长期滴灌棉田土壤盐分演变趋势预测研究

孙 林，罗 毅

（1.中国科学院 生态系统网络观测与模拟重点试验室，中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；2.荒漠与绿洲生态国家重点实验室，中国科学院新疆生态与地理研究所，乌鲁木齐830011）

膜下滴灌既具备滴灌的防止深层渗漏、减少棵间蒸发、节水、节肥的特点，同时还具备地膜栽培技术的增温、保墒作用［1］，在我国西北干旱地区，特别是新疆，得到了广泛的应用［2－3］。滴灌在根区可以形成淡化的脱盐区［4－5］，覆膜抑制了膜内的土壤蒸发作用，并使得膜内盐分发生侧向运移［2，6］，同时深层渗漏的减少，也降低了次生盐渍化发生的可能性，因此膜下滴灌还被用于防治土壤次生盐碱化［2，5］。但是，膜下滴灌只是调节土壤盐分在作物根系层的分布状况，盐分并未排出土体，在灌溉用水含有一定盐分时，盐分会逐步在根底积累，有可能产生土壤积盐爆发［2，5，7］，因此，长期滴灌下土壤盐分积累特征是决定这一灌溉方式能否可持续的重要问题。近年来，通过室内土柱试验［4－5，8］和田间调 查 及 试 验［2－3，6，9－10］，对 膜 下 滴 灌 的 水盐运移规律与特征有了一定的认识。由于滴灌土壤水盐运动为局部扩散模式，其土壤水盐分布表现出很强的时空分异与变异性，并受到土壤质地、潜水位、根系等的影响［11］，田间试验所得的结果并不能直接应用到具体的农田灌溉管理中［12］。相对田间试验观测，数值模拟的人力、物力时间成本低，且可针对不同环境分析，因此，模型模拟分析成为研究滴灌下土壤水盐运移与灌溉管理措施制定和评估的一个重要途径［11－13］。Hydrus 2D是由美国国家盐土实验室（US Salinity laboratory）开发成功的一套用于模拟2D空间中变饱和多孔介质中水分、能量、溶质运移的数值模型［14］，广泛应用于模拟滴灌条件下土壤水分和溶质运移分布规律以及灌溉管理措施评估研究中［15－19］。本文根据微咸水膜下滴灌棉田试验，验证并分析Hydrus 2D模型在膜下滴灌的有效性［20］，在此基础上模拟分析长期滴灌下根区土壤盐分积累与分布特征。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在新疆石河子大学节水灌溉试验站内进行（44°18′N，86°02′E），该站位于玛纳斯河流域洪积冲积扇中部，海拔400m左右，潜水位较深，年变化约7～11m。气候属于中温带干旱区气候。根据石河子气象站近30a资料统计，年平均气温（7.7±0.90）℃，无霜期（172.5±6.29）d，年降水量为（213±56.7）mm，年蒸发量（1 342±413）mm（小型蒸发皿）。原始土壤类型为荒漠灰钙土，经过多年耕作已改良熟化为耕作灰漠土。

1.2 试验设计与数据采集

于2010年4—10月进行膜下微咸水滴灌田间试验，灌溉水质为3.32g／L，设置3个灌溉量处理，次灌水量分别为36，48，60mm，记为 Q36，Q48，Q60，历时分别为6，8，10h，滴头流量为1.6L／h，灌水间隔时间为10d，总灌溉量分别为320，420，520mm。小区面积为54m2，每小区3条膜，代表3个重复。种植方式为一膜两管四行模式（图1），膜宽140cm，行距为30cm＋60cm，株距10cm。棉花品种为新陆早7号，于2010年5月1日采用“干播湿出”方式播种。

