河套灌區(qū)節(jié)水灌溉對土壤鹽分累積規(guī)律的模擬研究

柯雋迪，黃權(quán)中，任東陽，冀乃超，黃冠華，徐 旭，呂玲嬌(1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)中國農(nóng)業(yè)水問題研究中心，北京 100083; 2．中國-以色列國際農(nóng)業(yè)研究培訓(xùn)中心，北京 100083)

我國是一個水資源短缺的國家，水資源在空間分布上不均衡，具有南多北少，東多西少的特征。此外，節(jié)水作為我國的基本國策，農(nóng)業(yè)節(jié)水更是其中的關(guān)鍵[1]。內(nèi)蒙古河套灌區(qū)自從節(jié)水改造工程實施以來，引水量將從52億m3減少到40億m3[2]。滴灌能有效提高灌溉水分利用效率，但少量多次的灌溉難以將鹽分淋洗到地下水中，可能導(dǎo)致表層土壤的鹽分累計。因此，研究河套灌區(qū)滴灌作物土壤鹽分累積對灌溉的響應(yīng)規(guī)律有非常重要的意義。

國內(nèi)外學(xué)者開展了較多的相關(guān)研究，郝遠遠等[3]在水鹽運移模型HYDRUS-1D的基礎(chǔ)上耦合了作物生長模型EPIC，建立了HYDRUS-EPIC模型，并結(jié)合GIS建立了分布式水文模型；李中昊等[4]通過野外監(jiān)測實驗發(fā)現(xiàn)土壤全鹽量與年平均溫度呈現(xiàn)一定相關(guān)性，且有明顯的增加趨勢；管孝艷等[5]結(jié)合GIS與統(tǒng)計學(xué)方法，由灌域土壤EC值分析了河套灌區(qū)沙壕渠地下水埋深對土壤鹽分分布的影響，發(fā)現(xiàn)鹽分隨著地下水埋深增大而減小，且二者呈指數(shù)關(guān)系；張永平等[6]通過野外實驗，探索最適合河套灌區(qū)的春小麥灌溉制度；范雅君等[7]研究了河套灌區(qū)膜下滴灌條件下玉米高產(chǎn)、節(jié)水的灌溉制度，發(fā)現(xiàn)玉米膜下滴灌灌溉定額為275～325mm；蔣貴英等[8]通過田間試驗探索滴灌頻率對西北地區(qū)滴灌小麥水分利用效率的影響，得出滴灌小麥采用375 mm的灌水量和7 d 1次的灌水頻率較適合；杜斌[9]通過在河套灌區(qū)滴灌種植玉米和葵花，得到了最適宜當?shù)氐挠衩缀涂ǖ喂嘀贫龋且陨蠈W(xué)者均未結(jié)合分析鹽分累對地面灌溉以及滴灌的響應(yīng)規(guī)律。本文以土壤鹽分累積對不同灌水模式的響應(yīng)規(guī)律為研究對象，通過田間取樣并結(jié)合水鹽運移模型模擬分析鹽分累積規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出適合該地區(qū)控制土壤鹽漬化的適宜措施。

1 研究區(qū)概況

河套灌區(qū)位于黃河中游，是中國最大的一首制灌區(qū)。灌區(qū)(見圖1)屬于典型的溫帶大陸性氣候，地勢平坦，海拔高度為1 007～1 050 m，西南較高，東北較低，自然坡降1/5 000～1/8 000；灌區(qū)多年平均降雨量為140 mm，而年平均蒸發(fā)量達2 056 mm，是典型的無灌溉便無農(nóng)業(yè)的地區(qū)。灌區(qū)總土地面積112萬hm2，現(xiàn)有耕地面積55.46萬hm2，農(nóng)牧用地占總土地面積的66.72%[10]。由于地下水埋深淺、灌排措施的限制，灌區(qū)土壤鹽漬化問題較為嚴重。

圖1 研究區(qū)示例Fig.1 Location of the study area

2 研究方法

2.1 典型區(qū)的選取

為了分析河套灌區(qū)作物生育期的土壤鹽分變化情況，選取典型研究區(qū)域采集土樣分析本底值。典型區(qū)采用土鉆法取樣，取樣深度為0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm。土壤機械組成由激光粒度儀測定，為粉砂壤土。土壤含水率由烘干法測得，全鹽量由1∶5的土壤/蒸餾水配比溶液測其電導(dǎo)率換算而來，換算所采樣的經(jīng)驗公式為：SSC=EC1∶5×2.882/1 000+0.183[11]。土壤水力及溶質(zhì)運移參數(shù)由Rosetta模型確定，灌區(qū)地下水埋深由地下水位觀測井的數(shù)據(jù)得到。典型區(qū)的初始含水率以及鹽分濃度見表1，土壤剖面水力參數(shù)以及溶質(zhì)運移參數(shù)見表2，典型區(qū)的地下水埋深見圖2。

表1 典型區(qū)0～100 cm的初始含水率以及鹽分濃度Tab.2 Soil water content and salinity concentration in 0～100 cm profile of typical area

表2 河套灌區(qū)典型區(qū)的土壤水力特征參數(shù)以及溶質(zhì)運移參數(shù)Tab.2 Soil hydraulic properties and solute transport parameters of the typical area in hetao

圖2 典型區(qū)作物生長期內(nèi)的地下水埋深Fig.2 Groundwater depth during crop growth in the typical area

