利用HYDRUS-2D模擬膜下滴灌玉米農田深層土壤水分動態與根系吸水

丁運韜，程 煜，張體彬，姬祥祥，喬若楠，馮 浩

(1. 西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2. 西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；3. 西北農林科技大學中國旱區節水研究院，陜西 楊凌 712100；4.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

河套灌區是我國最大的一首制灌區，玉米是灌區主要的糧食作物之一。保障河套灌區農業可持續發展對我國旱區農業生產甚至全國糧食安全意義重大。如今灌區內的灌水方式基本為地面灌溉，田間灌溉水利用效率低，并且灌溉水大量回補地下水[1]，導致灌區地下水埋深淺，加之蒸發強烈，土壤鹽漬化日益嚴重。

一般而言，地下水埋深較淺使得作物根層和深層土壤水分交互頻繁，可以在一定程度上影響根系吸水和作物生長。有研究指出，在3—11月作物生長季河套灌區平均地下水埋深在1.5～2.5 m之間，地下水位受灌溉影響而季節性波動。特別是在10—11月份進行引黃秋澆后，地下水位顯著抬升，灌區平均地下水埋深1.5 m[2]。根據楊建鋒[3]等人的研究結果，在地下水埋深0.7～1.3 m條件下，地下水對玉米耗水量貢獻率為15.7%。此外，Huo等[4]在2012年利用控制實驗裝置模擬不同地下水埋深，指出在地下水埋深為1.5 m時地下水貢獻量占小麥全生育期耗水總量的29%。河套灌區地下水埋深受灌溉的影響在作物生育期波動明顯，使得深層土壤水與上層根區的交互過程復雜，難以量化。而HYDRUS作為一款模擬變量飽和度情況下多孔介質中的水分和溶質運移的軟件，可以較為準確地模擬非飽和帶土壤水分運動狀況及作物根系水系。2008年李亮[5]采用HYDRUS-2D 模型對河套灌區典型區1 m深度內的土壤水分運動規律進行了研究，揭示了鹽漬化地區耕地-荒地間的水分運移機理，為河套灌區鹽漬化土壤改良和節水灌溉提供了理論基礎；2015年郝遠遠等[6]采用分布式的HYDRUS-EPIC模型評估了河套灌區解放閘灌域4 m深度內的土壤水鹽動態和作物生長空間分布特征，為評估區域尺度土壤水鹽與作物生長狀況提供有效工具。前人研究證明了HYDRUS模型在河套灌區土壤水分運移和利用方面研究的可行性和重要性，但農田根層和深層土壤水分交換和根系吸水過程與土壤條件、種植作物、灌溉方式等密切相關，要想更加明確其中過程機理，還需要針對具體灌溉方式和作物種類開展研究。

近年來，隨著河套灌區土壤鹽漬化嚴重和引黃配額的減少，發展節水灌溉成為灌區農業生產可持續發展的必然選擇。滴灌可以明顯提高水分利用效率和作物產量[7]，與覆膜栽培結合之后的膜下滴灌技術在鹽堿化治理和節水方面具有明顯優勢，已在包括我國在內的干旱、半干旱地區得到大面積應用。因此，近幾年前人在河套灌區逐步開展了一系列的膜下滴灌方面的研究工作，其中除部分研究關注的是經濟效益較高的加工番茄[8-9]之外，玉米作為灌區內最主要的糧食作物，其膜下滴灌方面的研究成果主要集中在耗水規律[10]、水分生產率[11-12]、作物系數[13]、根系分布[14]等方面，而對于膜下滴灌玉米根系下深層土壤水分動態、地下水對作物吸水補給效應等方面的研究相對較少；另外，通過控制土壤基質勢下限可以指導膜下滴灌，更易于膜下滴灌技術的推廣，該技術在河套灌區也已進行了一些研究[10,15]，得到了不同基質勢水平膜下滴灌條件下根層土壤水鹽運移特征和作物響應，但對于該條件下深層土壤水分交換和根系吸水方面的研究未見報道。

