基于HYDRUS-1D模型的華北低平原區(qū)不同微咸水利用模式下土壤水鹽運(yùn)移的模擬*

何康康楊艷敏楊永輝

（1.中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心　石家莊　050022；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)　北京　100049）

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基于HYDRUS-1D模型的華北低平原區(qū)不同微咸水利用模式下土壤水鹽運(yùn)移的模擬*

何康康1，2楊艷敏1**楊永輝1

（1.中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心石家莊050022；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京100049）

華北低平原區(qū)深層地下水的不斷超采不僅造成淡水資源的枯竭，還引發(fā)了地面沉降、土壤鹽漬化等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。微咸水在農(nóng)業(yè)上的利用已成為緩解水資源危機(jī)的研究重點(diǎn)。為了研究不同咸水灌溉模式的可持續(xù)性，本文以華北低平原區(qū)的河北省南皮縣為例，利用Hydrus-1D模型，基于8種不同微咸水灌溉方案，模擬2008—2013年6年冬小麥-夏玉米輪作制度下，2m土體水鹽通量變化。模擬結(jié)果表明，土體剖面鹽分積鹽區(qū)主要集中在下層土壤（100～200cm）；上層土壤（0～100cm）溶液鹽分濃度大部分時(shí)間保持在2g·L-1左右，能保證作物正常生長(zhǎng)；但土壤剖面鹽分濃度在冬小麥灌漿末期出現(xiàn)峰值且隨灌水鹽分濃度增加而逐漸升高。土體鹽分充分淋洗的關(guān)鍵在于降雨強(qiáng)度，7月份降雨強(qiáng)度是土體脫鹽與否的主要影響因素；同時(shí)，在豐水年型夏玉米播種后結(jié)合出苗水適當(dāng)灌溉洗鹽對(duì)土體達(dá)到有效脫鹽起到重要作用。本文通過(guò)綜合分析水文年型、土壤剖面鹽分的動(dòng)態(tài)分布特征以及結(jié)合夏玉米出苗水的洗鹽淡水用量3方面因素對(duì)土壤鹽分遷移的影響，提出華北低平原區(qū)兩種適宜的微咸水灌溉制度：（1）冬前澆灌小于2g·L-1的冬小麥越冬水，春后在冬小麥拔節(jié)期澆灌一次2～4g·L-1微咸水；（2）冬前不灌越冬水，春后分別在冬小麥拔節(jié)期和灌漿期澆灌2g·L-1微咸水。兩種灌溉制度年均結(jié)合夏玉米出苗水的洗鹽淡水用量和總耗水量分別為60～70mm和250～260mm。本文結(jié)果旨在為華北低平原區(qū)微咸水利用的節(jié)水潛力及其可持續(xù)性提供理論指導(dǎo)。

微咸水利用 灌溉模式 Hydrus-1D模型 水鹽運(yùn)移 水文年型 冬小麥-夏玉米輪作

華北平原是我國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū)，同時(shí)也是水資源嚴(yán)重缺乏的地區(qū)。地下水資源的大量超采引起了地下水污染、地面沉降、海水入侵、土壤鹽漬化等一系列生態(tài)環(huán)境危機(jī)［1］。為了緩解日益突出的用水危機(jī)，開發(fā)各種水資源、提高水資源利用效率以及制定水資源可持續(xù)策略等已成為目前研究的重要課題。在半干旱地區(qū)，淺層地下咸水、微咸水具有較大的開發(fā)利用潛力，微咸水資源用于農(nóng)業(yè)灌溉也越來(lái)越受到重視，尤其在淡水資源短缺地區(qū)已成為重要的節(jié)水對(duì)策。河北地區(qū)微咸水、咸水可開采資源量每年近 42億m3，占地下水總開采資源總量近36％［2］，增大微咸水資源的開發(fā)利用率并用于農(nóng)業(yè)灌溉，對(duì)于保障水資源可持續(xù)利用及華北低平原區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

應(yīng)用微咸水灌溉尚需要以試驗(yàn)、模擬等手段為基礎(chǔ)的理論和技術(shù)指導(dǎo)。目前，微咸水灌溉技術(shù)已在很多干旱地區(qū)得到應(yīng)用，適宜的灌溉制度能夠達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的。已有的灌溉試驗(yàn)表明灌水量、灌溉水質(zhì)是影響土壤積鹽的主要因素，微咸水灌溉的目標(biāo)就是控制根區(qū)鹽分的累積［3］。適宜的微咸水灌溉對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育具有一定的促進(jìn)作用。陳素英等［4］在河北省南皮的試驗(yàn)研究表明，拔節(jié)期用2g·L-1和4g·L-1微咸水灌溉比雨養(yǎng)作物分別增產(chǎn)16.7％和7.4％，但是小麥季的積鹽會(huì)造成后茬作物玉米的減產(chǎn)，微咸水灌溉應(yīng)考慮作物種類和灌水時(shí)間。試驗(yàn)研究［5-7］顯示小麥萌芽期和孕穗期對(duì)鹽分比較敏感而灌漿成熟期和拔節(jié)期相對(duì)影響較小，并且應(yīng)控制土壤鹽分在6dS·m-1［8］以下。玉米則對(duì)鹽分脅迫非常敏感，特別是在萌芽期、苗期階段［9］。在土壤鹽分為1.7dS·m-1［7］以上玉米開始受害，在5.9dS·m-1時(shí)玉米產(chǎn)量減少一半［10］。因此，應(yīng)根據(jù)不同的作物種類、土壤特性及咸水資源確定合理的灌溉制度，既要滿足作物的需水量又要有效地控制土壤鹽分的累積。