土壤盐分采用土钻取样，利用烘干配制1∶5浸提液，采用电导法测定 （DDP－210便携式电导仪，中国科学院南京土壤研究所）。取样部位设在垂直滴灌带的膜间、宽行和窄行之间（图1），设5个剖面点，取样深度为5，10，20，30，45，60，80，100，120，140，160，180，200cm。取样时间分两类：（1）年内变化取样，于播种前（4月中旬）、蕾期（6月中旬）、花铃期（7月中旬）、铃期（8月中旬）、吐絮期（9月中旬）、秋收（10月中旬）取样，除秋收取样深度至地下200cm，其余深度至地下100cm；（2）灌溉周期内变化取样。选取次灌水量为60mm的处理，取样时间为灌前6h和灌后36h；并在花铃期加密取样，即灌后1，36，72，120，228h时取样，深度至地下100cm。10d测一次叶面积，每次5株，摘取叶子烘干称重后用叶比换算，根据株面积计算出叶面积指数；气象数据从石河子气象站（http：∥www.shzqx.gov.cn／）获取，该站距离本试验站约1.5km。

图1 膜下滴灌设置、取样

1.3 数值模拟模型

1.3.1 模拟单元设置 Hydrus 2D模型的土壤水分动态模拟采用的是理查兹（Richards）方程，溶质运移模拟采用的是对流—弥散（CDE）方程，通过对模拟对象进行三角网剖分，利用迦辽金（Galerkin）线性有限单元法求解水盐运移模拟特征［14］。一膜两管四行方式下土壤水分分布以膜下中部呈对称分布，因此以半膜剖面作为基本模拟单元，构造2D三角网几何体（图1），其宽度为90cm，深度到潜水位，为600cm。

模拟单元上边界中的无覆膜部位使用大气边界，用以模拟计算降水入渗与土壤蒸发过程；有覆膜部位使用无流量边界；本文假定单元两侧水分交换处于平衡，将土体两侧也设为无流量边界；底边界取至潜水层，选取的是0定水头边界；滴灌入渗采用时变水头边界实现，将水头设为0，入渗宽度根据灌溉量、灌溉历时以及入渗速率计算得到。Hydrus 2D模型运行所需要的环境驱动变量主要为降水、潜在蒸腾、潜在土壤蒸发和边界流量4项。其中降水直接来源于气象数据，边界流量由灌溉确定，潜在蒸腾和潜在土壤蒸发需要单独计算，本文采用由叶面积指数（LAI）计算得到的作物系数法分割潜在蒸散ETp［20］。

1.3.2 参数获取与率定 模型选用的土壤水分特征函数的是van Genuchten－Mualem 公式［21］，其参数首先用Hydrus 2D程序包提供Rosetta软件，由观测的饱和含水量、容重、土壤质地预测得到初始参数值，然后以加密观测灌溉周期内得到的土壤水分、盐分分布数据率定。

根系吸水模型选用的是Feddes［22］提出的van Genuchten改进公式，根系吸水参数参考Forkutsa［13］的成果，分别设为h1＝－10cm，h2＝－25cm，h3（high）＝－200cm，h3（low）＝－6 000cm和h4＝－14 000cm；盐分胁迫参数采用Hydrus 2D自带作物库参数，其盐分胁迫阈值为7.7dS／m，每增加1dS／m，其吸水能力降低5.2%，根系深度60cm，其分布按危常州等［23］的观测结果计算得到。

1.3.3 模型检验 模型检验选用的是以灌水量为60mm处理生长季的土壤盐分，以及3个处理下秋末200cm剖面的盐分数据；滴灌的土壤分布具有较高的空间分异特征，本文采用分区与剖面比较两种方法检验模拟效果，以75cm为根底边界，划分为膜外、根区、膜中和根底4个区（图1）。模拟效果评价方法一是通过曲线进行直观定性比对，二是利用统计指标选取均方根误差（RMSE）和相对平均误差（RMAE）。进行定量评估。

