趙然杭 劉開印 張擴成

摘 要：土壤水鹽運移機理是改良鹽堿化土壤和防止土壤次生鹽漬化的理論基礎，也是鹽堿化研究的核心問題，對于解決土壤鹽堿化具有重要意義。為探究引黃河水灌溉對鹽堿地的影響，選取邢家渡灌區(qū)為研究區(qū)域，運用HYDRUS模型模擬了邢家渡灌區(qū)玉米生育期內不同灌水定額下土壤的水鹽運移過程。結果表明：該模型可以較好地模擬該灌區(qū)的土壤水鹽運移過程，為灌區(qū)制定適宜的灌水定額提供理論依據(jù)和參考。

關鍵詞：HYDRUS模型;灌水定額;全鹽量;水鹽運移;邢家渡灌區(qū)

中圖分類號：S156.4+3;TV882.1 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.032

Abstract：The study on the mechanism of soil water and salt migration is the theoretical basis for improving salinized soil and preventing secondary salinized soil. It is also the core issue in the study of salinization， which is of great significance to the solution of soil salinization. In order to study the effect of irrigation with water from the Yellow River on saline-alkali soil， the soil water and salt transport process under different irrigation quotas in the growing period of maize in Xingjiadu irrigation area was simulated by HYDRUS model. The results show that the model can well simulate the soil water and salt transport process in the irrigation area， and provide theoretical basis and reference for formulating appropriate irrigation quota in the irrigation area.

Key words： HYDRUS model; irrigation quota; total salt content; water and salt migration; Xingjiadu irrigation area

在世界人口增長、全球耕地資源日益減少的大背景下，土壤鹽堿化已成為制約農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一大瓶頸[1]。土壤水鹽運移機理是改良鹽堿化土壤和防止土壤次生鹽漬化的理論基礎，也是鹽堿化研究的核心問題[2]。土壤水鹽運移模型可以模擬土壤水鹽運移過程，揭示土壤水鹽動態(tài)變化規(guī)律并進行預報[3]，因此被廣泛應用于土壤水鹽運移機理研究[4-6]。目前使用較多的模型主要有對流-彌散模型（CDE）[7]、SWAP模型[8]、HYDRUS模型[9]、PROFLOW模型等[10]。其中HYDRUS模型能夠較好地模擬水分、溶質與能量在土壤中的分布以及時空變化和運移規(guī)律，得到國內外廣大學者的應用 [11-12]。Silva等[13]曾在實驗室條件下利用HYDRUS模型對兩種鹽漬土（Ultisol，Oxisol）中的水和鉀元素進行了模擬，通過與實測數(shù)據(jù)的對比，發(fā)現(xiàn)HYDRUS-1D模型可以較好地模擬土壤中鉀離子的運移，可用于指導土壤農藥和化肥的施用;郝遠遠等[14]以內蒙古河套地區(qū)為研究對象，根據(jù)氣象、土壤、作物、灌溉等因子的空間分布特征進行均質單元劃分，建立了基于一維農業(yè)水文模型 HYDRUS-EPIC 的灌區(qū)尺度分布式模型，然后通過實際觀測數(shù)據(jù)對模型進行率定和驗證，結果表明模型精度較好，可以準確反映研究區(qū)域的土壤水鹽變化過程。

本文以邢家渡灌區(qū)為研究區(qū)域，利用飽和-非飽和土壤水分及溶質運移理論，建立適用于模擬灌區(qū)土壤水鹽運移過程的模型，并利用田間試驗和室內試驗獲取的數(shù)據(jù)對模型進行參數(shù)率定和驗證，應用驗證后的模型模擬不同灌水定額下邢家渡灌區(qū)玉米生育期內土壤水鹽運移過程，并針對灌區(qū)不同降雨條件進行灌溉預報，研究成果將為黃河下游引黃灌區(qū)制定適宜的灌水定額提供理論依據(jù)與參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