不同微咸水灌溉情景下農(nóng)田土壤水鹽的動(dòng)態(tài)變化一直是研究的難點(diǎn)。目前，Hydrus-1D模型被廣泛應(yīng)用于土壤水分和溶質(zhì)運(yùn)移的模擬研究［11-12］，通過(guò)模擬來(lái)加強(qiáng)機(jī)理過(guò)程的認(rèn)識(shí)。Hydrus-1D模型是由美國(guó)鹽改中心開發(fā)的用于模擬變飽和多孔介質(zhì)水分、熱量、溶質(zhì)遷移的數(shù)值模型，能夠?qū)Υ髿膺^(guò)程（蒸散、降雨、灌溉）、土壤水分及溶質(zhì)運(yùn)移、作物根系吸收、地下水水位變化等過(guò)程進(jìn)行綜合模擬。具有多種邊界條件設(shè)置，并提供了大量的參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)作為參考［13］。本文利用Hydrus-1D模型模擬在不同的微咸水灌溉情景下，冬小麥-夏玉米輪作下的土壤水鹽通量變化。本文通過(guò)研究不同水文年型、灌水鹽分濃度及結(jié)合夏玉米出苗水的洗鹽用水量對(duì)土壤鹽分運(yùn)移的影響，明確了微咸水灌溉下土壤剖面鹽分累積規(guī)律和土體鹽分淋洗周期，提出了華北低平原區(qū)適宜的兩種微咸水灌溉方案，從而為華北低平原區(qū)微咸水利用的節(jié)水潛力及其可持續(xù)性提供理論指導(dǎo)。

1　材料和方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于河北省南皮縣（北緯37°50′～38°11′，東經(jīng)116°32′～117°02′，海拔7～12m）。土壤類型主要是潮土、鹽化潮土和脫潮土，其中鹽化潮土占22％，土壤質(zhì)地以壤土為主［14］，土壤含鹽量為0.8～1.5g·kg-1，土壤容重為1.42 g·cm-3，田間持水量為24.1％［15］。該地區(qū)屬近濱海缺水鹽漬化類型區(qū)，灌溉用地面水稀少，淺層地下咸水資源豐富。南皮縣屬于古河道平原地下水系統(tǒng)［2］，地下水埋深在5～7 m，其中淺層地下水資源小于2g·L-1占18％，2～3g·L-1占33％，3～5g·L-1占24％，大于5g·L-1占25％［16］。該地區(qū)年均降水量550mm，是典型的暖溫帶半濕潤(rùn)大陸季風(fēng)氣候區(qū)，春秋干旱，夏季多雨易澇，土壤具有明顯的季節(jié)性積鹽或脫鹽現(xiàn)象。

1.2模型描述

本文采用美國(guó)農(nóng)業(yè)部鹽漬土實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的模擬飽和-非飽和土壤水、熱、溶質(zhì)運(yùn)移的Hydrus-1D軟件，該軟件主要包括水分運(yùn)移、根系吸水、鹽分運(yùn)移3個(gè)模塊。

1.2.1水分運(yùn)動(dòng)基本方程

以地表為基準(zhǔn)面，垂直一維水分運(yùn)動(dòng)基本模型［17］可表示為：

式中：θ表示土壤體積含水率（cm3·cm-3）；t為時(shí)間（d）；K為非飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)（cm·d-1）；h為基質(zhì)勢(shì)（cm）；S是作物根系吸水率（d-1）；z是垂直坐標(biāo)，方向向上為正（cm）。

選用van-Genuchten-Mualem模型［18］確定土壤水分特征參數(shù)：

式中：θs為土壤飽和體積含水率（cm3·cm-3）；θr為土壤殘余體積含水率（cm3·cm-3）；h為基質(zhì)勢(shì)（cm）；Ks為飽和傳導(dǎo)系數(shù)（cm·d-1）；Se為有效飽和度；α為進(jìn)氣吸力的倒數(shù)（cm-1）；m為水分特征曲線參數(shù)；n為孔徑分布參數(shù)；l是空隙連通性參數(shù)，一般取值為0.5。

1.2.2根系吸水方程

根系吸水模型采用Feddes模型［19］計(jì)算根系吸水速率，即：

式中：α（h）表示根系吸水脅迫系數(shù)；N（ x）為標(biāo)準(zhǔn)化根系吸水分布函數(shù)，描述根系吸水的空間變異；Tp為作物潛在蒸騰速率（cm·d-1）。根系吸水脅迫系數(shù)由Wesseling等［20］提出的參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值確定，如表1所示：

