徐俊增 劉瑋璇 衛(wèi) 琦 王可純 王海渝 周姣艷

(1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院， 南京 210098；2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210098；3.昆山市城市水系調(diào)度與信息管理處， 昆山 215300)

0 引言

隨著人口數(shù)量的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，人均水資源可利用量不斷銳減，水資源短缺問題已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素[1]。在水資源供需矛盾日益突出的背景下，發(fā)展新型節(jié)水灌溉技術(shù)對(duì)提高灌溉用水效率、緩解農(nóng)業(yè)用水危機(jī)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

負(fù)壓微潤灌是一種通過土壤基質(zhì)吸力將灌溉水由低處向高處運(yùn)移而自動(dòng)補(bǔ)充土壤水分、維持根區(qū)穩(wěn)定土壤水分、以保證作物需水的灌溉方式[3]，其最主要的特點(diǎn)是連續(xù)微量供水、維持穩(wěn)定的土壤水分分布[1]、減少地表無效蒸發(fā)和下滲損失，從而實(shí)現(xiàn)水資源高效利用[1,4]。負(fù)壓微潤灌技術(shù)具有節(jié)水、節(jié)能、促進(jìn)作物生長(zhǎng)、改善土壤環(huán)境等優(yōu)勢(shì)，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦凸?jié)水灌溉技術(shù)[5-6]。隨著灌水器材料與制備工藝的日趨成熟，負(fù)壓微潤灌技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注，但受供水壓力、灌水器導(dǎo)水率及埋深等因素的影響，仍缺乏較為系統(tǒng)的負(fù)壓微潤灌技術(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或參考依據(jù)。因此，在實(shí)際推廣應(yīng)用中受到一定的限制[2]。

土壤濕潤體決定作物的水分利用效率和生長(zhǎng)特性[7]，準(zhǔn)確把握負(fù)壓微潤灌的土壤濕潤體特征，對(duì)于選擇具有高效用水效率的負(fù)壓微潤灌技術(shù)參數(shù)具有重要指導(dǎo)意義。在諸多影響負(fù)壓微潤灌土壤濕潤體特征的因素中，灌水器導(dǎo)水率KS、供水水頭H及灌水器埋深D是決定負(fù)壓微潤灌濕潤體特征的重要因子。在通常情況下，KS決定了負(fù)壓微潤灌的供水速率，KS越大，意味著水分進(jìn)入土壤的通道越多，在相同時(shí)間內(nèi)累積入滲水量和濕潤體也越大[8]。H決定了灌水器的內(nèi)外壓力差，H越小，意味著土壤水吸力和濕潤體越小[9-10]，一般認(rèn)為，作物適宜的負(fù)壓微潤灌供水水頭主要維持在-10～0 kPa范圍內(nèi)[2]。灌水器埋深也顯著影響土壤濕潤體的分布特征，是實(shí)現(xiàn)與作物根系有效匹配的關(guān)鍵因素[11]。

數(shù)值模擬方法可以定量描述土壤水分運(yùn)動(dòng)過程，因此被廣泛應(yīng)用于節(jié)水灌溉研究中[12]。由美國國家鹽土實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的HYDRUS模型具有模擬精度高、算法種類豐富等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的水分運(yùn)動(dòng)模擬模型之一[13-15]。已有學(xué)者針對(duì)該模型在負(fù)壓微潤灌條件下的土壤水分運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了模擬研究。冀榮華等[14]研究了不同灌水器半徑(8、10、12 cm)對(duì)負(fù)壓微潤灌土壤水分入滲的影響，結(jié)果表明，灌水器半徑是影響土壤水分入滲的顯著性因素，且水分入滲速率隨灌水器半徑的增大而增加。WANG等[8]通過土箱試驗(yàn)與HYDRUS-2D模型相結(jié)合的方法研究了灌水器導(dǎo)水率、土壤初始含水率、灌水器埋深以及供水壓力對(duì)土壤水分入滲的影響，并基于上述參數(shù)建立了負(fù)壓微潤灌累積灌水量的半機(jī)理半經(jīng)驗(yàn)的數(shù)學(xué)計(jì)算表達(dá)式。目前，關(guān)于負(fù)壓微潤灌土壤濕潤體的研究主要采用土箱試驗(yàn)和模型模擬相結(jié)合的方法，探究不同灌水器埋深和供水水頭對(duì)濕潤體最大濕潤距離及其水分含量的影響[16]，而將負(fù)壓微潤灌土壤長(zhǎng)期穩(wěn)定的濕潤體特征與作物根系分布特征相匹配，探求不同作物適宜的負(fù)壓微潤灌技術(shù)參數(shù)范圍等方面的研究還鮮見報(bào)道。

