基于HYDRUS-2D模型的膜下滴灌暗管排水棉田土壤鹽分變化

劉洪光，白振濤，李開明

（1. 石河子大學水利建筑工程學院，石河子 832000；2. 石河子大學現代節水灌溉兵團重點實驗室，石河子 832000）

0 引言

新疆地區在大面積推廣膜下滴灌技術之后，逐漸荒廢了原有的排水渠，形成了“滴灌無排”的模式[1-2]。該模式短期內可以濕潤根系層，使得根系層暫時脫鹽，但長期會使新疆地區土壤次生鹽漬化加劇[3-4]。劉新永等[5]研究發現，棉花生育期結束后，0～60 cm土層鹽分都有增加，在膜間0～20 cm土層鹽分強烈累積。牟洪臣等[6]研究發現小定額灌溉不會產生深層滲漏，鹽分無法排除土體，大量的鹽分會在深層聚集。弋鵬飛等[7]研究發現土壤鹽分隨膜下滴灌使用年限增長呈逐漸累積的趨勢，且累積的鹽分逐漸向地表遷移。膜下滴灌是局部灌溉，沒有深層滲漏，也不具備排鹽效果，使用膜下滴灌多年以后，鹽分連年累積，產量明顯下降，因此需要新的技術手段提高排鹽效率。

滴灌淋洗配套排水措施是非常有效的鹽堿地改良方法，排水措施主要有明溝排水、暗管排水和豎井排水等[8]，其中明溝排水和暗管排水最為常用。暗管排水與明溝排水相比，不僅具有占地少、零污染、壽命長等優點，而且滿足農業機械化、集約化發展趨勢，在新疆地區應用的前景廣闊[9-10]。Talukolaee等[11]通過對伊朗北部1年生作物稻田多樣化的研究，發現地下排水系統通過影響土壤的飽和導水率和有效孔隙率來影響土壤結構。徐友信等[12]在河北省沿海鹽堿區附近的地下埋下暗管進行排水試驗，結果表明，暗管排水能促進鹽離子的浸出，埋設暗管區域的脫鹽率高于非埋設區域。此外，暗管排水不僅能有效控制地下水位[13-14]，降低土壤鹽分含量[15-16]，緩解沿海地區高水位引起的土壤鹽漬化問題[17]，而且當排水暗管間距小于或等于12 m時也可以提高土壤強度[18]。Li等[19]通過大田試驗及數值模擬研究干旱區膜下滴灌暗管排水土壤水鹽運動變化及脫鹽量，發現使用1 a后土壤表層脫鹽明顯，而農田整體脫鹽不顯著。

研究地區不同，地下水埋深、土壤類型、氣候、地形、作物的種植模式等條件不同，需要的暗管鋪方式、間距、深度以及淋洗壓鹽方案等指標也會有所差異。在干旱區利用暗管排水可以有效地降低土壤中的鹽分，但是田間試驗所需的面積大、投資費用高、施工量大。和田間試驗相比，利用數值模擬來獲取和驗證這些信息將會更加便捷、有效。李顯溦等[20]利用HYDRUS-2D軟件對暗管排水的水鹽運動參數進行了校驗，結果表明模擬值與實測值吻合度較高，可以較好地描述暗管排水、排鹽過程中的土壤水鹽動態。李亮等[21]利用HYDRUS-2D模型對土壤水鹽的遷移進行了模擬分析，結果表明模型對土壤含水率和含鹽率運移的模擬具有較高精度，反映出鹽分積聚和水分運移規律。莫彥等[22]基于HYDRUS-2D構建并驗證了玉米地下滴灌開溝播種模型，確定了適宜于此種模式的滴灌帶深埋、開溝深度、灌水量等技術參數。數值模擬技術不僅可以根據不同土壤類型和氣象條件等，對土壤水鹽運移進行模擬，研究土層內水鹽的連續性變化規律，還可以預測未來土層內水鹽的去向和動態變化。