為此，本研究在河套灌區開展了連續2 a的田間試驗，設置不同膜下滴灌制度處理，利用HYDRUS-2D模型重點模擬玉米農田深層土壤水分動態和根系吸水差異，旨在探究膜下滴灌下玉米農田根層和深層土壤水分的補給過程及作物生長的響應，以期進一步完善膜下滴灌水分運移理論，促進膜下滴灌技術在河套灌區的推廣。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

田間試驗于2017年和2018年春玉米生長季(5—9月)在河套灌區曙光試驗站(40°46′N，107°24′E，海拔1 039 m)進行。該地區地處典型的溫帶大陸性干旱氣候區，試驗站多年年均降雨量135 mm左右，年蒸發量在2 100～2 300 mm之間，年均風速為2. 8～2. 9 m·s-1。全年日照充足，日照時數為3 190～3 260 h，年平均氣溫6.9℃，晝夜溫差大。其中1月份均溫為-14℃～-11℃，7月份均溫為22℃～24℃，0～20 cm土層平均地溫9.4℃。

試區內土壤屬于黃河灌淤土，土壤分層明顯，厚薄不均。0～40 cm深度土壤平均電導率(土水比1∶5浸提液)為1.3 dS·m-1，pH值為8.5。其他分層次的土壤特性見表1。試驗站內設有地下水位監測井，每0.5 h自動監測試驗田內的地下水位變動(圖1)。試驗田每年的秋季采用引黃水秋澆。2017年和2018年玉米生育期內(5—9月)降雨量分別為37 mm和154 mm(圖1)。基于1990—2010年的氣象數據計算該地區玉米生長季的平均降雨量為92 mm，因此，2017和2018年分別為干旱年和濕潤年。

表1 研究區域土壤理化性質

1.2 試驗設計與觀測

1.2.1 試驗設計 供試作物為春玉米，品種選擇為當地主栽品種‘西蒙6號’。田間種植采用“一膜單管雙行”的種植方式，滴灌帶間距100 cm，地膜寬70 cm(圖2)。玉米采用寬窄行的種植方式，窄行30 cm，寬行70 cm，玉米株距30 cm。播種前覆蓋地膜，地膜為高壓聚乙烯膜，厚度8 μm。播種深度5 cm，2017年播種時間為4月27日，2018年為4月28日。

田間試驗設置3個膜下滴灌灌溉水平處理，控制滴頭正下方20 cm深度處土壤基質勢下限分別為-10 kPa(S1)、-30 kPa(S3)和-50 kPa(S5)。每處理3個重復，共計9個小區，小區面積為4 m × 15 m=60 m2，各小區之間設置1 m寬的緩沖區以減少土壤水分側滲。每個處理安裝一套獨立的滴灌首部控制系統，包含閥門、施肥罐、過濾器、水表、壓力表等，以及12條滴灌帶(每小區4條，控制8行玉米)。通過安裝在滴頭正下方20 cm深度處的真空表式負壓計進行土壤基質勢監測(圖2)，每天09∶00和15∶00進行負壓計讀數，一旦達到所設定的閾值，立即啟動滴灌，灌水定額設定為10～20 mm(參考當日水面蒸發量和玉米生育時期)，試驗周期內的土壤基質勢讀數日變化如圖3所示。2 a內各處理具體灌溉次數和灌水量見表2。

表2 2017和2018年不同基質勢下限膜下滴灌春玉米生育期內灌溉次數、灌溉量

試驗地基肥采用尿素、磷酸二銨和硫酸鉀按照N、P、K分別為150、180kg·hm-2和45 kg·hm-2的施用量均勻撒施于地表，之后翻耕。玉米生育期內追施150 kg·hm-2的氮肥，采用水溶性較好的尿素，于灌水前溶于施肥罐中，隨灌水施入，且保證各處理施肥量一致。其他田間管理，如除草、病蟲害防治等同周邊農田一致。

1.2.2 土壤與植物指標觀測 土壤含水量每隔15 d測定1次，取樣位置見圖2。將所取土樣用105℃烘干至恒重，測定質量含水量，利用已知容重(表1)，計算得出體積含水量。

為測量生長指標，在玉米關鍵生育時期每個小區選取5株長勢均勻的玉米植株，從地表處剪取。用直尺量取所有綠色葉片的長度(L)和最寬處的寬度(W)，計算葉面積指數(LAI)：

(1)