本文以負(fù)壓微潤灌為研究對(duì)象，以3種負(fù)壓控制下的土箱實(shí)測(cè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)為依據(jù)，通過反演土壤和灌水器水力特征參數(shù)構(gòu)建基于HYDRUS-2D的負(fù)壓微潤灌模型，研究負(fù)壓微潤灌不同灌水器導(dǎo)水率和供水壓力水頭條件下土壤有效濕潤距離(滿足作物正常生長(zhǎng)所需要的最低土壤水分的運(yùn)移距離，包括水平距離、垂直向上距離和垂直向下距離)的變化規(guī)律，并結(jié)合負(fù)壓微潤灌不同情景模擬下土壤濕潤體特征和典型設(shè)施作物根系分布特征及需水規(guī)律，探究常見設(shè)施作物適宜的負(fù)壓微潤灌技術(shù)參數(shù)范圍。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本試驗(yàn)于2019年4—6月在河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(32°3′24″N,118°45′E)進(jìn)行。供試土壤取自南京市蔬菜花卉科學(xué)研究所塑料溫室，采集的土壤樣本在自然條件下進(jìn)行風(fēng)干，經(jīng)過研磨、過篩(4 mm)后分層填入規(guī)格為80 cm×40 cm×60 cm土箱內(nèi)，填土高度為45 cm。供試土壤均源自表層(0～30 cm土層)土壤，其基本物理特征參數(shù)如表1所示。

表1 土壤基本物理特征參數(shù)

試驗(yàn)采用陶土管負(fù)壓微潤灌系統(tǒng)進(jìn)行供水(圖1)。其中負(fù)壓微潤灌系統(tǒng)采用頂空氣壓傳感器測(cè)定內(nèi)部壓力，并通過單片機(jī)進(jìn)行決策來控制排氣泵對(duì)內(nèi)部壓力進(jìn)行調(diào)整，使之穩(wěn)定在設(shè)定的壓力范圍(-100～100 Pa)。試驗(yàn)采用黏土陶土管灌水器(外徑3 cm，內(nèi)徑1.5 cm，長(zhǎng)40 cm)進(jìn)行灌溉，陶土管在回填過程中置于土箱長(zhǎng)邊一側(cè)的中線位置處(埋深為15 cm)。試驗(yàn)過程中，土箱一側(cè)用于記錄不同時(shí)刻的濕潤峰推進(jìn)情況，另一側(cè)用于取樣測(cè)定不同時(shí)段和不同距離的土壤含水率，即取樣側(cè)在水平和垂直方向上每隔5 cm處設(shè)置取樣孔(直徑d為1 cm)。本研究中，選擇灌水器周圍的6個(gè)取土點(diǎn)為觀測(cè)點(diǎn)，并采用不銹鋼土鉆(外徑8 mm，內(nèi)徑6 mm)對(duì)土壤樣品進(jìn)行采集，采用干燥法(100℃，8 h)對(duì)土壤質(zhì)量含水率進(jìn)行測(cè)定，并通過土壤質(zhì)量含水率與土壤容重的乘積求得土壤體積含水率。

試驗(yàn)共設(shè)置3個(gè)供水壓力處理(供水水頭H分別為-2、-4、-6 kPa，表示為T1、T2、T3)，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)過程中，分別在灌水后第1天內(nèi)的4、8、16、24 h，以及之后6 d內(nèi)每間隔24 h記錄濕潤峰推進(jìn)距離和土壤含水率。

1.2 模型構(gòu)建

1.2.1數(shù)值模型

負(fù)壓微潤灌沿水平方向均勻入滲，假設(shè)土壤均勻且各向同性，在灌水器左右兩側(cè)軸對(duì)稱，因此按照二維水分運(yùn)動(dòng)的理念進(jìn)行模型概化，使用HYDRUS-2D對(duì)不同負(fù)壓供水條件下的土壤水分運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬分析，其水分運(yùn)動(dòng)方程為Richards方程[15],即

(1)

其中

式中c(h)——比水容量(也稱容水度)，cm3/cm3

θ——土壤含水率，cm3/cm3

h——土壤水壓力，kPa

K(h)——非飽和土壤導(dǎo)水率，cm/min

t——時(shí)間，min

r、z——柱坐標(biāo)下徑向坐標(biāo)和垂向坐標(biāo)，cm

土壤水分入滲規(guī)律采用VG模型進(jìn)行描述[12]，表達(dá)式為

(2)