1.4 情景设置与分析

根据已有的新疆北疆地区棉花滴灌田间实验与调查［1，24］，情景分析中灌溉水量为280～560mm ，灌溉水质分别设为4.8，3.2，1.6，0.8g／L，以2010年气象数据与观测的叶面积指数为基本背景，连续模拟50a，分别统计根区盐分、根底盐分，并计算实际蒸腾与潜在蒸腾之比，也即蒸腾满足率，以反映土壤水盐对作物生长的影响，确定适宜的灌溉量。

2 结果与分析

2.1 参数化结果

表1是根据灌后水盐动态反演率定的土壤水分特征参数，图2是模拟灌溉周期内分区土壤盐分与观测值比较，模拟结果表明，滴灌的水盐运移特征为：在滴头所在根区土壤盐分因输入先增加，再经淋洗迁移出现降低的过程，其它部位则为一个缓慢增加的过程。总体来看，第一灌溉周期的模拟效果较好，第二灌溉周期模拟值偏小，这主要是因为输入潜在蒸腾项是根据叶面积指数计算的作物系数法推算的，而第二灌溉周期已处于吐絮期，叶片活性降低，蒸腾减缓，相应的根区水分降低速度减慢造成的。统计结果表明（表2），土壤盐分模拟RMSE为0.6mg／cm3，除膜外分区外，RMAE基本低于10%。

2.2 模型检验结果

图3是模拟的Q60处理年内分区土壤盐分与观测值的比较，从观测值变化趋势来看，随着灌溉时间的增加，各分区的盐分呈增加趋势，直观对比与统计分析评估显示（表2），各分区RMAE低于10%，模拟效果好于灌溉周期，这主要是由于短期观测值的变异性超出其变化趋势，而较长期的土壤盐分变化趋势则大于观测值变异。

由于不再有灌溉与根系吸水的驱动作用，秋收后的剖面土壤盐分分布处于相对平稳状态，可以有效反映出一个生长季内的土壤盐分迁移积累特征。图4是模拟不同灌溉处理秋后剖面盐分模拟值与观测值比较，结果表明：模型较好地模拟出不同灌溉量下根区盐分的分布积累特征，模拟出的滴头内侧、滴头下、滴头外侧剖面的RMSE小于0.75mg／cm3，除滴头内侧RAME较大外，滴头下、滴头外侧剖面小于10%，模拟效果较好。

表1 观测与灌溉后水盐动态反演率定的土壤水分特征参数

图2 率定阶段灌溉周期内分区土壤盐分动态模拟与观测比较

图3 验证阶段分区的土壤盐分模拟与观测比较

表2 土壤盐分模拟统计评估

2.3 不同灌溉量与灌溉水质根区土壤盐分积累

图5为模拟计算的不同灌水量与灌溉水质下铃期根区（0—60cm）和根底（60—120cm）土壤盐分以及蒸腾满足率与根底下渗量，结果显示：根区盐分与灌溉水量表现为抛物线关系（图5a），随着灌溉量的增加，输入土壤中的盐分增加，但当灌溉量超出蒸腾耗水量时，多余的水分向深层下渗，产生盐分的淋洗，使得根区盐分降低，灌溉水矿化度分别为4.8，3.2，1.6，0.8g／L 时，灌溉量分别为370，365，300，180 mm时根区盐分积累最大；灌溉量超出300mm时出现根底下渗（图5d），根底土壤盐分增加（图5b）；作物的蒸腾满足率随着灌溉量的增大而增加（图5c），当灌溉额为300mm时，蒸腾满足率可达85%以上，在同一灌溉量下，随着灌溉水质的增加，蒸腾满足率有一定程度的降低，但0.8～4.8（g／L）之间总体差别不大，这主要是因为根区积累的土壤盐分尚未对蒸腾造成明显胁迫，因此，微咸水灌溉对作物生长与产量的影响，在滴灌初期并不明显。

