全膜雙壟溝為起壟13 cm，田面全膜覆蓋。試驗用不銹鋼土鉆在各處理隨機選點采集土樣，以播種前（5 月28 日）采集土樣測試結(jié)果為初始值，此后每15 d 取樣一次，降雨后延遲2 d 取樣，收獲（10 月17 日）后最后一次取樣，取樣深度1 m，分0～10，10～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm 6 個層次，分別采用烘干法和電導法測定土壤含水率和電導率。

2 數(shù)學模型建立

2.1 基本方程

2.1.1 水分運動基本方程 土壤水分運動模型如下。

土壤水力函數(shù)按van Genuchten-Mualem 公式進行計算。

式中，θ 為土壤含水率（%）；D（θ）為擴散度；K（θ）為非飽和導水率（cm/d）；Ks為滲透系數(shù)（cm/d）；θe為土壤有效含水率（%）；θr為土壤殘余含水率（%）；θs為土壤飽和含水率（%）；h 為土壤基質(zhì)勢（cm）；z 垂直坐標（從地面算起，向上為正，cm）；t 為時間（d）；α、m 和n 是經(jīng)驗擬合參數(shù)（或曲線性狀參數(shù)），其中，m＝1-1/n，α 是與土壤物理性質(zhì)有關的參數(shù)（cm-1）；l 為經(jīng)驗擬合參數(shù)，通常取平均值0.5。

2.1.2 溶質(zhì)運移基本方程 試驗以土壤可溶性鹽為研究對象，以土壤電導率為模擬指標，運用多孔介質(zhì)溶質(zhì)運移理論，建立飽和-非飽和土壤溶質(zhì)運移數(shù)學模型。

式中，D 為水動力彌散系數(shù)（cm2/d）；s 為被吸附的固相質(zhì)量分數(shù)（%）；c 為溶質(zhì)質(zhì)量濃度（g/cm3）；ρ0為水密度（g/cm3）；q 為土體中水的流速（cm3/s）；ρb為土壤溶液鹽分密度（g/cm3）；λ1，λ2為經(jīng)驗常數(shù)，與土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)有關。

2.2 初始條件與邊界條件

土壤剖面長度Z 為100 cm，土壤水分運動的初始條件和邊界條件如下。

初始條件：θ（z，0）＝θ0（z）（Z≤z≤0）

上邊界：θ（0，t）＝θs（z＝0）

下邊界：θ（Z，t）=θ0（t）

土壤溶質(zhì)運動的初始條件和邊界條件如下。

初始條件：c（z，0）＝c0（z）（t＝0，Z≤z≤0）

下邊界：c（Z，t）＝cb（t）

式中，θ0為土壤初始含水率（%）；θs為土壤飽和含水率（%）；qs為地表水分通量（cm/d）；c0為剖面初始土壤水礦化度；cs為上邊界流量的礦化度（g/cm3）；cb為下邊界潛水礦化度（g/cm3）。

2.3 氣象條件

降雨、蒸發(fā)、大氣濕度、溫度以及相關氣象數(shù)據(jù)采用田間微型氣象站采集的方式獲取實測數(shù)據(jù)。2015 年玉米生育期降雨量193 mm，主要分布在6 月、7 月和9 月份，最高氣溫平均為25.7 ℃，最低氣溫平均為10.7 ℃，平均氣溫18.2 ℃（圖1）。收獲期降雨量少、平均氣溫較低，降雨和蒸發(fā)量均較小。

3 數(shù)值模擬與參數(shù)識別

3.1 HYDRUS 軟件介紹

HYDRUS 軟件是美國農(nóng)業(yè)部國家鹽漬土改良中心鹽土實驗室開發(fā)的基于Windows 環(huán)境，運用土壤物理環(huán)境參數(shù)模擬變飽和孔隙介質(zhì)中水流、熱和溶質(zhì)運移的有限元計算機模型[12]，用數(shù)值法求解變飽和水流的Richard 方程和熱量、溶質(zhì)運移的對流-彌散方程[13]。根據(jù)實測的非穩(wěn)定流或穩(wěn)定流以及運移數(shù)據(jù)，進行土壤動力學、熱量、溶質(zhì)運移以及反應參數(shù)的逆向預測。

3.2 模型模擬

模型以地下0～100 cm 范圍土壤為模擬對象，根據(jù)采集土樣層次分6 層，模擬周期為2015 年5 月28 日至10 月17 日，共計143 d，時間離散采用變時間步長剖分方式，根據(jù)收斂情況及迭代次數(shù)來調(diào)整時間步長。初始時間步長、最小步長和最大步長分別為0.001，0.000 01，1 d；土壤含水量容許偏差為0.005 g/g，壓力水頭偏差為0.5 cm。土壤水流模型采用單孔隙van Genuchten-Mualem 模型，忽略水分滯后效應，利用模型反演確定土壤水鹽運動參數(shù)。水流模擬與鹽分模擬上邊界條件設定為開放大氣邊界，水流模擬過程采用實測土壤初始含水率、電導率作為初始條件。

3.3 模型參數(shù)

土壤水力參數(shù)確定，首先在HYDRUS 內(nèi)置Rosetta 神經(jīng)網(wǎng)絡模型中運用土壤顆粒組成及容重參數(shù)，參考HYDRUS 土壤水力參數(shù)數(shù)據(jù)庫和相關文獻，確定模型土壤水力參數(shù)初始值，結(jié)合初始條件、邊界條件等參數(shù)對試驗地土壤水鹽運移進行運算，最終根據(jù)可接受結(jié)果確定晉北鹽堿地土壤水力特征參數(shù)。校正后土壤水力特征參數(shù)列于表2。