為了解決“有灌無排，土體積鹽”的問題，本研究選擇地下水位季節性升高、土壤鹽漬化嚴重的新疆塔城地區122團，通過2 a的持續監測，研究在膜下滴灌條件下，暗管排水對鹽漬化棉田鹽分運移產生的影響，并利用HYDRUS-2D模型對該鹽堿地農田土壤鹽分運移進行模擬，分析鹽堿地棉花生育周期內和秋季返鹽期間土壤鹽分變化情況，進一步量化農田土體的脫鹽情況，揭示暗管排水條件下膜下滴灌棉田土壤鹽分變化規律，旨在為西北內陸干旱區暗管排鹽技術和膜下滴灌的推廣和應用提供理論支撐和科學指導。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于新疆生產建設兵團農八師122團，地理坐標為44°37′～44°48′N，85°27′～85°41′E。試驗區夏季炎熱，冬季寒冷，極端最高氣溫達43.1 ℃，極端最低氣溫達-42.3 ℃，9、10月份降溫迅速，晝夜溫差大，光熱資源豐富，年平均日照時數2861.6 h，年均降水量141.8 mm，年均潛在蒸發量1826.2 mm。試驗區地勢平坦，鹽堿化現象嚴重，土壤質地基本屬于砂壤土。試驗區氣候干燥和蒸發強烈，由于灌溉不當、排水不暢，引起地下水位上升，土壤母質和地下水中所含的鹽分隨著土壤中毛細水的上升而集聚在地表，導致該地區土壤次生鹽漬化嚴重。試驗區的土壤初始含鹽量基本上在10 g/kg以上，按新疆鹽堿土分類標準[23]，屬于重度鹽化土。

1.2 試驗設計

在大田中埋設暗管，暗管內徑為70 mm，埋深為2.2 m，間距為48 m，與地表平行。灌溉水取自瑪納斯河西岸大渠，試驗區與大渠之間有一條隔水溝，其作用是降低地下水位，減緩大渠對試驗區地下水位的影響，研究區運用暗管排水系統，暗管排出的水匯流到集水溝，研究區剖面圖見圖1。在研究區使用單翼迷宮型滴灌帶進行滴灌，滴頭流速為3.2 L/h，滴灌模式為一膜兩管六行，地膜厚度為0.015 mm，寬度為2 m，膜間距為40 cm，如圖2所示。本試驗種植作物為棉花，品種為創雜100號，采用膜下滴灌，作物系數采用FAO-56建議的棉花標準作物系數，根據當地灌溉經驗確定灌溉制度，如表1所示。第1年2013年4月15日播種，9月30日收獲，第2年2014年4月10日播種，9月20日收獲。

1.3 測試指標及方法

考慮灌溉周期與作物生育期，取樣時間分別設定為2013年5月25日（苗期）、2013年7月20日（花期）、2013年9月30日（吐絮期）、2014年5月20日（苗期）、2014年7月25日（花期）和2014年9月20日（吐絮期）。為了研究排鹽效果隨距暗管距離的變化情況，在研究區棉田地塊中間選取3個水平距離（分別為垂直于暗管上方8、16、24 m處）和10個土層深度（分別為0～20、20～40、40～60 、60～80、80～100、100～120、120～140、140～160、160～180和180～200 cm）設置取樣點，為盡量消除試驗誤差，每個采樣點設置3個重復，3個重復之間的水平距離為3 m，試驗結束后取3組試驗結果的平均值，取樣點均在覆膜處。

將取回的土樣按1∶5的土水比配置溶液，使用雷磁DDS-11A型數顯電導率儀（上海儀電科學儀器股份有限公司）測定土壤樣品浸提液的電導率EC（Electrical Conductivity，mS/cm），其中土壤浸提液電導率與土壤含鹽量之間的關系為