式中,LAI為葉面積指數；L為葉片長度(cm)；W為葉片最寬處的寬度(cm)；α為系數，取0.75；A為所占地表面積(cm2)。

地上部所有部分經70℃烘干至恒重后，稱重得每株地上部生物量，根據種植密度換算得每公頃地上部生物量。分別于2017年9月8日和2018年9月10日在每個小區內選取各小區中間2行玉米進行測產。玉米脫粒后晾曬4～5 d，稱取質量并換算成每公頃產量。

1.3 HYDRUS-2D模型構建

針對大田試驗深層滲漏和補給難以計算的問題，借助數值模擬的方法是一種現實可行的解決方案。所以本文利用HYDRUS-2D模型進行剖面土壤水分運動的模擬，利用實測數據進行模型的檢驗。模擬尺度以天(d)為單位，模擬時間為播后0～130 d 。根據實測的土壤情況(見表1)將土層數設置為5層，考慮到地下水的波動情況，模擬深度設置為2個生長季內地下水最大埋深處(380 cm)，將120～380 cm深度的土壤默認為均質土，與100～120 cm的土壤參數保持一致。由于田間膜下滴灌試驗布置的對稱性，假定模擬區域左、右邊界均為零通量邊界，滴頭處采用變流量邊界，覆膜區域選擇為零通量邊界，無覆膜區域采用大氣邊界，下邊界取為已知地下水埋深決定的變水頭邊界，模擬在灌溉、降水以及地下水埋深變動情況下膜下滴灌的土壤水分變化過程[16-17]。

1.3.1 水分運移方程 假設膜下滴灌點源條件下土壤水分運動為軸對稱，則水分運動可簡化為軸對稱的二維問題來處理[18]，該模型采用修正過的Richards方程表示二維非飽和水流控制方程，公式如下：

(2)

式中,θ為體積含水量(cm3·cm-3)；t為時間(d)；K(h)為非飽和導水率(cm·d-1)；h為土壤水勢(cm)；x，z為水平和垂直坐標(cm)；S(h)為土壤根系吸水速率(cm·d-1)。

土壤的水分特征曲線利用HYDRUS-2D中的van Genuchten模型來進行擬合，其擬合方程如下：

(3)

(4)

(5)

式中,θ(h)為土壤含水量函數；θr為殘余含水量(cm3·cm-3)；θs為飽和含水量(cm3·cm-3)；Ks為飽和水力傳導度(cm·d-1)；Se為相對飽和度；α為進氣值倒數(1·cm-1)；m為土壤水分特征曲線適線參數；n為孔徑分布系數；l為表征土壤孔隙連通特征參數，取經驗值為0.5[19-21]。

土壤具體水力參數見表3。

1.3.2 根系吸水 式(2)中的根系吸收項(S)，應用HYDRUS-2D軟件包中的Feddes[22]提出的廣義根系吸水模型，可以定義為單位時間單位體積土壤中消耗的水分體積，其中最大根深設為100 cm[23]，根系吸水響應參數使用軟件預設的經驗參數，公式如下：

S(x,z,h)=α(x,z,h)b(x,z)TpL

(6)

式中，α(x,z,h)為根系吸水的水應力響應函數，無量綱；b(x,Z)為根系吸水分布函數(1·d-1)；Tp為作物潛在蒸騰速率(cm·d-1)；L為根區分布最大寬度(cm)，根據田間觀測，L取40 cm。

1.3.3 模型評價 本研究利用2017、2018年的實測數據對模擬的含水量結果進行檢驗。通過各個定位監測點實測的土壤含水量進行擬合并校正模型土壤參數，用均方根誤差(RMSE)和決定系數(R2)兩個指標來評價模型的模擬精度，RMSE越接近于0，R2越接近于1，表示模擬精度越高，一般認為R2在0.5以上達到率定要求[24]。計算公式如下：

(7)

(8)

2 結果與分析

2.1 模型驗證

本研究用相對濕潤的2018年實測土壤含水量來率定參數，忽略土壤水分入滲的滯后影響以及土壤鹽分含量對土壤水運移的影響[25]，得各層土壤水力參數如表3所示。用相對干旱的2017年數據進行驗證。2017年和2018年模擬值與實測值的RMSE和R2分別為0.039、0.78和0.042、0.73(圖4)。總體而言，模擬結果較好地反映了膜下滴灌條件下土壤水分的動態變化，因此可以利用HYDRUS-2D模型對該條件下土壤水分運移進行模擬研究。

