棚內微咸水覆膜滴灌下帶間土壤水鹽分布特征模擬

陸培榕 邢瑋麟 楊玉杰 劉文龍 羅 紈

(揚州大學水利科學與工程學院, 揚州 225009)

0 引言

覆膜滴灌是將具有保水保墑作用的地表覆膜與局部控制性供水的滴灌方式相結合的高效節水技術[1]。由于覆膜限制了土壤與外部大氣的接觸,降低了灌后土壤的水分蒸發及溶質上溯,使得即便在濕潤淋洗程度有限的滴灌模式下,微咸水也能作為有效的灌水資源[2-3]。然而,滴灌屬于典型的點源入滲,灌水受土壤基質勢的影響將以濕潤體的形式分布于土壤內,在蒸發過程中,微咸水輸入的鹽分將滯留于濕潤體外側,并隨灌水次數增加而逐漸積聚[4],導致土壤中水分和鹽分的動態分布過程存在明顯的不一致性,當涉及地表覆膜時,土表蒸發與非蒸發面交替存在,水鹽動態運移的復雜程度將進一步加劇[5],尤其在缺乏雨水和漫灌淋洗的設施大棚內,鹽分的積聚將存在局部疊加,對作物生長造成脅迫[6]。

現階段,隨著農業種植模式的多樣化以及設施大棚內滴灌布設模式的集約化,針對覆膜滴灌條件下的水鹽運移研究由單點源入滲擴展至多點源交匯。研究的對象以多點源入滲形成的交匯型濕潤體幾何形態、收縮及擴張速率、脫鹽及積鹽區的劃分為主。虎膽·吐馬爾白等[7]以室內砂壤土土槽試驗為基礎,研究了滴頭間距為30 cm時不同滴頭流量和灌水量下濕潤體交匯區的鹽分分布特性,發現滴頭下方的脫鹽深度大于交匯區的脫鹽深度,且脫鹽深度的差異隨滴頭流量的減小而增大。王衛華等[8]以采用膜下滴灌的粉壤土棉田為研究區域,發現膜下濕潤體交匯區的含水率隨滴頭流量的增大而增大,且兩滴頭間濕潤體交匯區徑向寬度與灌水歷時呈冪函數關系。齊智娟等[9]在輕度鹽漬化的玉米田中對比了滴頭間全膜覆蓋和半膜覆蓋的處理方式,發現使用微咸水滴灌時全膜覆蓋處理中兩滴頭間0～30 cm的土層內形成了明顯的脫鹽帶,而在半膜覆蓋的條件下土壤脫鹽區僅存在于膜下局部區域。為進一步可視化、定量化地描述土壤水鹽的分布特征,數值模擬方法伴隨計算機技術的發展得以在滴灌濕潤體交匯下土壤水鹽動態變化的研究中發揮作用,并以HYDRUS數值模型為主取得了一系列成果。例如,王維娟等[10]運用HYDRUS模型,對不同間距下的雙點源滴灌濕潤體交匯輪廓進行了三維狀態下的動態模擬,結果顯示,交匯區濕潤體形狀從初期的1個半球體逐步演變為2個分離的近似半球體。CHEN等[11]模擬研究了間作模式下采用膜下滴灌時土壤水鹽的運移特征,分別對不同作物的膜下根系區以及膜間裸地進行子區劃分,分析了各子區內的水分及溶質的動態形式以及各子區間的通量交互,發現瞬時的水平向通量交互多發生于灌水階段,而緩慢的垂向通量交互主要存在于灌后蒸發階段。GUO等[12]模擬了全膜覆蓋形式下濕潤體存在交匯時棉田內土壤水鹽的分布變化,結果表明,土壤鹽分的垂向分布差異隨灌水次數的增加而逐步顯現,而改變滴頭流量造成的影響在不同生育期內表現不一。上述模擬研究表明,覆膜滴灌形成的濕潤體交匯下水鹽的分布變化具有瞬時性和局部性,在灌后蒸發過程中的變化則較為緩慢且一致。然而,個別的灌水蒸發過程對土壤水鹽分布的改變不足以對長期的作物生長造成顯著影響。因此,進行針對濕潤體交匯區域內水分總體變化趨勢以及鹽分累積分布特征的研究將更具實用意義。