式中Q為土壤含鹽量，g/kg；EC1:5為土壤浸提液的電導率，mS/cm。

土壤脫鹽率[24]為土壤鹽分初始值與土壤鹽分終值的差值與土壤鹽分初始值之比。

新疆冬季積雪于4月上旬融化，上層土壤基本處于飽和狀態。根據布置在研究區南側和北側的觀測井觀測，研究區地下水位深度在灌溉季節（4—10月）的波動范圍是1.75～2.10 m，非灌溉季節地下水位深度均在2.20 m以下，如表2所示。2013和2014年分別對暗管排水、觀測井中地下水和西岸大渠中灌溉水取樣各3次，每次取3瓶，每瓶500 mL，并采用烘干法測定礦化度，取平均值，其中地下水取樣深度取決于地下水位高度。2013年4月15日播種后，采集各采樣點的初始鹽含量，為簡化模型的初始條件，計算和測定各土層的平均含鹽量和初始含水率（表 3）。建立HYDRUS-2D模型模擬棉花生育期的鹽分遷移和秋季返鹽期鹽分遷移，鹽分模擬值通過0～200 cm土層土壤剖面鹽分實測值進行驗證。

1.4 HYDRUS-2D模型基本方程原理

HYDRUS-2D[25]是用來模擬二維飽和-非飽和介質中水、熱及溶質運移的軟件，在軟件中有不同的水分運動方程、植物根系作用方程、土壤介質的水力參數的數據庫可供選擇，符合本研究數值模擬參數選擇要求。

表1 2013—2014年試驗區灌溉制度 Table 1 Irrigation system of experiment area in 2013—2014

表3 各土層初始含鹽量和初始含水率 Table 3 Initial salt content and water content of each soil layer

1.4.1 數學模型

1）土壤水分運動模型

膜下滴灌是點源入滲，暗管排水時土壤水鹽運移屬于三維運動入滲問題，但其運動模式可簡化為二維問題來解決[26]。根據達西定律和質量守恒定律[27]，假定土壤均勻和各向同性，不考慮空氣、溫度及土壤水分滯后效應對土壤水分運動的影響，考慮作物根系吸水，此時土壤水分運動可用Richards方程[28]表示為

式中θ(h)為土壤體積含水率，cm3/cm3；h為壓力水頭，cm；K(h)為土壤非飽和導水率，cm/d；t為時間，d；x為橫向坐標，z為垂向坐標，規定z向下為正；S(h)為源匯項，此處表示根系吸水率，即根系在單位時間內由單位體積土壤中所吸收水分的體積，cm3/(cm3·d)，其具體表示為[29]

式中Sp為α(h)=1時無水分脅迫周期內的吸水率，α(h)是植物根系吸水的無量綱響應函數[28-30]，定義為

式中h1為作物根系吸水厭氧基質勢值，cm；h2為土壤初始基質勢值，cm；h3為土壤末態基質勢值，cm；h4為根系凋萎時土壤基質勢值，cm。式（2）中涉及到θ(h)、h、K(h)三者之間的關系，模擬中采用van Genuchten-Mualem模型[30]擬合，即

式中Ks為土壤飽和導水率，cm/d；Se為相對飽和系數，無量綱；θr為土壤剩余體積含水率，cm3/cm3；θs為土壤飽和體積含水率，cm3/cm3；α、n、m均為土壤物理特性有關的擬合參數，α為經驗參數，cm-1；n是曲線形狀參數，n＞1；m=1?1/n；l為形狀系數。

軟件模擬的是膜下滴灌，棉花生育期降水量很小，故忽略降水對水鹽鹽分運移的影響。土壤容重采用環刀取原狀土測定，根據在試驗區內0～300 cm土層測得土壤中黏粒、粉粒和砂粒的平均含量，經RETC軟件擬合，其土壤水力特性參數：土壤容重r取1.51 g/cm3，Ks取106.1 cm/d，θr取0.065 cm3/cm3，θs取0.41 cm3/cm3，α取0.075 cm-1，n取1.89，l取0.5。

2）土壤溶質運移模型

在研究中，使用土壤溶質穿透曲線來推導水動力彌散系數，它是反映溶質在非飽和土壤中運移的基本曲線。將風干土樣裝入土柱中，控制容重，用示蹤劑連續恒定注入土壤中，然后根據示蹤劑溶質在土壤中運移時通過某截面的相對濃度與時間或體積的關系繪制曲線。本試驗使用氯化鈉溶液作為示蹤劑。為了獲得實測值與模擬值之間的最佳擬合，在土壤穿透曲線的基礎上對修正后的水動力彌散系數進行調整，得出修正后的水動力彌散系數，其中溶質運移參數縱向彌散度為21 cm，橫向彌散度為4.5 cm。在均勻介質中，用可控的對流彌散方程模擬非反應離子運移[29]，其公式為

