丁運(yùn)韜，程 煜，張?bào)w彬，姬祥祥，喬若楠，馮 浩

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水研究院，陜西 楊凌 712100；4.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

河套灌區(qū)是我國最大的一首制灌區(qū)，玉米是灌區(qū)主要的糧食作物之一。保障河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展對(duì)我國旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)甚至全國糧食安全意義重大。如今灌區(qū)內(nèi)的灌水方式基本為地面灌溉，田間灌溉水利用效率低，并且灌溉水大量回補(bǔ)地下水[1]，導(dǎo)致灌區(qū)地下水埋深淺，加之蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤鹽漬化日益嚴(yán)重。

一般而言，地下水埋深較淺使得作物根層和深層土壤水分交互頻繁，可以在一定程度上影響根系吸水和作物生長。有研究指出，在3—11月作物生長季河套灌區(qū)平均地下水埋深在1.5～2.5 m之間，地下水位受灌溉影響而季節(jié)性波動(dòng)。特別是在10—11月份進(jìn)行引黃秋澆后，地下水位顯著抬升，灌區(qū)平均地下水埋深1.5 m[2]。根據(jù)楊建鋒[3]等人的研究結(jié)果，在地下水埋深0.7～1.3 m條件下，地下水對(duì)玉米耗水量貢獻(xiàn)率為15.7%。此外，Huo等[4]在2012年利用控制實(shí)驗(yàn)裝置模擬不同地下水埋深，指出在地下水埋深為1.5 m時(shí)地下水貢獻(xiàn)量占小麥全生育期耗水總量的29%。河套灌區(qū)地下水埋深受灌溉的影響在作物生育期波動(dòng)明顯，使得深層土壤水與上層根區(qū)的交互過程復(fù)雜，難以量化。而HYDRUS作為一款模擬變量飽和度情況下多孔介質(zhì)中的水分和溶質(zhì)運(yùn)移的軟件，可以較為準(zhǔn)確地模擬非飽和帶土壤水分運(yùn)動(dòng)狀況及作物根系水系。2008年李亮[5]采用HYDRUS-2D 模型對(duì)河套灌區(qū)典型區(qū)1 m深度內(nèi)的土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，揭示了鹽漬化地區(qū)耕地-荒地間的水分運(yùn)移機(jī)理，為河套灌區(qū)鹽漬化土壤改良和節(jié)水灌溉提供了理論基礎(chǔ)；2015年郝遠(yuǎn)遠(yuǎn)等[6]采用分布式的HYDRUS-EPIC模型評(píng)估了河套灌區(qū)解放閘灌域4 m深度內(nèi)的土壤水鹽動(dòng)態(tài)和作物生長空間分布特征，為評(píng)估區(qū)域尺度土壤水鹽與作物生長狀況提供有效工具。前人研究證明了HYDRUS模型在河套灌區(qū)土壤水分運(yùn)移和利用方面研究的可行性和重要性，但農(nóng)田根層和深層土壤水分交換和根系吸水過程與土壤條件、種植作物、灌溉方式等密切相關(guān)，要想更加明確其中過程機(jī)理，還需要針對(duì)具體灌溉方式和作物種類開展研究。