本文以設施大棚內田間小區試驗為基礎,結合HYDRUS模型對微咸水膜下滴灌時土壤二維剖面內的水鹽動態進行數值模擬。同時,為充分考慮滴頭間濕潤體交匯程度在灌水和蒸發過程中的空間多變性,采用剖面子區分析的方式,將存在滴頭的滴灌帶帶間區域作為主要的分析對象,探究在不同覆膜寬度及滴頭流量下帶間剖面水鹽分布的動態變化及累積特征,以期為設施環境微咸水覆膜滴灌模式下創造適宜作物根系生長的低鹽環境提供理論支撐與方案參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況與試驗設計

試驗于江蘇省揚州市沙頭鎮現代農業產業園(32°17′N,119°29′E)內的設施大棚中進行。棚內0～100 cm土層的質地為砂壤土,平均砂粒(粒徑0.05～2 mm)占比為55.36%,粉粒(粒徑0.002～0.05 mm)占比31.78%,粘粒(粒徑0～0.002 mm)占比為12.86%;平均土壤容重為1.41 g/cm3,飽和導水率為47.28 cm/d,飽和含水率和田間持水率分別為0.42 cm3/cm3和0.25 cm3/cm3。試驗期間棚內地下水埋深的波動范圍為1.63～1.97 m。該設施大棚長期抽取地下水(平均電導率1.37 dS/m)進行滴灌,且缺乏雨水或漫灌的淋洗,導致棚內土壤呈輕度鹽漬化,試驗前0～100 cm土層的平均含鹽量為1.52 g/kg。

以田間小區試驗為研究基礎,在棚內劃分 2 m×2 m的地塊,采用“兩膜兩行”滴灌布置模式(圖1),膜寬20 cm,滴頭間距為35 cm,兩條滴灌帶間距 80 cm,由外接馬氏瓶對小區內的滴灌系統進行恒壓供水,并采用壓力補償式灌水滴頭將流量統一控制為1.6 L/h。同時,由于取水井內地下水含鹽量存在波動,故使用產業園內提供的自來水(平均電導率0.22～0.30 dS/m)與氯化鈉晶體(分析純)配比質量濃度固定為3 g/L的鹽溶液進行灌水。各小區中均嵌入張力計,用于監測地表以下深度15 cm處的土壤水勢,試驗設計兩組灌水處理T20和T40,分別對應上一輪灌水后土壤基質勢降至-20 kPa和-40 kPa時進行下一輪滴灌的灌水制度,兩組處理每輪的灌水持續時間均為2 h。此外,每組處理重復3次,在棚內共計劃分6塊滴灌小區。試驗于2021年7月中旬開始至10月下旬結束,總時長為90 d,為避免作物根系隨機性的擴張對土壤水鹽動態分布的影響,試驗期內未涉及作物的種植。試驗過程中,設施大棚僅開啟兩側部分的通風口,無降雨或其他形式的灌水。

圖1 試驗小區覆膜滴灌布設形式示意圖

1.2 觀測指標與換算方法

在每輪灌水前選用內徑為2 cm的土鉆對與滴頭水平距離10、20、30、40 cm處,深度10、20、30、40 cm處的點位進行取樣,用于測定含水率及電導率。由于小區中各滴頭對應的流量及灌水量相同,故每輪取樣時選取不重復的滴頭對相應的位置進行取樣。每次取樣完畢后,使用試驗小區內的土壤對取土孔進行回填,防止大孔隙優先流對灌水及蒸發過程中土壤水分及溶質運移的影響。采用干燥法測定不同取樣點位的土壤質量含水率,并根據土壤容重換算成相應的體積含水率。部分取回的土樣經風干、碾磨、過篩(孔徑1 mm)后,與蒸餾水混合(土水質量比1∶5),制備土壤浸提液。采用電導率儀(DDBJ-350型,上海雷磁創益儀有限公司)室溫(20℃)下測定浸提液的電導率,并與蒸發結晶法進行比對,得出土壤含鹽量與電導率的關系式為

S=4.12EC1∶5+0.23

(1)

