劉洪光，白振濤，李開(kāi)明

（1. 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子 832000；2. 石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石河子 832000）

0 引言

新疆地區(qū)在大面積推廣膜下滴灌技術(shù)之后，逐漸荒廢了原有的排水渠，形成了“滴灌無(wú)排”的模式[1-2]。該模式短期內(nèi)可以濕潤(rùn)根系層，使得根系層暫時(shí)脫鹽，但長(zhǎng)期會(huì)使新疆地區(qū)土壤次生鹽漬化加劇[3-4]。劉新永等[5]研究發(fā)現(xiàn)，棉花生育期結(jié)束后，0～60 cm土層鹽分都有增加，在膜間0～20 cm土層鹽分強(qiáng)烈累積。牟洪臣等[6]研究發(fā)現(xiàn)小定額灌溉不會(huì)產(chǎn)生深層滲漏，鹽分無(wú)法排除土體，大量的鹽分會(huì)在深層聚集。弋鵬飛等[7]研究發(fā)現(xiàn)土壤鹽分隨膜下滴灌使用年限增長(zhǎng)呈逐漸累積的趨勢(shì)，且累積的鹽分逐漸向地表遷移。膜下滴灌是局部灌溉，沒(méi)有深層滲漏，也不具備排鹽效果，使用膜下滴灌多年以后，鹽分連年累積，產(chǎn)量明顯下降，因此需要新的技術(shù)手段提高排鹽效率。

滴灌淋洗配套排水措施是非常有效的鹽堿地改良方法，排水措施主要有明溝排水、暗管排水和豎井排水等[8]，其中明溝排水和暗管排水最為常用。暗管排水與明溝排水相比，不僅具有占地少、零污染、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，而且滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)機(jī)械化、集約化發(fā)展趨勢(shì)，在新疆地區(qū)應(yīng)用的前景廣闊[9-10]。Talukolaee等[11]通過(guò)對(duì)伊朗北部1年生作物稻田多樣化的研究，發(fā)現(xiàn)地下排水系統(tǒng)通過(guò)影響土壤的飽和導(dǎo)水率和有效孔隙率來(lái)影響土壤結(jié)構(gòu)。徐友信等[12]在河北省沿海鹽堿區(qū)附近的地下埋下暗管進(jìn)行排水試驗(yàn)，結(jié)果表明，暗管排水能促進(jìn)鹽離子的浸出，埋設(shè)暗管區(qū)域的脫鹽率高于非埋設(shè)區(qū)域。此外，暗管排水不僅能有效控制地下水位[13-14]，降低土壤鹽分含量[15-16]，緩解沿海地區(qū)高水位引起的土壤鹽漬化問(wèn)題[17]，而且當(dāng)排水暗管間距小于或等于12 m時(shí)也可以提高土壤強(qiáng)度[18]。Li等[19]通過(guò)大田試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究干旱區(qū)膜下滴灌暗管排水土壤水鹽運(yùn)動(dòng)變化及脫鹽量，發(fā)現(xiàn)使用1 a后土壤表層脫鹽明顯，而農(nóng)田整體脫鹽不顯著。

研究地區(qū)不同，地下水埋深、土壤類(lèi)型、氣候、地形、作物的種植模式等條件不同，需要的暗管鋪方式、間距、深度以及淋洗壓鹽方案等指標(biāo)也會(huì)有所差異。在干旱區(qū)利用暗管排水可以有效地降低土壤中的鹽分，但是田間試驗(yàn)所需的面積大、投資費(fèi)用高、施工量大。和田間試驗(yàn)相比，利用數(shù)值模擬來(lái)獲取和驗(yàn)證這些信息將會(huì)更加便捷、有效。李顯溦等[20]利用HYDRUS-2D軟件對(duì)暗管排水的水鹽運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了校驗(yàn)，結(jié)果表明模擬值與實(shí)測(cè)值吻合度較高，可以較好地描述暗管排水、排鹽過(guò)程中的土壤水鹽動(dòng)態(tài)。李亮等[21]利用HYDRUS-2D模型對(duì)土壤水鹽的遷移進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明模型對(duì)土壤含水率和含鹽率運(yùn)移的模擬具有較高精度，反映出鹽分積聚和水分運(yùn)移規(guī)律。莫彥等[22]基于HYDRUS-2D構(gòu)建并驗(yàn)證了玉米地下滴灌開(kāi)溝播種模型，確定了適宜于此種模式的滴灌帶深埋、開(kāi)溝深度、灌水量等技術(shù)參數(shù)。數(shù)值模擬技術(shù)不僅可以根據(jù)不同土壤類(lèi)型和氣象條件等，對(duì)土壤水鹽運(yùn)移進(jìn)行模擬，研究土層內(nèi)水鹽的連續(xù)性變化規(guī)律，還可以預(yù)測(cè)未來(lái)土層內(nèi)水鹽的去向和動(dòng)態(tài)變化。