近年來，隨著河套灌區(qū)土壤鹽漬化嚴(yán)重和引黃配額的減少，發(fā)展節(jié)水灌溉成為灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。滴灌可以明顯提高水分利用效率和作物產(chǎn)量[7]，與覆膜栽培結(jié)合之后的膜下滴灌技術(shù)在鹽堿化治理和節(jié)水方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，已在包括我國在內(nèi)的干旱、半干旱地區(qū)得到大面積應(yīng)用。因此，近幾年前人在河套灌區(qū)逐步開展了一系列的膜下滴灌方面的研究工作，其中除部分研究關(guān)注的是經(jīng)濟(jì)效益較高的加工番茄[8-9]之外，玉米作為灌區(qū)內(nèi)最主要的糧食作物，其膜下滴灌方面的研究成果主要集中在耗水規(guī)律[10]、水分生產(chǎn)率[11-12]、作物系數(shù)[13]、根系分布[14]等方面，而對(duì)于膜下滴灌玉米根系下深層土壤水分動(dòng)態(tài)、地下水對(duì)作物吸水補(bǔ)給效應(yīng)等方面的研究相對(duì)較少；另外，通過控制土壤基質(zhì)勢(shì)下限可以指導(dǎo)膜下滴灌，更易于膜下滴灌技術(shù)的推廣，該技術(shù)在河套灌區(qū)也已進(jìn)行了一些研究[10,15]，得到了不同基質(zhì)勢(shì)水平膜下滴灌條件下根層土壤水鹽運(yùn)移特征和作物響應(yīng)，但對(duì)于該條件下深層土壤水分交換和根系吸水方面的研究未見報(bào)道。

為此，本研究在河套灌區(qū)開展了連續(xù)2 a的田間試驗(yàn)，設(shè)置不同膜下滴灌制度處理，利用HYDRUS-2D模型重點(diǎn)模擬玉米農(nóng)田深層土壤水分動(dòng)態(tài)和根系吸水差異，旨在探究膜下滴灌下玉米農(nóng)田根層和深層土壤水分的補(bǔ)給過程及作物生長的響應(yīng)，以期進(jìn)一步完善膜下滴灌水分運(yùn)移理論，促進(jìn)膜下滴灌技術(shù)在河套灌區(qū)的推廣。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

田間試驗(yàn)于2017年和2018年春玉米生長季(5—9月)在河套灌區(qū)曙光試驗(yàn)站(40°46′N，107°24′E，海拔1 039 m)進(jìn)行。該地區(qū)地處典型的溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，試驗(yàn)站多年年均降雨量135 mm左右，年蒸發(fā)量在2 100～2 300 mm之間，年均風(fēng)速為2. 8～2. 9 m·s-1。全年日照充足，日照時(shí)數(shù)為3 190～3 260 h，年平均氣溫6.9℃，晝夜溫差大。其中1月份均溫為-14℃～-11℃，7月份均溫為22℃～24℃，0～20 cm土層平均地溫9.4℃。

試區(qū)內(nèi)土壤屬于黃河灌淤土，土壤分層明顯，厚薄不均。0～40 cm深度土壤平均電導(dǎo)率(土水比1∶5浸提液)為1.3 dS·m-1，pH值為8.5。其他分層次的土壤特性見表1。試驗(yàn)站內(nèi)設(shè)有地下水位監(jiān)測(cè)井，每0.5 h自動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)田內(nèi)的地下水位變動(dòng)(圖1)。試驗(yàn)田每年的秋季采用引黃水秋澆。2017年和2018年玉米生育期內(nèi)(5—9月)降雨量分別為37 mm和154 mm(圖1)。基于1990—2010年的氣象數(shù)據(jù)計(jì)算該地區(qū)玉米生長季的平均降雨量為92 mm，因此，2017和2018年分別為干旱年和濕潤年。

表1 研究區(qū)域土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與觀測(cè)

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 供試作物為春玉米，品種選擇為當(dāng)?shù)刂髟云贩N‘西蒙6號(hào)’。田間種植采用“一膜單管雙行”的種植方式，滴灌帶間距100 cm，地膜寬70 cm(圖2)。玉米采用寬窄行的種植方式，窄行30 cm，寬行70 cm，玉米株距30 cm。播種前覆蓋地膜，地膜為高壓聚乙烯膜，厚度8 μm。播種深度5 cm，2017年播種時(shí)間為4月27日，2018年為4月28日。