式中c為溶質濃度，g/cm3；qi為入滲率，cm/d；Dij為彌散系數，cm2/d；下標i，j表示x，z軸坐標；Cs為匯項鹽分含量，g/L。

3）根系吸水模型

鹽度脅迫響應函數采用乘法模型中的閾值模型，并在HYDRUS數據庫中選擇與棉花相對應的閾值和斜率值。棉花根系吸水參數取值情況：土體空隙被水完全充滿時對應的負壓值（P0）取-10 cm；土壤毛管上升水達到最大量時對應的負壓值（Popt）取-25 cm；土壤毛管水因地表蒸發和作物吸收發生斷裂時對應的極限高負壓值（P2H）取-200 cm；土壤毛管水因地表蒸發和作物吸收發生斷裂時對應的極限低負壓值（P2L）取-600 cm；作物產生永久凋萎時對應的負壓值（P3）取-14000 cm；最大根系深度取60 cm；最大根系深度取25 cm；最小滲透壓頭（鹽度閾值）值取15.4 cm，高于該值時根系水分的吸收不會降低；斜率取2.6，為確定分根曲線的斜率，鹽度每增加1個單位，其吸水量就下降到閾值以下。

采用修正的Feddes模型[31]，公式如下：

式中α(h, hφ,x,z)為土壤水鹽脅迫函數；hφ為滲透壓力，cm；b(x, z)為根系分布函數，cm-2；St為與蒸騰關聯的地表長度，cm；Tp為潛在蒸發速率，cm/d。

4）參考作物蒸發蒸騰量

參考作物蒸發蒸騰量按照Penman-Monteith公式[19]計算，數據來源為當地氣象站的氣象數據，計算結果如圖3所示。潛在蒸發量和潛在蒸騰量計算公式[19]為

式中ETp為潛在蒸發蒸騰速率，cm/d；Kc為棉花的作物系數；ET0為參考作物蒸發蒸騰量，cm/d；Ep為潛在蒸發速率，cm/d；Tp為潛在蒸騰速率，cm/d；Δ為飽和水汽壓溫度曲線上的斜率，kPa/℃；Rn為凈太陽輻射，MJ/m2；L為水汽化的潛熱，MJ/kg；γ為濕度常數，kPa/℃；LAI為葉面積指數。

1.4.2 初始條件

以2根暗管中心線為軸，左右呈現對稱，為了減少模型運算可以簡化模型，將試驗區域以2根暗管中心線進行劃分，對其左側進行模擬，模擬區域以及邊界條件見圖4。模擬計算區域為長（水平方向）2470 cm、寬（垂直方向）300 cm的矩形。模型模擬地下0～200 cm深度范圍土壤鹽分變化特征，按照土壤初始含鹽量和初始含水率進行分層。模擬時間從2013年4月20日至2014年12月1日，共建立4個數值模型，分別模擬2013和2014年的灌溉期（2013年4月20日—2013年9月30日、2014年4月20日—2014年9月20日）和秋季返鹽期（2013年10月1日—2014年4月9日、2014年9月21日—2014年12月1日），模擬時長共計590 d，前1個階段的模擬結果按節點逐個賦值為下1個階段的初始輸入條件，采用變時間步長剖分方式，根據收斂迭代次數調整時間步長[32]。模擬結束，將4次模擬的數據整合在一起來分析灌溉期和秋季返鹽期的鹽分變化規律。