為了解決“有灌無(wú)排，土體積鹽”的問(wèn)題，本研究選擇地下水位季節(jié)性升高、土壤鹽漬化嚴(yán)重的新疆塔城地區(qū)122團(tuán)，通過(guò)2 a的持續(xù)監(jiān)測(cè)，研究在膜下滴灌條件下，暗管排水對(duì)鹽漬化棉田鹽分運(yùn)移產(chǎn)生的影響，并利用HYDRUS-2D模型對(duì)該鹽堿地農(nóng)田土壤鹽分運(yùn)移進(jìn)行模擬，分析鹽堿地棉花生育周期內(nèi)和秋季返鹽期間土壤鹽分變化情況，進(jìn)一步量化農(nóng)田土體的脫鹽情況，揭示暗管排水條件下膜下滴灌棉田土壤鹽分變化規(guī)律，旨在為西北內(nèi)陸干旱區(qū)暗管排鹽技術(shù)和膜下滴灌的推廣和應(yīng)用提供理論支撐和科學(xué)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師122團(tuán)，地理坐標(biāo)為44°37′～44°48′N(xiāo)，85°27′～85°41′E。試驗(yàn)區(qū)夏季炎熱，冬季寒冷，極端最高氣溫達(dá)43.1 ℃，極端最低氣溫達(dá)-42.3 ℃，9、10月份降溫迅速，晝夜溫差大，光熱資源豐富，年平均日照時(shí)數(shù)2861.6 h，年均降水量141.8 mm，年均潛在蒸發(fā)量1826.2 mm。試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)平坦，鹽堿化現(xiàn)象嚴(yán)重，土壤質(zhì)地基本屬于砂壤土。試驗(yàn)區(qū)氣候干燥和蒸發(fā)強(qiáng)烈，由于灌溉不當(dāng)、排水不暢，引起地下水位上升，土壤母質(zhì)和地下水中所含的鹽分隨著土壤中毛細(xì)水的上升而集聚在地表，導(dǎo)致該地區(qū)土壤次生鹽漬化嚴(yán)重。試驗(yàn)區(qū)的土壤初始含鹽量基本上在10 g/kg以上，按新疆鹽堿土分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[23]，屬于重度鹽化土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在大田中埋設(shè)暗管，暗管內(nèi)徑為70 mm，埋深為2.2 m，間距為48 m，與地表平行。灌溉水取自瑪納斯河西岸大渠，試驗(yàn)區(qū)與大渠之間有一條隔水溝，其作用是降低地下水位，減緩大渠對(duì)試驗(yàn)區(qū)地下水位的影響，研究區(qū)運(yùn)用暗管排水系統(tǒng)，暗管排出的水匯流到集水溝，研究區(qū)剖面圖見(jiàn)圖1。在研究區(qū)使用單翼迷宮型滴灌帶進(jìn)行滴灌，滴頭流速為3.2 L/h，滴灌模式為一膜兩管六行，地膜厚度為0.015 mm，寬度為2 m，膜間距為40 cm，如圖2所示。本試驗(yàn)種植作物為棉花，品種為創(chuàng)雜100號(hào)，采用膜下滴灌，作物系數(shù)采用FAO-56建議的棉花標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)毓喔冉?jīng)驗(yàn)確定灌溉制度，如表1所示。第1年2013年4月15日播種，9月30日收獲，第2年2014年4月10日播種，9月20日收獲。

1.3 測(cè)試指標(biāo)及方法

考慮灌溉周期與作物生育期，取樣時(shí)間分別設(shè)定為2013年5月25日（苗期）、2013年7月20日（花期）、2013年9月30日（吐絮期）、2014年5月20日（苗期）、2014年7月25日（花期）和2014年9月20日（吐絮期）。為了研究排鹽效果隨距暗管距離的變化情況，在研究區(qū)棉田地塊中間選取3個(gè)水平距離（分別為垂直于暗管上方8、16、24 m處）和10個(gè)土層深度（分別為0～20、20～40、40～60 、60～80、80～100、100～120、120～140、140～160、160～180和180～200 cm）設(shè)置取樣點(diǎn)，為盡量消除試驗(yàn)誤差，每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)，3個(gè)重復(fù)之間的水平距離為3 m，試驗(yàn)結(jié)束后取3組試驗(yàn)結(jié)果的平均值，取樣點(diǎn)均在覆膜處。

將取回的土樣按1∶5的土水比配置溶液，使用雷磁DDS-11A型數(shù)顯電導(dǎo)率儀（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）測(cè)定土壤樣品浸提液的電導(dǎo)率EC（Electrical Conductivity，mS/cm），其中土壤浸提液電導(dǎo)率與土壤含鹽量之間的關(guān)系為