田間試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)膜下滴灌灌溉水平處理，控制滴頭正下方20 cm深度處土壤基質(zhì)勢(shì)下限分別為-10 kPa(S1)、-30 kPa(S3)和-50 kPa(S5)。每處理3個(gè)重復(fù)，共計(jì)9個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為4 m × 15 m=60 m2，各小區(qū)之間設(shè)置1 m寬的緩沖區(qū)以減少土壤水分側(cè)滲。每個(gè)處理安裝一套獨(dú)立的滴灌首部控制系統(tǒng)，包含閥門、施肥罐、過濾器、水表、壓力表等，以及12條滴灌帶(每小區(qū)4條，控制8行玉米)。通過安裝在滴頭正下方20 cm深度處的真空表式負(fù)壓計(jì)進(jìn)行土壤基質(zhì)勢(shì)監(jiān)測(cè)(圖2)，每天09∶00和15∶00進(jìn)行負(fù)壓計(jì)讀數(shù)，一旦達(dá)到所設(shè)定的閾值，立即啟動(dòng)滴灌，灌水定額設(shè)定為10～20 mm(參考當(dāng)日水面蒸發(fā)量和玉米生育時(shí)期)，試驗(yàn)周期內(nèi)的土壤基質(zhì)勢(shì)讀數(shù)日變化如圖3所示。2 a內(nèi)各處理具體灌溉次數(shù)和灌水量見表2。

表2 2017和2018年不同基質(zhì)勢(shì)下限膜下滴灌春玉米生育期內(nèi)灌溉次數(shù)、灌溉量

試驗(yàn)地基肥采用尿素、磷酸二銨和硫酸鉀按照N、P、K分別為150、180kg·hm-2和45 kg·hm-2的施用量均勻撒施于地表，之后翻耕。玉米生育期內(nèi)追施150 kg·hm-2的氮肥，采用水溶性較好的尿素，于灌水前溶于施肥罐中，隨灌水施入，且保證各處理施肥量一致。其他田間管理，如除草、病蟲害防治等同周邊農(nóng)田一致。

1.2.2 土壤與植物指標(biāo)觀測(cè) 土壤含水量每隔15 d測(cè)定1次，取樣位置見圖2。將所取土樣用105℃烘干至恒重，測(cè)定質(zhì)量含水量，利用已知容重(表1)，計(jì)算得出體積含水量。

為測(cè)量生長指標(biāo)，在玉米關(guān)鍵生育時(shí)期每個(gè)小區(qū)選取5株長勢(shì)均勻的玉米植株，從地表處剪取。用直尺量取所有綠色葉片的長度(L)和最寬處的寬度(W)，計(jì)算葉面積指數(shù)(LAI)：

(1)

式中,LAI為葉面積指數(shù)；L為葉片長度(cm)；W為葉片最寬處的寬度(cm)；α為系數(shù)，取0.75；A為所占地表面積(cm2)。

地上部所有部分經(jīng)70℃烘干至恒重后，稱重得每株地上部生物量，根據(jù)種植密度換算得每公頃地上部生物量。分別于2017年9月8日和2018年9月10日在每個(gè)小區(qū)內(nèi)選取各小區(qū)中間2行玉米進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。玉米脫粒后晾曬4～5 d，稱取質(zhì)量并換算成每公頃產(chǎn)量。

1.3 HYDRUS-2D模型構(gòu)建

針對(duì)大田試驗(yàn)深層滲漏和補(bǔ)給難以計(jì)算的問題，借助數(shù)值模擬的方法是一種現(xiàn)實(shí)可行的解決方案。所以本文利用HYDRUS-2D模型進(jìn)行剖面土壤水分運(yùn)動(dòng)的模擬，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的檢驗(yàn)。模擬尺度以天(d)為單位，模擬時(shí)間為播后0～130 d 。根據(jù)實(shí)測(cè)的土壤情況(見表1)將土層數(shù)設(shè)置為5層，考慮到地下水的波動(dòng)情況，模擬深度設(shè)置為2個(gè)生長季內(nèi)地下水最大埋深處(380 cm)，將120～380 cm深度的土壤默認(rèn)為均質(zhì)土，與100～120 cm的土壤參數(shù)保持一致。由于田間膜下滴灌試驗(yàn)布置的對(duì)稱性，假定模擬區(qū)域左、右邊界均為零通量邊界，滴頭處采用變流量邊界，覆膜區(qū)域選擇為零通量邊界，無覆膜區(qū)域采用大氣邊界，下邊界取為已知地下水埋深決定的變水頭邊界，模擬在灌溉、降水以及地下水埋深變動(dòng)情況下膜下滴灌的土壤水分變化過程[16-17]。

