基于HYDRUS-2D和SHAW模型聯合模擬確定膜下滴灌農田秋澆定額

肖 姚，王 珂，趙 強，毛 俊，伍靖偉

（武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢430072）

0 引言

在我國西北干旱-半干旱季節性凍融地區，農業生產實踐中常采取秋澆、冬灌等非生育期淋洗灌溉制度來保墑壓鹽，隨著近年來膜下滴灌節水灌溉技術在西北地區的廣泛推行，如何對該地區膜下滴灌農田進行非生育期淋洗成為亟待解決的新問題。不同于傳統地面灌溉，膜下滴灌灌水僅以滴頭為圓心局部濕潤根區范圍內土壤，膜下區域和膜間區域土壤水鹽分布極不均衡，具有其特殊的水鹽運移規律和空間分布狀態［1-4］；西北地區廣泛存在的季節性凍融現象，又進一步加劇了該地區膜下滴灌農田非生育期水鹽運動的復雜性［5-8］。因此，針對傳統地面灌溉農田的非生育期淋洗制度難以直接應用至季節性凍融膜下滴灌農田。

盡管學者們針對非生育期淋洗制度已展開諸多研究［9-12］，但研究對象多為傳統灌溉農田，并未考慮到膜下滴灌農田特殊的水鹽分布情況，難以指導膜下滴灌區的非生育期淋洗。目前僅有部分學者針對膜下滴灌區非生育期淋洗進行了研究。孫貫芳等［14］通過田間試驗研究了河套灌區玉米膜下滴灌農田土壤水熱鹽效應及秋澆洗鹽灌溉效果，結果表明不同滴灌制度下土壤水鹽剖面分布極不均勻，非生育期洗鹽灌溉效果顯著。毛威［15］等利用SaltMod 模型模擬河套灌區膜下滴灌土壤鹽分演化規律，分析了根系層土壤鹽分累積與灌溉水量、水質、地下水位等因素的關系，并建議每兩年引黃河水秋澆一次。虎膽·吐馬爾白等［16］則利用HYDRUS-3D 模型來模擬不同秋澆定額下秋澆期10月1日-11月1日膜下滴灌農田的水鹽運移，通過分析秋澆前后的土壤脫鹽率和底層土壤水分通量，給出了新疆生產建設兵團石河子121團的推薦秋澆定額。現有研究從土壤水鹽運移規律、淋洗灌溉效果、推薦淋洗定額等方面展開了部分討論，但現有研究時段局限在非生育期淋洗期，未考慮凍融作用對膜下滴灌農田水鹽重分布的影響，不能有效確定作物播前土壤水鹽狀態；且有關淋洗定額的研究均為一年一淋洗條件下的定額優選，缺乏膜下滴灌農田年際間水鹽運移規律的有關研究，對于膜下滴灌農田多年一淋洗的淋洗制度研究尚未進一步展開。

針對上述問題，本文綜合考慮膜下滴灌農田水鹽空間分布的特殊性和季節性凍融影響，采用多維水鹽運移模擬模型HYDRUS-2D 和凍融模擬模型SHAW 進行聯合模擬，同時在進行單年際水鹽運移模擬基礎上，進一步模擬了膜下滴灌農田多年際水鹽運移情況，確定了季節性凍融區膜下滴灌土壤單年際和多年際的推薦秋澆定額，以期為季節性凍融區膜下滴灌農田確定合理的非生育期淋洗制度提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

田間試驗于2017-2018年在河套灌區隆勝井渠結合試驗區膜下滴灌玉米大田內進行，試驗區位于河套灌區中部永濟灌域，地理坐標為107°28′～107°32′E，40°51′～40°55′N，海拔1 037 m。試驗區位于干旱-半干旱氣候帶，屬典型的溫帶大陸性氣候、季節性凍土地區，土壤凍結期始于11月中下旬，在翌年4 中下旬至5月上旬凍層融通。試驗區土壤質地主要為壤土、粉壤土，表層土壤容重1.45～1.55 g/cm3，黃河水礦化度0.4 g/L。