式中S——土壤含鹽量,g/kg

EC1∶5——土水質量比為1∶5的土壤浸提液電導率,dS/m

土壤潛在蒸發量通過小型蒸發皿(DF-AM3型,內徑20 cm,北京東方鑫鴻科技有限公司)的蒸發量進行估測。根據已有研究理論,當土壤含水率較高(大于70%田間持水率)時,土壤處于非限制性蒸發狀態,相應的蒸發量與大氣蒸發力成正比,可用水面蒸發量乘以相應的系數進行估測[13-14]。然而,在實際田塊中,維持大體積土壤的高含水率,并持續地監測蒸發造成的水分耗散量,實現起來較為困難。故采用100 mL圓柱形環刀進行土壤取樣(20組),在環刀內飽和后底部加蓋,埋置于田塊中,并保證頂部與表土齊平。每隔3 h對環刀進行稱量,并換算成相應的蒸發量,直至環刀內土壤含水率小于田間持水率時停止觀測。隨后,將觀測時段內土樣的蒸發量與棚內的小型蒸發皿對應的蒸發量建立擬合關系式

Es=0.63Epan

(2)

式中Es——棚內土壤潛在蒸發量,mm

Epan——小型蒸發皿蒸發量,mm

試驗期內,棚內蒸發皿的日蒸發量及T20和T40兩組處理的灌水量如圖2所示。

圖2 試驗期棚內蒸發皿蒸發量及T20和T40處理灌水量

1.3 HYDRUS-2D模型構建

1.3.1模型原理及基本方程

HYDRUS-2D是以有限元計算為基礎的數值模型,可用于模擬二維條件下,變飽和介質中水分、熱量及溶質的動態分布狀況及邊界處的瞬時及累積通量[15]。由于滴灌對應的點源入滲將在土壤中形成趨于軸對稱的半橢球狀濕潤體[16],故滴灌對應的含水率分布模擬可簡化至二維垂向剖面內。基于此,以土壤均勻且各項同性為基本假設,并忽略土壤水分變化的滯后效應,模型采用修正后的Richards方程[17]描述二維模式下的土壤水分運動,即

(3)

式中θ——土壤體積含水率,cm3/cm3

h——壓力水頭,cm

x——橫向坐標,cm

z——縱向坐標,向上為正,cm

t——時間,h

K(h)——當土壤內的壓力水頭為h時的土壤導水率,cm/h

S(h)——根系吸水項,h-1,本研究沒有涉及作物栽培,故該項忽略

同時,模型采用van Genuchten模型[18]來描述土壤含水率、基質勢以及導水率的相互關系,即

(4)

(5)

(6)

(7)

式中θs——土壤飽和含水率,cm3/cm3

θr——土壤殘余含水率,cm3/cm3

α——進氣吸力的倒數,cm-1

Ks——土壤飽和導水率,cm/h

Se——土壤相對飽和度

l——孔隙關聯度系數,取0.5[19]

m、n——土壤水分特征曲線形狀系數

本研究中,灌溉用水均為氯化鈉溶液,未涉及到具有反應性溶質的化肥或農藥的輸入。因此,在模擬過程中,將土壤中的溶質統一簡化為保守性溶質,模型選用的保守性溶質條件下描述溶質運移的對流彌散方程的二維形式為[5]

(8)

式中C——土壤溶液質量濃度,g/L

qx、qz——橫向、縱向通量,cm/h

DT、DL——橫向、縱向彌散系數,cm

1.3.2邊界及初始條件設置

以灌水滴頭正下方0～100 cm的土壤剖面為對象建立二維模擬域。如圖3所示,模擬域水平長度與試驗小區一致設為200 cm,垂向深度為 100 cm。模擬域由約30 000個三角形有限單元組成,對存在蒸發和灌水的上邊界加密節點的分布,并按照試驗取樣點位在模擬域上設置觀測點位。模擬域的上邊界可分為覆膜區、無膜裸地以及滴頭進水區。模擬時假設地膜完全隔絕土壤表面與外部空氣的接觸,故將覆膜區設置為零通量邊界。無膜裸地設置為大氣邊界,由于棚內試驗無降雨及作物蒸騰,因此,模擬域的大氣邊界上僅輸入估測所得的土壤潛在蒸發量Es。滴頭進水區的范圍取決于滴頭的流量及土壤的水分特征,已有研究表明,滴灌時較快的出流會在土壤表面形成趨于圓形的穩定進水區域,采用該進水區域作為入滲邊界,能較為精確地描述二維形式下滴灌形成的土壤水分動態過程[20-21],相應的進水區域半徑可近似表示為

