石培君，劉洪光，何新林，李 紅，李開明

(石河子大學水利建筑工程學院/現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000)

土壤鹽漬化是當前人類面臨的一個全球性生態(tài)環(huán)境問題[1-2]，尤其在干旱半干旱地區(qū)，水資源短缺和土壤鹽漬化已成為制約灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵因子，也是造成土地退化的重要原因[3-4]。新疆作為干旱半干旱農(nóng)業(yè)大區(qū)，其鹽漬化耕地面積占新疆總耕地面積的30.2%，已嚴重制約農(nóng)業(yè)的發(fā)展。膜下滴灌技術具有節(jié)水抑鹽、增溫保墑、調(diào)控土壤鹽分的作用，使作物根區(qū)處于脫鹽狀態(tài)，為作物生長提供了相對良好的微環(huán)境，在干旱區(qū)和鹽堿化耕地具有應用價值[5-7]。據(jù)統(tǒng)計，目前新疆膜下滴灌種植面積已達到3.3×106hm2，種植覆蓋率超過90%。許多學者對其水鹽運移規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，膜下滴灌由于灌溉量小，淋溶作用微弱，一般不會產(chǎn)生深層滲透，很難利用灌溉水淋洗鹽分[8-9]，只有根區(qū)范圍處于脫鹽區(qū)，而其下土層處于積鹽區(qū)，其鹽分僅在土層中轉移而無法消除，在強蒸發(fā)條件下出現(xiàn)了次生鹽漬化威脅[10-11]，對干旱區(qū)綠洲生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展產(chǎn)生較大影響。

暗管排水被認為是地下水平衡和農(nóng)田水管理實踐中最適合的方法[12]，同時，也是防止和治理鹽堿化最直接、最有效的措施之一[13-14]。張金龍等[15]研究了暗管排水間距對濱海鹽土淋洗脫鹽效果的影響，得出排水間距對田面各點土壤脫鹽效果影響較大。張展羽等[16]在濱海鹽堿地模擬研究了不同埋深和間距的暗管排水系統(tǒng)的地下水埋深動態(tài)變化，得出暗管技術參數(shù)對地下水埋深的動態(tài)影響較大。王洪義等[17]在地下水埋深為1.5 m 的鹽堿地進行不同埋深和間距的暗管排水試驗，結果表明暗管間距5 m、埋深0.8 m為大慶地區(qū)蘇打鹽堿土降漬脫鹽的最佳工程布設參數(shù)。王振華等[18]在地下水埋深大于4 m 的鹽堿地上，研究了滴灌淋洗條件下不同暗管埋深和間距對土壤脫鹽效果的影響，結果表明暗管間距為15 m時土壤脫鹽效果較好。劉玉國等[19]研究了干旱區(qū)暗管排水對不同程度鹽堿化土壤脫鹽效果的影響，結果表明輕度和中度鹽漬化農(nóng)田鹽分由表聚型向脫鹽型轉變。李顯溦等[20]利用HYDRUS軟件對暗管排水的水鹽運動參數(shù)進行了校驗，結果表明模擬值與實測值吻合度較高，可以較好地描述暗管排水、排鹽過程中的土壤水鹽動態(tài)。李亮等[21]利用HYDRUS模型對土壤水鹽的遷移進行了模擬分析，結果表明模型對土壤含水率和含鹽率運移的模擬具有較高精度，反映出鹽分積聚和水分運移規(guī)律。

