秸稈排水體條件下微咸水灌溉土壤水鹽運移模擬

史栩帆，張展羽,2，陸培榕，馮根祥，張澤民

(1.河海大學水利水電學院，南京 210098；2.南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室，南京 210098)

0　引　言

我國東部濱海地區分布著大約200 萬hm2的鹽堿地[1]，隨著土地資源的供給壓力不斷增大，鹽漬土的合理開發和利用具有重要意義。有學者研究發現，在合理的灌溉方式、農藝措施和改良技術下，利用微咸水灌溉，能夠滿足作物正常生長需求，達到節水增產、改良鹽漬土的目的[2]。埋設隔離層是鹽漬土改良的有效措施[3]。研究表明，在地表以下30 cm處覆蓋秸稈可有效降低土壤水分蒸發，阻隔水鹽上行[4]；Zribi等[5]研究表明秸稈覆蓋降低了土壤鹽分的表面聚集；趙永敢等[6]研究得到秸稈隔層和地膜覆蓋可以有效抑制潛水蒸發和土壤返鹽；Bhatt等[7]研究表明，秸稈覆蓋深度和覆蓋量對土壤保墑和抑制鹽分會產生影響。眾多國內外學者研究表明，采用數值模擬的方法可以有效地反映出土壤水鹽的動態遷移特征[8-10]。張化等[11]利用HYDRUS-2D模型模擬與驗證海冰水田間水鹽運移規律，驗證結果表明模型具有較好的可靠性。

秸稈隔層對于鹽漬土雖具有一定的改良效果，但其在大田中的可行性不高。探究一種合理且操作簡單的秸稈布設方式將有利于秸稈還田工作的進一步普及。本研究采用地埋秸稈體的方式，利用HYDRUS-2D模型研究不同灌溉水礦化度和不同地下水深度對江蘇濱海地區鹽漬土水鹽運移的影響，探究地埋秸稈體的改良效果，以期為微咸水灌溉及鹽漬土的開發利用提供依據和參考。

1　材料與方法

1.1　土柱試驗

1.1.1試驗區概況

試驗設在河海大學南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室，多年平均降水量為1 021.3 mm，年平均蒸發量約為900 mm，年平均日照時間為2 212.8 h，年平均氣溫15.7 ℃。試驗用土取自河海大學節水園區，土壤質地為壤質黏土，土壤容重為1.30 g/kg，飽和含水率為33.61%(質量含水率)，田間持水量為31.1%(質量含水率)，測其初始含鹽量并按比例摻加NaCl模擬含鹽量為5 g/kg的鹽漬土。

1.1.2試驗設計與布置

本試驗所用有機玻璃土柱長、寬、高分別為40、40和120 cm。在土柱的兩側每隔10 cm開有口徑為1 cm的測量孔，用于儀器探針的插入。土柱底部10 cm為隔水層，隔水層上部設一開有若干過水圓孔的隔板，填筑土壤時在隔板上方鋪設0.5 cm厚無紡布來阻擋土顆粒進入水層。在土柱底部通過馬氏瓶連接橡膠軟管對底部水層持續供給含鹽量為5 g/L水作為地下水，通過控制馬氏瓶的高度來控制地下水位。試驗土樣按大田土壤容重分層填裝壓實。試驗中使用干枯水稻秸稈，用雙層無紡布將水稻秸稈外包成底面直徑15 cm的圓柱體，并用細塑料繩捆綁定形，將其埋設在土表以下40 cm處正方形截面中間位置，土柱內除秸稈體區域外土質分布均勻。試驗在室內進行，不接受降雨。試驗裝置見圖1(a)。

1-填土線；2-排水管；3-秸稈體；4-測量孔；5-水層；6-地下水位線；7-馬氏瓶圖1　裝置立面、剖面示意圖(單位：cm)Fig.1 Equipment drawing of experiment