圖3 HYDRUS-2D構建的試驗小區土壤剖面模擬域示意圖

(9)

式中Rs——進水區域半徑,cm

q——滴頭流量,cm3/h

進水區設置為變通量邊界,長度為2Rs,非灌水時通量為零,灌水時通量由滴頭流量和相應的通量邊界尺寸確定[11]。試驗過程中,棚內各小區相對獨立,除滴灌外無其他形式的水分輸入,故模擬域的左右兩側設置為零通量邊界。此外,在試驗過程中,地下水的觀測時間間隔較長,而模擬中以“小時”為時間步長,使得邊界的賦值難以動態匹配。結合現有的研究結論,當地下水埋深超過1 m時,裸地相較于作物耕地的潛水上溯蒸發量將顯著下降[22-23]。本研究未考慮作物生長,且觀測深度集中在0～40 cm,故模擬過程中忽略地下水波動對近地表土壤水鹽分布的影響,將模擬域底邊設置為自由出流邊界。

模擬域剖面的初始水分及鹽分根據試驗前的實測值分層對應設置。在輸入含鹽量時,土壤含鹽量轉換為HYDRUS-2D模型采用的溶質液相濃度[24],關系式為

(10)

式中Sc——土壤體積含水率為θ時土壤的鹽分質量濃度,g/L

ρ——土壤干容重,g/cm3

初始的土壤水分參數除實測所得的飽和含水率θs及飽和導水率Ks,其余參數均根據設施大棚內土壤的顆粒級配及容重通過HYDRUS內置的Rosetta軟件進行推演。溶質運移相關的縱向彌散系數DL及橫向彌散系數DT與模擬域對應的空間尺寸相關。參照有關HYDRUS-2D對土壤剖面水鹽運移的模擬研究[25-26],將DL的初始值設為模擬域深度的1/10,且DT=DL/10。本研究以小時(h)為時間步長模擬土壤剖面內水分及溶質在灌水及蒸發過程中的運移狀況,模擬時長為90 d,共計2 160 h。

1.3.3模型檢驗

通過對比不同取樣點處水鹽含量的實測值與模擬值的差異來分析所建模型的模擬精度,進而對相關土壤水分及溶質運移參數進行率定和驗證,并采用均方根誤差(Root mean square error,RMSE)、納什效率系數(Nash-sutcliffe efficiency coefficient,NSE)、平均相對誤差(Mean relative error,MRE)作為量化模擬值與實測值差異程度的評價指標。RMSE和MRE越接近0,說明模擬值與實測值的差異越低;NSE的波動范圍為-∞～1,該值越接近1說明模擬值與實測值的一致性越高,通常當NSE大于0.5時,可認為模擬結果滿足精度要求[27]。

2 結果與分析

2.1 模型率定與驗證

采用T20處理條件下與滴頭水平距離為10、20、30、40 cm處0～40 cm土層內每輪灌水前土壤的體積含水率和電導率EC1∶5對模型參數進行率定,隨后,采用T40處理下相應的觀測值對率定后的參數進行驗證。如圖4所示,在率定和驗證過程中,T20和T40處理對應的土壤體積含水率及電導率的模擬值和實測值基本集中分布在1∶1線附近。T20和T40處理的含水率模擬值和實測值的擬合線斜率均大于1,而土壤電導率模擬值和實測值的擬合線斜率略小于1,說明兩組處理中含水率實測值(T20:0.18～0.27 cm3/cm3;T40:0.19～0.23 cm3/cm3)的波動范圍均大于模擬值(T20:0.20～0.25 cm3/cm3;T40:0.15～0.26 cm3/cm3),而土壤電導率實測值(T20:0.17～0.62 dS/m;T40:0.19～0.67 dS/m)的波動范圍略高于模擬值(T20:0.16～0.56 dS/m;T40:0.21～0.62 dS/m)。表1中,率定和驗證階段土壤含水率RMSE波動范圍為0.01～0.02 cm3/cm3,NSE為0.52～0.63,MRE為4.39%～8.53%;土壤電導率對應的RMSE、NSE和MRE在相同取樣位置處較含水率均有所提升,波動范圍分別為0.03～0.07 dS/m,0.53～0.82以及8.36%～13.42%。同時,RMSE和MRE隨與滴頭水平距離的增加而有所提升,且NSE隨之減小,說明土壤水分和鹽分的模擬精度隨與滴頭水平距離的增加而逐漸下降。總體而言,RMSE接近于0,MRE較低,NSE均大于0.5,表明在構建的二維模擬域中,所輸入的土壤水分及溶質運移參數能夠較為準確地模擬微咸水膜下滴灌時土壤水鹽的動態變化。經率定及驗證,選定的土壤殘余含水率θr及飽和含水率θs分別為0.047 cm3/cm3和0.415 cm3/cm3,土壤進氣吸力倒數α為0.02 cm-1,土壤水分特征曲線形狀系數n為1.5,飽和導水率Ks為1.97 cm/h,孔隙關聯度系數l為0.5,縱向和橫向彌散系數DL和DT分別為 30 cm和3 cm。