邢家渡灌區(qū)位于黃河下游，地處山東省濟南市，多年平均降水量和水面蒸發(fā)量分別為573.2、1 117.0 mm，降水集中于夏季和秋初。灌區(qū)興建于1973年，1974年開始發(fā)揮灌溉效益。灌區(qū)運行前，鹽堿地分布廣，潛水位高，礦化度大，土體含鹽量高，土壤養(yǎng)分含量較低。根據(jù)調查，含鹽量最高達1.4%左右，土壤中大量的可溶性鹽分對作物的生長產生不良的影響。邢家渡灌區(qū)運行后，對于灌區(qū)土壤起到了一定的改良作用，但是目前灌區(qū)內農田土壤鹽堿化仍然較為嚴重，是當?shù)剞r業(yè)進一步發(fā)展的主要制約因素之一。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 試驗地與灌水定額的選擇

在黃河下游左岸的山東省濟南市邢家渡引黃灌區(qū)濟陽農場內選擇4塊試驗地，為確保試驗地之間互不干擾，在每塊試驗地之間設置50 cm的間距。

邢家渡灌區(qū)主要種植玉米、小麥等大田作物，田間灌水方式以傳統(tǒng)的漫灌為主。選取玉米為代表性作物，根據(jù)《山東省主要作物灌溉定額》（GB 5084—2005）規(guī)定的濟陽地區(qū)農田毛灌溉定額，綜合考慮《農田灌溉規(guī)范》規(guī)定的北方旱作物種植用水上限、下限和當?shù)毓喔冉?jīng)驗，570 m3/hm2的灌水定額能夠滿足玉米生長需要，但為了滿足既能節(jié)水又能控鹽的綜合目標，分別選擇570、780、990、1 200 m3/hm2 ?4種不同灌水定額（對應4個觀測區(qū)塊A、B、C、D）進行灌溉取樣試驗，每個區(qū)塊均灌溉3次（栽種前一次，栽種后2次），具體灌溉時間根據(jù)土壤墑情確定。

1.2.2 數(shù)據(jù)獲取

在每個試驗地塊內均勻設置3個取樣點，考慮玉米的主體根系分布在 0～40 cm 土層中，隨著玉米的發(fā)育，后期深層根量增加[15]，因此在土樣采集時，取深度為1 m的圓柱土，將之分為5層，每層20 cm。

試驗觀測在玉米的生育周期即2017年3—9月進行。對于地下水和灌溉水共取樣8次，取樣時間分別為3月15日、3月26日、4月3日、5月13日、5月20日、6月27日、7月4日、9月19日;對于土壤共取樣6次，為播種前到生育期結束，與后6次取水樣時間一致。

通過現(xiàn)場觀測、取樣，對樣品進行室內試驗，得到地下水埋深、土壤質地、含鹽量和含水率數(shù)據(jù)如下。

（1）地下水埋深。選取分布在農場不同種植區(qū)域的地下水觀測井的觀測數(shù)據(jù)，并綜合分析其他觀測井數(shù)據(jù)。地下水埋深情況見表1。

根據(jù)檢驗結果，土壤全鹽量配對T檢驗的顯著性水平值均大于0.05，說明土壤全鹽量的模擬值與實測值均無顯著差異，模擬效果可以接受，參數(shù)較為可靠，可實際應用。

2 土壤水鹽模擬與結果分析

2.1 模擬過程

應用檢驗后的模型，對不同灌水定額下土壤水鹽在玉米整個生育期內的變化過程進行模擬，模擬時段為2017年5月14日至9月19日，共計3 096 h。采用變時間步長剖分方式，根據(jù)收斂迭代次數(shù)調整時間步長。設定初始時間步長為0.024 h，最小步長為0.000 24 h，最大步長為120 h，土壤含水量容許偏差為0.001，壓力水頭容許偏差為1 cm，最小時間步長乘法因數(shù)為1.3，最大時間步長乘法因數(shù)為0.7。不同灌水定額下土壤含鹽量的模擬結果見圖1～圖4。