1.3.1 水分運(yùn)移方程 假設(shè)膜下滴灌點(diǎn)源條件下土壤水分運(yùn)動(dòng)為軸對(duì)稱，則水分運(yùn)動(dòng)可簡化為軸對(duì)稱的二維問題來處理[18]，該模型采用修正過的Richards方程表示二維非飽和水流控制方程，公式如下：

(2)

式中,θ為體積含水量(cm3·cm-3)；t為時(shí)間(d)；K(h)為非飽和導(dǎo)水率(cm·d-1)；h為土壤水勢(shì)(cm)；x，z為水平和垂直坐標(biāo)(cm)；S(h)為土壤根系吸水速率(cm·d-1)。

土壤的水分特征曲線利用HYDRUS-2D中的van Genuchten模型來進(jìn)行擬合，其擬合方程如下：

(3)

(4)

(5)

式中,θ(h)為土壤含水量函數(shù)；θr為殘余含水量(cm3·cm-3)；θs為飽和含水量(cm3·cm-3)；Ks為飽和水力傳導(dǎo)度(cm·d-1)；Se為相對(duì)飽和度；α為進(jìn)氣值倒數(shù)(1·cm-1)；m為土壤水分特征曲線適線參數(shù)；n為孔徑分布系數(shù)；l為表征土壤孔隙連通特征參數(shù)，取經(jīng)驗(yàn)值為0.5[19-21]。

土壤具體水力參數(shù)見表3。

1.3.2 根系吸水 式(2)中的根系吸收項(xiàng)(S)，應(yīng)用HYDRUS-2D軟件包中的Feddes[22]提出的廣義根系吸水模型，可以定義為單位時(shí)間單位體積土壤中消耗的水分體積，其中最大根深設(shè)為100 cm[23]，根系吸水響應(yīng)參數(shù)使用軟件預(yù)設(shè)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，公式如下：

S(x,z,h)=α(x,z,h)b(x,z)TpL

(6)

式中，α(x,z,h)為根系吸水的水應(yīng)力響應(yīng)函數(shù)，無量綱；b(x,Z)為根系吸水分布函數(shù)(1·d-1)；Tp為作物潛在蒸騰速率(cm·d-1)；L為根區(qū)分布最大寬度(cm)，根據(jù)田間觀測(cè)，L取40 cm。

1.3.3 模型評(píng)價(jià) 本研究利用2017、2018年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模擬的含水量結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。通過各個(gè)定位監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)的土壤含水量進(jìn)行擬合并校正模型土壤參數(shù)，用均方根誤差(RMSE)和決定系數(shù)(R2)兩個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)模型的模擬精度，RMSE越接近于0，R2越接近于1，表示模擬精度越高，一般認(rèn)為R2在0.5以上達(dá)到率定要求[24]。計(jì)算公式如下：

(7)

(8)

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證

本研究用相對(duì)濕潤的2018年實(shí)測(cè)土壤含水量來率定參數(shù)，忽略土壤水分入滲的滯后影響以及土壤鹽分含量對(duì)土壤水運(yùn)移的影響[25]，得各層土壤水力參數(shù)如表3所示。用相對(duì)干旱的2017年數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。2017年和2018年模擬值與實(shí)測(cè)值的RMSE和R2分別為0.039、0.78和0.042、0.73(圖4)。總體而言，模擬結(jié)果較好地反映了膜下滴灌條件下土壤水分的動(dòng)態(tài)變化，因此可以利用HYDRUS-2D模型對(duì)該條件下土壤水分運(yùn)移進(jìn)行模擬研究。

