南疆成齡核桃滴灌條件下根區(qū)土壤水分運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬

2020-07-06 04:44:44虎膽吐馬爾白米力夏提米那多拉

灌溉排水學(xué)報(bào) 2020年6期

焦萍，虎膽·吐馬爾白，米力夏提·米那多拉

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052）

0 引言

【研究意義】南疆地處我國西北干旱地區(qū)，水資源已成為制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的首要問題之一，每年有大面積的農(nóng)田因干旱而減產(chǎn)[1]。因此，發(fā)展高效灌溉迫在眉睫。滴灌作為一種高效的節(jié)水灌溉技術(shù)，節(jié)水效果較好[2]，在農(nóng)田作物中應(yīng)用廣泛，但滴灌模式在南疆地區(qū)林果灌溉中尚不普及。滴灌作為局部灌溉技術(shù)，土壤濕潤區(qū)的有限性對果樹根系分布生長存在影響，通過研究土壤濕潤區(qū)范圍與根系分布規(guī)律，使根系分布于有限的濕潤區(qū)內(nèi)，更有利于作物根系生長[3-4]。根系的分布特征決定了土壤水分的利用策略，根系分布對土壤水分的消耗及運(yùn)移具有直接作用[5-7]。作為果樹吸收水分和養(yǎng)分的主要器官，研究根系的分布規(guī)律、建立根系吸水模型是計(jì)算根系吸水強(qiáng)度的重要環(huán)節(jié)[8-9]。【研究進(jìn)展】目前灌溉條件下的土壤水分運(yùn)動(dòng)研究主要基于Hydrus 模型[10-12]，如Mohammad 等[13]

研究得出，植被覆蓋條件可防止土壤水分的垂向淋失，雙滴灌系統(tǒng)可改善砂土的水分分布。楊霞等[14]研究表明，壤土水力特性參數(shù)反演效果較好，模型模擬值與實(shí)測值吻合度較高。冀榮華等[15]認(rèn)為模擬周期中，土壤含水率和水分?jǐn)U散速率隨壓力水頭的增大而增大，隨土壤黏粒量的增大而減小。蔣光昱等[16]針對疏勒河流域辣椒灌溉制度的優(yōu)化做了Hydrus 模擬研究，得出適宜的畦灌灌溉制度為：灌溉次數(shù)9 次，灌水間隔為30 d 與15 d 2 種，每次灌水定額45～80 mm 不等，灌溉定額525 mm。【切入點(diǎn)】本試驗(yàn)研究主要基于核桃濕潤區(qū)根系分布及土壤濕潤區(qū)范圍，利用Hydrus 2D模型構(gòu)建年際間核桃土壤水分模擬研究。【擬解決的關(guān)鍵問題】判定成齡核桃樹適宜的灌溉定額，對研究特色林果SPAC 系統(tǒng)的土壤水分運(yùn)移及灌溉定額的確定也具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018 年4 月15 日—2019 年8 月9 日在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行，該試驗(yàn)基地位于阿克蘇地區(qū)紅旗坡農(nóng)場（東經(jīng)80°20′，北緯41°16′，海拔1 130 m）。試驗(yàn)區(qū)屬暖溫帶干旱性氣候。多年平均太陽總輻射量544.115～590.156 kJ/cm2，多年平均日照時(shí)間2 855～2 967 h，無霜期達(dá)205～219 d，多年平均降水量42.4～94.4 mm，年有效積溫為3 950 ℃。試驗(yàn)區(qū)面積為0.106 hm2，地下水埋深在6 m 以下，水質(zhì)符合灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)區(qū)土壤機(jī)械組成見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用2005 年所建的無底自由排水邊界的測坑（長3 m，寬1.85 m，高4 m）進(jìn)行核桃生長試驗(yàn)，測坑內(nèi)土體為原狀土。核桃品種為“溫185”，屬早熟紙皮核桃品種，于4 月初進(jìn)入生育期，8 月下旬進(jìn)行采收。試驗(yàn)為地表滴灌條件下非土壤水分脅迫研究，試驗(yàn)期間共灌水10 次（表2）。生育期內(nèi)對果樹進(jìn)行常規(guī)施肥（溝施及隨水施肥），并定期除去雜草進(jìn)行相關(guān)農(nóng)藝措施。滴灌帶選擇新疆坎兒井公司生產(chǎn)的滴頭流量為3.2 L/h，滴頭間距20 cm 型號滴灌帶。采用距樹40 cm 一行二管式鋪設(shè)。