式中Q為土壤含鹽量，g/kg；EC1:5為土壤浸提液的電導(dǎo)率，mS/cm。

土壤脫鹽率[24]為土壤鹽分初始值與土壤鹽分終值的差值與土壤鹽分初始值之比。

新疆冬季積雪于4月上旬融化，上層土壤基本處于飽和狀態(tài)。根據(jù)布置在研究區(qū)南側(cè)和北側(cè)的觀(guān)測(cè)井觀(guān)測(cè)，研究區(qū)地下水位深度在灌溉季節(jié)（4—10月）的波動(dòng)范圍是1.75～2.10 m，非灌溉季節(jié)地下水位深度均在2.20 m以下，如表2所示。2013和2014年分別對(duì)暗管排水、觀(guān)測(cè)井中地下水和西岸大渠中灌溉水取樣各3次，每次取3瓶，每瓶500 mL，并采用烘干法測(cè)定礦化度，取平均值，其中地下水取樣深度取決于地下水位高度。2013年4月15日播種后，采集各采樣點(diǎn)的初始鹽含量，為簡(jiǎn)化模型的初始條件，計(jì)算和測(cè)定各土層的平均含鹽量和初始含水率（表 3）。建立HYDRUS-2D模型模擬棉花生育期的鹽分遷移和秋季返鹽期鹽分遷移，鹽分模擬值通過(guò)0～200 cm土層土壤剖面鹽分實(shí)測(cè)值進(jìn)行驗(yàn)證。

1.4 HYDRUS-2D模型基本方程原理

HYDRUS-2D[25]是用來(lái)模擬二維飽和-非飽和介質(zhì)中水、熱及溶質(zhì)運(yùn)移的軟件，在軟件中有不同的水分運(yùn)動(dòng)方程、植物根系作用方程、土壤介質(zhì)的水力參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)可供選擇，符合本研究數(shù)值模擬參數(shù)選擇要求。

表1 2013—2014年試驗(yàn)區(qū)灌溉制度 Table 1 Irrigation system of experiment area in 2013—2014

表3 各土層初始含鹽量和初始含水率 Table 3 Initial salt content and water content of each soil layer

1.4.1 數(shù)學(xué)模型

1）土壤水分運(yùn)動(dòng)模型

膜下滴灌是點(diǎn)源入滲，暗管排水時(shí)土壤水鹽運(yùn)移屬于三維運(yùn)動(dòng)入滲問(wèn)題，但其運(yùn)動(dòng)模式可簡(jiǎn)化為二維問(wèn)題來(lái)解決[26]。根據(jù)達(dá)西定律和質(zhì)量守恒定律[27]，假定土壤均勻和各向同性，不考慮空氣、溫度及土壤水分滯后效應(yīng)對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)的影響，考慮作物根系吸水，此時(shí)土壤水分運(yùn)動(dòng)可用Richards方程[28]表示為

式中θ(h)為土壤體積含水率，cm3/cm3；h為壓力水頭，cm；K(h)為土壤非飽和導(dǎo)水率，cm/d；t為時(shí)間，d；x為橫向坐標(biāo)，z為垂向坐標(biāo)，規(guī)定z向下為正；S(h)為源匯項(xiàng)，此處表示根系吸水率，即根系在單位時(shí)間內(nèi)由單位體積土壤中所吸收水分的體積，cm3/(cm3·d)，其具體表示為[29]

式中Sp為α(h)=1時(shí)無(wú)水分脅迫周期內(nèi)的吸水率，α(h)是植物根系吸水的無(wú)量綱響應(yīng)函數(shù)[28-30]，定義為

式中h1為作物根系吸水厭氧基質(zhì)勢(shì)值，cm；h2為土壤初始基質(zhì)勢(shì)值，cm；h3為土壤末態(tài)基質(zhì)勢(shì)值，cm；h4為根系凋萎時(shí)土壤基質(zhì)勢(shì)值，cm。式（2）中涉及到θ(h)、h、K(h)三者之間的關(guān)系，模擬中采用van Genuchten-Mualem模型[30]擬合，即

式中Ks為土壤飽和導(dǎo)水率，cm/d；Se為相對(duì)飽和系數(shù)，無(wú)量綱；θr為土壤剩余體積含水率，cm3/cm3；θs為土壤飽和體積含水率，cm3/cm3；α、n、m均為土壤物理特性有關(guān)的擬合參數(shù)，α為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，cm-1；n是曲線(xiàn)形狀參數(shù)，n＞1；m=1?1/n；l為形狀系數(shù)。

軟件模擬的是膜下滴灌，棉花生育期降水量很小，故忽略降水對(duì)水鹽鹽分運(yùn)移的影響。土壤容重采用環(huán)刀取原狀土測(cè)定，根據(jù)在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)0～300 cm土層測(cè)得土壤中黏粒、粉粒和砂粒的平均含量，經(jīng)RETC軟件擬合，其土壤水力特性參數(shù)：土壤容重r取1.51 g/cm3，Ks取106.1 cm/d，θr取0.065 cm3/cm3，θs取0.41 cm3/cm3，α取0.075 cm-1，n取1.89，l取0.5。