上述研究均表明暗管排水可有效降低地下水位和土壤鹽分含量，土壤脫鹽效果較好。但暗管排水與膜下滴灌相結合的水鹽運移問題，至今尚不清楚，阻礙了暗管排水技術在膜下滴灌條件下的推廣和應用，而模型模擬是研究和解決該問題的重要工具。因此，為探索膜下滴灌條件下暗管排水的水鹽分布特征及運移規(guī)律，本文利用HYDRUS模型對暗管排水模型試驗的水鹽運移規(guī)律進行模擬驗證，分析膜下滴灌暗管排水條件下土壤水鹽分布特征和動態(tài)變化規(guī)律，揭示膜下滴灌條件下暗管排水排鹽效果，為干旱區(qū)暗管排水技術的推廣提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗在新疆石河子大學水利建筑工程學院水利與土木工程實驗中心進行，試驗用模型由混凝土砌筑而成，長、寬、高分別為5 m、2 m、1.8 m。模型裝置分為土槽和蓄水池，長、寬、高分別為5 m、1 m、1.8 m，底部以連通管模擬控制地下水位，其管徑為3.2 cm，管壁上開5 mm圓孔，開孔率為10%，包裹透水無紡布。埋設2根暗管，管徑為9 cm，埋深1 m，間距4 m，傾斜度為5‰，暗管上開5 cm×0.2 cm矩形孔，開孔率為6%。暗管外包裹一層透水無紡布，無紡布外鋪設3～5 cm細砂和粗砂，細砂平均粒徑為0.35～0.5 mm，粗砂平均粒徑為5～10 mm，細砂位于無紡布周圍，粗砂鋪設于細砂上方。連通管和暗管均為PVC管。采用單翼迷宮式滴灌帶，滴頭流量為3.6 L·h-1，布管方式采用大田普遍使用的一膜三管鋪設方式，共鋪設6條滴灌帶。通過塑料水桶與水泵形成供水系統(tǒng)，利用水表控制灌溉水量，暗管排水模型剖面示意圖如圖1所示。

試驗用土為新疆生產(chǎn)建設兵團農(nóng)八師146團鹽荒土，土壤初始含鹽量為14 g·kg-1，根據(jù)中國鹽土分類標準，該土壤為重度鹽堿土。試驗前將土風干，過5 mm土篩除去雜質(zhì)，將土壤混和均勻形成均質(zhì)土壤，分層進行裝填，每10 cm夯實一次，保證每次壓實度基本相同，裝填后土壤容重為1.48 g·cm-3，第一次灌水后略有沉降為8 cm，經(jīng)計算土壤容重達到了1.52 g·cm-3。試驗用水為地下水，其礦化度為0.25 g·L-1，灌溉結束后地下水礦化度增加到2.7 g·L-1。

圖1 暗管排水模型剖面示意圖Fig.1 Diagram of model profile subsurface drainage pipe

1.2 試驗設計及方法

試驗前在蓄水池中注入水，水位控制在1.2～1.4 m范圍內(nèi)，保證下層土壤基本接近飽和狀態(tài)。試驗開始通過水泵持續(xù)灌水，至暗管開始排水即停止灌水并記錄灌水量。為保證水分和鹽分在土壤內(nèi)重新分布且時空變化較小，每次灌水時間間隔基本相同，共進行3次灌水淋洗，灌溉排水參數(shù)如表1所示。暗管排水結束后24 h內(nèi)在水平方向距離暗管0、40、80、120、160、200 cm處分別進行取樣，縱向每隔10 cm取一個樣，取樣總深度為80 cm，取樣點如圖1所示。將所取土樣在105℃下烘干8 h，用烘干法測定其含水量，將烘干土樣研磨、過0.5 mm土壤篩，按土水比為1∶5配置成溶液，用玻璃棒攪拌、靜置使上層液澄清，用電導率儀測定其電導率，用干燥殘渣法確定土壤含鹽量與電導率之間的標定關系式，如公式(1)所示。

y=0.0035EC+0.8972

(1)

式中,y為土壤含鹽量(%)；EC為電導率(μs·cm-1)。

1.3 模型建立

1.3.1 HYDRUS 模型介紹 HYDRUS軟件是一種可用來模擬水流和溶質(zhì)在非飽和多孔隙介質(zhì)中運移的數(shù)值模型[22]，是利用土壤物理參數(shù)模擬水、熱及溶質(zhì)在非飽和土壤中的一維(二維)運動的有限元計算機模型[23]。該模型能夠較好地模擬水分、溶質(zhì)與能量在土壤中的分布以及時空變化和運移規(guī)律。

