新疆地下滴灌棉田一次性滴灌帶埋深數(shù)值模擬與分析

李顯溦 石建初 王 數(shù) 左 強

(1.中國農業(yè)大學水利與土木工程學院， 北京 100083； 2.中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院， 北京 100193)

新疆地下滴灌棉田一次性滴灌帶埋深數(shù)值模擬與分析

李顯溦1石建初2王 數(shù)2左 強2

(1.中國農業(yè)大學水利與土木工程學院， 北京 100083； 2.中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院， 北京 100193)

由于灌水頻率高、定額小，在新疆地區(qū)大面積應用膜下滴灌進行棉花種植時，常出現(xiàn)根系分布淺、植株易早衰等影響產(chǎn)量的問題，灌水濕潤區(qū)域相對較深的地下滴灌可能是解決上述問題的方法之一。但因顧及機械耕作和多次使用，傳統(tǒng)地下滴灌帶通常埋深較大，致使苗期灌水及管理維護極其不便。隨著工藝水平提高和生產(chǎn)成本降低，地下滴灌生產(chǎn)實際中采用一次性滴灌帶已成為可能，本研究通過數(shù)值模擬方法來探討地下滴灌一次性滴灌帶的合理埋深問題。為了驗證所建立的數(shù)值模型和選用的土壤物理參數(shù)，首先在新疆瑪納斯地區(qū)開展了地下滴灌田間試驗，繼而采用HYDRUS-2D/3D軟件對該試驗條件下的土壤水鹽動態(tài)進行了模擬。結果表明，模擬值與實測值之間整體吻合較好，其中土壤含水量分布的平均絕對誤差Me和均方根差Rm分別不高于0.034、0.040 cm3/cm3，相關系數(shù)R最小值為0.8，Nash效率系數(shù)Ns在0.34～0.62之間；含鹽量Me、Rm也分別不超過3.31、4.24 g/kg，R最小值為0.6，Ns在-0.06～0.38之間，相關模型和參數(shù)較為合理可靠。在此基礎上，對該地區(qū)不同滴灌帶埋深(分別設為5、15、30 cm)情景下灌水過程中的水鹽運動規(guī)律進行了進一步模擬與分析，結果表明：不同埋深導致土壤淡化和積鹽區(qū)域分布不同，淡化區(qū)域主要集中在滴灌帶附近，在遠離滴灌帶的濕潤鋒邊緣出現(xiàn)積鹽；隨著滴灌帶埋深加大，土面蒸發(fā)損失逐漸降低，但對表層土壤供水能力也相應減弱；綜合考慮回收利用、棉花苗期水分供應、根區(qū)淡化脫鹽需求及單方水的淡化脫鹽效率等因素，當?shù)氐叵碌喂嗝尢镆淮涡缘喂鄮Р灰寺裨O過深，建議布置在15 cm左右。

地下滴灌； 一次性滴灌帶； 合理埋深； 數(shù)值模擬； HYDRUS-2D/3D； 水鹽運動

引言

膜下滴灌技術具有增溫、保墑和淡化根區(qū)等特點，節(jié)水效率高且對鹽堿地適應能力較強[1]，在降水稀少、蒸發(fā)強烈、土壤鹽漬化危害嚴重的新疆地區(qū)得以快速發(fā)展[2]。隨著膜下滴灌技術推廣面積的不斷增加，一些在生產(chǎn)實際中普遍存在且亟待解決的問題逐漸暴露出來，如：春季低溫、降雨阻礙出苗、地膜殘留污染嚴重以及高頻率、低定額的地面滴灌造成棉花根系淺、抗性弱、易早衰等[3]。

地下滴灌是一種包括毛管在內的各級輸水管道均處于地下的灌溉技術[4]，相對于地面灌溉來講，可直接輸送水分及養(yǎng)分至植物根區(qū)[5]，除具有較高的節(jié)水效率外，還可促進根系下扎，增強棉花抗性[6-7]，因而可能是解決上述膜下滴灌所導致問題的有效方式之一。我國新疆地區(qū)從20世紀末開始推廣應用地下滴灌技術，相關研究主要集中在比較地表滴灌與地下滴灌對作物生長、土壤水鹽分布的影響[8-10]：地下供水可促進棉花根系向深處生長，形成較為發(fā)達的根系，作物生長性狀較好[11-12]；與常規(guī)地面溝灌和膜下滴灌相比，地下滴灌可分別節(jié)水36.1%和4.2%，鈴數(shù)增多27.4%和9.2%，單株鈴數(shù)增多36.8%和4.4%，單鈴質量增加9.2%和2.2%[13]。