2）土壤溶質(zhì)運(yùn)移模型

在研究中，使用土壤溶質(zhì)穿透曲線(xiàn)來(lái)推導(dǎo)水動(dòng)力彌散系數(shù)，它是反映溶質(zhì)在非飽和土壤中運(yùn)移的基本曲線(xiàn)。將風(fēng)干土樣裝入土柱中，控制容重，用示蹤劑連續(xù)恒定注入土壤中，然后根據(jù)示蹤劑溶質(zhì)在土壤中運(yùn)移時(shí)通過(guò)某截面的相對(duì)濃度與時(shí)間或體積的關(guān)系繪制曲線(xiàn)。本試驗(yàn)使用氯化鈉溶液作為示蹤劑。為了獲得實(shí)測(cè)值與模擬值之間的最佳擬合，在土壤穿透曲線(xiàn)的基礎(chǔ)上對(duì)修正后的水動(dòng)力彌散系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得出修正后的水動(dòng)力彌散系數(shù)，其中溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)縱向彌散度為21 cm，橫向彌散度為4.5 cm。在均勻介質(zhì)中，用可控的對(duì)流彌散方程模擬非反應(yīng)離子運(yùn)移[29]，其公式為

式中c為溶質(zhì)濃度，g/cm3；qi為入滲率，cm/d；Dij為彌散系數(shù)，cm2/d；下標(biāo)i，j表示x，z軸坐標(biāo)；Cs為匯項(xiàng)鹽分含量，g/L。

3）根系吸水模型

鹽度脅迫響應(yīng)函數(shù)采用乘法模型中的閾值模型，并在HYDRUS數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇與棉花相對(duì)應(yīng)的閾值和斜率值。棉花根系吸水參數(shù)取值情況：土體空隙被水完全充滿(mǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的負(fù)壓值（P0）取-10 cm；土壤毛管上升水達(dá)到最大量時(shí)對(duì)應(yīng)的負(fù)壓值（Popt）取-25 cm；土壤毛管水因地表蒸發(fā)和作物吸收發(fā)生斷裂時(shí)對(duì)應(yīng)的極限高負(fù)壓值（P2H）取-200 cm；土壤毛管水因地表蒸發(fā)和作物吸收發(fā)生斷裂時(shí)對(duì)應(yīng)的極限低負(fù)壓值（P2L）取-600 cm；作物產(chǎn)生永久凋萎時(shí)對(duì)應(yīng)的負(fù)壓值（P3）取-14000 cm；最大根系深度取60 cm；最大根系深度取25 cm；最小滲透壓頭（鹽度閾值）值取15.4 cm，高于該值時(shí)根系水分的吸收不會(huì)降低；斜率取2.6，為確定分根曲線(xiàn)的斜率，鹽度每增加1個(gè)單位，其吸水量就下降到閾值以下。

采用修正的Feddes模型[31]，公式如下：

式中α(h, hφ,x,z)為土壤水鹽脅迫函數(shù)；hφ為滲透壓力，cm；b(x, z)為根系分布函數(shù)，cm-2；St為與蒸騰關(guān)聯(lián)的地表長(zhǎng)度，cm；Tp為潛在蒸發(fā)速率，cm/d。

4）參考作物蒸發(fā)蒸騰量

參考作物蒸發(fā)蒸騰量按照Penman-Monteith公式[19]計(jì)算，數(shù)據(jù)來(lái)源為當(dāng)?shù)貧庀笳镜臍庀髷?shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。潛在蒸發(fā)量和潛在蒸騰量計(jì)算公式[19]為

式中ETp為潛在蒸發(fā)蒸騰速率，cm/d；Kc為棉花的作物系數(shù)；ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，cm/d；Ep為潛在蒸發(fā)速率，cm/d；Tp為潛在蒸騰速率，cm/d；Δ為飽和水汽壓溫度曲線(xiàn)上的斜率，kPa/℃；Rn為凈太陽(yáng)輻射，MJ/m2；L為水汽化的潛熱，MJ/kg；γ為濕度常數(shù)，kPa/℃；LAI為葉面積指數(shù)。

1.4.2 初始條件

以2根暗管中心線(xiàn)為軸，左右呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)，為了減少模型運(yùn)算可以簡(jiǎn)化模型，將試驗(yàn)區(qū)域以2根暗管中心線(xiàn)進(jìn)行劃分，對(duì)其左側(cè)進(jìn)行模擬，模擬區(qū)域以及邊界條件見(jiàn)圖4。模擬計(jì)算區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)（水平方向）2470 cm、寬（垂直方向）300 cm的矩形。模型模擬地下0～200 cm深度范圍土壤鹽分變化特征，按照土壤初始含鹽量和初始含水率進(jìn)行分層。模擬時(shí)間從2013年4月20日至2014年12月1日，共建立4個(gè)數(shù)值模型，分別模擬2013和2014年的灌溉期（2013年4月20日—2013年9月30日、2014年4月20日—2014年9月20日）和秋季返鹽期（2013年10月1日—2014年4月9日、2014年9月21日—2014年12月1日），模擬時(shí)長(zhǎng)共計(jì)590 d，前1個(gè)階段的模擬結(jié)果按節(jié)點(diǎn)逐個(gè)賦值為下1個(gè)階段的初始輸入條件，采用變時(shí)間步長(zhǎng)剖分方式，根據(jù)收斂迭代次數(shù)調(diào)整時(shí)間步長(zhǎng)[32]。模擬結(jié)束，將4次模擬的數(shù)據(jù)整合在一起來(lái)分析灌溉期和秋季返鹽期的鹽分變化規(guī)律。