1）水分運動初始條件

式中θ′(x, z,0)為土壤初始含水率，cm3/cm3；X為暗管到模型右邊界間距，cm；Z為地面到模型下邊界的距離，cm。

圖4為研究區模型邊界示意圖。灌溉期模型土壤初始邊界條件為：模型的上邊界條件由膜下滴灌覆膜區、滴頭區和膜間裸地組成，覆膜區為零通量邊界；膜間裸地為大氣邊界；在二維垂直水流運動下，滴頭流量造成的通量變化可視為變通量邊界；暗管管壁有微孔，表面并包裹有濾料和土工織布，可視為滲流面邊界；左、右邊界為零通量邊界；研究區模型下邊界遠低于地下水位，研究區地下水穩定，視為模型下邊界與地下水基本不發生水量交換和溶質運移，下邊界可視為零通量邊界。

秋季返鹽期模型土壤初始邊界條件為：模型的上邊界條件為大氣邊界，降水量和灌水量設為0，在裸土條件下進行模擬；其余邊界條件同灌溉期模型邊界條件。在膜下和膜間分別設置觀測點，用土壤鹽分平均值的變化來表示整個模擬區總鹽分的變化。

2）溶質運移初始條件

式中C0為土壤初始含鹽量，g/kg。

溶質運移邊界條件與水分運動邊界條件相對應，滴頭處、暗管邊壁處同為第三類邊界條件。

1.4.3 模型檢驗

利用SPSS軟件對重復取樣實測值進行最小顯著性差異方法（Least Significant Difference，LSD）分析，利用均方根誤差（Root Mean Squared Error，RMSE）和納什效率系數（Nash-Sutcliffe Efficiency Coefficient，NSE）驗證模擬結果的可靠性[33]，RMSE越接近0，NSE越接近1，表示模擬值與實測值差異越小，兩者吻合越好。

2 結果與分析

2.1 土壤鹽分實測數據分析

利用最小顯著性差異方法計算得到的重復取樣的樣本數據P值均大于0.05，說明土壤的實測值均無顯著性差異，一致性較好。由圖5可知，2014年根系層土壤含鹽量降低到11 g/kg左右，與初始含鹽量相比顯著下降，出苗率明顯提高。與初始鹽含量相比，在0～80 cm的深度范圍內，土壤鹽分下降明顯，隨著土壤深度的增加，土壤鹽分含量減少的速率呈逐漸下降的趨勢，在100～120 cm的深度范圍內，隨著土壤深度的增加，土壤含鹽量呈現相反的變化規律。土壤鹽分含量峰值伴隨棉花生育期過程逐漸向下遷移，最終從100～120 cm的土層深度遷移至140～160 cm的土層深度。這表明，鹽分隨著灌溉水向下運移，上層土壤鹽分不斷被淋洗，上層土壤處于脫鹽狀態，并在下層土壤一定深度處聚集。

暗管排水水樣平均礦化度為90.6 g/L，觀測井中地下水和西岸大渠中灌溉水的水樣礦化度分別為10.3和0.96 g/L，均遠低于暗管排出水樣的含鹽量，這說明暗管排出的鹽分絕大部分來自于土體。灌溉期灌水后地下水位上升至暗管以上，灌溉水與地下水在暗管上方形成匯流流入暗管，上層淋洗到下層的鹽分也隨之排出暗管，說明膜下滴灌與暗管排水對鹽堿化土壤的改良具有良好的協同作用。

2.2 HYDRUS-2D模型驗證結果分析

圖6為0～200 cm深度范圍距離暗管不同間距處各剖面土壤鹽分模擬值與實測值的對比情況，由圖6可知，在0～40 cm土層范圍內，土壤鹽分模擬值大多數略小于實測值，尤其在圖6a的模擬結果對比中尤為明顯。這可能是由于土壤上表層電導率受實際外界因素影響明顯，而模型構建過程中的邊界情況與實際邊界情況存在細微差異，實際情況中的蒸發蒸騰等邊界條件比模型中所構建的要復雜，這些差異對土壤電導率會產生一定影響。

在140～200 cm土層范圍內，土壤鹽分模擬值大多數略大于實測值，尤其在圖6d和圖6h的模擬結果對比中尤為明顯。這可能是因為土壤溶質運移過程本身比較復雜，溶質運移參數與儀器所測電導率的精確程度都會帶來實測值與模擬誤差。但是從RMSE和NSE值總體來看，模擬值與實測值兩者差異不大且變化趨勢一致，吻合性較好。