表3 農田土壤的水力特征參數

2.2 不同膜下滴灌深層土壤含水量和邊界水分通量

根據前期(2015-2016年)在同一試驗地內開展的研究發現，膜下滴灌條件下玉米根系主要分布在0～100 cm深度內[21]，因此本研究將100 cm深度處視為根層水分滲漏和補給的邊界層，土壤水通量的正負分別代表水分的補給與滲漏。地下水對根層土壤進行補給的形式為毛管上升水，均質土壤中毛管水的上升過程是在基質勢與重力勢共同作用下進行的[26]，與入滲過程相似，運動方向相反[27]。以2018年為例，選取60～120 cm的土壤水分狀況作為研究對象，玉米灌溉期深層土壤含水量模擬情況見圖5。在模擬結果中100 cm深度以下土層的含水量均高于上層土壤含水量，接近水分飽和狀態，且各個處理之間差異不大，說明此處的土壤水分處于穩定狀態，這可能是由于其主要受地下水波動的影響。值得注意的是，60～90 cm深度為砂土層(表1)，該砂土層的存在勢必影響土壤剖面水分的運移[28]，從而在一定程度上阻止了深層水分通過毛管作用的上升[29]，而不同處理下60～90 cm深度內土壤含水量主要受到其上下層土壤水勢梯度連續性的影響(圖5)。此外，2018年8月(播后80 d和110 d)的強降雨(圖1)使得3個處理的土壤含水量均有明顯的增加(圖5)。特別是8月底的單日降雨超過60 mm，使得土壤水分補充到60 cm深度以下的土壤中，其中S5的變化幅度最大，其60 cm處的土壤含水量與S1、S3 幾乎一致，均處于近飽和狀態。而在其他時間S5處理60 cm處的土壤含水量較低，遠低于S1和S3。以上結果表明，通過控制20 cm深度處土壤基質勢下限指導的滴灌灌溉水平亦影響著60 cm深度處的土壤含水量，相較于S1與S3 處理，S5處理60 cm深度處水分含量最低。

當根層土壤含水量較低時，與下邊界處含水量較高的土壤形成的水勢差大，深層土壤水分通過水勢梯度和毛管上升作用補給根區土壤，供植物吸收利用。利用HYDRUS-2D模擬的不同基質勢條件下根層下邊界累積水分通量如圖6所示。數值為正表示水分向上運動，深層土壤水分補給到根層，負值則表示根層土壤水分發生深層滲漏。從圖6可以看出，不同處理之間水分通量的變化趨勢基本一致，3個處理均出現兩次較大波動的原因是在播后80 d和100 d的時候發生的較強降水導致了深層滲漏，且此時植物覆蓋度高，土壤蒸發較小；而在播后28 d左右也出現了一次相對較大的降雨，但沒有發生滲漏的原因可能是當時玉米正處于苗期，植被覆蓋度小，裸地土壤蒸發強烈。其余時段下邊界累積水分通量均為增加的狀態，表明在膜下滴灌條件下玉米農田深層土壤水分主要表現為向根層補給，不同處理的補給效果不同：S1、S3、S5處理深層土壤水分向根層的累積補給量分別為31.9、39.9 mm和49.6 mm，分別占各自根層土壤水分來源(灌溉、降雨和地下水補給)的4.7%、8.6%、15.7%。

2.3 不同膜下滴灌玉米生長性狀和產量

不同土壤基質勢下限顯著影響膜下滴灌玉米葉面積指數(LAI)(圖7)、地上部生物量(圖8)與籽粒產量(圖9)(P<0.05)。LAI表現出明顯的先升高、在生育后期降低的趨勢，其中S5處理LAI顯著小于S1和S3處理(P<0.05)，并在2017的生育后期急速降低(圖7)；田間觀察也發現，在干旱的2017年S5處理下玉米生長受到明顯的水分脅迫，植株出現“早衰”現象。整體而言，地上部生物量表現為明顯的“S”型生長曲線的變化趨勢。在拔節期以后(播后80 d之后)，地上部生物量快速增加，達到最大值之后直至成熟收獲，地上部生物量持平。S5處理下的生物量顯著低于其他2個處理(P<0.05)(圖8)。S1處理在2017和2018年的籽粒產量分別達到16.2 t·hm-2和16.9 t·hm-2，S3處理略有降低但與S1處理差異不顯著(P>0.05)，而S5處理兩年僅分別獲得9.4 t·hm-2和10.3 t·hm-2的籽粒產量，顯著低于S1和S3(P>0.05)(圖9)。

