長期滴灌棉田土壤鹽分演變趨勢預測研究

孫 林，羅 毅

（1.中國科學院 生態系統網絡觀測與模擬重點試驗室，中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101；2.荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，中國科學院新疆生態與地理研究所，烏魯木齊830011）

膜下滴灌既具備滴灌的防止深層滲漏、減少棵間蒸發、節水、節肥的特點，同時還具備地膜栽培技術的增溫、保墑作用［1］，在我國西北干旱地區，特別是新疆，得到了廣泛的應用［2－3］。滴灌在根區可以形成淡化的脫鹽區［4－5］，覆膜抑制了膜內的土壤蒸發作用，并使得膜內鹽分發生側向運移［2，6］，同時深層滲漏的減少，也降低了次生鹽漬化發生的可能性，因此膜下滴灌還被用于防治土壤次生鹽堿化［2，5］。但是，膜下滴灌只是調節土壤鹽分在作物根系層的分布狀況，鹽分并未排出土體，在灌溉用水含有一定鹽分時，鹽分會逐步在根底積累，有可能產生土壤積鹽爆發［2，5，7］，因此，長期滴灌下土壤鹽分積累特征是決定這一灌溉方式能否可持續的重要問題。近年來，通過室內土柱試驗［4－5，8］和田間調 查 及 試 驗［2－3，6，9－10］，對 膜 下 滴 灌 的 水鹽運移規律與特征有了一定的認識。由于滴灌土壤水鹽運動為局部擴散模式，其土壤水鹽分布表現出很強的時空分異與變異性，并受到土壤質地、潛水位、根系等的影響［11］，田間試驗所得的結果并不能直接應用到具體的農田灌溉管理中［12］。相對田間試驗觀測，數值模擬的人力、物力時間成本低，且可針對不同環境分析，因此，模型模擬分析成為研究滴灌下土壤水鹽運移與灌溉管理措施制定和評估的一個重要途徑［11－13］。Hydrus 2D是由美國國家鹽土實驗室（US Salinity laboratory）開發成功的一套用于模擬2D空間中變飽和多孔介質中水分、能量、溶質運移的數值模型［14］，廣泛應用于模擬滴灌條件下土壤水分和溶質運移分布規律以及灌溉管理措施評估研究中［15－19］。本文根據微咸水膜下滴灌棉田試驗，驗證并分析Hydrus 2D模型在膜下滴灌的有效性［20］，在此基礎上模擬分析長期滴灌下根區土壤鹽分積累與分布特征。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在新疆石河子大學節水灌溉試驗站內進行（44°18′N，86°02′E），該站位于瑪納斯河流域洪積沖積扇中部，海拔400m左右，潛水位較深，年變化約7～11m。氣候屬于中溫帶干旱區氣候。根據石河子氣象站近30a資料統計，年平均氣溫（7.7±0.90）℃，無霜期（172.5±6.29）d，年降水量為（213±56.7）mm，年蒸發量（1 342±413）mm（小型蒸發皿）。原始土壤類型為荒漠灰鈣土，經過多年耕作已改良熟化為耕作灰漠土。

1.2 試驗設計與數據采集

于2010年4—10月進行膜下微咸水滴灌田間試驗，灌溉水質為3.32g／L，設置3個灌溉量處理，次灌水量分別為36，48，60mm，記為 Q36，Q48，Q60，歷時分別為6，8，10h，滴頭流量為1.6L／h，灌水間隔時間為10d，總灌溉量分別為320，420，520mm。小區面積為54m2，每小區3條膜，代表3個重復。種植方式為一膜兩管四行模式（圖1），膜寬140cm，行距為30cm＋60cm，株距10cm。棉花品種為新陸早7號，于2010年5月1日采用“干播濕出”方式播種。