在0～80 cm深度范圍內，隨著生育期的推進，土壤鹽分含量明顯下降；80～200 cm深度范圍內，隨著土層深度的增加，土壤鹽分含量的總體呈下降趨勢，但由于初始含鹽量的影響，最終形成上層和下層土壤含鹽量較少，中間含鹽量較大的分布情況。這是因為灌水后土壤上層的鹽分會隨著水流運動向下遷移，隨著土壤深度的增加鹽分運移對土壤含鹽量變化的影響程度會變小。土壤鹽分含量峰值伴隨灌溉時間的增加逐漸向下遷移，從100～120 cm的土層深度遷移至140～160 cm的土層深度，模擬值與實測值吻合度較好。

在水平方向上，距離暗管越遠，土壤脫鹽率越小，不同距離的含鹽量模擬精度的均方根誤差RMSE和納什效率系數NSE范圍分別為0.39～1.26 g/kg和0.66～0.97，個別模擬值變異程度較大，其他模擬結果的變異程度不是很大，說明各個距離的土壤鹽分實測值與模擬值差異不大，模型在模擬土壤的鹽分分布時具有較高的精度，參數較可靠，滿足模擬精度要求。模擬值與實測值擬合結果較為理想，較好地反映出了土壤鹽分在試驗期內的變化規律，模擬結果可靠。

3 模型應用

應用經過實測值與模擬值修正參數后的膜下滴灌棉田暗管排鹽模型分別對2013和2014年的灌溉期和秋季返鹽期土壤鹽分運移進行更長時間序列的模擬計算，共進行4個階段為期590 d的模擬，以研究土壤鹽分隨時間的連續動態變化。

3.1 0～80 cm土層土壤含鹽量分析

圖7是在模擬區以膜下為取樣點表示距離暗管不同位置處0～80 cm土層內鹽分含量變化曲線。由圖7可知，2013和2014年棉花生育期內根系層鹽分含量呈下降趨勢，脫鹽量隨土層深度的增加而減小。與初始含鹽量相比，2013和2014年棉花生育期末表層0 cm處鹽分分別平均下降了66.66%和69.41%，20 cm處鹽分分別平均下降了50.85%和64.31%，40 cm處鹽分分別平均下降了42.31%和59.60%，60 cm處鹽分分別平均下降了26.52%和47.96%，80 cm處鹽分分別平均下降了7.13%和28.24%，0～80 cm土層膜下平均脫鹽率分別達到了41.11%和55.56%。灌水間歇期在蒸發、施肥及根系吸水作用影響下，上層土壤鹽分有小幅波動上移變化特點，但由于地膜覆蓋鹽分隨水分上移受到抑制，土壤水分僅在膜間裸地一定范圍內向上運動強烈，鹽分隨水分進入根區總量相對有限，因此在整個生育期灌溉制度周期性灌水作用下，土壤鹽分總量呈降低趨勢。

9月下旬灌水停止，去除地膜后，在蒸發作用下鹽分逐漸由深層向上不斷遷移一部分，使得土壤表層0～20 cm土層內鹽分含量迅速上升，40～80 cm土層內鹽分沒有明顯變化（從圖7中的第160天到第220天和第530天到第590天）。距暗管16和24 m處的0 cm表層土壤鹽分增加量明顯高于8 m處；距24 m處的20 cm土層土壤鹽分增加量明顯高于8 m和16 m處。與距暗管8 m和16 m處0～20 cm土層土壤鹽分升高情況相比，24 m（兩暗管中間位置）處明顯高于前二者，這可能是由于距暗管較遠，脫鹽效果有所減弱，該處土壤中的鹽分含量較高，在蒸發的作用下，鹽分向表層運移與聚集。