表2 土壤水力特征參數(shù)

3.4 模型驗證與效果評價

以2015 年生育期土壤含水率和土壤電導率（EC）實測值對模型進行驗證，如圖2，3 所示，運用相關系數(shù)和標準差（SD），來定量表示模擬結(jié)果與實測值的相關性和模擬精度。

式中，Yi為樣本實測值；Yj為樣本模擬值；n 為樣本數(shù)。

通過2015 年土壤含水率和電導率的模擬值與實測值的對比，其相關系數(shù)和SD 值如表3 所示，其相關性均在0.6 以上，說明各處理模擬結(jié)果與實測值具有較好的相關性，土壤含水率的SD 值在2.4%～4.7%，電導率的SD 值在0.15～0.29 mS/cm，說明模擬生育期土壤含水率和電導率與實測值擬合較好，模型對田間狀況模擬合理可靠，可以接受。

表3 模擬值與實測值的相關系數(shù)和SD

4 結(jié)果與分析

利用率定的模型參數(shù)分別對2015 年5 月28 日至10 月17 日不同模式下各層土壤含水率和土壤電導率進行模擬。

4.1 不同種植模式對土壤含水率的影響

從圖4～9 可以看出，在玉米整個生育期內(nèi)，不同種植模式的土壤含水率變化趨勢基本一致，但從整體表現(xiàn)來看，對土壤含水率影響較大的是地膜覆蓋的3 種模式（全膜雙壟溝、起壟覆膜和平作覆膜），其中以全膜雙壟溝效果最佳。從不同土壤深度來看，表層土壤含水率受降雨、蒸發(fā)影響較大，深層土壤受到影響逐漸減弱。60～100 cm 土層土壤含水率基本保持穩(wěn)定，受外來因素影響較小。

4.2 不同種植模式對土壤鹽分的影響

由圖10～13 可知，不同種植模式下土壤電導率變化趨勢相似，但對表層鹽分積累的影響效果差異顯著，表層土壤鹽分積累受降雨和蒸發(fā)影響較大，播種前期降雨量小，氣溫較低，蒸發(fā)量相對較小，鹽分積累量較小。播種40 d 后進入夏季，降雨量有所增加，但夏季風大、高溫導致蒸發(fā)量增加，整體表現(xiàn)出鹽分表層積聚，此時采用地膜覆蓋和壟溝種植的全膜雙壟溝模式較其他處理表現(xiàn)出更好的抑鹽效果；播種后100 d 進入秋季，平均氣溫顯著下降，地表蒸發(fā)量降低，由于降雨的淋洗作用，土壤表層鹽分下降明顯。從土層深度來看，0～40 cm 土層受到外界條件影響表現(xiàn)出強烈的波動性，40～100 cm 土層土壤電導率變化則相對趨于平緩。

5 結(jié)論與討論

利用HYDRUS 模型對不同種植模式下土壤剖面水鹽垂向分布和時空變異規(guī)律進行模擬，經(jīng)過田間試驗數(shù)據(jù)驗證，土壤含水率和電導率模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)具有較好的相關性，這與余根堅等[14]、李亮等[15]、潘延鑫等[16]研究結(jié)果一致，模擬動態(tài)變化趨勢具有較好的精度，可用于模擬鹽堿地土壤水鹽運移規(guī)律。

玉米生育期內(nèi)，不同種植模式下土壤含水率均處于較低水平，但具有相似的變化趨勢，0～40 cm土壤含水率波動劇烈，60～100 cm 土壤含水率隨時間的推移和土層深度的增加而增加的趨勢減緩，這與趙輝等[17]、孫楊等[18]、孫玉蓮等[4]全膜雙壟溝模式可增加土壤水分的研究結(jié)果一致；全膜雙壟溝模式較其他模式相比，因地膜覆蓋、地面起壟和壟溝種植的技術措施，使土壤保水效果優(yōu)于其他處理。

土壤電導率受氣象條件影響較大，0～40 cm 土壤電導率波動大、含鹽量高，40～100 cm 土層土壤含鹽量低，受氣象條件影響小，電導率起伏不大。與其他模式比較，全膜雙壟溝模式土壤電導率較其他處理處于較低水平，整體表現(xiàn)出良好的抑鹽效果，這與孫楊等[19]、王成寶等[20]在鹽堿地上的研究一致，全膜覆蓋具有較好的脫鹽效果。

試驗結(jié)果表明，全膜雙壟溝模式可有效提高土壤含水率，通過抑制土壤表面蒸發(fā)，降低鹽分表層聚集，是干旱少雨的鹽堿地區(qū)土壤水鹽調(diào)控的重要技術，適宜于區(qū)域應用和推廣。

全膜雙壟溝模式在冷涼干旱的晉北地區(qū)鹽堿地上的應用，可有效提高土壤水分，抑制鹽分上移，在玉米種植過程中起到很好的保水脫鹽效果；HYDRUS 精確地模擬了全膜雙壟溝模式下土壤水鹽時空分布，能夠為晉北地區(qū)鹽堿土壤水鹽管理提供科學依據(jù)。