2.2 結果分析

從玉米整個生育期內不同灌水定額下土壤含鹽量變化過程可以得出以下結果。

（1）土壤全鹽量變化過程。在玉米整個生育期內，土壤含鹽量共經(jīng)歷了5次急劇下降的過程，其中：第一次和第三次是灌溉所致，其余三次是降雨引起的。受降雨或灌溉時間、降雨量大小等因素影響，土壤含鹽量變化幅度不同。

在作物栽種50 h之后的第一次灌溉，使得上層土壤含鹽量明顯下降，最大降幅發(fā)生在990 m3/hm2灌水定額下的深度40～60 mm土層，為0.2%（2 g/kg）;深度80～100 mm土層的含鹽量沒有降低，反而有所上升。

第一次和第二次灌溉期間，蒸發(fā)導致土壤含鹽量呈現(xiàn)上升趨勢。在玉米栽種后的500～600 h期間，降雨導致土壤鹽分有一次波動，但降雨量較小，只對表層土壤影響較大，導致0～40 mm深度土壤含鹽量下降明顯，從40 mm深度往下，土壤含鹽量無明顯變化。

第二次灌溉后600 h（即玉米栽種后1 500 h），試驗地發(fā)生一次較大強度降雨，持續(xù)5 d，總降雨量達到94.7 mm，使得該時間段內土壤含鹽量持續(xù)下降。其中第二天和第四天降雨量較大，土壤含鹽量降幅明顯。此后汛期來臨，降雨較為頻繁，同時氣溫較高，導致土壤含鹽量上下波動，但整體仍然呈現(xiàn)降低趨勢。

（2）不同灌水定額土壤含鹽量變化過程。不同灌水定額下土壤含鹽量變化趨勢基本一致，每次灌溉后含鹽量急劇下降，之后隨著時間推移，土壤鹽分逐漸增加。將初始土壤含鹽量與玉米成熟后土壤含鹽量進行比較，可以發(fā)現(xiàn)：不同灌水定額下土壤含鹽量都明顯減少，其中灌水定額為990 m3/hm2時土壤含鹽量減幅最大，不同土層減小了37%～70%，灌水定額為1 200 m3/hm2時減幅最小，不同土層減幅范圍為5%～63%。

對比不同灌水定額下土壤含鹽量變化過程發(fā)現(xiàn)：隨著灌水定額從570 m3/hm2增加到990 m3/hm2，土壤含鹽量逐漸降低，而當灌水定額從990 m3/hm2增加到1 200 m3/hm2時，土壤含鹽量趨于平穩(wěn)，某些時候甚至有所上升。其原因是土壤鹽分不僅隨著水分入滲向下運移（洗鹽），同時蒸發(fā)導致土壤鹽分會隨著水分向上運動。灌水定額過大，可以達到洗鹽效果，但是土壤水分過多，蒸散發(fā)作用強烈，鹽分隨著水分向上運動又會重新使得鹽分聚集到土壤上層。

（3）相同灌水定額下不同深度土層含鹽量變化過程。相同灌水定額下不同深度土壤含鹽量變化趨勢基本一致;主要不同點表現(xiàn)在各土層初始含鹽量不同，受灌溉影響程度不同，導致各土層鹽分變化幅度有明顯差異。相同灌水定額下，表層土壤含鹽量變化幅度最大，土層越深，變化幅度越小。

綜上所述，從節(jié)水控鹽的標準衡量，灌水定額在780～990 m3/hm2范圍內較為適宜。在該范圍內灌水定額越大，越有利于控鹽;灌水定額越小，越有利于節(jié)水，可以結合實際情況進行具體確定。

3 結 論

（1）利用HYDRUS模型對不同灌水定額下土壤全鹽量變化過程進行了模擬，并利用田間試驗實測數(shù)據(jù)進行了驗證。結果表明，模型能夠較好地模擬玉米整個生育期內土壤全鹽量運移過程，模擬精度較好。