3.2 0～80 cm土層膜下和膜間整體脫鹽率分析

分別在數值模型區域的膜下和膜間設置取樣點，取各層土壤鹽分的平均值，計算0～80 cm土層范圍內距離暗管0～8、8～16、16～24 m的土體（膜下和膜間）平均含鹽量和土體脫鹽率（與初始含鹽量相比），見表4和表5。由表5可知，在0～80 cm土層范圍內，2013年吐絮期土體脫鹽率分別為15.70%、13.83%、12.62%；凍土形成前土體脫鹽率分別為8.90%、4.71%、3.03%；2014年吐絮期土體脫鹽率分別為22.41%、16.88%、14.35%；凍土形成土體脫鹽率分別為16.81%、8.37%、5.27%。與初始含鹽量相比，2013和2014年棉花生育期末膜下及膜間0～80 cm土層整體平均脫鹽率分別達到了14.05%和17.88%，秋季返鹽后脫鹽率分別達到了5.55%和10.15%，秋季返鹽明顯。在棉花生育期內，0～80 cm深度范圍內隨著灌溉次數的增加，土壤鹽分向下淋洗，土體鹽分逐漸降低，土體脫鹽率是逐漸減少的，前期脫鹽的速率遠大于后期，隨著距暗管距離的增加，土體脫鹽率有減小的趨勢。這說明脫鹽主要發生在灌水洗鹽階段，且距暗管的距離越近脫鹽效果越好。秋季返鹽階段，0～80 cm深度范圍內土體鹽分逐漸增加，0～8 m土體鹽分增加的程度小于8～16 m和16～24 m土體鹽分增加的程度。

表4 模擬區0～80 cm和0～200 cm土層平均含鹽量 Table 4 Average salt content of 0-80 cm and 0-200 cm soil layers in simulation area

3.3 0～200 cm土層整體脫鹽率分析

由表5可知，經過秋季返鹽階段后，土體含鹽量仍然表現呈減少趨勢，暗管發揮出了排鹽的效果。2013年凍土形成前（11月27日）與初始含鹽量相比，0～200 cm深度范圍內土體脫鹽率分別為2.97%、2.44%、2.32%（0～8、8～16、16～24 m）。2014年凍土形成前（11月28日）與初始含鹽量相比，土體脫鹽率分別為5.71%、4.64%、4.52%（0～8、8～16、16～24 m）。0～8 m土體內脫鹽率顯著高于8～16 m和16～24 m土體，三者間差異均達到顯著水平。與初始含鹽量相比，2013和2014年棉花生育期末0～200 cm深度范圍內整體平均脫鹽率分別達到了2.26%和4.85%，秋季返鹽后0～200 cm深度范圍內土體平均脫鹽率分別為2.58%和4.96%。

表5 模擬區0～80和0～200 cm土層平均脫鹽率 Table 5 Average desalination rate of 0-80 and 0-200 cm soil layer in simulation area

4 討論

潘延鑫等[34-38]進行鹽堿地膜下滴灌研究時發現，當灌水定額足夠大時，由于上層土壤鹽分隨著灌溉水向下遷移，在土壤濕潤鋒處的含鹽量增大的同時，上層土壤含鹽量也在減小。本試驗研究結果表明，在棉花的生育期內，灌水后上層鹽分會向下遷移，伴隨著棉花生育期的過程，土壤鹽分含量峰值也逐漸向下遷移，最終由100～120 cm遷移到140～160 cm土層深度內。這是因為覆膜抑制了蒸發，農田土壤水分向上運動由原來的棵間蒸發和植株蒸騰2個渠道變成了植株蒸騰單一渠道，因此水分向上運動的趨勢大大減少。Li等[39-40]在進行月季的滴灌試驗以及濱海鹽漬化土壤滴灌試驗研究時發現，土壤鹽分在生育期階段鹽分降低，但是后期返鹽明顯。這與本研究結果類似，但不同之處在于，本試驗研究結果表明，在灌水結束去除地膜后，土壤表層0～20 cm土層內鹽分含量迅速上升，40～80 cm土層內鹽分沒有明顯變化，下層土壤鹽分未向上明顯遷移。這是因為雖然研究區地處蒸發強烈的西北干旱區，土壤鹽分易向土體表面聚集，但排水系統的存在使農田水分向下運動有了通道，且暗管排水控制地下水位，根系層土壤未受到地下水頂托作用，所以農田水分整體運動的趨勢是向下的，下層鹽分向上運動受到抑制。