1.3.2 模型的基本方程

土壤水分運動方程

(2)

式中,θ為土壤體積含水率(cm3·cm-3)；K(θ)為非飽和土壤導水率(cm·d-1)；t為時間(d)，z為土壤深度(cm)。

表1 灌溉排水參數(shù)

土壤水力參數(shù)van Genuchten模型

(3)

(4)

式中,Ks為土壤飽和導水率(cm·d-1)；θe為土壤相對飽和度(cm3·cm-3)；θr為土壤殘余體積含水率(cm3·cm-3)；θs為土壤飽和體積含水率(cm3·cm-3)；θ(h)為土壤體積含水率(cm3·cm-3)；h為負壓水頭(cm)；K(θ)為土壤非飽和導水率(cm·h-1)；n、m、α均為經(jīng)驗參數(shù)。其中m=1-1/n，α是與土壤物理性質(zhì)有關的參數(shù)；l為經(jīng)驗擬合參數(shù)，通常取平均值0.5。

鹽分運移基本方程

(5)

式中,C為溶質(zhì)濃度(g·cm-3)；qi為水通量(cm·d-1)；Dij為擴散度(cm2·d-1)；xi為空間坐標(i=1，2)，x1=x，x2=z，D11=Dxx，D12=Dxz。

1.4 模型的初始條件和邊界條件

土壤水分上邊界采用零通量邊界，由于地膜的覆蓋忽略蒸發(fā)的影響。滴頭處采用第一類邊界條件，輸入通過滴頭處的通量值，包括灌水量，其他邊界均為零通量邊界。由于在試驗期間沒有降水，因此忽略降雨量的影響。上邊界初始含水率為0.025 cm3·cm-3，下邊界初始含水量為0.41 cm3·cm-3，上下邊界初始含鹽量均為14 g·kg-1，灌水過程中，上邊界為常壓，待灌水結束，上邊界為零通量。整個灌溉過程中，暗管邊界設為滲透邊界，將土壤含水率和土壤含鹽量的實測值及模擬值分別進行對比，相應調(diào)整土壤水力特性參數(shù)，使兩者充分接近為止，修正的模型參數(shù)如表2所示。修正后的基本參數(shù)不變，以每次灌水量和灌水時間的試驗數(shù)據(jù)進行模型的驗證。模擬值和實測值的吻合程度采用決定系數(shù)R2和均方根誤差RMSE指標進行評價，計算公式如下:

(6)

式中,Si,Mi分別為模擬值和實測值；N為數(shù)值比較值，無量綱。

表2 土壤物理特性參數(shù)

注：θr為殘余土壤體積含水率；θs為飽和土壤體積含水率；Ks為飽和導水率；α、n為土壤水分特征曲線擬合參數(shù)；l為孔隙連通性參數(shù)。

Note:θris residual soil water content;θsis saturated soil volume water content;Ksis saturated water conductivity;αandnare fitting parameters of soil moisture characteristic curve;lis pore connectivity parameter.

1.5 模型模擬

為探索干旱區(qū)暗管排水條件下土壤水分和鹽分的動態(tài)變化規(guī)律，將土槽簡化為二維模型進行計算模擬，計算區(qū)域為一個高(垂直方向)180 cm、長(水平方向)500 cm 的矩形區(qū)域。模型模擬0～80 cm深度范圍土壤水分和鹽分變化特征，模擬時間共計45 d，采用變時間步長剖分方式，根據(jù)收斂迭代次數(shù)調(diào)整時間步長。設定初始時間步長為0.001 d，最小步長為0.0001 d，最大步長為5 d；土壤含水量容許偏差為0.001，壓力水頭容許偏差為1 cm。