1.2 試驗設計與數據觀測

本文基于野外秋澆試驗進行監測，試驗田內滴灌帶鋪設間距為100 cm，地膜寬60 cm，膜間距離40 cm。試驗設置1 350、1 800、2 250 m3/hm2三組秋澆定額，于秋澆前（2017年10月22日）、秋澆后（2017年11月10日）及春播前（2018年4月15日）各進行一次土壤取樣，取樣時在膜下（A 組）、膜間（B 組）位置用荷蘭鉆取土，取樣深度為100 cm，由表層開始分層取樣，取樣分層為0～5、5～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm。膜下、膜間取樣點位置及取樣剖面形式見圖1。取樣后測定土壤顆粒級配、容重、含水率、含鹽量等基本參數。

圖1 取樣剖面示意圖Fig.1 Schematic diagram of drip irrigation under mulch

同時，對土壤溫度、地下水埋深和基本氣象數據進行監測。土壤溫度由試驗區內地下溫度傳感器自動采集。地下水埋深數據由試驗區地下水位監測井測定，每5 天人工測量一次并記錄。氣象資料采用站內自動氣象站觀測，每1 h 自動記錄一組數據，基本氣象資料包括空氣相對濕度、風速、風向、最高氣溫、最低氣溫、降雨量、蒸發及日照輻射等。

2 模型耦合方法及其率定與驗證

2.1 HYDRUS-2D和SHAW模型耦合方法

本文結合HYDRUS-2D 模型和SHAW 模型進行數值模擬。HYDRUS-2D模型是用于模擬飽和-非飽和多孔介質中水分、溶質及能量運移的有限元計算模型，軟件可以描述復雜的邊界形狀，設置多樣化的邊界條件，目前在對滴灌點源入滲條件下土壤水、熱及溶質運移的數值模擬方面應用廣泛。SHAW 模型對系統各層結構之間水、熱、溶質運動的物理過程有明確的數學公式表述，常用于模擬在土壤凍結和融化過程中的水量、熱量和溶質通量變化。

考慮到膜下滴灌條件下土壤水鹽空間分布的差異性以及季節性凍土區凍融作用的特殊性，本文將全年劃分為生育期、秋澆期、凍融期3 個階段，聯合使用HYDRUS-2D 模型和SHAW模型模擬農田水鹽運移過程，其中HYDRUS-2D 模型模擬生育期和秋澆期，SHAW 模型模擬凍融期。為將二維的HYDRUS-2D 模型和一維的SHAW 模型耦合使用，根據最不利原則，采用HYDRUS-2D模型秋澆期末輸出的膜間積鹽最大剖面的一維數據作為SHAW模型模擬凍融期的初始值。

2.2 模型定解條件

HYDRUS-2D模型中取兩滴灌帶之間的一半土體作為模擬區域，模擬區域為一個水平寬50 cm，縱向深100 cm 的矩形研究區。模型初始條件為隆勝試驗區實測值。模型區分生育期和非生育期來設定上邊界，生育期模型滴頭處設為變流量邊界，膜內設為零通量邊界，膜間設為大氣邊界；非生育期無地膜覆蓋，設為大氣邊界。模型下邊界選擇為自由排水邊界，因為試驗區地下水位長期低于2.5 m，土壤水和地下水之間聯系較微弱。由于模型概化的模擬區域為平面對稱，故側邊界選擇為零通量邊界。

SHAW 模型中設置各層節點深度分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 m。模型初始及邊界條件由相應氣象文件、土壤溫度文件、節點含水率文件和模型參數文件輸入。氣象參數、土壤溫度參數為隆勝試驗區實測值，初始土壤含水率為HYDRUS-2D模型輸出值。模型上邊界條件由隆勝試驗區實測氣象觀測數據確定，下邊界條件由土壤底層體積含水量資料和土壤底層溫度資料確定。