采用暗管排水的措施可以有效控制地下水位，排走土體鹽分。張金龍等[41]通過漫灌淋洗暗管排水表明，暗管埋深1.2 m處，淋洗43d后0～30 cm土層脫鹽率在74.8%～95.4%之間。Wang等[42]基于不同暗管埋深和管徑進行田間灌溉排水試驗，結果表明暗管0.6 m埋深脫鹽效果優于1.0、1.4 m埋深，平均脫鹽率達到了57.04%。與以上研究有所差異，本試驗研究結果表明，2013和2014年棉花生育期與2013年初始含鹽量相比，在0～80 cm土層范圍內，膜下平均脫鹽率分別達到了41.11%和55.56%，膜下及膜間整體平均脫鹽率分別達到了14.05%和17.88%，一方面是因為研究土層深度不同，土壤脫鹽率會隨著土層深度的增加而降低，說明土壤鹽分在向下運移；另一方面是因為暗管埋深不同，暗管淺埋會增加暗管以上土層的脫鹽效率，但鹽分并未完全被暗管排走，更大一部分被淋洗至暗管以下土層。另外，暗管間距、暗管埋深型和作物種植模式等指標[13,43-44]也會影響各土層的脫鹽率。

不同區域土壤脫鹽率與距暗管的距離成負相關。距暗管越近，排鹽速率越快，距暗管越遠，排鹽速率相對減慢[45-46]。本試驗研究結果表明，距離暗管0～8 m土壤平均脫鹽率顯著高于8～16 m和16～24 m土壤平均脫鹽率，但后兩者的差別較小，形成了距暗管近的區域鹽分少，距暗管遠的區域鹽分多的狀況。但依據溶質運移規律及鹽分平衡原理，農田中的鹽分會隨著時間的推移由鹽分多的區域向鹽分少的區域運移，從而形成了土壤鹽分整體下降、根系層鹽分下降更加明顯的結果。2013和2014年秋季返鹽后與2013年初始含鹽量相比，0～80 cm土體鹽分分別平均下降了5.55%和10.15%，0～200 cm深度范圍內土體鹽分分別平均下降了2.58%和4.96%，這進一步說明了灌水后大部分鹽分被淋洗到土壤下層，一部分滯留在土壤中，一部分溶解于地下水被暗管排走，但長期使用該模式土體含鹽量將會持續降低[47]。

5 結論

基于HYDRUS-2D模型建立了暗管排水條件下膜下滴灌棉田土壤鹽分變化的數學模型，比較了HYDRUS-2D模擬結果和試驗數據，利用統計分析指標均方根誤差RMSE和納什效率系數NSE驗證了數值模擬方法的可靠性。在此基礎上，對0～80 cm土層內鹽分隨時間的變化、根系層土壤脫鹽率以及0～200 cm土層脫鹽率進行模擬分析。得出以下結論：

1）膜下滴灌技術與暗管排水相結合，使土壤根系層脫鹽效果顯著。利用HYDRUS軟件得到的模擬值與實測值吻合度較高，含鹽量均方根誤差RMSE和納什效率系數NSE范圍分別為0.39～1.26 g/kg和0.66～0.97，均在可接受范圍內。

2）暗管排水和膜下滴灌條件下，2013和2014年棉花生育期末與2013年初始含鹽量相比，根系層土壤脫鹽明顯。在膜下，0～80 cm土層平均脫鹽率分別達到了41.11%和55.56%；膜下及膜間，0～80 cm土層平均脫鹽率分別達到了14.05%和17.88%。

3）2013和2014年秋季返鹽后土壤含鹽量與2013年初始含鹽量相比，0～80 cm土體鹽分分別平均下降了5.55%和10.15%；0～200 cm土體鹽分分別平均下降了2.58%和4.96%，說明暗管控制條件下，使用滴灌淋洗和暗管排鹽的模式，土體內的鹽分總量呈現降低趨勢。