本試驗共灌水4次，第一次灌水采用大水洗鹽來降低土壤鹽分含量，每個處理灌水量為125 mm，其余3次每個處理灌水量皆為62.5 mm，灌水間隔20 d。每個土柱種植一株夏玉米(蘇玉29)，模擬行距40 cm，株距40 cm的大田環境，試驗共開展兩年，分別于2015年6月25日和2016年6月28日播種。試驗選擇淡水、3、5 g/L 3種灌水礦化度，60和80 cm兩種地下水埋設深度，共6種處理，每種處理重復3次。具體處理方式見表1。

1.1.3測定項目及方法

灌水后每隔10 d在土槽各取土孔處利用TDR-MUS鹽分傳感器(荷蘭農業科學研究院)測量不同深度土層的電導率值和含水率，每次灌水前后1 d加測。通過經驗公式[12]將電導率換算成土壤含鹽量，g/kg。

表1　試驗處理設計Tab.1 Experimental treatment design

1.2　數值模擬

HYDRUS-2D是由美國鹽改中心研發的用于模擬水、熱、溶質運移的二維有限元計算模型，能夠較好地模擬水分、溶質與能量在土壤中的垂直分布、時空變化及運移規律。模型水分運動方程采用修正過的Richards方程，溶質運移采用對流彌散方程，方程求解采用Calerkin線性有限元法。土壤水鹽模擬流程圖如圖2。

圖2　土壤水鹽模擬流程圖Fig.2 Flow chart of simulating soil water flow and solute transport

1.2.1定解條件

選取垂直于秸稈體的土壤剖面作為計算區域，計算區域內土壤初始含水率和初始含鹽量分布均勻，初始含水率為8.02%，初始含鹽量為5 g/kg；將秸稈體視為特殊土質，初始含水率和初始含鹽量均為0。上邊界考慮灌溉和蒸發；左、右邊界為對稱邊界，視為零通量邊界；因地下水位在實驗階段保持恒定，故下邊界為定水頭邊界，設置地下水深度和礦化度；秸稈體邊界可視為滲透邊界，當邊界上節點含水量小于飽和含水量時為零通量邊界；節點含水量達到飽和含水量時為定水頭邊界，溶質為自由出流邊界。模擬區域示意圖見圖1(b)。

(1)

(2)

式中：h為負壓水頭，cm；h0(x,z)為土壤初始壓力水頭，cm；c為土壤溶質濃度，g/cm3；c0(x,z)為土壤初始含鹽量；x，z為空間坐標，cm，以土壤縱剖面表層中點為原點，-20≤x≤20，向右為正，-100≤z≤0，向上為正；K(h)為非飽和土壤導水率，cm/d；ε為垂向水流交換強度，cm/d；Dij為飽和-非飽和土壤水動力彌散系數，cm2/d；qi為z方向上的達西流速，cm/d；L為 地下水埋深，cm；cL為地下水礦化度，g/L。

1.2.2單元劃分

模擬區域寬度為40 cm，深度為100 cm，共剖分為2 255 個三角單元。觀測重點為玉米根系主要分布區0～60 cm土層，觀測點分別設置在0、10、20、30、40、50、60 cm深度。時間離散單位為d，模擬時間從2015年6月25日至10月23日，從2016年6月28日至2016年10月26日，總計240 d，最小時間步長為0.001 d。

2　結果與分析

2.1　模型率定和驗證

2.1.1模型率定

本研究采用2015年夏玉米全生育期6個處理的土壤水鹽數據對模型進行率定。通過比較玉米根系主要分布區(0～60 cm)土壤體積含水率及土壤含鹽量的模擬值和實測值來調整土壤、秸稈體的水分、溶質運移參數和根系吸水參數，并采用均方根誤差(RMSE)、納什模型效率(NSE)、決定系數(R2) 3個指標綜合評價模型的模擬精度。相關研究表明，在RMSE與實測值均值的比值在20%以內、NSE大于0.5、R2大于0.5時，認為模型達到率定要求[13]，本文以T1、T6兩個處理為例進行說明。