1）水分運(yùn)動(dòng)初始條件

式中θ′(x, z,0)為土壤初始含水率，cm3/cm3；X為暗管到模型右邊界間距，cm；Z為地面到模型下邊界的距離，cm。

圖4為研究區(qū)模型邊界示意圖。灌溉期模型土壤初始邊界條件為：模型的上邊界條件由膜下滴灌覆膜區(qū)、滴頭區(qū)和膜間裸地組成，覆膜區(qū)為零通量邊界；膜間裸地為大氣邊界；在二維垂直水流運(yùn)動(dòng)下，滴頭流量造成的通量變化可視為變通量邊界；暗管管壁有微孔，表面并包裹有濾料和土工織布，可視為滲流面邊界；左、右邊界為零通量邊界；研究區(qū)模型下邊界遠(yuǎn)低于地下水位，研究區(qū)地下水穩(wěn)定，視為模型下邊界與地下水基本不發(fā)生水量交換和溶質(zhì)運(yùn)移，下邊界可視為零通量邊界。

秋季返鹽期模型土壤初始邊界條件為：模型的上邊界條件為大氣邊界，降水量和灌水量設(shè)為0，在裸土條件下進(jìn)行模擬；其余邊界條件同灌溉期模型邊界條件。在膜下和膜間分別設(shè)置觀(guān)測(cè)點(diǎn)，用土壤鹽分平均值的變化來(lái)表示整個(gè)模擬區(qū)總鹽分的變化。

2）溶質(zhì)運(yùn)移初始條件

式中C0為土壤初始含鹽量，g/kg。

溶質(zhì)運(yùn)移邊界條件與水分運(yùn)動(dòng)邊界條件相對(duì)應(yīng)，滴頭處、暗管邊壁處同為第三類(lèi)邊界條件。

1.4.3 模型檢驗(yàn)

利用SPSS軟件對(duì)重復(fù)取樣實(shí)測(cè)值進(jìn)行最小顯著性差異方法（Least Significant Difference，LSD）分析，利用均方根誤差（Root Mean Squared Error，RMSE）和納什效率系數(shù)（Nash-Sutcliffe Efficiency Coefficient，NSE）驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性[33]，RMSE越接近0，NSE越接近1，表示模擬值與實(shí)測(cè)值差異越小，兩者吻合越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

利用最小顯著性差異方法計(jì)算得到的重復(fù)取樣的樣本數(shù)據(jù)P值均大于0.05，說(shuō)明土壤的實(shí)測(cè)值均無(wú)顯著性差異，一致性較好。由圖5可知，2014年根系層土壤含鹽量降低到11 g/kg左右，與初始含鹽量相比顯著下降，出苗率明顯提高。與初始鹽含量相比，在0～80 cm的深度范圍內(nèi)，土壤鹽分下降明顯，隨著土壤深度的增加，土壤鹽分含量減少的速率呈逐漸下降的趨勢(shì)，在100～120 cm的深度范圍內(nèi)，隨著土壤深度的增加，土壤含鹽量呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律。土壤鹽分含量峰值伴隨棉花生育期過(guò)程逐漸向下遷移，最終從100～120 cm的土層深度遷移至140～160 cm的土層深度。這表明，鹽分隨著灌溉水向下運(yùn)移，上層土壤鹽分不斷被淋洗，上層土壤處于脫鹽狀態(tài)，并在下層土壤一定深度處聚集。

暗管排水水樣平均礦化度為90.6 g/L，觀(guān)測(cè)井中地下水和西岸大渠中灌溉水的水樣礦化度分別為10.3和0.96 g/L，均遠(yuǎn)低于暗管排出水樣的含鹽量，這說(shuō)明暗管排出的鹽分絕大部分來(lái)自于土體。灌溉期灌水后地下水位上升至暗管以上，灌溉水與地下水在暗管上方形成匯流流入暗管，上層淋洗到下層的鹽分也隨之排出暗管，說(shuō)明膜下滴灌與暗管排水對(duì)鹽堿化土壤的改良具有良好的協(xié)同作用。

2.2 HYDRUS-2D模型驗(yàn)證結(jié)果分析

圖6為0～200 cm深度范圍距離暗管不同間距處各剖面土壤鹽分模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比情況，由圖6可知，在0～40 cm土層范圍內(nèi)，土壤鹽分模擬值大多數(shù)略小于實(shí)測(cè)值，尤其在圖6a的模擬結(jié)果對(duì)比中尤為明顯。這可能是由于土壤上表層電導(dǎo)率受實(shí)際外界因素影響明顯，而模型構(gòu)建過(guò)程中的邊界情況與實(shí)際邊界情況存在細(xì)微差異，實(shí)際情況中的蒸發(fā)蒸騰等邊界條件比模型中所構(gòu)建的要復(fù)雜，這些差異對(duì)土壤電導(dǎo)率會(huì)產(chǎn)生一定影響。