2.4 不同膜下滴灌玉米根系吸水速率

膜下滴灌“小流量、高頻率”的灌溉方式可以直接將作物所需水分送到根部，減少地面蒸發，起到很好的保墑作用[30]，從而有助于提高玉米的水分利用效率。本研究模擬了2018年玉米0～130 d的根系吸水情況(圖10)。不同膜下滴灌條件下根系吸水量差異較明顯。根系吸水不僅與天氣狀況有關，還與植株的生長發育以及衰老有關。作物根系吸水與灌溉具有極強的相關性，土壤基質勢水平越高植物根系吸水強度越大。在播后0～60 d玉米處于苗期和拔節期，3個處理的根系吸水速率都較小；在播后60 d之后開始呈現上升趨勢，在85 d左右達到最高，這是由于此時玉米生長處于抽雄期和灌漿期，根系較為活躍[14]，所以根區土壤水勢下降較快，很快降至設定基質勢下限閾值，灌溉頻率相對較高；之后玉米進入成熟期，葉片開始衰老，光合和蒸騰作用均減弱，根系吸水也越來越少。

不同處理之間比較發現，S5處理下的根系吸水速率明顯小于其他兩個處理，這應該是由于控制土壤基質勢下限為-50 kPa時，灌水較少帶來的水分脅迫限制了玉米根系的生長發育[31]；此外，控制基質勢下限為-10 kPa和-30 kPa的S1和S3處理，灌水結束時間在110 d左右，在此之前根區水分環境均保持在設計水平，較好的土壤水分環境延緩了表層根系生長的衰退[32]，故下降幅度不大。而土壤基質勢下限為-50 kPa的S5處理最后一次灌水時間是在90 d，之后僅靠地下水和降雨來維持生長，由于地下水和降雨的補給作用有限，所以根系吸水強度急劇下降。從模擬結果來看，生育末期S5的根系吸水速率極低，同時在大田觀察中發現S5處理下的玉米發生了早衰現象，這一現象也與模擬結果吻合。

3 討 論

河套灌區年均引黃灌水量為47億m3，且農田普遍過量灌溉使得地下水埋深常年維持在較淺的狀態[33]。淺層地下水勢必參與田間水循環過程，用于作物蒸騰是其主要消耗方式之一[34]，其也是灌溉間歇期內作物耗水的主要途徑。量化地下水的消耗和補給對制定灌溉制度具有重要意義。由此，張志杰等[1]采用試驗研究與數值模擬相結合的方法，根據灌水前后地下水位和土壤含水量的變化計算了灌溉水入滲補給地下水系數；Wang等[34]在傳統地下水蒸散量估算方法的基礎上，綜合考慮了作物生長階段、氣候條件、地下水深度和土壤水分，改進了地下水蒸散量日變化的估算方法。但是河套灌區面積廣闊，各地方的地下水埋深和土壤特性不盡相同，不同類型的土壤結構下的地下水補給情況必然存在較大差異[28]，而利用HYDRUS可以簡單快捷地解決這個問題，通過少量的實測數據就可以較為準確地反映土壤水與地下水的互補關系以及根系吸水的情況，為制定灌溉制度提供參考依據。