表3 農(nóng)田土壤的水力特征參數(shù)

2.2 不同膜下滴灌深層土壤含水量和邊界水分通量

根據(jù)前期(2015-2016年)在同一試驗(yàn)地內(nèi)開展的研究發(fā)現(xiàn)，膜下滴灌條件下玉米根系主要分布在0～100 cm深度內(nèi)[21]，因此本研究將100 cm深度處視為根層水分滲漏和補(bǔ)給的邊界層，土壤水通量的正負(fù)分別代表水分的補(bǔ)給與滲漏。地下水對(duì)根層土壤進(jìn)行補(bǔ)給的形式為毛管上升水，均質(zhì)土壤中毛管水的上升過程是在基質(zhì)勢(shì)與重力勢(shì)共同作用下進(jìn)行的[26]，與入滲過程相似，運(yùn)動(dòng)方向相反[27]。以2018年為例，選取60～120 cm的土壤水分狀況作為研究對(duì)象，玉米灌溉期深層土壤含水量模擬情況見圖5。在模擬結(jié)果中100 cm深度以下土層的含水量均高于上層土壤含水量，接近水分飽和狀態(tài)，且各個(gè)處理之間差異不大，說明此處的土壤水分處于穩(wěn)定狀態(tài)，這可能是由于其主要受地下水波動(dòng)的影響。值得注意的是，60～90 cm深度為砂土層(表1)，該砂土層的存在勢(shì)必影響土壤剖面水分的運(yùn)移[28]，從而在一定程度上阻止了深層水分通過毛管作用的上升[29]，而不同處理下60～90 cm深度內(nèi)土壤含水量主要受到其上下層土壤水勢(shì)梯度連續(xù)性的影響(圖5)。此外，2018年8月(播后80 d和110 d)的強(qiáng)降雨(圖1)使得3個(gè)處理的土壤含水量均有明顯的增加(圖5)。特別是8月底的單日降雨超過60 mm，使得土壤水分補(bǔ)充到60 cm深度以下的土壤中，其中S5的變化幅度最大，其60 cm處的土壤含水量與S1、S3 幾乎一致，均處于近飽和狀態(tài)。而在其他時(shí)間S5處理60 cm處的土壤含水量較低，遠(yuǎn)低于S1和S3。以上結(jié)果表明，通過控制20 cm深度處土壤基質(zhì)勢(shì)下限指導(dǎo)的滴灌灌溉水平亦影響著60 cm深度處的土壤含水量，相較于S1與S3 處理，S5處理60 cm深度處水分含量最低。

當(dāng)根層土壤含水量較低時(shí)，與下邊界處含水量較高的土壤形成的水勢(shì)差大，深層土壤水分通過水勢(shì)梯度和毛管上升作用補(bǔ)給根區(qū)土壤，供植物吸收利用。利用HYDRUS-2D模擬的不同基質(zhì)勢(shì)條件下根層下邊界累積水分通量如圖6所示。數(shù)值為正表示水分向上運(yùn)動(dòng)，深層土壤水分補(bǔ)給到根層，負(fù)值則表示根層土壤水分發(fā)生深層滲漏。從圖6可以看出，不同處理之間水分通量的變化趨勢(shì)基本一致，3個(gè)處理均出現(xiàn)兩次較大波動(dòng)的原因是在播后80 d和100 d的時(shí)候發(fā)生的較強(qiáng)降水導(dǎo)致了深層滲漏，且此時(shí)植物覆蓋度高，土壤蒸發(fā)較??；而在播后28 d左右也出現(xiàn)了一次相對(duì)較大的降雨，但沒有發(fā)生滲漏的原因可能是當(dāng)時(shí)玉米正處于苗期，植被覆蓋度小，裸地土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈。其余時(shí)段下邊界累積水分通量均為增加的狀態(tài)，表明在膜下滴灌條件下玉米農(nóng)田深層土壤水分主要表現(xiàn)為向根層補(bǔ)給，不同處理的補(bǔ)給效果不同：S1、S3、S5處理深層土壤水分向根層的累積補(bǔ)給量分別為31.9、39.9 mm和49.6 mm，分別占各自根層土壤水分來源(灌溉、降雨和地下水補(bǔ)給)的4.7%、8.6%、15.7%。