2.3 模型率定和驗證

利用2017-2018年土壤含水率和土壤含鹽量的野外實測數據進行參數率定和驗證，用A組數據率定模型參數，并用B組數據對初步率定的結果進行驗證。模擬值和實測值的擬合程度采用均方根誤差RMSE進行評價，計算公式如下：

式中：Si為第i個樣本的模擬值；Oi為第i個樣本的實測值；n為觀測樣本數目。

HYDRUS-2D 模型中，不同土層土壤含水率的RMSE為0.021 5～0.031 3 cm3/cm3，秋澆后大田各取樣點不同位置剖面含水率模擬值與實測值基本一致，土壤含水率模擬值和實測值吻合較好。不同土層土壤含鹽量的RMSE為0.268～0.339 g/kg。含鹽量的模擬效果比含水率的模擬效果略差，總體吻合較好。秋澆后土壤含水率和含鹽量實測值與模擬值對比圖見圖2。

圖2 秋澆后土壤含水率和含鹽量實測值與模擬值對比圖Fig.2 Comparison of measured and simulated values of soil moisture and salinity after autumn irrigation

SHAW 模型中，不同土層土壤含水率RMSE為0.021 2～0.031 1 cm3/cm3，春播前土壤含水率模擬值與實測值吻合較好。不同土層土壤含鹽量RMSE為0.629～3.77 g/kg，春播前土壤含鹽量模擬值與實測值總體吻合較好。春播前土壤含水率和含鹽量模擬值與實測值對比見圖3。

圖3 春播前土壤含水率和含鹽量實測值與模擬值對比圖Fig.3 Comparison of measured and simulated values of soil moisture and salinity before spring planting

結果表明，HYDRUS-2D 和SHAW 模型分別對秋澆期和凍融期的土壤水鹽模擬結果良好，基本能夠正確的反應秋澆及凍融作用下的土壤水鹽運移規律。故結合HYDRUS-2D和SHAW模型來制定膜下滴灌條件下的秋澆制度可行。

3 膜下滴灌區秋澆定額確定

3.1 單年際秋澆定額

本文采用HYDRUS-2D 和SHAW 模型模擬膜下滴灌農田引黃灌溉時秋澆期（10月1日-11月10日）和凍融期（11月11日-翌年4月15日）的土壤水鹽運移過程，輸出春播前的土壤含水率和土壤含鹽量，與相應土壤水鹽標準對比后進一步確定單年際秋澆定額。秋澆應保證春播前作物根系活動層內土壤的水鹽條件滿足作物生長的需求，因此以滿足春小麥苗期正常生長發育的土壤水鹽條件為指標來確定單年際秋澆定額。春播前土壤0～40 cm 體積含水率應為25%～28%，土壤表層0～10 cm土壤含鹽量應小于2 g/kg。

為模擬不同秋澆定額對土壤水鹽運移的影響，模擬過程中針對不同鹽漬化程度的土壤分別設定0、450、900、1 350、1 800、2 250、2 700、3 150 及3 600 m3/hm29個等級灌溉量的灌溉處理，根據秋澆定額對春播前土壤含水率和含鹽量的影響關系來確定適宜的秋澆定額。土壤鹽漬化程度的劃分采用童文杰等［17］結合河套灌區土壤鹽分普查和典型作物耐鹽性評價后給出的分類方法，初始含鹽量為試驗站在相應鹽漬化區間內的實測值的平均值。圖4～6 分別為輕、中、重度鹽漬化土壤條件下，春播前0～40 cm 土壤含水率及0～10 cm 土壤含鹽量隨秋澆定額的變化關系圖。從圖中可以看出，秋澆具有良好的增水保墑、鹽分淋洗效果，且秋澆定額越大，春播前土壤0～40 cm 含水率越高，土壤0～10 cm 含鹽量越低，但隨著秋澆定額的增加，相應的邊際效益逐漸減小。