(3)

其中

m=1-1/n

式中θs——土壤飽和含水率，cm3/cm3

θr——土壤殘余含水率，cm3/cm3

θ(h)——土壤相對(duì)飽和度，cm3/cm3

KS——土壤飽和導(dǎo)水率，cm/h

Se——土壤相對(duì)飽和度

α——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，與進(jìn)氣壓力成反比

n——與孔徑分布相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)

l——經(jīng)驗(yàn)形狀系數(shù)

1.2.2幾何模型

由于陶土管灌水器管材為多孔材料，其水分運(yùn)移理論上也可借助HYDRUS模型進(jìn)行模擬，因此，在模型模擬過程中將陶土管假定為一種多孔材料(直徑3 cm，厚度1.5 cm)。另外，考慮到土壤水分入滲過程土壤濕潤體的左右對(duì)稱性，本研究中僅針對(duì)土體右側(cè)的濕潤過程進(jìn)行模擬[8]，即在模型構(gòu)建過程中將厚度為1.5 cm的半環(huán)形陶土管灌水器設(shè)置在計(jì)算模擬區(qū)域的左側(cè)，用于模擬其土壤水分在土體右側(cè)運(yùn)移規(guī)律，因此其坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于土體下邊界的最左側(cè)(圖2)。此外，模型模擬過程中，考慮到上下層土壤容重的差異以及灌水器特殊的滲透性質(zhì)，將模擬區(qū)域分為0～16.5 cm土層、16.5～45.0 cm土層和灌水器3部分，分別設(shè)置水力特征參數(shù)，并在模擬區(qū)域中根據(jù)取土樣點(diǎn)的位置同步設(shè)定6個(gè)土壤水分觀測(cè)點(diǎn)(圖2)。

1.2.3邊界條件設(shè)定

模型模擬區(qū)域?yàn)?0 cm×45 cm的矩形，目標(biāo)網(wǎng)格大小為1 cm，土壤剖面按深度分為0～16.5 cm和16.5～45.0 cm 2個(gè)土層。對(duì)于灌水器的多孔介質(zhì)特性，為了使計(jì)算更加精確，在灌水器周圍進(jìn)行加密并按網(wǎng)格大小為0.25 cm進(jìn)行劃分，整個(gè)模型共劃分成4 388個(gè)幾何節(jié)點(diǎn)(圖2)。灌水器內(nèi)壁邊界為定水頭邊界(Constant pressure head)，邊界水頭設(shè)定為實(shí)際壓力水頭，結(jié)合土壤初始含水率，通過土壤水分特征曲線獲得土壤初始負(fù)水頭為-20 000 cm[17]。忽略對(duì)稱面的水平交換，左側(cè)邊界除灌水器外其余部分按不透水邊界對(duì)待。上邊界設(shè)置為大氣邊界(Atmospheric boundary)條件，由于試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，不考慮降雨量和蒸發(fā)蒸騰速率日變化的影響，因此，平均潛在蒸發(fā)量設(shè)置為0.4 cm/d[8]。另外，考慮到試驗(yàn)?zāi)M期間土箱裝置的不透水性且在試驗(yàn)?zāi)M期間水分基本不會(huì)入滲到底部和右側(cè)邊界，所以右側(cè)和底部均設(shè)定為無通量邊界(No flux)。

1.3 模型水力特征參數(shù)反演

模型模擬結(jié)果的可靠性通常取決于土壤或灌水器水力特征參數(shù)的選擇。目前，關(guān)于水力特征參數(shù)的選擇主要通過基于土壤基本物理特征參數(shù)的ROSETTA模型預(yù)測(cè)、基于實(shí)測(cè)土壤水分特征曲線計(jì)算以及基于實(shí)測(cè)含水率結(jié)果的反演模型計(jì)算得到。例如，ZHANG等[18]基于實(shí)測(cè)含水率數(shù)據(jù)和HYDRUS-2D模型反演并驗(yàn)證了反演模型的模擬精度，結(jié)果表明反演模型能夠較好地模擬土壤水分運(yùn)移特征，其均方根誤差(RMSE)僅為0.015～0.038 cm3/cm3。此外，還有部分學(xué)者通過研究地下滴灌系統(tǒng)及地下排水系統(tǒng)的水分遷移過程，認(rèn)為反演參數(shù)越少，反演模型的模擬結(jié)果越精確[16,19]。因此，為了得到與實(shí)測(cè)結(jié)果匹配性更高的模型，以往大部分文獻(xiàn)主要先通過ROSETTA模型預(yù)測(cè)土壤初始水力特征參數(shù)，并選擇其中的敏感參數(shù)基于實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行反演計(jì)算，得到新土壤水力特征參數(shù)及反演模型，且證實(shí)了其模擬結(jié)果的可靠性[8,20-22]。