表1　作物根系吸水方程參數(shù)Table 1 Crop root uptake equation parameters

標(biāo)準(zhǔn)化根系吸水分布函數(shù)N（x）計(jì)算方程如下［21］：

式中：N′（x）為實(shí)測(cè)或模擬的根系分布函數(shù)，反映根系在土壤剖面上的分布狀況。作物根系生長(zhǎng)采用線性生長(zhǎng)函數(shù)，冬小麥和夏玉米根系生長(zhǎng)狀況根據(jù)張喜英［22］試驗(yàn)研究確定。

1.2.3鹽分運(yùn)動(dòng)基本方程

模型以土壤可溶鹽（惰性非吸附性溶質(zhì)）為研究對(duì)象，以土壤水礦化度為主要研究指標(biāo)，建立飽和-非飽和土壤溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型［21］：

式中：C表示土壤溶液中鹽分的濃度（mg·cm-3），q為水流通量（cm·d-1），D為水動(dòng)力彌散系數(shù)（cm2·d-1）。

1.2.4模型輸入

土壤水分運(yùn)動(dòng)的初始條件和邊界條件［21］：

土壤鹽分運(yùn)動(dòng)的初始條件與邊界條件［21］：

模擬的初始條件取野外經(jīng)驗(yàn)值，初始含水率為田持量的65％，鹽分含量為1g·kg-1。模型溶質(zhì)運(yùn)移上邊界是由不同的灌水濃度確定的，水分運(yùn)移上邊界選取表層無(wú)積水的大氣邊界。潛在蒸散發(fā)（ETp）、土壤潛在蒸發(fā)（Ep）和作物潛在蒸騰量（Tp）由氣象條件以及葉面積指數(shù)求得。首先根據(jù) Penman-Monteith方程［23］計(jì)算作物參考蒸散（ET0），然后根據(jù)參考作物系數(shù)Kc［24］計(jì)算作物的潛在蒸散量（ETp），最后，潛在蒸發(fā)量（Ep）和蒸騰量（Tp）根據(jù)Beer’s law定律［25］進(jìn)行計(jì)算：式中：LAI表示葉面積指數(shù)［26-27］；k表示的是冠層的消光系數(shù)，反映的是太陽(yáng)輻射在冠層中的衰減程度，小麥消光系數(shù)一般取值 0.60［28-29］，玉米消光系數(shù)為0.438［30］。

本文取2m土體作為模擬剖面，基于研究區(qū)地下水埋深常年在 5～7 m，因此不考慮地下水補(bǔ)給影響，并取自由排水作為下邊界。模型模擬土壤深度為0～200cm，步長(zhǎng)為天，設(shè)定最小時(shí)間步長(zhǎng)和最大時(shí)間步長(zhǎng)分別為0.000 01d和5 d?？紤]根系主要分布在耕層，空間步長(zhǎng)上密下疏。將2m土體根據(jù)土壤質(zhì)地劃分為3層，利用 Hydrus-1D模型中自帶的Rosseta模塊，輸入各層土壤的粒徑組成和容重，初步得到各層的土壤水力參數(shù)。并根據(jù)試驗(yàn)區(qū)2004—2005年土壤水鹽數(shù)據(jù)進(jìn)一步的校正，校準(zhǔn)后的土壤水力參數(shù)如表2所示。

表2　校準(zhǔn)后的van-Genuchten模型特征參數(shù)Table 2 Calibrated parameters of the van-Genuchten model

1.2.5情景設(shè)計(jì)

據(jù) 1996—2014年19年的降水資料分析，該區(qū)域豐水年（P=25％）降水量為658.1mm，平水年（P= 50％）為536.4mm，枯水年（P=75％）為446.8mm。其中，2009年、2012年、2013年屬于豐水年型，2008年、2010年、2011年屬于平水年型。根據(jù)華北平原冬小麥生育期和夏玉米生育期耗水量分別在 400～450mm和350～400mm之間［31］，而2008—2013年玉米生育期降雨量均在400mm以上（表3），降雨能夠滿足玉米水分的需求。因此，該區(qū)域的灌溉研究主要是以冬小麥為對(duì)象，進(jìn)行微咸水灌溉補(bǔ)給處理。雖然后茬玉米未進(jìn)行微咸水灌溉，但前茬小麥土壤鹽分的累積會(huì)對(duì)玉米形成減產(chǎn)效應(yīng)［3］，一般情況下，玉米播后灌溉應(yīng)結(jié)合出苗水進(jìn)行洗鹽，即玉米播后洗鹽水用量同時(shí)也是出苗水用量。

根據(jù)不同灌溉時(shí)期本文設(shè)置 2種情景，每個(gè)情景各有4個(gè)咸水灌溉處理，灌溉用水量和灌溉時(shí)期參照試驗(yàn)研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定［32］。情景Ⅰ是對(duì)冬小麥進(jìn)行春后 3水灌溉：拔節(jié)期和灌漿期咸水灌溉，抽穗期淡水灌溉；夏玉米播后洗鹽水用量根據(jù)玉米耐鹽閾值（1.7dS·m-1）設(shè)置，但最大不超過(guò)120mm。情景Ⅱ是根據(jù)南皮“渤海糧倉(cāng)”項(xiàng)目試區(qū)灌水經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置，即冬小麥灌溉3水：越冬期固定2g·L-1微咸水灌溉，拔節(jié)期咸水灌溉，開花期淡水灌溉；夏玉米洗鹽水用量固定為70mm。情景Ⅰ和情景Ⅱ冬小麥灌水定額均為60mm，灌溉咸水濃度設(shè)置4個(gè)處理，分別為2g·L-1、3g·L-1、4g·L-1和5g·L-1。具體灌水處理如表4所示。