土壤鹽分采用土鉆取樣，利用烘干配制1∶5浸提液，采用電導法測定 （DDP－210便攜式電導儀，中國科學院南京土壤研究所）。取樣部位設在垂直滴灌帶的膜間、寬行和窄行之間（圖1），設5個剖面點，取樣深度為5，10，20，30，45，60，80，100，120，140，160，180，200cm。取樣時間分兩類：（1）年內變化取樣，于播種前（4月中旬）、蕾期（6月中旬）、花鈴期（7月中旬）、鈴期（8月中旬）、吐絮期（9月中旬）、秋收（10月中旬）取樣，除秋收取樣深度至地下200cm，其余深度至地下100cm；（2）灌溉周期內變化取樣。選取次灌水量為60mm的處理，取樣時間為灌前6h和灌后36h；并在花鈴期加密取樣，即灌后1，36，72，120，228h時取樣，深度至地下100cm。10d測一次葉面積，每次5株，摘取葉子烘干稱重后用葉比換算，根據株面積計算出葉面積指數；氣象數據從石河子氣象站（http：∥www.shzqx.gov.cn／）獲取，該站距離本試驗站約1.5km。

圖1 膜下滴灌設置、取樣

1.3 數值模擬模型

1.3.1 模擬單元設置 Hydrus 2D模型的土壤水分動態模擬采用的是理查茲（Richards）方程，溶質運移模擬采用的是對流—彌散（CDE）方程，通過對模擬對象進行三角網剖分，利用迦遼金（Galerkin）線性有限單元法求解水鹽運移模擬特征［14］。一膜兩管四行方式下土壤水分分布以膜下中部呈對稱分布，因此以半膜剖面作為基本模擬單元，構造2D三角網幾何體（圖1），其寬度為90cm，深度到潛水位，為600cm。

模擬單元上邊界中的無覆膜部位使用大氣邊界，用以模擬計算降水入滲與土壤蒸發過程；有覆膜部位使用無流量邊界；本文假定單元兩側水分交換處于平衡，將土體兩側也設為無流量邊界；底邊界取至潛水層，選取的是0定水頭邊界；滴灌入滲采用時變水頭邊界實現，將水頭設為0，入滲寬度根據灌溉量、灌溉歷時以及入滲速率計算得到。Hydrus 2D模型運行所需要的環境驅動變量主要為降水、潛在蒸騰、潛在土壤蒸發和邊界流量4項。其中降水直接來源于氣象數據，邊界流量由灌溉確定，潛在蒸騰和潛在土壤蒸發需要單獨計算，本文采用由葉面積指數（LAI）計算得到的作物系數法分割潛在蒸散ETp［20］。

1.3.2 參數獲取與率定 模型選用的土壤水分特征函數的是van Genuchten－Mualem 公式［21］，其參數首先用Hydrus 2D程序包提供Rosetta軟件，由觀測的飽和含水量、容重、土壤質地預測得到初始參數值，然后以加密觀測灌溉周期內得到的土壤水分、鹽分分布數據率定。

根系吸水模型選用的是Feddes［22］提出的van Genuchten改進公式，根系吸水參數參考Forkutsa［13］的成果，分別設為h1＝－10cm，h2＝－25cm，h3（high）＝－200cm，h3（low）＝－6 000cm和h4＝－14 000cm；鹽分脅迫參數采用Hydrus 2D自帶作物庫參數，其鹽分脅迫閾值為7.7dS／m，每增加1dS／m，其吸水能力降低5.2%，根系深度60cm，其分布按危常州等［23］的觀測結果計算得到。

1.3.3 模型檢驗 模型檢驗選用的是以灌水量為60mm處理生長季的土壤鹽分，以及3個處理下秋末200cm剖面的鹽分數據；滴灌的土壤分布具有較高的空間分異特征，本文采用分區與剖面比較兩種方法檢驗模擬效果，以75cm為根底邊界，劃分為膜外、根區、膜中和根底4個區（圖1）。模擬效果評價方法一是通過曲線進行直觀定性比對，二是利用統計指標選取均方根誤差（RMSE）和相對平均誤差（RMAE）。進行定量評估。

1.4 情景設置與分析

根據已有的新疆北疆地區棉花滴灌田間實驗與調查［1，24］，情景分析中灌溉水量為280～560mm ，灌溉水質分別設為4.8，3.2，1.6，0.8g／L，以2010年氣象數據與觀測的葉面積指數為基本背景，連續模擬50a，分別統計根區鹽分、根底鹽分，并計算實際蒸騰與潛在蒸騰之比，也即蒸騰滿足率，以反映土壤水鹽對作物生長的影響，確定適宜的灌溉量。