基于供試土壤的顆粒級(jí)配與容重，以HYDRUS-2D模型內(nèi)置RETC預(yù)測(cè)模塊估算土壤初始水力特征參數(shù)(表2)。并根據(jù)落差法(Falling head method)測(cè)量計(jì)算得到陶土管的飽和導(dǎo)水率KS0[22]。假設(shè)陶土管灌水器在試驗(yàn)初始階段工作壓力較小且處于飽和含水狀態(tài)，故α取較小值0.000 001 cm-1。此外，假定管壁材料的不飽和參數(shù)θs、θr、n和l對(duì)模擬結(jié)果沒有顯著影響，其取值可借鑒SIYAL等[22]研究結(jié)果。

表2 土壤和灌水器初始水力特征參數(shù)

以T1(H=-2 kPa)處理實(shí)測(cè)的土壤含水率數(shù)據(jù)為依據(jù)對(duì)土壤水力特征參數(shù)進(jìn)行反演計(jì)算，以T2(H=-4 kPa)、T3(H=-6 kPa)處理結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證?；谕寥莱跏妓μ卣鲄?shù)值，通過HYDRUS-2D內(nèi)置Marquardt-Levenberg優(yōu)化算法對(duì)土壤和灌水器參數(shù)θr、α、n和KS進(jìn)行反演計(jì)算?？紤]到反演參數(shù)的數(shù)量越多對(duì)模型精度的影響越大[19],因此，在參數(shù)反演過程中，重點(diǎn)針對(duì)陶土管較為敏感的參數(shù)飽和導(dǎo)水率KS0及土壤水分特征的敏感參數(shù)θr、α、n、KS進(jìn)行了反演，反演參數(shù)的設(shè)置區(qū)間主要參考KARIMOV等[23]研究結(jié)果，其具體范圍如下：KS0、KS為 0.000 1～5 cm/h，θr為0.35～0.6 cm3/cm3，α為0.003 1～0.036 8 cm-1，n為1.3～2.42。此外，在對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行精度分析時(shí)，土壤含水率采用6個(gè)觀測(cè)樣點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與模擬值進(jìn)行比較；累積入滲量由于模擬過程僅采用半柱體進(jìn)行分析，故模擬值需加倍后再與實(shí)際灌水量進(jìn)行比較分析，濕潤距離(土壤水分的實(shí)際運(yùn)移距離)則選取濕潤體3個(gè)方向(水平方向、垂直向上方向和垂直向下方向)對(duì)不同時(shí)刻土壤實(shí)際觀測(cè)的最大濕潤邊界及模型模擬值進(jìn)行比較。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

為了評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)確性，采用平均誤差(ME)、均方根誤差(RMSE)和納什效率系數(shù)(NSE)3個(gè)指標(biāo)對(duì)模型模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。一般情況下，ME和RMSE越小、NSE越接近1，說明模型精度越高。

1.5 情景模擬

影響負(fù)壓微潤灌土壤濕潤體特征的因素主要包括土壤質(zhì)地、灌水器材料、供水水頭、灌水器埋深等[2]，因此，在土壤質(zhì)地和作物種類確定的情況下，灌水器材料和供水水頭是影響負(fù)壓微潤灌土壤濕潤峰最主要的因素。為進(jìn)一步明確影響負(fù)壓微潤灌土壤濕潤體特征的灌水器導(dǎo)水率和供水水頭臨界范圍，本研究以土箱試驗(yàn)T1處理的負(fù)壓微潤灌技術(shù)參數(shù)為基礎(chǔ)，通過HYDRUS-2D反演模型模擬負(fù)壓微潤灌不同灌水器導(dǎo)水率(0.000 1～0.005 cm/h)和不同供水水頭(-10～0 kPa)條件下土壤濕潤體分布特征，統(tǒng)計(jì)分析有效濕潤距離(對(duì)應(yīng)能夠滿足作物生長(zhǎng)所需的最低土壤水分(本研究取0.15 cm3/cm3)的濕潤距離)，建立不同灌水器導(dǎo)水率和供水水頭與有效濕潤距離之間的定量關(guān)系。并結(jié)合該定量關(guān)系，以典型設(shè)施作物主要根系分布特征和適宜的供水壓力范圍[2]為參考，通過設(shè)置不同負(fù)壓微潤灌技術(shù)參數(shù)組合，借助反演模型模擬更多情景組合下土壤濕潤體特征。此外，為更好模擬原狀土的特征以及考慮到實(shí)際回填過程中因夯土對(duì)灌水器產(chǎn)生的影響，本研究模型模擬過程中，以不同灌水器埋深D(5、10、15、20 cm)所對(duì)應(yīng)的土層為臨界土層，并分別將模擬區(qū)域臨界土層上下部分土壤水力特征參數(shù)設(shè)定為基于HYDRUS-2D的負(fù)壓微潤灌水分模型反演后的上下兩層(0～16.5 cm和16.5～45.0 cm)的土壤水力特征參數(shù)值。