表2為率定過程各處理土壤水鹽模擬精度評價表。由表可知，除T6處理0～20 cm土層外，各土層土壤水鹽模擬精度均滿足要求，T6處理0～20 cm土層含鹽量NSE較小，但該土層RMSE較小，R2大于0.6，認為其達到率定要求。率定后的土壤及秸稈體水力特性和溶質運移參數見表3。

表2　率定過程土壤水鹽模擬精度評價表Tab.2 Goodness of fit test indicators relative to model calibration

表3　土壤-秸稈體水力特性和溶質運移參數率定值Tab.3 Hydraulic parameters and solute transport parameters of soil and straw piece

注：θr為殘余含水率；θs為飽和含水率；Ks為飽和導水率；α、n、l為決定土壤水分特征曲線的形狀參數；DL為縱向彌散度；DT為橫向彌散度。

2.1.2模型驗證

采用2016年夏玉米全生育期土壤水鹽數據對模型進行驗證。圖3為夏玉米全生育期內土壤水分、土壤鹽分模擬值與實測值比較，可以看出數據點基本處與1∶1線附近，模擬值與實測值可擬合為線性相關關系，斜率分別為0.941 8和0.897 7。土壤水分模擬值和實測值的RMSE和NSE分別為0.05 cm3/cm3和0.66，R2大于0.8。土壤鹽分模擬值和實測值的RMSE小于0.4 g/kg，NSE大于0.6，R2大于0.7。統計結果表明土壤水分、鹽分模擬值與實測值的相關性達到了顯著水平，率定后的模型可以用于實際模擬。

圖3　驗證期土壤含水率、含鹽量實測值與模擬值Fig.3 Comparison of simulated and measured soil water content and soil solute concentration relative to model validation

2.2　模型應用

利用率定和驗證后的模型，模擬地埋秸稈體條件下0～200 cm土層土壤水鹽動態，重點分析不同條件對玉米根系主要分布區0～60 cm土層平均土壤含水率和含鹽量的影響。設置6種地下水深度和3種灌溉水礦化度的組合試驗模擬，地下水深度分別為另60、80、100、120、150和200 cm，灌溉水礦化度為淡水，3和5 g/L，地下水礦化度為5 g/L。考慮到濱海鹽漬土地下水位一般在1.5 m左右，故另設置3組不埋設秸稈，地下水位為150 cm，灌溉水礦化度分別為淡水(C1)、3 g/L(C2)、5 g/L(C3)，共21個處理。

圖4(a)為在灌溉水礦化度為3 g/L條件下，不同處理土壤水分在全生育期的變化情況。各處理體積含水率均表現為灌水后含水率顯著增加，后因蒸發和根系吸水含水率降低。當地下水位為60 cm時，第一次灌水灌后1 d到灌后20 d土壤體積含水率從0.371 cm3/cm3降低到0.331 cm3/cm3，降幅為10.8%；當地下水位為200 cm時，土壤體積含水率降幅為34.4%，變化范圍更大。這主要是因為隨著地下水位的增加，因毛管作用補給上層土壤水分的能力減弱，灌后20 d含水率降低明顯。

當地下水位為150 cm時，C2處理在4次灌水后1 d土壤含水率均值為0.347 cm3/cm3，而埋設有秸稈體的處理灌后1 d土壤含水率均值為0.332 cm3/cm3，較C2降低4.3%，灌后20 d土壤含水率亦有相同的大小關系，即埋設秸稈體的處理小于C2[圖4(a)]。這是因為灌溉后無秸稈體的處理無法及時將抬升的地下水排出，導致土壤含水率較高[14];同時，秸稈體破壞了原有土壤毛管連續性[6]，減少了非飽和土壤水向上運移,而秸稈體以下土壤水分的蒸發受到抑制；0～40 cm土壤水分補給的減少量小于40～60 cm土壤水分的增加量，所以整體呈現含水率降低的現象。在灌溉水礦化度為淡水、3和5 g/L時，埋設秸稈體的處理較不埋設秸稈處理，全生育期土壤平均含水率分別降低7.4%、7.5%和7.1%[圖5(a)]。

圖4　全生育期不同處理土壤水鹽變化情況Fig.4 Changes in soil moisture and soil salinity during whole growth period