圖4 輕鹽土春播前0～40 cm土壤含水率和0～10 cm土壤含鹽量隨秋澆定額變化圖Fig.4 Changes of 0～40 cm soil water content and 0～10 cm soil salt content with autumn irrigation quota before spring sowing in light saline soil

模擬結果表明：輕度鹽漬化土壤對應于適宜含水率和含鹽量范圍的秋澆定額為1 100～2 300 m3/hm2，出于節水考慮，推薦秋澆定額為1 100 m3/hm2。中度鹽漬化土壤對應于適宜含水率和含鹽量范圍的秋澆定額為2 100～2 300 m3/hm2，出于節水考慮，推薦秋澆定額為2 100 m3/hm2。重度鹽漬化土壤對應于適宜體積含水率范圍的秋澆定額為1 100～2 300 m3/hm2，而對應于春小麥耐鹽極限的適宜秋澆定額應大于2 500 m3/hm2。在重度鹽漬化土壤條件下，當使用較大灌水定額以滿足鹽分淋洗目的時，會使土壤含水率過大而造成潮塌，當使用較低灌水定額以滿足適宜含水率要求時，卻并不能將土壤鹽分淋洗至春小麥耐鹽極限以下，秋澆很難同時滿足春播前土壤0～40 cm 含水率要求及0～10 cm 含鹽量要求。在實際生產中，對于重度鹽漬化土壤一般不種植小麥，而以種植葵花等較為耐鹽的作物為主。在重度鹽漬化土壤條件下，為淋洗鹽分、改良土質，建議秋澆定額為2 500 m3/hm2。

圖5 中鹽土春播前0～40 cm土壤含水率和0～10 cm土壤含鹽量隨秋澆定額變化圖Fig.5 Changes of 0～40 cm soil water content and 0～10 cm soil salt content with autumn irrigation quota before spring planting in medium saline soil

3.2 多年際秋澆定額

為得到更為節水的秋澆淋洗方案，本文進一步研究了黃灌時多年際秋澆淋洗制度。通過運用HYDRUS-2D 和SHAW 模型進行連續多年的土壤水鹽運移模擬，得到多年不秋澆情況下的土壤鹽分累積規律，并據此進一步確定秋澆頻次和不同秋澆頻次下對應的秋澆定額。

3.2.1 確定秋澆頻次

首先根據作物苗期含鹽量需求來確定最長秋澆年限，即苗期0～20 cm 土層土壤含鹽量需低于2 g/kg。進行連續多年不秋澆數值模擬后，輸出播種前的土壤含鹽量數據，當土壤含鹽量大于作物生長土壤鹽分控制上限時，則必須進行秋澆。模擬結果顯示，一年不秋澆情況下輕、中、重度鹽漬化土壤翌年的表層土壤含鹽量即超過了作物苗期耐鹽極限，故研究多年際秋澆定額時，只考慮非鹽土情況，初始含鹽量為試驗站實測值。

圖6 重鹽土春播前0～40 cm土壤含水率和0～10 cm土壤含鹽量隨秋澆定額變化圖Fig.6 Changes of 0～40 cm soil water content and 0～10 cm soil salt content with autumn irrigation quota before spring planting in heavy saline soil

對非鹽土進行連續多年不秋澆數值模擬，模擬結果見圖7。模擬結果表明，當不進行秋澆淋洗時，土壤連年積鹽，當連續三年不秋澆時，翌年生育期初土壤含鹽量即超過了2 g/kg，無法滿足作物生長要求，故最長秋澆年限為3年，多年際秋澆頻次可設為3年1灌和2年1灌。

圖7 非鹽土多年不秋澆翌年生育期初0～20 cm土壤含鹽量Fig.7 The salt content of the 0～20 cm soil at the beginning of the growth period of the non-saline soil when irrigated in autumn for many years