2.3 不同膜下滴灌玉米生長性狀和產(chǎn)量

不同土壤基質(zhì)勢(shì)下限顯著影響膜下滴灌玉米葉面積指數(shù)(LAI)(圖7)、地上部生物量(圖8)與籽粒產(chǎn)量(圖9)(P<0.05)。LAI表現(xiàn)出明顯的先升高、在生育后期降低的趨勢(shì)，其中S5處理LAI顯著小于S1和S3處理(P<0.05)，并在2017的生育后期急速降低(圖7)；田間觀察也發(fā)現(xiàn)，在干旱的2017年S5處理下玉米生長受到明顯的水分脅迫，植株出現(xiàn)“早衰”現(xiàn)象。整體而言，地上部生物量表現(xiàn)為明顯的“S”型生長曲線的變化趨勢(shì)。在拔節(jié)期以后(播后80 d之后)，地上部生物量快速增加，達(dá)到最大值之后直至成熟收獲，地上部生物量持平。S5處理下的生物量顯著低于其他2個(gè)處理(P<0.05)(圖8)。S1處理在2017和2018年的籽粒產(chǎn)量分別達(dá)到16.2 t·hm-2和16.9 t·hm-2，S3處理略有降低但與S1處理差異不顯著(P>0.05)，而S5處理兩年僅分別獲得9.4 t·hm-2和10.3 t·hm-2的籽粒產(chǎn)量，顯著低于S1和S3(P>0.05)(圖9)。

2.4 不同膜下滴灌玉米根系吸水速率

膜下滴灌“小流量、高頻率”的灌溉方式可以直接將作物所需水分送到根部，減少地面蒸發(fā)，起到很好的保墑作用[30]，從而有助于提高玉米的水分利用效率。本研究模擬了2018年玉米0～130 d的根系吸水情況(圖10)。不同膜下滴灌條件下根系吸水量差異較明顯。根系吸水不僅與天氣狀況有關(guān)，還與植株的生長發(fā)育以及衰老有關(guān)。作物根系吸水與灌溉具有極強(qiáng)的相關(guān)性，土壤基質(zhì)勢(shì)水平越高植物根系吸水強(qiáng)度越大。在播后0～60 d玉米處于苗期和拔節(jié)期，3個(gè)處理的根系吸水速率都較??；在播后60 d之后開始呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在85 d左右達(dá)到最高，這是由于此時(shí)玉米生長處于抽雄期和灌漿期，根系較為活躍[14]，所以根區(qū)土壤水勢(shì)下降較快，很快降至設(shè)定基質(zhì)勢(shì)下限閾值，灌溉頻率相對(duì)較高；之后玉米進(jìn)入成熟期，葉片開始衰老，光合和蒸騰作用均減弱，根系吸水也越來越少。

不同處理之間比較發(fā)現(xiàn)，S5處理下的根系吸水速率明顯小于其他兩個(gè)處理，這應(yīng)該是由于控制土壤基質(zhì)勢(shì)下限為-50 kPa時(shí)，灌水較少帶來的水分脅迫限制了玉米根系的生長發(fā)育[31]；此外，控制基質(zhì)勢(shì)下限為-10 kPa和-30 kPa的S1和S3處理，灌水結(jié)束時(shí)間在110 d左右，在此之前根區(qū)水分環(huán)境均保持在設(shè)計(jì)水平，較好的土壤水分環(huán)境延緩了表層根系生長的衰退[32]，故下降幅度不大。而土壤基質(zhì)勢(shì)下限為-50 kPa的S5處理最后一次灌水時(shí)間是在90 d，之后僅靠地下水和降雨來維持生長，由于地下水和降雨的補(bǔ)給作用有限，所以根系吸水強(qiáng)度急劇下降。從模擬結(jié)果來看，生育末期S5的根系吸水速率極低，同時(shí)在大田觀察中發(fā)現(xiàn)S5處理下的玉米發(fā)生了早衰現(xiàn)象，這一現(xiàn)象也與模擬結(jié)果吻合。