圖4(b)給出了灌溉水礦化度為3g/L條件下，不同地下水深度對土壤鹽分的影響。可以看出，60 cm地下水位下土壤鹽分最高，200 cm地下水位下土壤鹽分最低，即不同處理同期土壤含鹽量隨著地下水深度的增加逐漸減小。每次灌后1 d，各處理土壤含鹽量均明顯下降，說明灌溉水可對地下水位上層土壤鹽分起到淋洗作用。地下水位60、120、200 cm處理，灌后1 d到灌后20 d土壤含鹽量分別增加了0.88、0.50和0.41 g/kg，地下水埋深越深，蒸發過程中土壤返鹽的強度就越弱。

在150 cm地下水位下，地埋秸稈體處理灌后1 d土壤含鹽量均值較無秸稈處理降低了0.37 g/kg,降幅為16.6%；灌后20 d土壤含鹽量均值較無秸稈處理降低了17.0%。這是由于入滲過程秸稈體延長了入滲水在秸稈體以上土層的停蓄時間[15]，土壤中可溶性鹽得以充分溶解，提高了淋鹽效果。蒸發階段，土壤鹽分隨水分向上運移，秸稈體削弱了對上層土壤水分的補給作用，向上運移的鹽分也相應減少。在灌溉水礦化為淡水、3和5 g/L時，埋設秸稈體的處理較不埋設秸稈處理，全生育期土壤平均含鹽量分別降低11.9%、17.4%和20.2%[圖5(b)]。

圖5　不同灌溉水礦化度和地下水深度對土壤水鹽的影響Fig.5 Changes in soil moisture and soil salinity with different concentration of the irrigation water and groundwater depth

圖5(a)反映了地下水深度和灌溉水礦化度對全生育期0～60 cm土層含水率均值的影響。可以看出，在同一灌溉水礦化度下，隨著地下水深度的增加，土壤含水率呈減小趨勢。同一地下水深度下，不同灌溉水礦化度對土壤水分的影響表現為：5 g/L>3g/L>淡水。原因可能是微咸水灌溉改變土壤結構，增加了土壤持水能力；同時灌溉水帶入的鹽分影響了作物吸收土壤水分的能力，即微咸水灌溉引起土壤鹽分濃度增大，降低了土壤水分的溶質勢，使作物吸水困難；灌溉水礦化度越高，上述影響越明顯[16]。在同一灌溉水礦化度下，土壤鹽分均值隨地下水深度的增加而減小，且減小速度逐漸下降[圖5(b)]；在3 g/L的灌溉水礦化度下，當地下水深度從60 cm增加到120 cm時，土壤含鹽量從3.11 g/kg降低到2.35 g/kg，降幅為24.4%；當地下水深度從120 cm增加到200 cm時，土壤含鹽量僅降低0.3 g/kg，降幅為12.8%。

由圖5(a)可知，在本試驗灌水和地下水埋深條件下，0～60 cm土層不同處理土壤含水率保持在田間持水率的65%～91%，均保持在玉米生長所需水分范圍內，能夠滿足作物正常需水要求。土壤含鹽量對作物產量有極大的影響。已有的研究表明夏玉米在ECe達到5.9 dS/m(換算為土壤含鹽量約為2.55 g/kg[12，17])時，其產量減少50%[17]。為保證玉米產量保持較高水平，全生育期土壤含鹽量均值應嚴格控制在2.55 g/kg以下。由圖5(b)可知，在淡水灌溉時，地下水深度應控制在80 cm以下；在灌溉水礦化度為3 g/L時，地下水深度應不低于120 cm；當灌溉水礦化度為5 g/L時，地下水深度應控制在200 cm以下。

3　結　論

(1)本文利用HYDRUS-2D模型對地埋秸稈體條件下的濱海鹽漬土水鹽動態進行模擬，結果顯示0～60 cm各土層土壤含水率RMSE均值為0.025 cm3/cm3，NSE均值為0.66，R2均值為0.80；土壤含鹽量RMSE均值為036 g/kg，NSE均值為0.58，R2均值為0.73。土壤含水率和含鹽量模擬值與實測值之間具有較好的一致性。