表3　2007—2013年小麥和玉米生育期降雨量Table 3 Precipitations of wheat and corn growth periods in 2007-2013 mm

表4　河北南皮縣小麥-玉米系統(tǒng)兩種模擬情景不同時(shí)期的灌水水質(zhì)和水量Table 4 Irrigation water quality and amount of winter wheat-summer maize system at different growth stages under different modeling scenarios in Nanpi County，Hebei Province

模擬時(shí)段選擇2007—2013年共6年時(shí)間，小麥季播種日期為10月13日，收割日期為6月7日，生育期為238d；玉米季播種日期為6月10日，收割日期為10月2日，生育期為115 d。冬小麥越冬水、拔節(jié)水、抽穗水、開花水和灌漿水的灌水時(shí)間分別為12月1日、3月上旬、4月中旬、4月下旬和5月中旬，具體灌水日期根據(jù)當(dāng)月降雨時(shí)間和強(qiáng)度確定。

2　結(jié)果與分析

2.1模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證

利用2004年和2005年南皮試驗(yàn)資料［33］分別作為校正和驗(yàn)證數(shù)據(jù)，對(duì)比了冬小麥主根區(qū)0～40cm土壤水鹽含量模擬值與實(shí)測(cè)值。

2004年的試驗(yàn)設(shè)置［33］為：冬小麥生育期灌溉定額為195mm，分別為底墑水60mm（淡水0.84g·L-1）、拔節(jié)水45mm（淡水0.84g·L-1）、抽穗水45mm（淡水0.84g·L-1）和灌漿水45mm（微咸水3g·L-1）。試驗(yàn)主要關(guān)注的是主根區(qū)（0～40cm），因此分別在10cm、20cm、30cm、40cm土層設(shè)置4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，模擬值取觀測(cè)點(diǎn)的加權(quán)平均值，校正結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明，土壤含水率和土壤溶液含鹽量在前兩次灌水前后模擬值和實(shí)測(cè)值吻合較好，在灌漿期灌水前后則偏離較大。含水量的均方根誤差和決定系數(shù)分別為0.041 8cm3·cm-3和0.726 4cm3·cm-3，而含鹽量的均方根誤差和決定系數(shù)分別為0.927 1g·L-1和0.502 3g·L-1。

圖1　2004年河北省南皮縣冬小麥根區(qū)0～40cm土壤水分（A）及鹽分（B）模擬值與實(shí)測(cè)值的率定結(jié)果Fig.1 Comparison between the simulated and measured water contents（A） and salt contents（B） of 0-40cm soil of winter wheat in Nanpi County，Hebei Province in 2004

2005年試驗(yàn)設(shè)置［33］春后 3水，即拔節(jié)水-抽穗水-灌漿水，根據(jù)灌水濃度設(shè)置 3個(gè)處理，分別是：淡-淡-淡、淡-咸-咸和淡-淡-咸，每個(gè)處理的底墑水、淡水和咸水的濃度以及每次灌水量均同2004年試驗(yàn)設(shè)置。圖2為驗(yàn)證結(jié)果，結(jié)果表明，含水量模擬效果比較好，均方根誤差最小為0.029，決定系數(shù)最大為0.958 7；從含鹽量的對(duì)比結(jié)果來(lái)看，雖然在灌漿期灌水前后模擬值與實(shí)測(cè)值偏差較大，但模型總體模擬效果比較好，大致反映了主根區(qū)土壤含鹽量的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)?？傮w來(lái)說(shuō)，模型模擬效果可以接受，參數(shù)較為可靠，可用于實(shí)際模擬應(yīng)用。

2.2模擬結(jié)果分析

利用校驗(yàn)后的土壤水鹽運(yùn)移模型，分別模擬情景Ⅰ和情景Ⅱ的土壤水鹽運(yùn)移過(guò)程。

2.2.1情景Ⅰ

1）灌溉用水量

情景I中4個(gè)咸水灌溉處理的咸水用量都為120mm（兩次灌溉時(shí)間分別為拔節(jié)期和灌漿期），淡水用量為小麥播前灌水（僅2007—2008年需要播前灌水）、抽穗水（60mm）和玉米出苗水。從圖3看出，由于2008年、2010年、2011年屬于平水年型，結(jié)合夏玉米出苗水的洗鹽用水量比較大，大部分都在120mm。而2009年、2012年、2013年屬于豐水年型，受到降雨條件的影響，洗鹽水用量較少，以3g·L-1為例，3年夏玉米洗鹽水用量分別為0mm、120mm和30mm。為使夏玉米在苗期的根區(qū)鹽分濃度在耐鹽閾值以下，淡水用量亦隨著咸水濃度的增加而增加，這可以從第6年的淡水用量變化趨勢(shì)看出。2g·L-1、3g·L-1、4g·L-1和5g·L-14個(gè)處理6年平均結(jié)合夏玉米出苗水的洗鹽用水量分別為64mm、101mm、105mm和118mm（圖4）。