3 討 論

河套灌區(qū)年均引黃灌水量為47億m3，且農(nóng)田普遍過量灌溉使得地下水埋深常年維持在較淺的狀態(tài)[33]。淺層地下水勢(shì)必參與田間水循環(huán)過程，用于作物蒸騰是其主要消耗方式之一[34]，其也是灌溉間歇期內(nèi)作物耗水的主要途徑。量化地下水的消耗和補(bǔ)給對(duì)制定灌溉制度具有重要意義。由此，張志杰等[1]采用試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，根據(jù)灌水前后地下水位和土壤含水量的變化計(jì)算了灌溉水入滲補(bǔ)給地下水系數(shù)；Wang等[34]在傳統(tǒng)地下水蒸散量估算方法的基礎(chǔ)上，綜合考慮了作物生長階段、氣候條件、地下水深度和土壤水分，改進(jìn)了地下水蒸散量日變化的估算方法。但是河套灌區(qū)面積廣闊，各地方的地下水埋深和土壤特性不盡相同，不同類型的土壤結(jié)構(gòu)下的地下水補(bǔ)給情況必然存在較大差異[28]，而利用HYDRUS可以簡單快捷地解決這個(gè)問題，通過少量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)就可以較為準(zhǔn)確地反映土壤水與地下水的互補(bǔ)關(guān)系以及根系吸水的情況，為制定灌溉制度提供參考依據(jù)。

前人在該地區(qū)的研究已經(jīng)表明，通過比較滴灌和漫灌對(duì)地下水的利用效果比較，指出滴灌技術(shù)的使用促進(jìn)了淺層地下水對(duì)作物耗水的補(bǔ)給[35]，但不同的滴灌灌溉制度對(duì)地下水補(bǔ)給過程和作物根系吸水的響應(yīng)差異值得進(jìn)一步研究。根系吸水對(duì)于玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量有著重要的影響[36]，用于根系吸水的水分來源可分為自上而下和自下而上兩個(gè)部分，自上而下的灌溉方式可以迅速減小水分脅迫，但隨著深度的增加這個(gè)效果越來越弱，而自下而上的方式是在土壤水勢(shì)的作用下，通過毛細(xì)作用使深層的土壤水分緩慢到達(dá)玉米根區(qū)。本研究以土壤基質(zhì)勢(shì)水平作為單因子，通過控制不同的土壤基質(zhì)勢(shì)下限指導(dǎo)膜下滴灌，對(duì)玉米農(nóng)田的地下水補(bǔ)給作用和根系吸水能力進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果表明，S5處理下的根區(qū)水分從深層土壤中得到的補(bǔ)給量最多，S3處理次之，S1處理最少。這應(yīng)該是因?yàn)橥寥浪|(zhì)勢(shì)越低，與下邊界含水量較高的土壤所形成的水勢(shì)梯度差就越大，深層土壤水分上升越顯著。2018年S1、S3、S5各處理隨著土壤基質(zhì)勢(shì)控制下限的降低，玉米累積灌水量為450～110 mm(表2)，其對(duì)應(yīng)的根區(qū)從深層得到的水分補(bǔ)給量為31.9～49.6 mm。Gao等[37]在同一試區(qū)、相同土壤類型上的研究指出，隨著灌水量的減少地下水對(duì)作物吸水的貢獻(xiàn)率逐漸增多；Liu等[12]等也在同一試區(qū)利用水量平衡方程計(jì)算了不同膜下滴灌水平下玉米根區(qū)水分來源情況，結(jié)果顯示，當(dāng)膜下滴灌灌溉定額在245～134 mm之間時(shí)，其對(duì)應(yīng)的根區(qū)水分從深層土壤得到的補(bǔ)給量為23.6～37.2 mm。此數(shù)值略小于本研究模擬結(jié)果，但趨勢(shì)基本一致，這也從一定程度上證明了本研究模擬結(jié)果的可靠性。