為降低成本和避免農機損壞，目前新疆棉田地下滴灌帶埋深多在35 cm左右[9]。盡管地下滴灌已呈現(xiàn)較高的節(jié)水效率和增產(chǎn)潛力，但大面積推廣應用仍存在一定的困難，主要原因在于：地埋滴灌管容易被機械和植物根系破壞，檢修繁瑣；由于埋深較大，苗期灌水存在困難[14-15]；為降低成本，地埋滴灌帶常多年使用，滴頭可能會因為雜質淤積導致流量減小、均勻度降低，需要定期沖洗維護[16]等。事實上，隨著材料工藝水平的提高和生產(chǎn)規(guī)模的擴大，逐漸降低的生產(chǎn)制造成本使滴灌帶的一次性使用已完全成為可能，采用一次性滴灌帶代替多年使用的滴灌管，或許能應對上述問題。顯然，為便于回收利用，一次性滴灌帶的埋深不宜過大；為提高水分利用效率，其埋深也不宜過小。如何合理規(guī)劃一次性滴灌帶的埋深和布置模式仍有待進一步研究。

由于土壤類型及作物種類不同，實踐中滴灌帶埋深從2 cm到70 cm，鋪設間距從25 cm到500 cm均有涉及[17]。做好地下滴灌系統(tǒng)規(guī)劃設計的前提和關鍵是充分了解滴水過程中水分和鹽分的動態(tài)變化過程，濕潤區(qū)域大小和含水量分布、土壤淡化區(qū)域大小和分布都是設計滴灌帶埋深和間距等所需參考的重要指標[6, 17]。用于了解滴灌過程中土壤水鹽運動和分布情況的方法眾多，數(shù)值模擬是其中最為準確和可靠的手段之一[18-19]，相對于耗時費力的田間試驗，數(shù)值模擬可以根據(jù)需要任意調整埋深等設置參數(shù)進行研究，從而選擇最優(yōu)方案，因而具有更高的效率，此外，數(shù)值模擬結果也可為田間試驗的進一步檢驗驗證提供合理可靠的依據(jù)。由美國國家鹽漬土實驗室研發(fā)的HYDRUS軟件是一款被廣泛用于模擬飽和-非飽和帶土壤水分、溶質運動的數(shù)值模擬軟件，其模擬準確性較高[20]，并已獲得大量驗證和諸多成功應用[21]。國內地下滴灌數(shù)值模擬大多是在室內均質土壤中采用點源試驗基礎上進行的，主要針對土壤質地、滴頭流量和埋深等因素對土壤水分運動的影響[22-24]，對土壤鹽分運動的研究相對較少。

本文擬建立地下滴灌條件下的土壤水鹽動態(tài)模擬數(shù)值模型，采用HYDRUS-2D/3D軟件和田間試驗結果，對數(shù)值模型和土壤物理參數(shù)進行校驗，在此基礎上，分析滴灌帶埋深對剖面土壤水、鹽分布以及蒸發(fā)損失的影響等，為地下滴灌在新疆棉田中的實際應用提供理論依據(jù)。

1 田間試驗

地下滴灌田間試驗于2012年6—8月在新疆昌吉州瑪納斯縣包家店鎮(zhèn)一塊鹽堿荒地(44°18′N、86°22′E，海拔438 m)上進行，主要目的在于檢驗土壤水鹽運移參數(shù)和所建立的數(shù)值模型。試驗地處于古爾班通古特沙漠南緣，降水少、蒸發(fā)大，地下水埋藏較深(4 m以下)。試驗小區(qū)0～100 cm土壤共分兩層：0～40 cm為粉壤土，40～100 cm為粉土，質地逐漸加重，導水性能逐漸降低，相關土壤物理參數(shù)如表1所示，具體測定方法詳見文獻[25]。土壤中可溶鹽以硫酸鹽為主，含鹽量極高，達到鹽土水平(大于20 g/kg)。