表1 土壤物理性質(zhì) Table 1 Soil Physical Properties

0～20 7.0 56.5 36.5 粉砂壤土 <20～40 7.2 67.9 24.9 粉砂壤土 <40～60 2.9 15.8 81.3 壤砂土 <60～80 0.1 1.7 98.2 細(xì)砂 <80～100 0.2 8 91.8 細(xì)砂

表2 灌溉制度表 Table 2 Irrigation schedule

1.3 測試項(xiàng)目

試驗(yàn)采用土壤剖面水分傳感器（TRIME-PICO- IPH，IMKO Inc.，Germany）測定土壤含水率數(shù)據(jù)，株行間每40 cm 間距預(yù)埋1 根測定管，共5 根。每10 cm 一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，測定深度120 cm。采用精度為0.01 g的天平稱質(zhì)量方式測定棵間地表蒸發(fā)量。測定時(shí)間均為停灌后每天10:00 測定。根系取樣采用分段分層掘進(jìn)法，取樣時(shí)間2019 年6 月7 日，采用Delta-Tscan軟件測定根長密度。采用Hemiview 冠層分析系統(tǒng)每月對核桃樹冠層定期監(jiān)測，計(jì)算葉面積指數(shù)。氣象數(shù)據(jù)根據(jù)試驗(yàn)站架設(shè)的微型氣象站測定，每30 min 記錄1 次，包括核桃全生育期的太陽輻射、氣溫、相對濕度、風(fēng)速及降雨量等。

1.4 根系吸水模型

根系吸水匯源項(xiàng)S采用FEDDES 提出的根系吸水模型[17]：

式中：α(h)為土壤水勢指定相應(yīng)函數(shù)（0≤α≤1）；Sp為潛在根系吸水速率（1/h）；β(r,z)為根長密度分布函數(shù)；St為與蒸騰相關(guān)的土壤表面寬度（cm）；Tp為潛在蒸騰強(qiáng)度（cm/h），根據(jù)文獻(xiàn)[18]確定。

對于根長密度分布函數(shù)β(r,z)，根據(jù)實(shí)測根系根長密度資料數(shù)據(jù)采用：

式中：Rm、Zm為根系在r，z方向上最大根系伸展深度（cm）；r，z為R，Z方向距樹距離（cm）；Pz、Pr、z*、r*為擬合參數(shù)。

1.5 模型精度驗(yàn)證

選取均方根誤差（Root mean square error，RMSE）、相對誤差（Relative error，RE）以及決定系數(shù)（R2）3個(gè)評價(jià)指標(biāo)對地表滴灌條件下Hydrus 2D 模擬核桃土壤水分運(yùn)移進(jìn)行量化評價(jià)。

式中：N為含水率的總觀測點(diǎn)數(shù)，N=1，…，90；Si（cm3/cm3）為第i個(gè)觀測點(diǎn)的含水率模擬值；Mi（cm3/cm3）為第i個(gè)觀測點(diǎn)的實(shí)測值。

2 結(jié)果與分析

2.1 地表滴灌模式對根系及土壤濕潤區(qū)的影響模型

2.1.1 濕潤區(qū)核桃根系分布

對于核桃二維根長密度分布函數(shù)β(r,z)，根據(jù)實(shí)測根系的根長密度資料數(shù)據(jù)，擬合結(jié)果見表3。因樣本樹為成齡核桃樹，2 a 的不同灌水定額對核桃樹根系影響較小，根長密度分布函數(shù)參數(shù)擬合后的結(jié)果相近。因此，將3 個(gè)水分處理下的實(shí)測根長取平均值，分析規(guī)律見表4。

表3 核桃根長密度分布函數(shù)參數(shù)擬合結(jié)果 Table 3 Fitting results of the distribution function Parameters of walnut root length and density

表4 根長分布比例 Table 4 Ratio of root length distribution

成齡核桃樹的水平方向根系分布主要在0～120 cm 范圍內(nèi)，累計(jì)分布比例可達(dá)88.84%，垂直方向主要分布于0～60 cm 范圍，累計(jì)分布比例可達(dá)88.54%；因此，核桃地表滴灌時(shí)的灌溉定額應(yīng)達(dá)到水平方向120 cm、垂直方向60 cm 的土壤濕潤范圍，小于此范圍的灌溉定額對成齡核桃生產(chǎn)生長不利，大于此范圍的灌溉定額存在水分的深層滲漏，存在水資源的浪費(fèi)。