圖2　2005年不同灌溉方式模擬值和實(shí)測(cè)值水分和鹽分驗(yàn)證結(jié)果（F:淡水灌溉，灌溉水礦化度為0.84g·L-1；S:咸水灌溉，灌溉水礦化度為3.0g·L-1；3次灌水時(shí)間分別為拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期）Fig.2 Comparison between the simulated and measured water contents and salt contents at different irrigation modes during the validation in 2005（F：fresh water irrigation，water salinity is 0.84g·L-1；S：saline water irrigation，water salinity is 3.0g·L-1；Three times irrigation were respectively at jointing stage，heading stage and grain filling stage）

2）實(shí)際蒸散發(fā)

冬小麥分別經(jīng)過(guò)2～5g·L-14種灌溉處理后，實(shí)際蒸散量并不隨灌水濃度變化，說(shuō)明冬小麥?zhǔn)艿禁}分脅迫影響較小。冬小麥蒸散量年際間的變化主要是受生育期降雨量的影響。例如，2009—2010年和2010—2011年冬小麥生育期降雨量分別為124.8mm和63.9mm，而蒸散量分別為474mm和409mm。但是夏玉米蒸散量受鹽分脅迫的影響更明顯，尤其是在平水年型2010—2011年，2～5g·L-1的蒸散量分別從363mm和342mm下降至351mm和325mm（圖5）。

3）鹽分累積增加量

在2007—2011年期間，隨著灌溉咸水濃度的增加，土體積鹽量增加，并且隨著時(shí)間的推移每個(gè)處理鹽分累積量增加。而在 2012—2013年期間（豐水年），由于受強(qiáng)降雨洗鹽的作用，鹽分累積增加量開始減小，并經(jīng)過(guò)兩年降雨淋洗過(guò)程，最終使土壤積鹽量大幅減?。▓D6）。在2g·L-1、3g·L-1、4g·L-1、5g·L-1咸水灌溉處理下2m土體單位面積的最終積鹽量分別為25.36mg·cm-2、-4.88mg·cm-2、28.24mg·cm-2和12.82mg·cm-2。除了3g·L-1處理下土體脫鹽，其他都有輕微積鹽現(xiàn)象。2g·L-1處理沒(méi)有脫鹽的原因是結(jié)合出苗水的洗鹽用水量較小（64mm）。

圖3　灌溉情景Ⅰ下2007—2013年冬小麥-夏玉米不同鹽分濃度咸水灌溉下的灌溉用水量Fig.3 Irrigation amounts of winter wheat-summer maize under different irrigation water salt concentrations in 2007-2013 under irrigation scenarioⅠ

圖4　不同灌溉情景下冬小麥-夏玉米年均耗水用量Fig.4 Average annual water consumption of winter wheat-summer maize under different irrigation scenarios

4）2m土壤剖面鹽分濃度變化

從圖7中可以看出，鹽分的累積主要發(fā)生在1m土體以下，這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)灌溉和降雨的淋溶作用，表層大部分鹽分隨水分遷移至下層土壤。并且灌水濃度越大，下層土壤鹽分含量越高，積鹽越明顯。0～100cm土體鹽分含量較低。在每年的6月份至第2年的4月份始終維持在4g·L-1以下。經(jīng)過(guò)拔節(jié)期和灌漿期兩次咸水灌溉后土壤鹽分含量明顯增加，加上強(qiáng)烈的蒸散作用造成土壤鹽分不斷上移，4月份至 6月份是土壤鹽分濃度最大的時(shí)間，峰值在8g·L-1以上。下層土壤（100～200cm）鹽分濃度隨時(shí)間不斷升高，且積鹽區(qū)不斷擴(kuò)大，高濃度區(qū)域（9g·L-1左右）在前5年呈現(xiàn)逐漸上移趨勢(shì)，尤其在4g·L-1和5g·L-1咸水濃度處理時(shí)比較突出，在2008—2012年期間，9g·L-1濃度區(qū)域邊界從140cm上升至100cm。在 2012—2013年，受降雨影響，土體開始有明顯脫鹽趨勢(shì)，高濃度鹽分區(qū)在 2013年玉米季末下降至180cm以下。

圖5　情景Ⅰ下2007—2013年冬小麥-夏玉米不同不同鹽分濃度咸水灌溉下的實(shí)際蒸散發(fā)Fig.5 Actual evapotranspiration（ET） of winter wheat-summer maize under different irrigation water salt concentrations in 2007-2013 under irrigation scenario Ⅰ

圖6　情景Ⅰ下不同年份不同鹽分濃度咸水灌溉下土壤鹽分累積增加量（2m土體）Fig.6 Accumulated soil salt increment under different irrigation water salt concentrations（2m soil profile） in different years under irrigation scenario Ⅰ