在140～200 cm土層范圍內(nèi)，土壤鹽分模擬值大多數(shù)略大于實(shí)測(cè)值，尤其在圖6d和圖6h的模擬結(jié)果對(duì)比中尤為明顯。這可能是因?yàn)橥寥廊苜|(zhì)運(yùn)移過(guò)程本身比較復(fù)雜，溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)與儀器所測(cè)電導(dǎo)率的精確程度都會(huì)帶來(lái)實(shí)測(cè)值與模擬誤差。但是從RMSE和NSE值總體來(lái)看，模擬值與實(shí)測(cè)值兩者差異不大且變化趨勢(shì)一致，吻合性較好。

在0～80 cm深度范圍內(nèi)，隨著生育期的推進(jìn)，土壤鹽分含量明顯下降；80～200 cm深度范圍內(nèi)，隨著土層深度的增加，土壤鹽分含量的總體呈下降趨勢(shì)，但由于初始含鹽量的影響，最終形成上層和下層土壤含鹽量較少，中間含鹽量較大的分布情況。這是因?yàn)楣嗨笸寥郎蠈拥柠}分會(huì)隨著水流運(yùn)動(dòng)向下遷移，隨著土壤深度的增加鹽分運(yùn)移對(duì)土壤含鹽量變化的影響程度會(huì)變小。土壤鹽分含量峰值伴隨灌溉時(shí)間的增加逐漸向下遷移，從100～120 cm的土層深度遷移至140～160 cm的土層深度，模擬值與實(shí)測(cè)值吻合度較好。

在水平方向上，距離暗管越遠(yuǎn)，土壤脫鹽率越小，不同距離的含鹽量模擬精度的均方根誤差RMSE和納什效率系數(shù)NSE范圍分別為0.39～1.26 g/kg和0.66～0.97，個(gè)別模擬值變異程度較大，其他模擬結(jié)果的變異程度不是很大，說(shuō)明各個(gè)距離的土壤鹽分實(shí)測(cè)值與模擬值差異不大，模型在模擬土壤的鹽分分布時(shí)具有較高的精度，參數(shù)較可靠，滿(mǎn)足模擬精度要求。模擬值與實(shí)測(cè)值擬合結(jié)果較為理想，較好地反映出了土壤鹽分在試驗(yàn)期內(nèi)的變化規(guī)律，模擬結(jié)果可靠。

3 模型應(yīng)用

應(yīng)用經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)值與模擬值修正參數(shù)后的膜下滴灌棉田暗管排鹽模型分別對(duì)2013和2014年的灌溉期和秋季返鹽期土壤鹽分運(yùn)移進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間序列的模擬計(jì)算，共進(jìn)行4個(gè)階段為期590 d的模擬，以研究土壤鹽分隨時(shí)間的連續(xù)動(dòng)態(tài)變化。

3.1 0～80 cm土層土壤含鹽量分析

圖7是在模擬區(qū)以膜下為取樣點(diǎn)表示距離暗管不同位置處0～80 cm土層內(nèi)鹽分含量變化曲線(xiàn)。由圖7可知，2013和2014年棉花生育期內(nèi)根系層鹽分含量呈下降趨勢(shì)，脫鹽量隨土層深度的增加而減小。與初始含鹽量相比，2013和2014年棉花生育期末表層0 cm處鹽分分別平均下降了66.66%和69.41%，20 cm處鹽分分別平均下降了50.85%和64.31%，40 cm處鹽分分別平均下降了42.31%和59.60%，60 cm處鹽分分別平均下降了26.52%和47.96%，80 cm處鹽分分別平均下降了7.13%和28.24%，0～80 cm土層膜下平均脫鹽率分別達(dá)到了41.11%和55.56%。灌水間歇期在蒸發(fā)、施肥及根系吸水作用影響下，上層土壤鹽分有小幅波動(dòng)上移變化特點(diǎn)，但由于地膜覆蓋鹽分隨水分上移受到抑制，土壤水分僅在膜間裸地一定范圍內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，鹽分隨水分進(jìn)入根區(qū)總量相對(duì)有限，因此在整個(gè)生育期灌溉制度周期性灌水作用下，土壤鹽分總量呈降低趨勢(shì)。

9月下旬灌水停止，去除地膜后，在蒸發(fā)作用下鹽分逐漸由深層向上不斷遷移一部分，使得土壤表層0～20 cm土層內(nèi)鹽分含量迅速上升，40～80 cm土層內(nèi)鹽分沒(méi)有明顯變化（從圖7中的第160天到第220天和第530天到第590天）。距暗管16和24 m處的0 cm表層土壤鹽分增加量明顯高于8 m處；距24 m處的20 cm土層土壤鹽分增加量明顯高于8 m和16 m處。與距暗管8 m和16 m處0～20 cm土層土壤鹽分升高情況相比，24 m（兩暗管中間位置）處明顯高于前二者，這可能是由于距暗管較遠(yuǎn)，脫鹽效果有所減弱，該處土壤中的鹽分含量較高，在蒸發(fā)的作用下，鹽分向表層運(yùn)移與聚集。