表1 土壤物理參數(shù)Tab.1 Soil texture and hydraulic parameters

注:β、n均為van Genuchten水分特征曲線擬合參數(shù)，利用Rosetta Lite 神經(jīng)網(wǎng)絡預測模塊推算得出[26]。

選用當?shù)啬は碌喂嗝尢锍Ｓ玫囊淮涡悦詫m式滴灌帶為供試材料，滴頭間距30 cm，壁厚0.2 mm，充滿水時管徑1.6 cm，每年回收重新加工次年再用，不需要檢修和沖洗等管理維護，價格較為便宜(約0.20元/m)。將3根長500 cm的滴灌帶埋入地下20 cm處，水平間距為50 cm。取當?shù)厍?電導率為0.19 mS/cm)作為灌溉水源，供水水頭100 cm，試驗時長36 h。試驗前、后(共2次)分別在兩條滴灌帶之間，水平方向上距滴灌帶所在位置(圖1中A點)10、20 cm處(圖1中P、Q點)的剖面上分層(每10 cm一層)采集土樣，然后采用烘干法和電導率法分別測定相應土層的含水量和含鹽量，其中土壤含鹽量通過1∶5土水比溶解濾液電導率的測定換算獲得[27]。

2 數(shù)值模型

圖1 模型驗證模擬區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic diagram of simulation area and generated finite-element meshes

采用HYDRUS-2D/3D 軟件[26]求解上述地下滴灌試驗過程中的土壤水、鹽運動問題，其中水分、鹽分運動分別采用Richards方程和對流-彌散方程(CDE)予以描述。模擬初始條件設定為試驗前實測獲得的土壤剖面平均含水量分布θ0(x,z)(圖2)和平均含鹽量分布S0(x,z)(圖3)。

嚴格來說，滴灌過程中水鹽運動屬于三維問題，但是由于滴頭間距較小(30 cm)，從滴頭流出的水分較易沿著滴灌帶外壁運動，滴頭與滴頭之間的濕潤鋒會在較短時間內相遇[28]，所以當灌水一定時間后可將滴灌帶看作線源，滴灌帶兩側的土壤水分、鹽分運動可視為以滴灌帶為對稱軸的垂直剖面二維運動[1,20]。模型驗證時，根據(jù)對稱原則，取單根滴灌帶控制區(qū)域的一半作為研究區(qū)域(圖1ABCDEFGA區(qū)域)。模擬寬度Lx=25 cm，深度Lz=100 cm，弧線BCD代表滴灌管，半徑0.8 cm，埋深H=20 cm。采用三角形單元對模擬區(qū)域進行剖分，節(jié)點之間最小距離為0.1 cm，最大為2.6 cm，滴灌管周圍水鹽動態(tài)變化較大，因而設置節(jié)點較為密集，遠離滴灌管區(qū)域節(jié)點間距相對較大，經(jīng)剖分后，共形成1 216個節(jié)點、2 301個單元。

上邊界(圖1中AG段)為蒸發(fā)邊界，09:00—21:00潛在蒸發(fā)強度按當?shù)厮嬲舭l(fā)強度取為0.027 cm/h，21:00—次日09:00取為0[25]。滴灌帶外周(圖1圓弧BCD段)為定通量邊界，由于灌溉水含鹽量相對于土體含鹽量來說非常小，因此忽略其帶入鹽分的影響；根據(jù)地下滴灌持續(xù)時間、灌水量和滴灌帶滴頭數(shù)量等計算，通過滴灌帶外周邊界的通量設定為1.29 cm/h。由于地下水埋深較大，忽略其對模擬區(qū)域水鹽運動的影響，將下邊界(圖1中EF段)設為自由排水邊界。根據(jù)對稱原理，左、右邊界(包括圖1中AB、DE和FG段)均為隔水邊界(零通量邊界)。模擬時長與試驗持續(xù)時間相同，為36 h。

為了驗證所建模型和所取得的土壤物理參數(shù)，采用平均絕對誤差Me、均方根誤差Rm[29]、相關系數(shù)R和Nash效率系數(shù)Ns[30]對模擬結果進行評估，其中前幾項為常用評估參數(shù)，而Ns使用相對較少，其計算公式為

效率系數(shù)Ns在負無窮至1之間，越接近于1表示模擬效果越好，接近于0則表示模擬結果接近觀測值的平均值，總體結果相對較為一致。

3 情景設置

鹽堿棉田中使用地下滴灌時，滴頭間距與流量、毛管間距和埋深等眾多參數(shù)均對土壤水鹽分布產(chǎn)生較大影響，并最終影響根系生長、生物量累積和棉花產(chǎn)量。合理灌溉模式和參數(shù)的選擇需基于不同布置方式下地下滴灌過程中水、鹽運動規(guī)律的分析結果，因此，有必要設置不同布置情景，并對不同條件下滴灌帶濕潤范圍、脫鹽效果和水分利用效率等進行分析討論，從而篩選出科學合理的布置方案。鑒于本研究的主要目的在于探索一次性滴灌帶在新疆地下滴灌棉田中的合理埋深，因此數(shù)值模擬情景將主要針對不同埋深設置，其他各主要參數(shù)(如滴頭間距與流量、毛管間距等)則參照實際應用和以往的研究成果取為固定值，具體如下：為了滿足棉花在苗期的用水需求且實現(xiàn)滴灌帶回收利用，減小施工難度和成本，滴灌帶埋設深度(H)不宜過大。因此，本研究共設置3個處理：5、15、30 cm。