2 結果分析

2.1 灌水后的水鹽分布特征及變化規(guī)律

圖2(a)，(b)，(c)分別為3次灌水后不同剖面處的土壤鹽分動態(tài)變化特征。由圖2可知，每次灌水后0～30 cm土層內(nèi)鹽分下降速率較快，30～80 cm土層內(nèi)鹽分下降速率緩慢。各土層內(nèi)鹽分含量隨土壤深度的增加而增加，距離暗管不同間距處各土層鹽分含量變化趨勢一致，但相同剖面處鹽分含量存在差異。水平距離暗管200 cm處各土層內(nèi)鹽分含量最大，這是由于土壤鹽分隨水流在運動過程中受到對流彌散作用的影響，且縱向彌散作用大于橫向彌散作用，水平距離暗管間距越大，其剖面內(nèi)鹽分被灌溉水淋洗到暗管內(nèi)的越少?？傮w來看，每次灌水后鹽分含量在垂直方向上隨土壤深度的增加鹽分含量下降速率減緩；水平方向上距離暗管間距越大，各剖面處鹽分含量相對較大，土體脫鹽率較小。3次灌水淋洗過程中，各剖面處土壤脫鹽率從大到小依次為第2次灌后、第1次灌后、第3次灌后，第1次灌水后水平距離暗管不同間距處鹽分含量存在明顯差異，這是由于試驗土樣經(jīng)篩分、分層裝填后存在大孔隙，灌水后形成孔隙流使鹽分得不到充分的溶解，只有少量鹽分隨水流流入暗管，因此，第1次灌水后鹽分含量隨土壤深度的變化趨勢較為平緩。由圖2(b)、(c)可知，第2次灌水和第3次灌水后土壤鹽分含量隨土壤深度的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，距離暗管不同間距處鹽分含量變化規(guī)律不明顯，距離暗管200 cm處各土層內(nèi)鹽分含量最大，表層0～20 cm土層內(nèi)鹽分含量明顯高于20～40 cm土層鹽分含量，說明地下水埋深較淺時強烈蒸發(fā)很容易使鹽分隨水分通過毛細管上升至表層，出現(xiàn)明顯的鹽分表聚現(xiàn)象。20～40 cm土層內(nèi)鹽分含量下降速率較快，鹽分含量下降至2 g·kg-1左右，40～60 cm土層內(nèi)鹽分呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，60～80 cm土層內(nèi)鹽分含量處于穩(wěn)定變化的趨勢，土壤鹽分下降速率變緩，脫鹽效果不明顯，這是由于靠近暗管周圍土壤內(nèi)的水分含量接近飽和，水勢梯度減弱，減少了與地下水之間的水量交換和鹽分淋洗量；隨著灌溉次數(shù)的增加，地下水中鹽分含量增加，溶質(zhì)濃度變大，暗管周圍土體與地下水中的鹽分交換量也減小，說明地下水礦化度大小與土壤脫鹽率以及暗管排鹽量有著密切的關系。第3次灌水后，0～80 cm土壤內(nèi)總鹽分含量下降速率較快，各剖面處鹽分的質(zhì)量分數(shù)下降至8 g·kg-1以下，表明暗管排水技術在膜下滴灌條件下的土壤水鹽運移具有較好的變化規(guī)律，對土壤鹽分的淋洗效果較好。

圖3為3次灌水后各剖面處土壤水分動態(tài)變化特征。由圖3可知，水平距離暗管不同間距處各土層內(nèi)水分含量隨土壤深度的增加變化趨勢基本一致，均隨土壤深度的增加而增加。0～20 cm土層內(nèi)水分含量變化較大，這是由于表層土壤受到強蒸發(fā)作用的影響，另外，上層土壤水分在重力勢的作用下不斷向下運移。垂直方向20～80 cm土層內(nèi)各剖面處的水分變化趨勢一致，隨著土壤深度的增加逐漸增加，水分含量差異不明顯，80 cm土層內(nèi)含水量幾乎接近飽和狀態(tài)。水平方向距離暗管不同間距處各剖面的水分含量存在明顯差異，且沒有明顯的變化規(guī)律，這可能是受覆膜邊界條件、蒸發(fā)作用、地下水的影響。由圖3(b)、(c)可以看出，水平距離暗管不同間距處各土層內(nèi)含水量隨土壤深度的增加而增加，但水平距離暗管0 cm處在60～80 cm土層內(nèi)呈減小趨勢，說明暗管排水可以降低暗管上方土壤水分含量。總體來看，3次灌水后暗管周圍土壤內(nèi)含水量較高，基本接近飽和含水率，垂直方向上變化規(guī)律較好，均隨土壤深度的增加而增加，水平方向上距離暗管不同間距處各剖面含水量差異不大。