表1 滴頭不同水平位置處深度0～40 cm內土壤含水率及電導率模擬精度評價指標

圖4 T20處理和T40處理下距滴頭不同水平位置處深度0～40 cm內土壤含水率及電導率模擬值與實測值對比

2.2 模型應用

2.2.1土壤剖面內水分及鹽分的變化特征

在試驗及模擬過程中,T20和T40處理單次灌水水量一致,但總灌水次數不同(圖2)。因此,本文以兩組處理在第5次灌水后的1、3、6 d的模擬剖面含水率分布為對象,對比分析在帶間區域和滴灌帶外側區域(滴頭和試驗小區邊界側之間,以下簡稱“帶外區”)土壤水分的變化特征。如圖5所示,由于T40處理的灌水時間間隔長,剖面上含水率的差異較T20處理更大。在灌水后1 d,兩組處理均在滴頭下方形成了含水率較高的圓形濕潤體,且濕潤體的邊緣存在交匯,使得膜間裸地下方的含水率相應提升。在灌后第3天和第6天,受土表蒸發的影響,覆膜區和裸地的含水率差異逐漸體現,同時,土壤剖面內的局部含水率較高的濕潤體逐漸消失,剖面內水平向的含水率趨于一致。

圖5 T20和T40處理灌水后1、3、6 d土壤剖面含水率分布

在土壤含鹽量變化方面,本文通過HYDRUS-2D模擬的土壤鹽分質量濃度來反映土壤溶質的分布及運移狀況,并針對T20和T40處理在模擬過程中第30、60、90天的剖面鹽分分布進行分析。由 圖6 可知,由于T20處理在相同時段內的淋洗次數多于T40處理,使得T20處理在整個剖面的鹽分質量濃度均低于T40處理;兩組處理受灌水淋洗作用,鹽分質量濃度在10 g/L以下的區域自滴頭向下逐漸擴張;在土表裸地處,土壤內溶質隨水分蒸發而逐漸表聚,且帶間區鹽分的表聚程度和范圍均低于模擬域兩側的帶外區。可見,土壤剖面內鹽分的分布狀況受滴灌后濕潤體交匯及擴散的影響,雖然灌水次數較多的T20處理中剖面輸入的鹽分更多,但灌水次數較低的T40處理條件下鹽分的表聚程度更為明顯。

圖6 T20和T40處理在第30、60、90天土壤剖面鹽分分布

此外,為進一步比對帶間區與帶外區內沿水平方向的鹽分動態變化特征,對T20和T40處理土壤剖面分別距滴頭兩側10、20、30、40 cm水平位置處0～40 cm的常規耕作土層的水鹽含量變化進行模擬分析。如圖7所示,在土壤含水率變化方面,與滴頭的水平距離越小,灌水前后土壤含水率的波動范圍越大,但帶間區和帶外區相同水平位置處含水率的差異越小;同時,在不同水平位置處,各處理中每輪灌水前后土壤含水率的變化幅度趨于一致,沒有明顯的總體上升或下降趨勢。此外,距滴頭10、20、30 cm水平位置處帶外區與帶間區在灌水后含水率的峰值基本相同,而在40 cm位置處T20和T40處理帶間區的含水率峰值分別比帶外區高11.55%～17.78%和13.34%～16.52%,說明在40 cm處兩滴頭形成的濕潤體發生交匯重合,造成含水率上升。