主要受土壤水分分布的影響，地下滴灌條件下棉花根系分布通常較膜下滴灌深。如滴灌帶埋深為35 cm時，根系主要分布在15～50 cm，并在15 cm(苗期形成)和30 cm(鈴期形成)有2個明顯的根系集中層[11]。因此，綜合考慮植株生長不同時期根系吸水需求，模擬過程中，將0～40 cm土層設定為計劃濕潤層，當計劃濕潤層土壤平均含水量達到田間持水量(0.36 cm3/cm3)時即停止供水，繼而分析比較不同處理剖面土壤含水量和含鹽量的分布情況。初始條件仍按田間試驗實測獲得的初始含水量、含鹽量分布(圖2、圖3)給定。

其他參數(shù)包括：毛管鋪設間距主要取決于當?shù)氐臍夂驐l件、土壤質地、作物種植模式等，較小的毛管間距有助于灌溉水分的均勻分布，但間距太小會使投資增加[31]。參照新疆近年來主要推薦的超寬膜膜下滴灌棉花種植方式常設的滴灌帶間距[32]，本研究將毛管間距固定設為70 cm，根據(jù)對稱原理，取單條滴灌帶控制區(qū)域的一半(35 cm×100 cm)作為研究區(qū)域(即圖1中的AG長度為35 cm，AE長度為100 cm)，邊界條件設置與上述第2節(jié)數(shù)值模型相同。另外，模擬過程中，根據(jù)當?shù)匾淮涡缘喂鄮嶋H應用情況[2]，將滴頭間距和流量分別設定為30 cm和1.0 L/h。為了便于計算，按100 cm長度滴灌帶來分析模擬結果。鑒于地下滴灌通?？梢员苊怃佋O薄膜，且灌溉過程也相對較為短暫，故模擬過程中暫不考慮作物根系吸水、覆膜及裸行等因素的影響，地表均統(tǒng)一設定為蒸發(fā)邊界。

根據(jù)生產(chǎn)實際和相關研究結果，共設置了以上3個處理情景，相對于傳統(tǒng)地下滴灌中滴灌帶布置深度(35 cm)，情景處理中5、15、30 cm的滴灌帶埋深相對較淺，田間布置施工要求降低，且滴灌帶布置間距具有配套的生產(chǎn)機械，進行田間試驗驗證時具有較強的可操作性。

4 結果與分析

4.1 試驗結果及模型、參數(shù)驗證

地下滴灌田間試驗中，滴灌帶埋深H=20 cm，供水持續(xù)36 h，耗水量為0.35 m3。試驗前后，水平方向上距滴灌帶10 cm(圖1中P點)和20 cm(圖1中Q點)處剖面土壤含水量、含鹽量的實測分布情況分別如圖2、圖3所示。

圖2 初始含水量分布及灌水結束時水平方向距滴灌帶不同位置處含水量分布實測值與模擬值的對比Fig.2 Comparisons of measured and simulated soil water content distributions at different sampling sites

圖3 初始含鹽量分布及灌水結束時水平方向距滴灌帶不同位置處含鹽量分布實測值與模擬值的對比Fig.3 Comparisons of measured and simulated soil salinity distributions at different sampling sites

供水開始后，水分經(jīng)滴灌帶和滴頭被源源不斷地送進土壤，致使滴頭周圍土壤含水量逐漸增加，濕潤范圍不斷擴大，距滴灌帶越近，含水量越高，滴頭處附近含水量增幅最大。受灌溉水分淋洗和蒸發(fā)作用等影響，距離滴灌帶較近的區(qū)域脫鹽(如圖3a中5～40 cm深度范圍內土壤含鹽量明顯降低，其中15～35 cm脫鹽程度最大)，而濕潤鋒邊緣和地表局部區(qū)域處于積鹽狀態(tài)(如圖3a中0～5 cm，及圖3b中15～45 cm深度處均積鹽)。