圖2 3次灌水后土壤不同剖面處的鹽分含量變化Fig.2 Changes of salt content in different profiles of soil after three times of irrigation

圖3 3次灌水后土壤不同剖面處的水分含量變化Fig.3 Changes of water content in different profiles of soil after three times of irrigation

2.2 模型驗證

根據(jù)構建的數(shù)值模型，輸入土壤水力特性參數(shù)，同時設置時間、空間離散化處理參數(shù)后運行計算，并進行模型可靠性驗證分析。通過比較第1次灌水、第3次灌水后距離暗管不同間距處各土層內(nèi)含水量和含鹽量的實測值與模擬值，兩者差異較小且總體變化趨勢一致，如圖4、5、6所示。第1次灌水后距離暗管不同間距處土壤鹽分模擬值與實測值的RMSE分別為0.364和0.632，R2分別為0.995和0.992，距離暗管不同間距處土壤水分模擬值與實測值的RMSE分別為1.024和1.324，R2分別為0.906和0.921；第3次灌水后距離暗管不同間距處土壤鹽分模擬值與實測值的RMSE分別為0.505和0.197,R2分別為0.996和0.994。由此看出，水平距離暗管不同間距處土壤鹽分和水分實測值與模擬值的RMSE均較小，R2均較大，表明兩者之間具有較好的一致性。從圖6可以看出，盡管水分變化在某些觀測點上存在一定的誤差，但總體規(guī)律基本一致。

圖4(a)和(b)表示第1次灌水后水平距離暗管0 cm和200 cm處各剖面鹽分含量實測值和模擬值的變化趨勢。從決定系數(shù)和均方根來看，模擬值和實測值吻合較好，第1次灌水結束后，水平距離暗管0 cm處0～30 cm土層內(nèi)鹽分變化較小，鹽分含量下降較大，實測值和模擬值存在較大的誤差，是由于灌水過程中強烈蒸發(fā)使鹽分隨毛管水上升至表面，造成實測值偏大，40～80 cm土層內(nèi)鹽分迅速增加，這是由于在灌溉水流的擴散作用下，鹽分通過對流、彌散作用不斷向下遷移。水平距離暗管200 cm處0～40 cm土層內(nèi)鹽分含量呈線性增長趨勢，實測值與模擬值吻合度較好，50～80 cm土層內(nèi)鹽分含量相對保持穩(wěn)定狀態(tài)。圖5(a)和(b)顯示第3次灌水后距離暗管不同剖面處鹽分含量實測值和模擬值數(shù)據(jù)，決定系數(shù)和均方根均顯示模擬值和實測值吻合很好，水平距離暗管200 cm處0～20 cm土層內(nèi)出現(xiàn)鹽分表聚現(xiàn)象，是由于水平距離暗管200 cm處沒有覆蓋地膜，蒸發(fā)作用使鹽分通過毛細管上升至表面，20～60 cm土層內(nèi)鹽分含量增加速率較快。水平距離暗管0 cm處60～80 cm土層內(nèi)鹽分含量呈下降趨勢，而水平距離暗管200 cm處60～80 cm鹽分含量保持不變。圖4和圖5相比較，可以看出經(jīng)過3次灌水后鹽分總含量明顯減小，說明膜下滴灌與暗管排水相結合的技術可以有效地改良鹽堿地。