3.2 0～80 cm土層膜下和膜間整體脫鹽率分析

分別在數(shù)值模型區(qū)域的膜下和膜間設(shè)置取樣點(diǎn)，取各層土壤鹽分的平均值，計(jì)算0～80 cm土層范圍內(nèi)距離暗管0～8、8～16、16～24 m的土體（膜下和膜間）平均含鹽量和土體脫鹽率（與初始含鹽量相比），見(jiàn)表4和表5。由表5可知，在0～80 cm土層范圍內(nèi)，2013年吐絮期土體脫鹽率分別為15.70%、13.83%、12.62%；凍土形成前土體脫鹽率分別為8.90%、4.71%、3.03%；2014年吐絮期土體脫鹽率分別為22.41%、16.88%、14.35%；凍土形成土體脫鹽率分別為16.81%、8.37%、5.27%。與初始含鹽量相比，2013和2014年棉花生育期末膜下及膜間0～80 cm土層整體平均脫鹽率分別達(dá)到了14.05%和17.88%，秋季返鹽后脫鹽率分別達(dá)到了5.55%和10.15%，秋季返鹽明顯。在棉花生育期內(nèi)，0～80 cm深度范圍內(nèi)隨著灌溉次數(shù)的增加，土壤鹽分向下淋洗，土體鹽分逐漸降低，土體脫鹽率是逐漸減少的，前期脫鹽的速率遠(yuǎn)大于后期，隨著距暗管距離的增加，土體脫鹽率有減小的趨勢(shì)。這說(shuō)明脫鹽主要發(fā)生在灌水洗鹽階段，且距暗管的距離越近脫鹽效果越好。秋季返鹽階段，0～80 cm深度范圍內(nèi)土體鹽分逐漸增加，0～8 m土體鹽分增加的程度小于8～16 m和16～24 m土體鹽分增加的程度。

表4 模擬區(qū)0～80 cm和0～200 cm土層平均含鹽量 Table 4 Average salt content of 0-80 cm and 0-200 cm soil layers in simulation area

3.3 0～200 cm土層整體脫鹽率分析

由表5可知，經(jīng)過(guò)秋季返鹽階段后，土體含鹽量仍然表現(xiàn)呈減少趨勢(shì)，暗管發(fā)揮出了排鹽的效果。2013年凍土形成前（11月27日）與初始含鹽量相比，0～200 cm深度范圍內(nèi)土體脫鹽率分別為2.97%、2.44%、2.32%（0～8、8～16、16～24 m）。2014年凍土形成前（11月28日）與初始含鹽量相比，土體脫鹽率分別為5.71%、4.64%、4.52%（0～8、8～16、16～24 m）。0～8 m土體內(nèi)脫鹽率顯著高于8～16 m和16～24 m土體，三者間差異均達(dá)到顯著水平。與初始含鹽量相比，2013和2014年棉花生育期末0～200 cm深度范圍內(nèi)整體平均脫鹽率分別達(dá)到了2.26%和4.85%，秋季返鹽后0～200 cm深度范圍內(nèi)土體平均脫鹽率分別為2.58%和4.96%。

表5 模擬區(qū)0～80和0～200 cm土層平均脫鹽率 Table 5 Average desalination rate of 0-80 and 0-200 cm soil layer in simulation area

4 討論

潘延鑫等[34-38]進(jìn)行鹽堿地膜下滴灌研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灌水定額足夠大時(shí)，由于上層土壤鹽分隨著灌溉水向下遷移，在土壤濕潤(rùn)鋒處的含鹽量增大的同時(shí)，上層土壤含鹽量也在減小。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在棉花的生育期內(nèi)，灌水后上層鹽分會(huì)向下遷移，伴隨著棉花生育期的過(guò)程，土壤鹽分含量峰值也逐漸向下遷移，最終由100～120 cm遷移到140～160 cm土層深度內(nèi)。這是因?yàn)楦材ひ种屏苏舭l(fā)，農(nóng)田土壤水分向上運(yùn)動(dòng)由原來(lái)的棵間蒸發(fā)和植株蒸騰2個(gè)渠道變成了植株蒸騰單一渠道，因此水分向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)大大減少。Li等[39-40]在進(jìn)行月季的滴灌試驗(yàn)以及濱海鹽漬化土壤滴灌試驗(yàn)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤鹽分在生育期階段鹽分降低，但是后期返鹽明顯。這與本研究結(jié)果類(lèi)似，但不同之處在于，本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在灌水結(jié)束去除地膜后，土壤表層0～20 cm土層內(nèi)鹽分含量迅速上升，40～80 cm土層內(nèi)鹽分沒(méi)有明顯變化，下層土壤鹽分未向上明顯遷移。這是因?yàn)殡m然研究區(qū)地處蒸發(fā)強(qiáng)烈的西北干旱區(qū)，土壤鹽分易向土體表面聚集，但排水系統(tǒng)的存在使農(nóng)田水分向下運(yùn)動(dòng)有了通道，且暗管排水控制地下水位，根系層土壤未受到地下水頂托作用，所以農(nóng)田水分整體運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)是向下的，下層鹽分向上運(yùn)動(dòng)受到抑制。