图4 秋后不同灌溉量不同剖面盐分的模拟值与观测值比较

图5 不同灌溉量根区盐分、根底盐分、蒸腾满足率的变化

2.4 长期滴灌根区盐分动态与分布特征

灌溉定额为390～450mm。图6a是灌溉量为420mm时不同灌溉水质长期滴灌下根区（0—75cm）土壤盐分动态，结果显示：对于灌溉水质分别为4.8，3.2，1.6，0.8g／L，分别在10，15，20，35a后根区盐分相继达到平衡稳定状态，分别为4.2，3.8，3.2，2.8 mg／cm3，此时根区剖面盐分也处于相对稳定状态（图6b），其中根区部位的盐分则随着深度的增加而逐步增加，根底75cm以下分别稳定在6.0，5.6，4.9，4.3 mg／cm3，作物的蒸腾满足率分别为72%，80%，85%，91%。长期滴灌后根区盐分趋于稳定的主要原因在于，随着根区盐分的增加，作物蒸腾受限，下渗淋洗量加大，最终根区输入盐量与淋洗盐量相当，根区盐分处于相对平衡状态。

长期滴灌根区盐分平衡值由灌溉水质和灌溉量决定，图7是不同灌溉量与灌溉水质长期灌溉平衡时根区盐分、根底盐分、蒸腾满足率与根底下渗水，基本特征为随着灌溉量的增大，土壤盐分降低；随着灌溉水质增大，土壤盐分增加。将根区盐分限制在一定水平是保证作物蒸腾吸水的前提，以85%灌溉满足率最低要求，对于4.8，3.2，1.6，0.8g／L灌溉水质，从图7c得出所需要的灌溉量至少分别为495，470，425，395mm。

图6 长期滴灌下根区（0－75cm）土壤盐分动态（a）与稳定时0－300cm土壤剖面盐分分布（b）

图7 不同灌溉量长期灌溉后土壤盐分稳定时根区盐分（a）、根底盐分（b）、蒸腾满足率（c）的变化

3 结论

本文利用微咸水灌溉的实地观测数据，率定并校验Hydrus2D模型在膜下滴灌棉田土壤盐分运移积累的模拟效果。结果显示：生长季内，土壤盐分模拟的RMSE低于0.6mg／cm3，RMAE基本低于10%，秋后剖面分布中RMSE小于0.75mg／cm3，滴头内侧与滴头下剖面模拟RAME小于10%，Hydrus 2D模型可用于干旱区绿洲灌区中膜下滴灌土壤盐分运移模拟。以2010年为基准气象条件，模拟计算玛纳斯流域绿洲不同灌溉水质与灌溉量滴灌土壤盐分积累过程，结果显示：

（1）根区盐分与灌溉水量呈现出抛物线关系，灌溉量低时，根区土壤盐分随着灌溉量的增加而增加，对于矿化度分别为4.8，3.2，1.6，0.8g／L灌溉水质，相应的灌溉量分别为370，365，300，180mm时根区盐分积累速率最大，由于滴灌初期根区盐分较低，微咸水灌溉对作物耗水的影响，在滴灌初期表现不明显。

（2）随着滴灌年限的增加，土壤盐分逐步增加，作物蒸腾受限，下渗淋洗量加大，对于矿化度分别为4.8，3.2，1.6，0.8g／L的灌溉水质，在灌溉量为420 mm，分别在10，15，20，35a后土壤盐分相继达到平衡稳定状态，根区盐分分别为4.2，3.8，3.2，2.8mg／cm3，作物的蒸腾满足率分别为72%，80%，85%，91%，由于根区盐分是限制作物用水的直接因素，为保证作物正常生长，合理的灌溉量至少应分别为495，470，425，395mm。

滴灌输入的土壤盐分会在根区积累，长期滴灌根区土壤盐分在灌溉输入与深层淋洗作用下逐步达到稳定平衡，其中深层淋洗量除直接决定于灌溉量外，还受因盐分积累对作物蒸腾限制的反馈调节，因此，需要根据土壤盐分对作物生长的影响，确定合理的灌溉淋洗用水，另外还需要一定的排水系统将深层下渗水排出灌区，以避免浅层潜水的上升。

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