雖然S5處理下根區(qū)得到的深層土壤水分補(bǔ)給量最多，但是從根系吸水日變化情況來看，相較于供水多的S1、S3處理，S5的根系吸水能力最弱，這也說明在較低的土壤基質(zhì)勢(shì)水平下根系吸水能力隨之減弱，從而顯著抑制了玉米生長和產(chǎn)量的形成，表現(xiàn)為LAI、地上部生物量和產(chǎn)量均顯著低于S1和S3處理(圖7～圖9)。此結(jié)果與劉曉芳[38]等的研究結(jié)果相似。此外，雖然S1的灌水量比S3高出220 mm，但兩者的根系吸水速率幾乎一致，而S3處理下的地下水補(bǔ)給量比S1處理明顯增多，這說明維持土壤基質(zhì)勢(shì)下限-10 kPa的滴灌處理并不是一種優(yōu)選模式，可能-30 kPa對(duì)于節(jié)水和深層土壤水分的利用更為合理。這從作物生長和產(chǎn)量響應(yīng)上也得到了驗(yàn)證，S1和S3處理之間LAI、地上部生物量和籽粒產(chǎn)量均顯著高于S5處理，但前二者之間差異不顯著。

綜上，本研究結(jié)果表明將土壤基質(zhì)勢(shì)下限控制在合適的范圍內(nèi)，既可以達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的，又可以充分利用地下水。在作物生育期內(nèi)，由于地下水缺少補(bǔ)充來源，埋深會(huì)持續(xù)增大，前人研究分析了地下水位變化對(duì)作物水分消耗的影響[37]，指出埋深越深對(duì)作物蒸騰的貢獻(xiàn)越小，但與此同時(shí)地下水埋深的增加也會(huì)減小土壤次生鹽漬化的風(fēng)險(xiǎn)[39]；在非生育期秋澆洗鹽的過程中，地下水得以補(bǔ)充，為下一年的生產(chǎn)活動(dòng)提供保障。形成的“生育期滴灌+非生育期漫灌”相結(jié)合的灌溉模式有助于實(shí)現(xiàn)河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水和鹽漬化防治。

4 結(jié) 論

1)利用率定后HYDRUS-2D模型可以較好地模擬不同膜下滴灌條件下土壤水分動(dòng)態(tài)，為研究水分運(yùn)動(dòng)和優(yōu)化灌溉制度提供良好工具。

2)膜下滴灌條件下，不同灌水下限處理并未影響到100 cm以下的深層土壤含水量，其在生育期內(nèi)一直較高，處理間無顯著差異。隨著土壤基質(zhì)勢(shì)下限的降低，深層土壤對(duì)于根層的水分補(bǔ)給增多，-50 kPa處理下玉米生育期內(nèi)根層下邊界向上的累積水分通量達(dá)49.6 mm，占根層水分來源的15.9%。

3)不同土壤基質(zhì)勢(shì)下限膜下滴灌顯著影響玉米生長和產(chǎn)量。土壤基質(zhì)勢(shì)-10 kPa和-30 kPa處理玉米LAI、地上部生物量和籽粒產(chǎn)量顯著高于-50 kPa處理，而S1和S3之間差異不顯著。因此，該地區(qū)采用膜下滴灌進(jìn)行玉米生產(chǎn)時(shí)，建議土壤基質(zhì)勢(shì)下限設(shè)為-30 kPa，生育期內(nèi)灌溉定額將在240～300 mm之間，不但可以顯著節(jié)約灌溉用水，提高水分利用效率，又能有效利用深層土壤水分，保證玉米根系吸水。