2 結(jié)果與討論

2.1 基于HYDRUS-2D的負(fù)壓微潤灌模型參數(shù)反演與驗(yàn)證

2.1.1模型參數(shù)反演

由土壤初始水力特征參數(shù)(表2)和模型反演參數(shù)結(jié)果(表3)可以看出，反演后的土壤水力特征參數(shù)KS較其初始值有了顯著降低，即分別由1.064、1.041 cm/h降低為0.012、0.008 cm/h，而其余參數(shù)的變化相對(duì)較小。

表3 反演后的土壤和灌水器水力特征參數(shù)

此外，基于土箱試驗(yàn)T1(H=-2 kPa)處理的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)反演模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果見圖3?？梢钥闯?，反演模型模擬的T1處理的土壤含水率、累積入滲量和濕潤距離(水平距離、垂直向上距離、垂直向下距離)與實(shí)測(cè)結(jié)果之間具有較好的一致性，其決定系數(shù)(R2)均達(dá)到了0.98以上，ME分別為0.37 cm3/cm3、0.09L和1.09 cm，RMSE分別為3.49 cm3/cm3、0.22L和1.73 cm，NSE分別為0.910 8、0.951 2和0.778 5。結(jié)果表明，HYDRUS-2D模型能夠較好地模擬負(fù)壓微潤灌土壤水分運(yùn)移特征。

2.1.2模型驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證反演模型對(duì)負(fù)壓微潤灌不同負(fù)壓狀態(tài)下模擬結(jié)果的精度，針對(duì)驗(yàn)證數(shù)據(jù)T2(H=-4 kPa)和T3(H=-6 kPa)處理對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析(表4和圖4)。結(jié)果表明，反演模型對(duì)T2和T3處理的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果之間的R2均達(dá)0.98以上，NSE均在0.77以上，ME和RMSE雖較T1處理有所增大，但均在可接受范圍內(nèi)。研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，隨著負(fù)壓微潤灌供水壓力的減小，反演模型對(duì)土壤含水率的模擬值與實(shí)測(cè)值之間的誤差越小，而累積入滲量和濕潤距離模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果之間的誤差則越大。整體上，反演模型對(duì)負(fù)壓微潤灌不同供水水頭條件下的土壤水分運(yùn)移特征(含水率、累積入滲量和濕潤距離)均具有較高的模擬精度，可以作為模擬更多灌水器參數(shù)組合下土壤水分動(dòng)態(tài)的工具。

表4 模擬值與實(shí)測(cè)值的誤差分析

2.2 基于HYDRUS-2D的負(fù)壓微潤灌模型應(yīng)用

2.2.1負(fù)壓微潤灌技術(shù)參數(shù)范圍選擇

通過反演模型對(duì)不同灌水器飽和導(dǎo)水率(0.000 1～0.005 cm/h)的土壤濕潤體特征的模擬結(jié)果(圖5，**表示差異極顯著)可以看出，灌水器飽和導(dǎo)水率與土壤有效濕潤距離(包括水平距離、垂直向上距離和垂直向下距離，下同)之間呈顯著的對(duì)數(shù)關(guān)系(p<0.001)，決定系數(shù)均達(dá)到0.99以上，擬合關(guān)系極好。整體上，有效濕潤距離隨灌水器飽和導(dǎo)水率的增大呈現(xiàn)先快速增加后緩慢增加趨勢(shì)，且有效濕潤距離在灌水器飽和導(dǎo)水率小于0.001 4 cm/h時(shí)，距離的斜率變化隨灌水器飽和導(dǎo)水率變化較為顯著。