2 結果與分析

2.1 參數化結果

表1是根據灌后水鹽動態反演率定的土壤水分特征參數，圖2是模擬灌溉周期內分區土壤鹽分與觀測值比較，模擬結果表明，滴灌的水鹽運移特征為：在滴頭所在根區土壤鹽分因輸入先增加，再經淋洗遷移出現降低的過程，其它部位則為一個緩慢增加的過程。總體來看，第一灌溉周期的模擬效果較好，第二灌溉周期模擬值偏小，這主要是因為輸入潛在蒸騰項是根據葉面積指數計算的作物系數法推算的，而第二灌溉周期已處于吐絮期，葉片活性降低，蒸騰減緩，相應的根區水分降低速度減慢造成的。統計結果表明（表2），土壤鹽分模擬RMSE為0.6mg／cm3，除膜外分區外，RMAE基本低于10%。

2.2 模型檢驗結果

圖3是模擬的Q60處理年內分區土壤鹽分與觀測值的比較，從觀測值變化趨勢來看，隨著灌溉時間的增加，各分區的鹽分呈增加趨勢，直觀對比與統計分析評估顯示（表2），各分區RMAE低于10%，模擬效果好于灌溉周期，這主要是由于短期觀測值的變異性超出其變化趨勢，而較長期的土壤鹽分變化趨勢則大于觀測值變異。

由于不再有灌溉與根系吸水的驅動作用，秋收后的剖面土壤鹽分分布處于相對平穩狀態，可以有效反映出一個生長季內的土壤鹽分遷移積累特征。圖4是模擬不同灌溉處理秋后剖面鹽分模擬值與觀測值比較，結果表明：模型較好地模擬出不同灌溉量下根區鹽分的分布積累特征，模擬出的滴頭內側、滴頭下、滴頭外側剖面的RMSE小于0.75mg／cm3，除滴頭內側RAME較大外，滴頭下、滴頭外側剖面小于10%，模擬效果較好。

表1 觀測與灌溉后水鹽動態反演率定的土壤水分特征參數

圖2 率定階段灌溉周期內分區土壤鹽分動態模擬與觀測比較

圖3 驗證階段分區的土壤鹽分模擬與觀測比較

表2 土壤鹽分模擬統計評估

2.3 不同灌溉量與灌溉水質根區土壤鹽分積累

圖5為模擬計算的不同灌水量與灌溉水質下鈴期根區（0—60cm）和根底（60—120cm）土壤鹽分以及蒸騰滿足率與根底下滲量，結果顯示：根區鹽分與灌溉水量表現為拋物線關系（圖5a），隨著灌溉量的增加，輸入土壤中的鹽分增加，但當灌溉量超出蒸騰耗水量時，多余的水分向深層下滲，產生鹽分的淋洗，使得根區鹽分降低，灌溉水礦化度分別為4.8，3.2，1.6，0.8g／L 時，灌溉量分別為370，365，300，180 mm時根區鹽分積累最大；灌溉量超出300mm時出現根底下滲（圖5d），根底土壤鹽分增加（圖5b）；作物的蒸騰滿足率隨著灌溉量的增大而增加（圖5c），當灌溉額為300mm時，蒸騰滿足率可達85%以上，在同一灌溉量下，隨著灌溉水質的增加，蒸騰滿足率有一定程度的降低，但0.8～4.8（g／L）之間總體差別不大，這主要是因為根區積累的土壤鹽分尚未對蒸騰造成明顯脅迫，因此，微咸水灌溉對作物生長與產量的影響，在滴灌初期并不明顯。