前人在該地區的研究已經表明，通過比較滴灌和漫灌對地下水的利用效果比較，指出滴灌技術的使用促進了淺層地下水對作物耗水的補給[35]，但不同的滴灌灌溉制度對地下水補給過程和作物根系吸水的響應差異值得進一步研究。根系吸水對于玉米生長發育及產量有著重要的影響[36]，用于根系吸水的水分來源可分為自上而下和自下而上兩個部分，自上而下的灌溉方式可以迅速減小水分脅迫，但隨著深度的增加這個效果越來越弱，而自下而上的方式是在土壤水勢的作用下，通過毛細作用使深層的土壤水分緩慢到達玉米根區。本研究以土壤基質勢水平作為單因子，通過控制不同的土壤基質勢下限指導膜下滴灌，對玉米農田的地下水補給作用和根系吸水能力進行模擬。模擬結果表明，S5處理下的根區水分從深層土壤中得到的補給量最多，S3處理次之，S1處理最少。這應該是因為土壤水基質勢越低，與下邊界含水量較高的土壤所形成的水勢梯度差就越大，深層土壤水分上升越顯著。2018年S1、S3、S5各處理隨著土壤基質勢控制下限的降低，玉米累積灌水量為450～110 mm(表2)，其對應的根區從深層得到的水分補給量為31.9～49.6 mm。Gao等[37]在同一試區、相同土壤類型上的研究指出，隨著灌水量的減少地下水對作物吸水的貢獻率逐漸增多；Liu等[12]等也在同一試區利用水量平衡方程計算了不同膜下滴灌水平下玉米根區水分來源情況，結果顯示，當膜下滴灌灌溉定額在245～134 mm之間時，其對應的根區水分從深層土壤得到的補給量為23.6～37.2 mm。此數值略小于本研究模擬結果，但趨勢基本一致，這也從一定程度上證明了本研究模擬結果的可靠性。

雖然S5處理下根區得到的深層土壤水分補給量最多，但是從根系吸水日變化情況來看，相較于供水多的S1、S3處理，S5的根系吸水能力最弱，這也說明在較低的土壤基質勢水平下根系吸水能力隨之減弱，從而顯著抑制了玉米生長和產量的形成，表現為LAI、地上部生物量和產量均顯著低于S1和S3處理(圖7～圖9)。此結果與劉曉芳[38]等的研究結果相似。此外，雖然S1的灌水量比S3高出220 mm，但兩者的根系吸水速率幾乎一致，而S3處理下的地下水補給量比S1處理明顯增多，這說明維持土壤基質勢下限-10 kPa的滴灌處理并不是一種優選模式，可能-30 kPa對于節水和深層土壤水分的利用更為合理。這從作物生長和產量響應上也得到了驗證，S1和S3處理之間LAI、地上部生物量和籽粒產量均顯著高于S5處理，但前二者之間差異不顯著。

綜上，本研究結果表明將土壤基質勢下限控制在合適的范圍內，既可以達到節水增產的目的，又可以充分利用地下水。在作物生育期內，由于地下水缺少補充來源，埋深會持續增大，前人研究分析了地下水位變化對作物水分消耗的影響[37]，指出埋深越深對作物蒸騰的貢獻越小，但與此同時地下水埋深的增加也會減小土壤次生鹽漬化的風險[39]；在非生育期秋澆洗鹽的過程中，地下水得以補充，為下一年的生產活動提供保障。形成的“生育期滴灌+非生育期漫灌”相結合的灌溉模式有助于實現河套灌區農業節水和鹽漬化防治。

4 結 論

1)利用率定后HYDRUS-2D模型可以較好地模擬不同膜下滴灌條件下土壤水分動態，為研究水分運動和優化灌溉制度提供良好工具。

2)膜下滴灌條件下，不同灌水下限處理并未影響到100 cm以下的深層土壤含水量，其在生育期內一直較高，處理間無顯著差異。隨著土壤基質勢下限的降低，深層土壤對于根層的水分補給增多，-50 kPa處理下玉米生育期內根層下邊界向上的累積水分通量達49.6 mm，占根層水分來源的15.9%。

3)不同土壤基質勢下限膜下滴灌顯著影響玉米生長和產量。土壤基質勢-10 kPa和-30 kPa處理玉米LAI、地上部生物量和籽粒產量顯著高于-50 kPa處理，而S1和S3之間差異不顯著。因此，該地區采用膜下滴灌進行玉米生產時，建議土壤基質勢下限設為-30 kPa，生育期內灌溉定額將在240～300 mm之間，不但可以顯著節約灌溉用水，提高水分利用效率，又能有效利用深層土壤水分，保證玉米根系吸水。