另外，通過模擬不同供水水頭(-10～-0.1 kPa)條件下的土壤有效濕潤特征可以發(fā)現(xiàn)(圖5)，土壤有效濕潤距離隨負(fù)壓水頭絕對(duì)值的增大而減小，二者之間呈顯著的指數(shù)關(guān)系(p<0.001)，決定系數(shù)達(dá)到0.98以上。整體上，負(fù)壓水頭絕對(duì)值與有效濕潤距離之間的決定系數(shù)略小于灌水器飽和導(dǎo)水率與有效濕潤距離之間的值。

2.2.2不同組合情景負(fù)壓微潤灌土壤有效濕潤體特征情景模擬

由模擬結(jié)果可得，不同灌水器飽和導(dǎo)水率、供水水頭及灌水器埋深組合情景下的土壤濕潤體主要呈現(xiàn)3種典型濕潤體形式(A、B、C型，圖6)，且其明顯折線處所對(duì)應(yīng)的土層位置也有所差異，可能是由于不同灌水器埋深對(duì)應(yīng)的臨界土層及其上下土層的土壤容重差異所導(dǎo)致的。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)A型濕潤體主要出現(xiàn)在淺層灌水器埋深和高壓力水頭條件下，即包括灌水器埋深為5 cm時(shí)的所有供水水頭以及灌水器埋深為10 cm的高壓力水頭(-2 kPa)所形成的濕潤體。通常情況下，A型濕潤體的主要特點(diǎn)為垂直濕潤距離較短(0～20 cm)，但由于其在地表的濕潤范圍較大，往往導(dǎo)致地表蒸散發(fā)量大、土壤水分利用效率低。B型濕潤體一般出現(xiàn)在灌水器中等埋深(10～15 cm)和高灌水器飽和導(dǎo)水率條件下，其主要特點(diǎn)是垂向濕潤距離較A型更大(0～30 cm)，最大水平濕潤距離出現(xiàn)在灌水器所在位置的同一水平面上，地表濕潤范圍較A型較小，造成地表蒸發(fā)少、土壤水分利用效率較A型略強(qiáng)。C型濕潤體主要出現(xiàn)在中等灌水器埋深(10～15 cm)和高灌水器飽和導(dǎo)水率條件下、以及深層灌水器埋深(20 cm)的所有的灌水器飽和導(dǎo)水率條件下，其最大垂直濕潤距離(0～35 cm)較A型和B型濕潤體有所增大，而地表濕潤范圍則有所減小，甚至不產(chǎn)生地表濕潤，因此，其地表蒸發(fā)損失最低，節(jié)水效果最好。

2.2.3基于HYDRUS-2D的典型設(shè)施作物負(fù)壓微潤灌技術(shù)參數(shù)篩選

結(jié)合HYDRUS-2D模型對(duì)負(fù)壓微潤灌不同灌水器參數(shù)組合下的土壤濕潤體模擬結(jié)果，選擇6種灌水器飽和導(dǎo)水率參數(shù)(0.000 2、0.000 4、0.000 8、0.001 4、0.002、0.004 cm/h)、5種供水壓力水頭(-2、-4、-6、-8、-10 kPa)和4種灌水器埋深(5、10、15、20 cm)進(jìn)行組合，借助反演模型模擬了120種情景組合下土壤濕潤體特征。根據(jù)典型設(shè)施作物根系分布特征(表5)，以土壤濕潤體的濕潤距離與根系分布層的匹配情況以及生產(chǎn)實(shí)踐中作物對(duì)根區(qū)水分的正常需求為判斷依據(jù)，確定了不同根系設(shè)施作物適宜的負(fù)壓微潤灌濕潤體特征類型及其對(duì)應(yīng)的技術(shù)參數(shù)范圍(表6)。

從表2中可以看出，每組數(shù)據(jù)中所包含的粗差數(shù)量并不多，對(duì)平均值的影響比較微弱，各組數(shù)據(jù)的數(shù)量不同是因?yàn)閷?shí)際觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)短不同，同一距離處的一組數(shù)據(jù)可以看作重復(fù)性觀測(cè)。