(2)秸稈體可以有效降低0～60 cm土層土壤含水率和含鹽量。在150 cm地下水位下，灌溉水礦化為淡水、3和5 g/L時，埋設秸稈體的處理較不埋設秸稈體處理，0～60 cm土層土壤平均含水量分別降低7.4%、7.5%和7.1%，土壤平均含鹽量分別降低11.9%、17.4%和20.2%。

(3)在地埋秸稈體條件下，土壤水分和土壤鹽分隨灌溉水礦化度的增加而增加，隨地下水深度的增加而減小。為控制土壤鹽分小于2.55 g/kg，玉米減產小于50%，在淡水灌溉時，地下水深度應大于80 cm；灌溉水礦化度為3 g/L時，地下水深度應大于120 cm；灌溉水礦化度為5 g/L時，地下水深度應控制在200 cm以下。

□

參考文獻：

[1]劉兆普，沈其榮，尹金來．濱海鹽土農業[M]．北京：中國農業科技出版社，1998．

[2]畢遠杰，王全九，雪靜.覆蓋及水質對土壤水鹽狀況及油葵產量的影響[J].農業工程學報，2010，26(S1):83-89.

[3]馮永軍，陳為峰，張蕾娜，等.濱海鹽漬土水鹽運動室內實驗研究及治理對策[J].農業工程學報，2000，16(3):38-42.

[4]虎膽·吐馬爾白，吳旭春，迪力達.不同位置秸稈覆蓋條件下土壤水鹽運動實驗研究[J].灌溉排水學報，2006，25(1):34-37.

[5]W Zribi，J M Faci，R Aragues.Mulching effects on moisture, temperature，structure and salinity of agricultural soils[J].Itea，2011，107(2):148-162.

[6]趙永敢，王婧，李玉義，等.秸稈隔層與地覆膜蓋有效抑制潛水蒸發和土壤返鹽[J].農業工程學報，2013， 29(23):109-117.

[7]Rajan Bhatt，K L Khera.Effect of tillage and mode of straw mulch application on soil erosion in the submontaneous tract of Punjab，India[J].Soil and Tillage Research，2006，88(1-2):107-115.

[8]郝遠遠，徐旭，黃權中，等.土壤水鹽與玉米產量對地下水埋深及灌溉響應模擬[J].農業工程學報，2014， 30(20):128-136.

[9]馬海燕，王昕，張展羽，等.基于HYDRUS-3D的微咸水膜孔溝灌水鹽分布數值模擬[J].農業機械學報，2015，(2):137-145.

[10]余根堅，黃介生，高占義.基于HYDRUS模型不同灌水模式下土壤水鹽運移模擬[J].水利學報，2013, 44(7):826-834.

[11]張化，王靜愛，張峰，等.HYDRUS-2D模型對海冰水灌溉情景下水鹽遷移的模擬[J].資源科學，2011，33(2):377-382.

[12]萬長宇，張展羽，馮根祥，等.暗管排水條件下微咸水灌溉對土壤水鹽運移特征的影響[J].灌溉排水學報，2016，(3): 37-41.

[13]D N Moriasi，J G Arnold，M W Van Liew，et al.Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations[J].Transactions of the Asabe，2007，50(3):885-900.

[14]陸培榕，張展羽，馮根祥，等.秸稈排水體埋深對鹽漬土水鹽分布的影響及排水抑鹽效果[J].農業工程學報，2017，33(5):115-121.

[15]喬海龍，劉小京，李偉強，等.秸稈深層覆蓋對水分入滲及蒸發的影響[J].中國水土保持科學，2006，4(2):34-38.

[16]陳麗娟，馮起，王昱，等.微咸水灌溉條件下含黏土夾層土壤的水鹽運移規律[J].農業工程學報，2012，28(8):44-51.

[17]J D Rhoades，A Kandiah，A M Mashali.The use of saline waters for crop production[J].Fao Irrigation and Drainage Paper，1992.