2.2 節(jié)水情景設(shè)置

為了考慮節(jié)水措施可能帶來的影響。用現(xiàn)狀灌溉模式對HYDRUS-EPIC模型[3]進行模型率定，并選用3種不同的灌溉制度開展模擬，研究典型區(qū)不同灌水制度下水土環(huán)境以及作物產(chǎn)量的響應(yīng)規(guī)律。3種情形分別為：傳統(tǒng)地面灌溉(C1)、等量地面灌溉(總水量與滴灌同)、現(xiàn)狀滴灌(C3)。傳統(tǒng)地面灌溉用水量[12]如表3所示，生育期灌水量為502 mm；現(xiàn)狀滴灌灌溉制度如表4所示[9]，生育期灌水量為240 mm，滴灌濕潤比為0.58[13]。

表3 2014年典型區(qū)葵花的地面灌溉制度Tab.3 Present irrigation schedule of sunflower in the typical area

表4 研究區(qū)葵花的滴灌灌溉制度Tab.4 Drip irrigation schedule of sunflower in study area

3 結(jié)果與分析

3.1 鹽分累積規(guī)律

圖3給出了3種灌溉制度下葵花土壤全鹽量的變化情況。可以看出，葵花生育期內(nèi)滴灌條件下土壤全鹽量一直都保持著較高的水平；與傳統(tǒng)地面灌相比，滴灌表層土壤(0～10 cm)鹽分累積嚴重，在葵花生育期末是傳統(tǒng)地面灌的2.15倍。與等量地面灌相比，葵花生育期末0～10 cm土壤全鹽量較大，比等量地面灌土壤全鹽量高39%；10～20 cm土壤全鹽量則相對接近，僅高出2%；而20～80 cm土壤全鹽量比等量地面灌低20%。模擬結(jié)果表明現(xiàn)狀滴灌條件下葵花表層土壤(0～20 cm)鹽分累積嚴重，甚至高于等量地面灌，但總體上鹽分累計程度要低于等量地面灌。

圖3 葵花土壤含鹽量對不同灌溉制度響應(yīng)情況Fig.3 Responsiveness of sunflower soil salinity to different irrigation systems

3.2 水鹽均衡

圖4為葵花生育期內(nèi)的土壤水鹽均衡分析。從圖4(a)可以看出，在作物生育期內(nèi)，滴灌條件下水分深層滲漏和毛管上升量為等量地面灌的1.13和1.07，表明滴灌條件下灌溉水與地下水的交互作用比等量地面灌大；而水分深層滲漏和毛管上升量僅為傳統(tǒng)地面灌的0.37和1.04。由此可見，傳統(tǒng)地面灌產(chǎn)生了大量的深層滲漏，水分浪費嚴重。鹽分的深層滲漏及毛管上升規(guī)律與水分相似[圖4(b)]，滴灌條件下鹽分深層滲漏和毛管上升量僅為傳統(tǒng)地面灌的0.51和0.91。滴灌條件下葵花生育期土壤全鹽增加量(ΔC)比傳統(tǒng)地面灌高305%，表明滴灌對鹽分的淋洗效果較差，生育期末土壤根區(qū)鹽分累積情況嚴重；但全鹽增加量(ΔC)比等量地面灌溉低23%，表明相同灌水量條件下滴灌有利于減輕葵花根區(qū)鹽分的積累，淋洗是灌區(qū)滴灌必不可少的抑鹽措施。

圖4 葵花生長期內(nèi)土壤水分平衡分量和鹽分平衡分量Fig.4 Soil water and salinity balances for sunflower

3.3 水分生產(chǎn)率

表5給出了葵花生育期內(nèi)C1、C2、C3三種灌溉方式產(chǎn)量的模擬結(jié)果，分別為3 277.1，2 742.9，3 064.4 kg/hm2。相同灌水量條件下，滴灌產(chǎn)量比地面灌溉高11.7%，為傳統(tǒng)地面灌的93.5%。相同灌水量條件下，滴灌可以顯著的提高葵花產(chǎn)量；而與傳統(tǒng)地面灌相比，現(xiàn)狀滴灌制度葵花的生長可能受到水分和鹽分的脅迫，因此產(chǎn)量較低；三種灌溉模式下傳統(tǒng)地面灌的作物實際蒸騰量ETa最大，但WPI最小；滴灌葵花的WPET比等量地面灌溉(C2)高11.1%。

4 結(jié) 語

本文通過在河套灌區(qū)選取典型研究區(qū)開展了葵花在3種灌溉模式下的模擬研究，得到如下研究結(jié)果。

表5 葵花生長期內(nèi)的水分生產(chǎn)率Tab.5 Water productivity of sunflower

(1)現(xiàn)狀滴灌條件可導(dǎo)致葵花表層(0～10 cm)鹽分累積嚴重，生育期末時表層鹽分比傳統(tǒng)地面灌高115%，比等量地面灌溉高37%；0～100 cm土壤全鹽增加量(ΔC)比傳統(tǒng)地面灌高305%，但比等量地面灌低23%，淋洗是灌區(qū)滴灌必不可少的抑鹽措施。

(2)從產(chǎn)量上看，現(xiàn)狀滴灌為傳統(tǒng)地面灌的93.5%，略為降低；在相同灌水量下，滴灌葵花產(chǎn)量比等量地面灌高11.7%，增產(chǎn)效果明顯；滴灌條件下葵花的WPI最大。

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