表5 典型設(shè)施作物根系形狀和灌溉組合

由表5可以看出，淺須根系作物由于其主要根系分布層較淺、水平根系較寬，因此與A型濕潤體較為匹配。中間須根系作物由于其主要根系在土壤中層位置的分布較寬，根系垂向范圍略大于水平方向范圍，因此與B型濕潤體較為匹配。深須根系和深直根系由于其根系在垂向的分布顯著大于水平方向的分布，因此與C型濕潤體更為匹配。淺直根系由于其存在根系主要分布層較淺、垂向分布顯著大于水平分布等特點(diǎn)，因此與A型或B型均較為匹配。

此外，進(jìn)一步分析不同設(shè)施作物的負(fù)壓微潤灌技術(shù)參數(shù)推薦范圍(表6)可以看出，由于香蔥和菠菜的根系分別屬于淺須根系和淺直根系，所以符合A型濕潤體對(duì)應(yīng)的負(fù)壓微潤灌技術(shù)參數(shù)范圍，即灌水器飽和導(dǎo)水率主要維持在0.000 2～0.002 cm/h范圍內(nèi)，供水水頭和灌水器埋深范圍分別為-8～-4 kPa和0～5 cm。與香蔥和菠菜相比，黃瓜和辣椒的根系屬于中間須根系或者中直根系，所以符合B型濕潤體對(duì)應(yīng)的負(fù)壓微潤灌技術(shù)參數(shù)范圍，因此其供水水頭和灌水器埋深主要維持在-6～-2 kPa和5～10 cm范圍內(nèi)，但考慮到黃瓜的根系水平和垂直分布范圍略小于辣椒，因此其灌水器飽和導(dǎo)水率(0.000 4～0.000 8 cm/h)較辣椒(0.001 4～0.002 cm/h)有所減小。對(duì)于番茄、大蒜來說，由于其根系垂向深度和水平寬度主要維持在20 cm以上，因此可參考C型濕潤體對(duì)應(yīng)的負(fù)壓微潤灌技術(shù)參數(shù)范圍，結(jié)合情景參數(shù)的設(shè)置和模擬結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，其灌水器飽和導(dǎo)水率和供水水頭相對(duì)固定，分別為0.001 4～0.004 cm/h和-4～-2 kPa，灌水器埋深為15～20 cm。

表6 作物根系分布、生長(zhǎng)需水量及其負(fù)壓微潤灌技術(shù)參數(shù)推薦范圍

2.3 討論

土壤水力特征參數(shù)的精確與否決定了模型模擬結(jié)果的可靠性。關(guān)于土壤水力特征參數(shù)及其對(duì)模型模擬精度的評(píng)價(jià)等方面的研究，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)通過多種方法開展了部分研究工作。例如，ZHANG等[18]通過研究預(yù)測(cè)模塊、實(shí)測(cè)土壤持水曲線及模型反演3種方法計(jì)算的土壤水力特征參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的可靠性，結(jié)果表明采用反演模塊計(jì)算的土壤水力特征參數(shù)值的模擬結(jié)果精確最高，且反演后的土壤飽和導(dǎo)水率KS變化最為明顯，即0～21.5 cm和21.5～70 cm土層的KS分別由35.31、34.88 cm/d增加到176.9、50.72 cm/d。本研究結(jié)果表明，基于HYDRUS-2D模型反演模塊計(jì)算的土壤水力特征參數(shù)能夠較好地模擬負(fù)壓微潤灌不同供水水頭條件下的土壤濕潤體特征，且由模型預(yù)測(cè)(RETC)模塊和反演模塊計(jì)算的土壤飽和導(dǎo)水率KS之間也存在較大差異，這一結(jié)果與文獻(xiàn)[18]較為相似。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模型反演得到的土壤0～16.5 cm和16.5～45.0 cm土層的KS分別為0.012、0.008 cm/h，與文獻(xiàn)[18]中KS結(jié)果存在顯著差異，這一現(xiàn)象可能是由土壤質(zhì)地的差異所導(dǎo)致。例如，WANG等[8]基于實(shí)測(cè)土壤水力特征曲線計(jì)算得到壤土的KS為0.011 cm/h；毛乾屹等[34]基于HYDRUS-2D模型率定的砂壤土、壤土和砂土的土壤KS分別為63.01、24.04、81.52 cm/d。