圖6(a)和(b)為第1次灌水后水平距離暗管0 cm和200 cm處各剖面土壤水分含量實測值和模擬值變化，由圖6可以看出，土壤水分的運動具有較好的規(guī)律，隨著土層深度的增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，水平距離暗管0 cm和200 cm處表層20 cm范圍內(nèi)土層含水量相差較大，這是由于水平距離暗管200 cm處沒有覆膜，受蒸發(fā)影響大，且暗管對水分的運動影響相對較小。從相關系數(shù)和均方根來看，實測值和模擬值吻合好，是因為土壤篩分后，分層裝填，比較符合達西定律及土壤水鹽運動方程的均勻連續(xù)性假設。

2.3 模型應用

利用實測值和模擬值修正后的參數(shù)進行更長時間序列的模擬計算，共進行6次灌水的模擬，總時長為90 d。圖7(a)和(b)表示距離暗管不同位置處各土層內(nèi)鹽分含量變化曲線。圖7(a)顯示0～40 cm土層內(nèi)鹽分含量<2 g·kg-1，達到了非鹽化土水平，40～80 cm土層內(nèi)鹽分含量隨著深度的增加呈對數(shù)型增長趨勢，整體鹽分質(zhì)量分數(shù)<8 g·kg-1，達到中度鹽化水平。圖7(b)顯示距離暗管不同間距處鹽分含量呈現(xiàn)波動變化，這是由于覆膜造成邊界條件的變化，無膜覆蓋處土壤水分既受重力作用的影響，又受到大氣環(huán)境的影響，而覆膜位置處土壤水分受大氣環(huán)境的影響較小，運移主要依靠重力勢和基質(zhì)勢，因此土壤中的可溶性鹽在對流、彌散和水流運移作用下呈現(xiàn)波動變化。在水平距離暗管間距150 cm范圍內(nèi)，20～40 cm深度土層內(nèi)鹽分含量趨于1 g·kg-1左右，60 cm深度土壤內(nèi)鹽分含量趨于2～4 g·kg-1變化，80 cm深度土層內(nèi)鹽分含量在6～8 g·kg-1范圍內(nèi)變化，各土層內(nèi)鹽分含量在水平距離暗管200 cm處(兩暗管中間位置)相對較大。

圖4 第1次灌水后土壤鹽分變化Fig.4 Changes of soil salt content after the first irrigation

圖5 第3次灌水后土壤鹽分變化Fig.5 Changes of soil salt content after the third irrigation

圖6 第1次灌水后土壤水分變化Fig.6 Changes of soil moisture after the first irrigation

圖7 模擬不同剖面出鹽分變化曲線Fig.7 Simulation curve of salt change at different profiles

3 結 論

1)通過膜下滴灌與暗管排水相結合的模型試驗，經(jīng)過3次灌水淋洗后，土槽內(nèi)總鹽分含量降低較快，表層0～20 cm土壤鹽分含量下降速率最大，達到了非鹽化土水平，膜下滴灌與暗管排水技術的結合可以有效地降低土壤鹽分含量。

2)利用HYDRUS模型對膜下滴灌暗管排水條件下的水鹽運移規(guī)律進行了模擬，土壤水分含量和鹽分含量的實測值與模擬值具有很好的一致性，模型能夠較好地模擬土壤水鹽分布特征以及隨時間和土壤深度變化的規(guī)律，這將為干旱區(qū)膜下滴灌暗管排水條件下的水鹽運移理論研究提供幫助。

3)基于修正的模型參數(shù)進行HYDRUS模型的應用，通過時長為90 d的灌水模擬試驗，發(fā)現(xiàn)表層40 cm范圍內(nèi)鹽分含量下降至2 g·kg-1，已達到非鹽化土水平。暗管排水條件下灌水排鹽可以有效地保證作物的正常生長，膜下滴灌與暗管排水相結合的技術可高效地改良鹽堿地。