圖7 與滴頭不同水平位置處0～40 cm土層平均土壤含水率與鹽分質量濃度變化曲線

在土壤含鹽量變化方面,HYDRUS-2D模型通過土壤鹽分質量濃度波動來反映觀測點位含鹽量的變化。T20的帶間區與帶外區的含鹽量均低于T40處理,且差異隨水平距離的增加而逐漸擴大;兩組處理內各水平位置處外側區域的含鹽量均高于帶間區,且差異隨灌水次數的增加而擴大。距滴頭10、20、30、40 cm水平位置處T20處理帶間區的土壤含鹽量總體呈下降趨勢,模擬時段末的土壤含鹽量均低于初始值。相比之下,在T40處理下帶間區內距滴頭水平位置30、40 cm處土壤鹽分呈總體上升趨勢,尤其在距離40 cm處灌水淋洗后土壤含鹽量的最低值與初始值幾乎一致。上述現象表明,相比于帶外區,濕潤體的交匯能夠抑制土壤鹽分的集聚程度,但當灌水頻率降低時帶間區內膜間裸地的積鹽程度隨之上升。

2.2.2情景模擬

為進一步探究帶間區內土壤水鹽變化受滴灌強度和覆膜寬度的影響,本研究以率定及驗證后的模型參數和T40處理的灌水制度為基礎,利用HYDRUS-2D模型模擬了不同設計情景下帶間區深度0～40 cm范圍內土壤水鹽的變化過程。共設計了6組滴頭流量(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 L/h)遞增的情景,且各流量情景對應的單次灌水量(3.2 L)、模擬期內總灌水量(28.8 L)以及灌水含鹽量(3 g/L)均與T40處理保持一致。覆膜寬度的情景同樣為6組,在帶間區一側的膜寬分別為15、20、25、30、35、40 cm,相應的帶間區內膜間裸地間距分別為50、40、30、20、10、0 cm(圖8)。

圖8 不同覆膜寬度的設計情景

(1)帶間區土壤水鹽總體變化趨勢

圖9為設計的36組模擬情景下帶間區內深度0～40 cm范圍內土壤含水率及鹽分質量濃度在 90 d 內的變化過程。圖9中,滴頭流量對帶間區內的含水率影響程度較低,不同覆膜寬度下帶間區內的含水率在每輪灌水前后的變化量基本一致,僅有0.02～0.04 cm3/cm3的差異。帶間區內土壤含水率隨膜間裸地間距的縮小而略有上升,平均含水率最高值(28.76 cm3/cm3)在裸地間距為0 cm的處理中,最低值(25.12 cm3/cm3)在膜間裸地間距50 cm的處理中。相比之下,帶間區的含鹽量隨灌水次數的增加呈逐步下降趨勢,且下降程度隨膜間裸地間距的減小而增大,當膜間裸地間距由50 cm減至0 cm時,平均土壤鹽分質量濃度由9.53 g/L下降至6.25 g/L。此外,不同的滴頭流量僅在灌水間歇期內土壤含水率和鹽分質量濃度呈輕微差異,所有情景中平均土壤含水率和鹽分質量濃度的最大差異僅為0.14 cm3/cm3和0.22 g/L,出現在膜間裸地間距50 cm時流量為0.5 L/h和3.0 L/h的處理之間。上述模擬結果表明,帶間區在多輪滴灌后均能得到鹽分淋洗,且淋洗程度隨地膜間距的增大而增加,但滴頭流量對水鹽分布的影響相對較弱。