圖7　情景Ⅰ下2007—2013年不同時(shí)期冬小麥-玉米輪作系統(tǒng)土壤剖面含鹽量變化Fig.7 Soil profile salt concentrations of winter wheat-summer maize system under irrigation scenario Ⅰ from 2007 to 2013

2.2.2情景Ⅱ

1）灌溉用水量

此情景是南皮現(xiàn)有的微咸水灌溉模式及洗鹽方式，即越冬期灌溉2g·L-1微咸水，在拔節(jié)期灌溉咸水（有2g·L-1、3g·L-1、4g·L-1、5g·L-14個(gè)處理），開花期灌溉淡水，玉米出苗水每年均為70mm。冬小麥除第1年播前灌溉60mm淡水外，其余年份只在開花期灌溉淡水，夏玉米除第2年播前有降雨外，其余年份均灌溉出苗水70mm，即每年淡水消耗量為：2007—2008年淡水用量190mm，2008—2009年淡水用量為60mm，其余4年淡水用量為130mm；每年的咸水用量均為120mm。多年平均結(jié)合出苗水的洗鹽用水量和咸、淡灌水量見圖4。

2）實(shí)際蒸散發(fā)

情景Ⅱ的蒸散量隨灌溉水鹽分濃度和水文年型變化的趨勢(shì)和情景Ⅰ類似，即小麥?zhǔn)茺}分脅迫影響不明顯，在不同年份的變化受降雨的影響；玉米受鹽分脅迫的影響較大，尤其是在 2010年和2011年隨鹽分濃度的增加蒸散量降低（圖8）。

3）鹽分累積增加量

4個(gè)處理2g·L-1、3g·L-1、4g·L-1和5g·L-16年后鹽分累積增加值分別為-62.29mg·cm-2、-38.32mg·cm-2、-15.49mg·cm-2和5.90mg·cm-2。2～4g·L-1處理2m土體能夠脫鹽，5g·L-1處理則有輕微積鹽。總體來(lái)看，在情景Ⅱ灌溉制度下，4種咸水灌溉處理后2m土體基本不積鹽（圖9）。

圖8　情景Ⅱ下2007—2013年冬小麥-夏玉米不同鹽分濃度咸水灌溉下的實(shí)際蒸散發(fā)Fig.8 Actual evapotranspiration（ET） of winter wheat-summer maize under different irrigation water salt concentrations in 2007—2013 under irrigation scenario Ⅱ

圖9　情景Ⅱ下不同年份不同鹽分濃度咸水灌溉下土壤鹽分累積增加量（2m土體）Fig.9 Accumulated soil salt increment under different irrigation water salt concentrations（2m soil profile） in different years under irrigation scenario Ⅱ

4）2m土壤剖面鹽分濃度變化

上層土體（0～100cm）鹽分含量基本維持在 2g·L-1左右，出現(xiàn)峰值的時(shí)間段在每年的4月份至6月份。從年際變化來(lái)看，2008—2012年下層土體（100～200cm）鹽分濃度逐漸升高，但高濃度區(qū)域（10g·L-1左右）沒(méi)有明顯上移，保持在120cm以下。從年內(nèi)變化來(lái)看，每年的6月份至翌年的4月份，100～160cm區(qū)域鹽分濃度具有持續(xù)下降趨勢(shì)（圖10）?？傮w來(lái)看，情景Ⅱ模式上層土體（0～100cm）鹽分含量更低且下層積鹽區(qū)更穩(wěn)定。

3　討論與結(jié)論

3.1不同水文年型下土壤水鹽動(dòng)態(tài)變化

土體是否積鹽關(guān)鍵在于脫鹽量，而土體的脫鹽量主要受到自然降雨的影響。在2008—2013年6年模擬時(shí)段，冬小麥季每年都處于積鹽狀態(tài)，洗鹽主要發(fā)生在夏玉米季。其中，在平水年型2008年、2010年和2011年夏玉米季都在積鹽；在豐水年型 2009年、2012年和2013年夏玉米季都在洗鹽且玉米洗鹽水用量依次增大。土體洗鹽用水量與底部水分滲漏量密切相關(guān)，以情景Ⅱ?yàn)槔?009年玉米季滲漏量為13mm，最大滲漏量可達(dá)0.055cm·d-1；2012年和2013年玉米季滲漏量分別為50mm、109mm，最大滲漏量分別為0.14cm·d-1和0.61cm·d-1。由此可見，土體明顯脫鹽現(xiàn)象主要發(fā)生在2012年和2013年玉米季。

土體是否產(chǎn)生滲漏主要決定于這個(gè)時(shí)期的降雨量和蒸散量。2009年最大降雨強(qiáng)度發(fā)生在8月份（表5），洗鹽過(guò)程主要發(fā)生在9月份；2012年和2013年最大降雨強(qiáng)度都在7月份，而土體洗鹽過(guò)程發(fā)生在8月、9月份，由此說(shuō)明，土體發(fā)生洗鹽的時(shí)間滯后于最大雨強(qiáng)發(fā)生時(shí)間。根據(jù)玉米需水量規(guī)律變化可知，土壤蒸發(fā)量和作物蒸騰量分別在 6月份、8月份最高（圖11，以2009年為例），說(shuō)明玉米在這兩個(gè)月份需水量最大，如果降雨量集中在這兩個(gè)月份，土體產(chǎn)生的滲漏量可能偏小且持續(xù)時(shí)間短；如果降雨集中在7月份或9月份，受到玉米耗水量較少的影響，土體產(chǎn)生的滲漏量可能較大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。相對(duì)于9月份，7月份強(qiáng)降雨的洗鹽效果更好，原因是8月份的降雨量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10月份，而洗鹽時(shí)間具有滯后性并需要一定強(qiáng)度的連續(xù)降雨。