（2）灌溉對不同深度土層含鹽量影響不同，表層土壤（0～20 cm）全鹽量受灌溉影響較大，隨著土層深度增加，受降雨和灌溉的影響越來越小。

（3）引黃灌溉對于改良邢家渡灌區(qū)土壤鹽堿化有明顯作用，但是灌溉定額過大和過小都不利于降低灌區(qū)土壤鹽分，從節(jié)水控鹽的標準衡量，邢家渡引黃灌區(qū)種植玉米的適宜灌水定額為780～990 m3/hm2。

參考文獻：

[1] 潘延鑫，羅紈，賈忠華，等. 基于HYDRUS 模型的鹽堿地土壤水鹽運移模擬[J]. 干旱地區(qū)農業(yè)研究，2017，35（1）：135-142.

[2] 王遵親. 中國鹽漬土[M]. 北京： 科學出版社，1993：1-566.

[3] 解雪峰，濮勵杰，朱明，等. 土壤水鹽運移模型研究進展及展望[J]. 地理科學，2016，36（10）：1565-1572.

[4] 李廣輝，魏世強.土壤溶質運移特性研究進展[J]. 土壤通報，2003，34（6）：576-578.

[5] 郭瑞，馮起，司建華，等. 土壤水鹽運移模型研究進展[J].冰川凍土，2008，30（3）：527-534.

[6] 楊金忠， 葉自桐. 野外非飽和土壤水流運動速度的空間變異性及其對溶質運移的影響[J].水科學進展，1994， 5（1）：9-17.

[7] NIELSEN D R， BIGGAR J W. Miscible Displacement in Soils：Experiencemental in Formationl[J]. Soil Science Society of America Journal，1960，25（1）：1-5.

[8] VAN Dam J C， HUYGEN J， WESSELING J G， et al. Theory of SWAP Version 2.0， Simulation of Water Flow， Solute Transport and Plant Growth in the Soil-Water-Atmosphere-Plant Environment[R]. Wageningen：Wageningen Agricultural University and DLO Win and Staring Centre， 1997： 19-114.

[9] CREVOISIER D，POPOVA Z . Assessment and Simulation of Water and Nitrogen Transfer Under Furrow Irrigation[J].Agricultural Water Management，2008，95：354-356.

[10] DAGAN G， BRESLER E.Solute Dispersion in Unsaturated Heterogeneous Soil at Field Scale ：1. Theory[J]. Soil Sci. Soc. Am. J.，1979，43：461-467.

[11] 吳元芝，黃明斌. 基于 Hydrus-1D 模型的玉米根系吸水影響因素分析[J]. 農業(yè)工程學報，2011，27（增刊2）：66-73.

[12] 馬歡，楊大文，雷慧閩，等. Hydrus-1D 模型在田間水循環(huán)規(guī)律分析中的應用及改進[J]. 農業(yè)工程學報，2011，27（3）：6-12.

[13] SILVA Santos R S，MIRANDA J H，VAN Genuchten M T，et al. HYDRUS-1D Simulations of Potassium Transport in a Saline Tropical Soil[C]//American Society of Agricultural and Biological Engineers.American Society of Agricultural and Biological Engineers Annual International Meeting 2015. New Orleans：American Society of Agricultural and Biological Engineers， 2015：3027-3039.

[14] 郝遠遠，徐旭，任東陽，等. 河套灌區(qū)土壤水鹽和作物生長的 HYDRUS-EPIC 模型分布式模擬[J]. 農業(yè)工程學報，2015，31（11）：110-116.

[15] 管建慧，劉克禮，郭新宇. 玉米根系構型的研究進展[J]. 玉米科學，2006，14（6）：162-166.

[16] 李韻珠，胡克林.蒸發(fā)條件下黏土層對土壤水和溶質運移影響的模擬[J].土壤學報，2004，41（4）：493-502.

[17] 余根堅，黃介生，高占義. 基于HYDRUS模型不同灌水模式下土壤水鹽運移模擬[J].水利學報，2013，44（7）：826-834.

【責任編輯 許立新】