圖9 不同設計情景下帶間區深度0～40 cm內土壤含水率及鹽分質量濃度變化曲線

(2)膜間裸地及滴頭流量對帶間區土壤鹽分分布的影響

以試驗結束的時間(第90天)為分析對象,圖10(圖中不同顏色的實線為不同滴頭流量下相同膜間裸地間距對應的平均值,實線周邊的陰影為相應的標準偏差)為各模擬情景下土壤鹽分質量濃度在深度0～40 cm處帶間區鹽分的垂向分布形式。由圖10可知,在相同的膜間裸地間距內滴頭流量的改變對鹽分垂向分布造成的差異較小,所有模擬情景中最大偏差出現在深度5 cm處裸地間距為50 cm的處理中,僅為0.046 g/L。此外,除膜間裸地間距為0 cm的處理外,其余情景中土壤的含鹽量均隨深度增加而降低,隨膜間裸地間距的擴大而增大。各類覆膜寬度條件下土壤鹽分質量濃度的差異隨深度的加深而逐漸縮小,在深度 5 cm 處每增加10 cm的膜間裸地,土壤鹽分質量濃度將提升約1.73 g/L,而在深度40 cm時,提升幅度降為1.34 g/L。

圖10 不同膜間裸地間距下帶間區內土壤深度0～40 cm土壤鹽分質量濃度變化曲線

以帶間區水平向的中點為原點,分析從中點至兩側滴頭處深度0～40 cm土壤鹽分質量濃度在各類情景下的分布狀況(圖11)。由圖11可知,不同水平位置處的土壤鹽分質量濃度隨膜間裸地間距的增加而降低;除膜間裸地間距為0 cm處理外,土壤鹽分質量濃度在不同的覆膜寬度處理下的最大值均出現在中點位置,并向兩側滴頭處逐漸降低。此外,不同滴頭流量下土壤鹽分的分布趨勢基本一致,相應的差異主要存在于中點處,且鹽分濃度隨滴頭流量的增加而增加。例如,在膜間裸地間距為50 cm處理中,中點處的鹽分質量濃度從流量3.0 h/L對應的12.82 g/L逐漸降至流量 0.5 h/L 對應的12.15 g/L。隨著膜間裸地間距的降低,含鹽量將在靠近兩側滴頭處呈現抬升,并在距兩側滴頭 10～20 cm 處回落。該現象主要是由帶外區的覆膜寬度較窄(圖8),集聚的鹽分逐步擴散,并推進至帶間區所致。

圖11 滴頭流量和膜間裸地間距對帶間區內不同水平位置處深度0～40 cm土壤鹽分質量濃度的影響

3 討論

采用數值模型的方式對土壤水鹽動態進行模擬是當前分析及評估滴灌實施效益的重要方式[28],而所建模型的模擬精度保障是決定模擬研究充分可行的前提條件。在本研究的模型率定與驗證過程中,含水率模擬值的變化量小于實測值的變化量,原因是模型假設土壤的剖面為均質且各向同性,而實地條件下,由于取樣或土壤干縮裂縫等因素容易在土體局部形成優先流[29],導致土壤中模擬與實測的含水率差異擴大。同時,淺層地下水波動會引起上層土壤水分分布的變化,而在模擬域構建時將下邊界簡化為自由出流邊界,這將導致模擬時水分的下滲速率過高,影響了對水分分布的模擬效果。模擬所得的土壤含鹽量略高于實際觀測值,原因可能是在模擬域構建過程中,含鹽量假設為自上而下均勻線性分布的狀態,與實際取樣所得的觀測值之間必然存在差異,進而影響后續的模擬精度。另外,在膜下滴灌時,土壤的鹽分遷移與水分運動并不同步[8],灌水和蒸發造成的濕潤體交匯與收縮,加劇了土壤水鹽運移及分布的復雜性,使得越接近帶間區中間部位的模擬結果誤差越大(表1)。考慮到相應的誤差分析指標(RMSE、NSE、MRE)均處于精度可接受的范圍內,表明驗證后的模型能夠有效描述微咸水膜下滴灌過程中的水鹽分布狀況。