2.1.2 不同灌水處理下土壤濕潤區(qū)

通過年際間核桃根區(qū)土壤水分的觀測，得到不同灌水處理下灌水后24 h 距滴灌帶不同距離的土壤濕潤區(qū)分布（圖1）。由圖1 可知，低水處理的土壤濕潤區(qū)為窄區(qū)域濕潤，中水處理土壤水潤區(qū)為寬淺區(qū)域，高水處理土壤水潤區(qū)為寬區(qū)域。隨灌溉定額的增大，距滴灌帶不同距離的土壤體積含水率曲線也越接近。說明灌水量越小時(shí)距滴灌帶不同距離的土壤體積含水率差異性越大，越遠(yuǎn)的測點(diǎn)土壤體積含水率越穩(wěn)定，灌水對其影響甚微；而灌水量較大時(shí)土壤水分會(huì)向較遠(yuǎn)較深層運(yùn)移。

由圖1 還可知，低水處理灌后土壤垂直方向浸潤達(dá)到40 cm 左右；中水處理灌后土壤體積含水率曲線為“波浪狀”曲線，灌后土壤垂直方向浸潤可達(dá)到60 cm；高水處理垂直方向浸潤超過100 cm。結(jié)合成齡核桃吸水根系垂直方向主要分布于0～60 cm，中水處理下的灌溉定額是最適宜成齡核桃生長的灌溉定額。土壤濕潤區(qū)的形成主要受土壤含水率分布的影響，因灌溉定額的差異，不同處理在距滴灌帶不同距離處的土壤儲(chǔ)水量值不同，與平均儲(chǔ)水量差值也不同，也造成了均勻度的差異。

由表5 可知，距滴灌帶40 cm 距離處的土壤儲(chǔ)水量值與平均儲(chǔ)水量值差值各次均小于滴灌帶正下方和距滴灌帶80 cm 處；說明距滴灌帶40 cm 處土壤儲(chǔ)水量值最接近平均儲(chǔ)水量，而水平方向上距樹干0～120 cm 是核桃吸收根系主要分布區(qū)域，因此將滴灌帶布設(shè)在距樹干40 cm 處不合理，應(yīng)將滴灌帶布設(shè)到距樹60 cm 處，因?yàn)榫嗟喂鄮?60～60 cm 區(qū)域即為核桃吸收根系主要分布區(qū)域，根系分布比例可達(dá)到88.84%。

此外，土壤儲(chǔ)水量水平均勻度隨灌溉定額的增加而增大。低水處理的均勻度均在85%以下，中水處理均勻度>87%，高水處理均勻度>90%；說明灌水量較大的處理，土壤水分分布均勻，更有利于核桃生長。但因考慮到高效水分利用的問題，中水處理下均勻度已高達(dá)87%以上，因此可以考慮中水處理的灌溉定額450 m3/hm2作為成齡核桃果樹地表滴灌的指導(dǎo)灌溉定額。

圖1 不同灌水處理下的土壤濕潤區(qū) Fig.1 Soil moist area under different irrigation treatments

表5 不同灌水定額核桃土層儲(chǔ)水量水平分布 Table 5 horizontal distribution of water storage in walnut soil layer under different irrigation quotas

2.2 基于Hydrus 2D 模型土壤水分?jǐn)?shù)值模擬

2.2.1 模型率定與驗(yàn)證

模擬時(shí)段為2018 年4 月10 日—8 月9 日和2019年4 月10 日—8 月9 日，模擬時(shí)長共133 d，此時(shí)段包括核桃的各生育期，年際間相關(guān)變量如圖2 所示。各處理年際間土壤體積含水率的測量值與模擬值如圖3 所示。由圖2 可知，2018 年核桃生育期內(nèi)降雨量遠(yuǎn)高于2019 年，受降雨影響，故而2108 年的日均蒸騰速率要低于2019 年。從圖3 可得出，Hydrus 2D模型模擬土壤水分?jǐn)?shù)值結(jié)果較好，不同水分處理下的土壤體積含水率模擬值與實(shí)測值在1∶1 線二側(cè)分布。2018 年灌水定額從低到高3 個(gè)處理RMSE介于0.016～0.022 cm3/cm3范圍，RE介于0.04～0.11 范圍，R2介于81.03%～87.68%范圍，率定精度較好。