圖10　情景Ⅱ下2007—2013年不同時(shí)期冬小麥-玉米輪作系統(tǒng)土壤剖面含鹽量變化Fig.10 Soil profile salt concentrations of winter wheat-summer maize system under irrigation scenario Ⅱ from 2007 to 2013

表5　河北省南皮縣豐水年型夏玉米季不同月份降雨量Table 5 Precipitation in different months during summer maize growth period in wet years in Nanpi County of Hebei Provincemm

3.2不同礦化度咸水灌溉對(duì)土壤剖面鹽分分布和洗鹽效果的影響

兩種情景土壤剖面共同的特點(diǎn)：在 2008—2011年期間（積鹽時(shí)間），下層土體（100～200cm）土壤鹽分濃度在8g·L-1以上并隨時(shí)間不斷增大；上層土體（0～100cm）在每年7月份至次年3月份土壤鹽分濃度基本維持在2g·L-1左右，基本能保證夏玉米的正常生長(zhǎng)。5月中下旬出現(xiàn)短暫峰值現(xiàn)象可達(dá)8g·L-1以上，此時(shí)正值冬小麥灌漿末期，受鹽分脅迫影響較大。因此咸水灌溉需要注意兩點(diǎn)：一是控制下層土體（積鹽區(qū)）鹽分累積，過(guò)多則不利于雨季脫鹽；二是冬小麥灌漿末期上層土壤鹽分濃度不宜過(guò)高（6dS·m-1以上影響小麥生長(zhǎng)），否則不僅會(huì)影響小麥產(chǎn)量，也會(huì)使玉米播后洗鹽水用量增加，不利于節(jié)水。

圖11　2009年夏玉米實(shí)際蒸騰量和土壤蒸發(fā)量Fig.11 Actual transpiration and soil evaporation of summer maize in 2009

情景Ⅰ中，4g·L-1兩次咸水灌溉和5g·L-1兩次咸水灌溉處理下，下層土體積鹽過(guò)多（在冬小麥灌漿末期上層土壤鹽分濃度過(guò)高達(dá)9.1dS·m-1），導(dǎo)致土體鹽分不能在后期豐水年型玉米季淋洗掉。尤其在平水年型2010—2011年結(jié)合出苗水的洗鹽用水量達(dá)到120mm，但是洗鹽效果仍然不是太好，玉米苗期根區(qū)土壤鹽分濃度為3dS·m-1左右，還是在玉米耐鹽閾值（1.7dS·m-1）以上。因此，這兩種咸水灌溉模式不利于作物正常生長(zhǎng)。2g·L-1和3g·L-1兩次咸水灌溉處理土壤鹽分濃度基本控制在作物耐鹽閾值以下。從節(jié)水角度考慮，3g·L-1所需的年均結(jié)合出苗水的洗鹽用水量（101mm）比2g·L-1所需的年均洗鹽用水量（64mm）大，因此，情景Ⅰ中的2g·L-1兩次咸水灌溉處理是可持續(xù)灌溉方案。情景Ⅱ中，由于在越冬期進(jìn)行一次微咸水（2g·L-1）灌溉，而后只在拔節(jié)期進(jìn)行一次 2～5g·L-1咸水灌溉，這種模式相對(duì)來(lái)說(shuō)下層積鹽量少，經(jīng)過(guò)后期豐水年降雨量大的影響，2g·L-1、3g·L-1、4g·L-1一次咸水灌溉處理下的土體都能夠脫鹽，5g·L-1處理則有輕微積鹽且灌漿期末出現(xiàn)的濃度峰值在9dS·m-1以上。由于每年玉米季播后設(shè)置固定出苗水用量70mm，在這種連續(xù)定量洗鹽模式下，玉米苗期至小麥返青階段（每年7月至次年3月份），下層土壤在100～120cm附近處，鹽分濃度有一定程度的下降趨勢(shì)，逐漸從8g·L-1下降至4g·L-1左右，說(shuō)明情景Ⅱ模式鹽分比較容易淋洗。