現有的試驗及數值模擬研究均證實,滴灌過程中濕潤體交匯程度越高,對應的帶間區內土壤含水率的提升程度越大[10,30-31]。本研究中,不同覆膜寬度下,每輪灌水過程中帶間區內含水率的抬升程度趨于一致,說明覆膜寬度的變化對濕潤體交匯程度的影響較小。原因可能是灌水歷時較短,期間的水分蒸發量不足以體現地膜抑制蒸發的效果。在鹽分分布方面,SELIM等[4]以兩滴頭間距為40 cm的壤砂土剖面為對象,同樣利用HYDRUS模型模擬了微咸水(0～2 dS/m)滴灌下水鹽的分布狀況,發現以滴頭流量1.0 L/h灌水后,將在濕潤體交匯區以下10～40 cm范圍內形成了超過初始含鹽量2～4倍的錐形積鹽區。然而,在本研究中,滴灌形成的濕潤體交匯區下方并未出現明顯的積鹽區(圖6),主要原因可能是設置的土壤初始含水率較低,滴灌使用的微咸水濃度低于土壤的鹽分質量濃度;另一方面,在灌水后的蒸發階段,地表覆膜抑制了土壤水分的散失[32],限制了溶質的上溯,減緩了濕潤體外圍積鹽區的擴張。在模擬末期,由于帶外區覆膜寬度較窄,外側裸地集聚的鹽分向膜內擴散,使得部分模擬情景中,含鹽量的最低值出現在距滴頭10～20 cm的范圍內。該現象說明覆膜雖能夠抑制蒸發導致的垂向鹽分上溯,但并不能限制鹽分在土壤剖面內的側向擴散,尤其在淋洗強度和范圍有限的滴灌模式下,鹽分的空間分布由早期的“膜外表聚型”逐漸向后期的“膜內底聚型”轉變[33]。

灌水量一致的情況下,不同滴頭流量下帶間區內的總體含水率變化幅度的差異較低,且水分的差異將隨膜間裸地面積的降低而進一步縮小;土壤鹽分的差異則主要集中在膜間裸地內,且積聚程度隨滴頭流量的增大而增加(圖11),原因是滴頭流量越大形成的濕潤體深度范圍越小,但水平向范圍越大[34],使得滴頭流量較大的處理中土壤鹽分的淋洗深度有限。同時,在點源入滲過程中,土壤中濕潤體的擴張速率和含水率隨與滴頭距離的增加而降低[35],即便當兩滴頭形成的濕潤體存在交匯時土壤水平向的淋洗程度也相對有限,導致灌水間歇期內滴頭流量較高處理的蒸發返鹽程度高于滴頭流量較低的處理。另外,本研究的灌水制度是根據設計的土壤含水率閾值而制定的,由于研究中沒有考慮根系吸水的情況,土壤達到含水率閾值主要依靠灌后的表層蒸發,這將導致灌水間歇期相對延長,加劇了蒸發造成的土壤鹽分集聚,且模擬過程中土壤的潛在蒸發是根據小型蒸發皿估算所得,造成與實際耕種時土壤水鹽環境的偏差。同時,帶間區內垂向及水平向的水分及溶質通量交換有待進一步細化,并加強對淺層地下水波動形式的高頻動態監測,從而提升模型的實用性以及棚內微咸水覆膜滴灌方案設計的合理性。

4 結論

(1)以HYDRUS-2D軟件為基礎構建了“兩膜兩行”的微咸水覆膜滴灌二維土壤剖面有限元模擬域,并引用設施大棚內的蒸發狀況作為大氣邊界條件模擬棚內環境。率定及驗證的結果表明,構建的土壤水鹽模型精度可靠,在滴灌帶帶間區內土壤含水率及含鹽量的均方根誤差、納什效率系數以及平均相對誤差均在合理的范圍內波動,模擬精度隨與滴頭水平距離的減小而增加,且含水率的模擬精度較含鹽量高。

(2)針對不同膜間裸地間距及滴頭流量展開的情景模擬結果表明,隨灌水次數的增加,帶間區域的土壤含鹽量總體呈下降趨勢,裸地間距越小下降程度越大;當灌水量不變時,不同滴頭流量下帶間區內土壤水鹽含量的差異較低,且膜間裸地間距越小差異將進一步減小。

(3)多輪微咸水滴灌后,膜間裸地間距越大土壤的近地表積鹽現象越突出,不同滴頭流量造成的土壤鹽分含量差異在膜間裸地內較為明顯,且提升滴頭流量將加劇積鹽程度;在膜間裸地距離為0～30 cm處理中,帶外區積聚程度較高的土壤鹽分將向含鹽量較低的帶間區擴散,使得水平向的含鹽量最低值并非出現在淋洗程度最大的滴頭處,而存在于與滴頭水平距離10～20 cm范圍內。