以2019 年數(shù)據(jù)做驗(yàn)證，灌水定額從低到高3 個(gè)處理RMSE介于0.017～0.021 cm3/cm3范圍，RE介于0.07～0.12 范圍，R2介于83.08%～97.19%范圍，通過驗(yàn)證得出精度仍然滿足要求。因此利用Hydrus 2D 模型模擬核桃生育期內(nèi)根系吸水及土壤水分運(yùn)移是可靠的。率定后的土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)見表6。

表6 土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)求解結(jié)果 Table 6 solution results of soil hydrodynamic parameters

2.2.2 土壤水分模擬值與實(shí)際值變異數(shù)分析

不同土層深度的土壤體積含水率受作物根系吸水能力的影響，導(dǎo)致全生育期土壤體積含水率的差別。本研究以2018 年3 次灌水和2019 年3 次灌水的土壤體積含水率模擬值為研究對象進(jìn)行數(shù)據(jù)分析（表7）。在核桃全生育期內(nèi)，土壤體積含水率在0～60 cm 深度范圍內(nèi)差異顯著（P<0.05）。隨著土層深度的增加土壤體積含水率之間的差異性逐漸減小，全生育期內(nèi)的土壤體積含水率曲線趨于平緩。因受地表滴灌的影響，核桃根區(qū)的土壤濕潤區(qū)深度較淺，故將垂直剖面劃分為土壤水分活躍層（0～60 cm）和土壤水分穩(wěn)定層（60～100 cm）2 個(gè)區(qū)域。對于土壤水分活躍層（0～60 cm）的0～20 cm 土層土壤體積含水率異常活躍，差異性表現(xiàn)為極顯著（P<0.01），這在不同水分處理?xiàng)l件下均成立。與前人研究結(jié)論相似，隨著灌水定額增大，土壤體積含水率也隨之增加，不同滴灌灌水定額對含水率的影響主要在0～60 cm 土層范圍內(nèi)，且在0～20 cm 差異極顯著。

圖2 模擬時(shí)段內(nèi)相關(guān)變量 Fig.2 Related variables in simulation period

圖3 Hydrus 2D 模型模擬的土壤含水率率定和驗(yàn)證結(jié)果 Fig.3 Calibration and validation of soil water content simulated by Hydrus 2D model

表7 不同灌水定額核桃模擬土壤含水率差異性分析 Table 7 Analysis on the different of soil moisture content in different soil layers of walnut under different irrigation quotas

3 討論

本研究得出土壤濕潤區(qū)范圍與灌溉定額的關(guān)系，即低水處理形成窄型濕潤區(qū)、中水處理形成寬淺型、高水處理形成寬型濕潤區(qū)，這與王允喜等[2]結(jié)論相似。果樹地表滴灌時(shí)，根據(jù)土壤濕潤區(qū)的寬度及深度結(jié)合核桃根系的分布范圍來判定灌溉定額是否適宜是合理的。如灌溉定額較小，土壤濕潤區(qū)的寬度及深度均達(dá)不到核桃生長需水的要求；灌溉定額較大，土壤濕潤區(qū)為寬型濕潤區(qū)，此時(shí)會(huì)有深層滲漏的情況存在，雖然滿足核桃生長需水要求，但造成了水資源的浪費(fèi)，同樣不適宜。

Hydrus 模型應(yīng)用較為廣泛，多被用于土壤水分運(yùn)移、土壤鹽分運(yùn)移及土壤熱運(yùn)移的數(shù)值模擬研究[19]。如李仙岳等[20]利用Hydrus 2D 研究了膜下滴灌玉米番茄間作的土壤水分變化特征，吳元芝等[21]利用Hydrus 1D 模擬研究了玉米根系吸水的影響因素，馮浩等[22]運(yùn)用Hydrus 2D 模型對起壟覆膜條件下夏玉米的農(nóng)田耗水做了相關(guān)研究，結(jié)果均表明Hydrus 模型模擬土壤水熱鹽運(yùn)移結(jié)果較好精度較高。本文對Hydrus 2D 模型的率定和驗(yàn)證結(jié)果也表明Hydrus 2D模型在模擬果樹地表滴灌模式下的土壤水分運(yùn)移結(jié)果可靠。研究表明，通過對土壤濕潤區(qū)范圍、根系分布和土壤水分運(yùn)移的模擬可以準(zhǔn)確地得到成齡核桃適宜的灌溉定額，為南疆干旱區(qū)特色林果灌溉提供理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)。