灌溉技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展推動(dòng)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的進(jìn)步，基于模型模擬的土壤水分入滲過程能夠較好地闡述負(fù)壓微潤灌土壤水分運(yùn)動(dòng)特征。以往關(guān)于負(fù)壓微潤灌的文獻(xiàn)主要基于土箱試驗(yàn)和模型模擬研究了不同供水水頭、灌水器埋深對(duì)土壤水分遷移特征及作物生長(zhǎng)產(chǎn)量的影響[10]，未能將負(fù)壓微潤灌土壤濕潤體特征與實(shí)際生產(chǎn)中作物根系分布特征及根區(qū)需水規(guī)律進(jìn)行有效銜接。且受灌水器參數(shù)、供水水頭以及土壤質(zhì)地等因素的影響，在實(shí)際應(yīng)用過程中仍缺乏較為完整的負(fù)壓微潤灌技術(shù)參數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)，限制了其更廣泛的應(yīng)用。本研究以土壤濕潤體有效濕潤距離為目標(biāo)，以土壤濕潤體與作物根系匹配情況以及作物根系對(duì)水分的需求為篩選依據(jù)，確定了典型設(shè)施作物適宜的負(fù)壓微潤灌技術(shù)參數(shù)范圍，研究結(jié)果對(duì)于生產(chǎn)實(shí)踐過程不同作物負(fù)壓微潤灌參數(shù)的選擇以及負(fù)壓微潤灌技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用提供了技術(shù)指導(dǎo)。然而，考慮到負(fù)壓微潤灌土壤濕潤體的左右對(duì)稱性，本研究中僅針對(duì)右半個(gè)陶土灌水器及其在右側(cè)土體的土壤水分入滲過程進(jìn)行了模擬，且重點(diǎn)研究了以供水水頭為變量因子的土壤水分運(yùn)移特征，考慮到模型模擬過程中僅需考慮的土壤水吸力作用(土壤基質(zhì)勢(shì)差值產(chǎn)生)對(duì)模型相關(guān)參數(shù)和模擬結(jié)果無較大影響，因此，本研究中確定的負(fù)壓微潤灌技術(shù)參數(shù)(灌水器飽和導(dǎo)水率、供水水頭和灌水器埋深)在由半柱體向全柱體推廣過程中具有較好的適用性。然而，若在推廣過程中涉及到累積灌水量等參數(shù)，其全柱體下的實(shí)際灌水量應(yīng)為基于半柱體模擬灌水量結(jié)果的2倍。

此外，在模擬過程中還發(fā)現(xiàn)，土壤濕潤體垂直向下的濕潤距離小于垂直向上和水平方向的濕潤距離，這一結(jié)果與范嚴(yán)偉等[35]研究發(fā)現(xiàn)的土壤濕潤體垂直向上距離小于水平距離和垂直向下距離等結(jié)果并不一致。分析其原因可能為，本研究中0～16.5 cm和16.5～45.0 cm土層的土壤容重分別為1.25、1.35 g/cm3，下層較高的土壤容重減小了土壤顆粒間孔隙，限制了土壤水分的遷移過程，導(dǎo)致該現(xiàn)象產(chǎn)生[17]。上述結(jié)果意味著分層容重可調(diào)控濕潤體在不同方向的有效濕潤距離，為今后的負(fù)壓微潤灌發(fā)展提供新的研究方向。

3 結(jié)論

(1)基于負(fù)壓微潤灌不同供水水頭(-2、-4、-6 kPa)處理下的土壤水分特征(土壤含水率、累積水分入滲量和濕潤距離)實(shí)測(cè)值為依據(jù)，對(duì)HYDRUS-2D模型進(jìn)行了反演與驗(yàn)證，構(gòu)建了適用于負(fù)壓微潤灌條件下的HYDRUS-2D模型，驗(yàn)證結(jié)果表明該模型能夠較好地模擬負(fù)壓微潤灌不同供水水頭條件下土壤含水率、累積入滲量和濕潤距離(水平和垂直方向)的同步變化規(guī)律。

(2)基于反演模型對(duì)不同灌水器飽和導(dǎo)水率和負(fù)壓微潤灌供水水頭條件下的濕潤距離模擬結(jié)果表明，灌水器飽和導(dǎo)水率和供水水頭與土壤濕潤距離分別呈對(duì)數(shù)和導(dǎo)數(shù)關(guān)系，且其決定系數(shù)均達(dá)到0.98以上，相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平。

(3)基于反演模型對(duì)負(fù)壓微潤灌120種技術(shù)參數(shù)組合(不同灌水器飽和導(dǎo)水率、供水水頭以及灌水器埋深)情景的土壤水分模擬結(jié)果，并結(jié)合常見設(shè)施作物根系分布及其根區(qū)需水特征，確定了不同設(shè)施作物適宜的負(fù)壓微潤灌技術(shù)參數(shù)范圍。