圖4 秋后不同灌溉量不同剖面鹽分的模擬值與觀測值比較

圖5 不同灌溉量根區鹽分、根底鹽分、蒸騰滿足率的變化

2.4 長期滴灌根區鹽分動態與分布特征

灌溉定額為390～450mm。圖6a是灌溉量為420mm時不同灌溉水質長期滴灌下根區（0—75cm）土壤鹽分動態，結果顯示：對于灌溉水質分別為4.8，3.2，1.6，0.8g／L，分別在10，15，20，35a后根區鹽分相繼達到平衡穩定狀態，分別為4.2，3.8，3.2，2.8 mg／cm3，此時根區剖面鹽分也處于相對穩定狀態（圖6b），其中根區部位的鹽分則隨著深度的增加而逐步增加，根底75cm以下分別穩定在6.0，5.6，4.9，4.3 mg／cm3，作物的蒸騰滿足率分別為72%，80%，85%，91%。長期滴灌后根區鹽分趨于穩定的主要原因在于，隨著根區鹽分的增加，作物蒸騰受限，下滲淋洗量加大，最終根區輸入鹽量與淋洗鹽量相當，根區鹽分處于相對平衡狀態。

長期滴灌根區鹽分平衡值由灌溉水質和灌溉量決定，圖7是不同灌溉量與灌溉水質長期灌溉平衡時根區鹽分、根底鹽分、蒸騰滿足率與根底下滲水，基本特征為隨著灌溉量的增大，土壤鹽分降低；隨著灌溉水質增大，土壤鹽分增加。將根區鹽分限制在一定水平是保證作物蒸騰吸水的前提，以85%灌溉滿足率最低要求，對于4.8，3.2，1.6，0.8g／L灌溉水質，從圖7c得出所需要的灌溉量至少分別為495，470，425，395mm。

圖6 長期滴灌下根區（0－75cm）土壤鹽分動態（a）與穩定時0－300cm土壤剖面鹽分分布（b）

圖7 不同灌溉量長期灌溉后土壤鹽分穩定時根區鹽分（a）、根底鹽分（b）、蒸騰滿足率（c）的變化

3 結論

本文利用微咸水灌溉的實地觀測數據，率定并校驗Hydrus2D模型在膜下滴灌棉田土壤鹽分運移積累的模擬效果。結果顯示：生長季內，土壤鹽分模擬的RMSE低于0.6mg／cm3，RMAE基本低于10%，秋后剖面分布中RMSE小于0.75mg／cm3，滴頭內側與滴頭下剖面模擬RAME小于10%，Hydrus 2D模型可用于干旱區綠洲灌區中膜下滴灌土壤鹽分運移模擬。以2010年為基準氣象條件，模擬計算瑪納斯流域綠洲不同灌溉水質與灌溉量滴灌土壤鹽分積累過程，結果顯示：

（1）根區鹽分與灌溉水量呈現出拋物線關系，灌溉量低時，根區土壤鹽分隨著灌溉量的增加而增加，對于礦化度分別為4.8，3.2，1.6，0.8g／L灌溉水質，相應的灌溉量分別為370，365，300，180mm時根區鹽分積累速率最大，由于滴灌初期根區鹽分較低，微咸水灌溉對作物耗水的影響，在滴灌初期表現不明顯。

（2）隨著滴灌年限的增加，土壤鹽分逐步增加，作物蒸騰受限，下滲淋洗量加大，對于礦化度分別為4.8，3.2，1.6，0.8g／L的灌溉水質，在灌溉量為420 mm，分別在10，15，20，35a后土壤鹽分相繼達到平衡穩定狀態，根區鹽分分別為4.2，3.8，3.2，2.8mg／cm3，作物的蒸騰滿足率分別為72%，80%，85%，91%，由于根區鹽分是限制作物用水的直接因素，為保證作物正常生長，合理的灌溉量至少應分別為495，470，425，395mm。

滴灌輸入的土壤鹽分會在根區積累，長期滴灌根區土壤鹽分在灌溉輸入與深層淋洗作用下逐步達到穩定平衡，其中深層淋洗量除直接決定于灌溉量外，還受因鹽分積累對作物蒸騰限制的反饋調節，因此，需要根據土壤鹽分對作物生長的影響，確定合理的灌溉淋洗用水，另外還需要一定的排水系統將深層下滲水排出灌區，以避免淺層潛水的上升。

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