3.3結(jié)合出苗水的洗鹽用水量對(duì)土體鹽分淋洗的影響

玉米季的脫鹽量除了受水文年型影響，還受到人工洗鹽的影響。在同一水文年型且洗鹽用水量相同情況下，4種不同咸水濃度處理下的玉米季脫鹽量基本一致（如表6所示）；而在同一水文年型不同洗鹽用水量情況下，土體脫鹽量隨著洗鹽用水量的增加而增加，尤其在豐水年型玉米播后結(jié)合出苗水進(jìn)行灌溉洗鹽更有利于讓土體脫鹽，比如情景Ⅰ中，2012年2g·L-1和3g·L-12次咸水灌溉處理下的玉米洗鹽水用量分別為0mm和120mm，對(duì)應(yīng)的玉米季土體脫鹽量分別為15.51mg·cm-2和75.51mg·cm-2；在 2013年土體脫鹽量與洗鹽用水量正相關(guān)關(guān)系更明顯，2g·L-1、3g·L-1、4g·L-1、5g·L-12次咸水灌溉4種處理下洗鹽用水量分別為0mm、30mm、45mm、110mm，而對(duì)應(yīng)的土體脫鹽量隨洗鹽量增加效果顯著，分別為58.61mg·cm-2、79.38mg·cm-2、98.08mg·cm-2、162.11mg·cm-2。因此，玉米季播后結(jié)合出苗水灌溉洗鹽對(duì)土壤脫鹽非常關(guān)鍵，即使在豐水年也非常必要。

表6　情景Ⅱ下不同鹽分濃度咸水灌溉的玉米季土體脫鹽量Table 6 Soil salt leakage under different salt concentrations of irrigation water in summer maize period under scenarios Ⅱmg·cm-2

本文綜合提出微咸水灌溉方案的適宜條件和適宜制度：1）冬前澆灌2g·L-1越冬水，春后在拔節(jié)期澆灌一次2～4g·L-1咸水；2）冬前不灌越冬水，春后分別在拔節(jié)期和灌漿期澆灌2g·L-1咸水。兩種灌溉模式年均結(jié)合出苗水的洗鹽用水量（60～70mm）均小于咸水灌溉用量（120mm），且總耗水量（250～260mm）較小，在節(jié)水角度上提高了微咸水資源的可持續(xù)利用潛力。

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HYDRUS-1D model simulation of soil water and salt movement under various brackish water use schemes in the North China Lowplain*

HE Kangkang1，2，YANG Yanmin1**，YANG Yonghui1
（1.Key laboratory of Agricultural Water Resources，Chinese Academy of Sciences / Hebei Laboratory of Water-saving Agriculture / Center for Agricultural Resources Research，Institute of Genetics and Developmental Biology，Chinese Academy of Sciences，Shijiazhuang 050022，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Freshwater resource in the North China Lowplain is nearly been depleted due to continuous overexploitation of deep groundwater resources.This has led to a series of ecological and environmental problems，including land subsidence and soil salinization.The use of brackish water in agriculture to alleviate water crisis in the region has become the new focus of research.In order to determine the sustainability of various irrigation modes of saline water，this study used the Hydrus-1D model to simulate eight different brackish water irrigation schemes in Nanpi County.The model simulated water and salt fluxes in the 0-2m soil layer in the winter wheat-summer maize crop rotation system for the period of 2008-2013.Thesimulation results of soil salinity profile distribution showed that the 100-200cm subsoil layer was the main salt accumulation zone.The upper 0-100cm soil layer was lower in salt solution concentration with 2g·L-1salt solution in most time，which generally ensured normal growth of crops.Soil profile salinity concentration peaked at late winter wheat grain-filling stage.Peak salinity increased with increasing salt concentration of irrigation water.Leaching soil salt in the study area depended mainly on rainfall intensity，especially in July when precipitation was heaviest.Proper leaching of salt after sowing corn in wet years significantly enhanced soil desalination.Based on comprehensive analysis of the effects of three tested factors（hydrological year type，dynamic distribution of soil profile salinity and soil salt migration/leaching），the paper proposed two suitable brackish water irrigation schemes in the North China Lowplain.1） Pre-winter irrigation of brackish water with less than 2g·L-1salt concentration combined irrigation at jointing stage with 2-4g·L-1brackish water.2） Without pre-winter irrigation，wheat was irrigated at jointing and grain-filling stage with 2g·L-1brackish water.The amount of freshwater used to leach soil salt at summer seedling stage and the total water consumption of the winter wheat-summer maize system under the above two irrigation schemes were 60-70mm and 250-260mm，respectively.This research provided the theoretical basis of water-saving potential through the use of brackish water for sustainable use of the limited water resources in the North China Lowplain.

Blackish water use；Irrigation scheme；Hydrus-1D model；Water and salt movement；Hydrological year；Winter wheat-summer maize crop rotation

S152.7

A

1671-3990（2016）08-1059-12

10.13930/j.cnki.cjea.160199

*中國(guó)科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃（STS計(jì)劃）項(xiàng)目（KFJ-EW-STS-057-3）資助

**通訊作者：楊艷敏，研究方向?yàn)樽魑锬Ｐ团c農(nóng)業(yè)耗水估算。E-mail：ymyang@sjziam.ac.cn

何康康，主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)水文。E-mail：kkhe@ sjziam.ac.cn

2016-03-01接受日期：2016-04-19

*Supported by the Science and Technology Service Network（STS） Program of Chinese Academy of Sciences（KFJ-EW-STS-057-3）

**Corresponding author，E-mail：ymyang@sjziam.ac.cn

Accepted Mar.1，2016；accepted Apr.19，2016