采用暗管排水的措施可以有效控制地下水位，排走土體鹽分。張金龍等[41]通過(guò)漫灌淋洗暗管排水表明，暗管埋深1.2 m處，淋洗43d后0～30 cm土層脫鹽率在74.8%～95.4%之間。Wang等[42]基于不同暗管埋深和管徑進(jìn)行田間灌溉排水試驗(yàn)，結(jié)果表明暗管0.6 m埋深脫鹽效果優(yōu)于1.0、1.4 m埋深，平均脫鹽率達(dá)到了57.04%。與以上研究有所差異，本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，2013和2014年棉花生育期與2013年初始含鹽量相比，在0～80 cm土層范圍內(nèi)，膜下平均脫鹽率分別達(dá)到了41.11%和55.56%，膜下及膜間整體平均脫鹽率分別達(dá)到了14.05%和17.88%，一方面是因?yàn)檠芯客翆由疃炔煌?，土壤脫鹽率會(huì)隨著土層深度的增加而降低，說(shuō)明土壤鹽分在向下運(yùn)移；另一方面是因?yàn)榘倒苈裆畈煌?，暗管淺埋會(huì)增加暗管以上土層的脫鹽效率，但鹽分并未完全被暗管排走，更大一部分被淋洗至暗管以下土層。另外，暗管間距、暗管埋深型和作物種植模式等指標(biāo)[13,43-44]也會(huì)影響各土層的脫鹽率。

不同區(qū)域土壤脫鹽率與距暗管的距離成負(fù)相關(guān)。距暗管越近，排鹽速率越快，距暗管越遠(yuǎn)，排鹽速率相對(duì)減慢[45-46]。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，距離暗管0～8 m土壤平均脫鹽率顯著高于8～16 m和16～24 m土壤平均脫鹽率，但后兩者的差別較小，形成了距暗管近的區(qū)域鹽分少，距暗管遠(yuǎn)的區(qū)域鹽分多的狀況。但依據(jù)溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律及鹽分平衡原理，農(nóng)田中的鹽分會(huì)隨著時(shí)間的推移由鹽分多的區(qū)域向鹽分少的區(qū)域運(yùn)移，從而形成了土壤鹽分整體下降、根系層鹽分下降更加明顯的結(jié)果。2013和2014年秋季返鹽后與2013年初始含鹽量相比，0～80 cm土體鹽分分別平均下降了5.55%和10.15%，0～200 cm深度范圍內(nèi)土體鹽分分別平均下降了2.58%和4.96%，這進(jìn)一步說(shuō)明了灌水后大部分鹽分被淋洗到土壤下層，一部分滯留在土壤中，一部分溶解于地下水被暗管排走，但長(zhǎng)期使用該模式土體含鹽量將會(huì)持續(xù)降低[47]。

5 結(jié)論

基于HYDRUS-2D模型建立了暗管排水條件下膜下滴灌棉田土壤鹽分變化的數(shù)學(xué)模型，比較了HYDRUS-2D模擬結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo)均方根誤差RMSE和納什效率系數(shù)NSE驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可靠性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)0～80 cm土層內(nèi)鹽分隨時(shí)間的變化、根系層土壤脫鹽率以及0～200 cm土層脫鹽率進(jìn)行模擬分析。得出以下結(jié)論：

1）膜下滴灌技術(shù)與暗管排水相結(jié)合，使土壤根系層脫鹽效果顯著。利用HYDRUS軟件得到的模擬值與實(shí)測(cè)值吻合度較高，含鹽量均方根誤差RMSE和納什效率系數(shù)NSE范圍分別為0.39～1.26 g/kg和0.66～0.97，均在可接受范圍內(nèi)。

2）暗管排水和膜下滴灌條件下，2013和2014年棉花生育期末與2013年初始含鹽量相比，根系層土壤脫鹽明顯。在膜下，0～80 cm土層平均脫鹽率分別達(dá)到了41.11%和55.56%；膜下及膜間，0～80 cm土層平均脫鹽率分別達(dá)到了14.05%和17.88%。

3）2013和2014年秋季返鹽后土壤含鹽量與2013年初始含鹽量相比，0～80 cm土體鹽分分別平均下降了5.55%和10.15%；0～200 cm土體鹽分分別平均下降了2.58%和4.96%，說(shuō)明暗管控制條件下，使用滴灌淋洗和暗管排鹽的模式，土體內(nèi)的鹽分總量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。