3.2.2 確定秋澆定額

針對3年1 灌和2年1 灌兩種秋澆頻次，分別設置多組秋澆定額進行數值模擬，以確定不同秋澆頻次下的秋澆定額。為使制定的多年一灌的秋澆制度能應對長期膜下滴灌要求，即能長期連續實施三年一灌或兩年一灌的秋澆制度，以秋澆之后翌年4月15日0～20 cm 土層的土壤平均含鹽量小于或接近于模擬初始時設定的0～20 cm 土層的土壤平均含鹽量為標準（即小于或接近0.771 g/kg），選定秋澆定額。

為確定三年一灌條件下的秋澆定額，設定1 200、1 400、1 600、1 800、2 000、2 200、2 400、2 600、2 800、3 000 m3/hm2十組秋澆定額進行數值模擬，第一年和第二年不秋澆，第三年進行秋澆，秋澆后得到的第四年4月15日0～20 cm 土壤平均含鹽量見圖8。由圖8 可知，隨著秋澆定額的增加，0～20 cm 土壤含鹽量逐漸降低，且含鹽量曲線下降趨勢逐漸放緩，這說明秋澆的淋鹽效率隨秋澆定額的增加而減少。當秋澆定額為2 000 m3/hm2時，0～20 cm 土壤平均含鹽量開始小于0.771 g/kg，出于節水考慮，選擇2 000 m3/hm2為三年一灌時的秋澆定額。

圖8 三年一灌0～20 cm土壤含鹽量隨秋澆定額變化圖Fig.8 Map of 0～20 cm soil salt content change with autumn irrigation quota under irrigation every three years

為確定兩年一灌條件下的秋澆定額，設定800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800、2 000、2 200、2 400、2 600 m3/hm2十組秋澆定額進行數值模擬，第一年不秋澆，第二年進行秋澆，秋澆后得到的第三年4月15日0～20 cm 土壤平均含鹽量見圖9。由圖9可知，隨著秋澆定額的增加，0～20 cm土壤含鹽量逐漸降低。當秋澆定額增加到2 200 m3/hm2時，含鹽量曲線急劇變緩，這說明秋澆定額大于2 200 m3/hm2后秋澆的淋鹽效率會顯著減少。當秋澆定額為1 350 m3/hm2時，0～20 cm 土壤平均含鹽量開始小于0.771 g/kg，出于節水考慮，選擇1 350 m3/hm2為兩年一灌時的秋澆定額。

圖9 兩年一灌0～20 cm土壤含鹽量隨秋澆定額變化圖Fig.9 Map of 0～20 cm soil salt content change with autumn irrigation quota under irrigation every two years

4 結論

本文結合HYDRUS-2D 模型和SHAW 模型，構建了膜下滴灌農田土壤水鹽運移數值模擬模型，進行了不同秋澆定額下的土壤水鹽動態模擬，定量分析得到了膜下滴灌農田單年際和多年際秋澆定額。主要結論如下：

（1）秋澆定額越大，秋澆的增水保墑效果越好，鹽分淋洗效果越明顯，但秋澆增水保墑和淋鹽的邊際效率降低。

（2）單年際秋澆情況下，模擬了膜下滴灌農田黃灌條件下輕度、中度、重度鹽漬化土壤不同秋澆定額下的土壤水鹽運移，結果表明：輕度鹽漬化土壤，推薦秋澆定額為1 100 m3/hm2；中度鹽漬化土壤，推薦秋澆定額為2 100 m3/hm2；重度鹽漬化土壤，秋澆難以同時滿足春播條件下土壤含水量和含鹽量要求，推薦種植耐鹽作物，在以淋洗鹽分、改良土質為目標時推薦秋澆定額為2 500 m3/hm2。

（3）多年際秋澆情況下，模擬了膜下滴灌農田黃灌條件下連續多年的土壤水鹽運移過程，結果表明：非鹽土至少每3年需進行一次秋澆，3年1 灌時推薦秋澆定額為2 000 m3/hm2，2年1灌時推薦秋澆定額為1 350 m3/hm2；輕度、中度和重度鹽堿土必須每年進行秋澆，否則作物無法正常生長。□