應用上述模型、參數(shù)和軟件對地下滴灌試驗中的水鹽動態(tài)進行了模擬，結果表明：除個別點外，剖面土壤含水量分布模擬值和實測值總體吻合較好(圖2)，平均絕對誤差Me和均方根差Rm分別不大于0.034、0.040 cm3/cm3(表2)，相關系數(shù)R最小值為0.8，Nash效率系數(shù)Ns在0.34～0.62之間，在可接受范圍之內；含鹽量分布結果也基本反映實測鹽分變化動態(tài)(圖3)，相應Me和Rm分別不大于3.31、4.24 g/kg(表2)，R最小值為0.6，Ns在-0.06～0.38之間，兩層土壤分層界面附近模擬值與實測值之間的較大誤差導致鹽分分布模擬效果稍差，但其他深度處的總體趨勢仍然基本一致。由于剖面土壤含鹽量整體較高(基本在20 g/kg以上)，這樣的數(shù)值模擬誤差也應在可接受范圍之內?？傮w而言，所建立的模型和選用的土壤物理參數(shù)是合理可靠的，可有效用于模擬當?shù)氐叵碌喂噙^程中的水、鹽運動規(guī)律。當然，如何提高不同質地土壤分界面處水鹽動態(tài)的模擬精度仍有待進一步研究。

4.2 情景模擬

應用以上經(jīng)校驗的模型和參數(shù)，按照前述第3節(jié)所設置的情景(包含5、15、30 cm共3種埋深)進一步進行數(shù)值模擬，以探討一次性滴灌帶的合理埋深問題。

表2 數(shù)值模型和土壤物理參數(shù)驗證情況Tab.2 Validation results of numerical model and soil physical parameters

4.2.1不同埋深對灌水量及水分損失的影響

模擬開始后，水分從滴灌帶進入周邊土壤，經(jīng)過一定時間后(表3)，3個處理計劃濕潤層(0～40 cm)土壤平均含水量均從0.17 cm3/cm3上升到0.36 cm3/cm3(田間持水量)，相應的灌水量、蒸發(fā)及深層滲漏損失量如表3所示。

表3 不同滴灌帶埋深條件下的供水時長、灌水量、蒸發(fā)及滲漏損失量Tab.3 Duration of drip irrigation and corresponding amount of irrigation, evaporation and deep drainage under different treatments

注：蒸發(fā)、滲漏、綜合損失率分別指蒸發(fā)量、滲漏量、水分綜合損失量在灌水量中所占的比例。

滴灌帶埋深不同，使得計劃濕潤層達到田間持水量所需灌水時長和灌水量差異較大。15 cm滴灌帶靠近計劃濕潤層中部位置，因此使計劃濕潤層達到田間持水量所需供水時長最短、灌水量最少，與5 cm和30 cm相比，15 cm供水時長分別減少9 h和3 h，灌水量分別減少43%和20%。

3個處理的蒸發(fā)損失量分別為2.3、1.8、0.9 mm(表3)，顯然，加大H有助于減少土面蒸發(fā)損失。但H的加大將直接導致深層滲漏量的增加，故30 cm處理深層滲漏量最大，損失率達18.6%，相比之下，5 cm和15 cm滲漏損失率僅有4.9%和5.1%，事實上，由于供水時間長、灌水量大，盡管5 cm處理的滲漏損失率較15 cm處理略低，但其深層滲漏損失量卻大大高于15 cm?？傮w而言，與15 cm相比，5 cm和30 cm處理損失水量較多，蒸發(fā)和滲漏量之和分別增加53%和202%。

4.2.2不同埋深對土壤水鹽分布和淡化脫鹽效果的影響

不同H處理灌水結束時剖面土壤含水量分布情況如圖4所示，從圖中可以看出，滴灌帶附近含水量最高，距離滴灌帶越遠含水量越低。隨埋深加大，運動到土壤表層的水分相對減少，水分向下運動深度也逐漸加大。5 cm處理和15 cm處理向上運動的水分均達到土壤表面，但5 cm處理在土壤表面濕潤寬度較15 cm處理大；30 cm處理有相當一部分水分運動到計劃濕潤層以下，造成較大滲漏損失。另外，隨著H加大，水平方向上最大濕潤寬度所在位置逐漸下移，其中30 cm處理表現(xiàn)最為明顯，受土壤分層結構影響，下層土壤導水性能較上層土壤差，濕潤鋒到達土壤分層界面后，向下運動速度減緩，水平方向上運動得以加強。

相應地，灌水結束時滴灌帶不同埋深處理土壤剖面含鹽量分布情況如圖5所示。滴灌帶附近的土壤脫鹽淡化，而濕潤鋒處積鹽，滴灌帶埋深不同導致土壤淡化和積鹽區(qū)域分布不同。隨埋深加大，土壤淡化區(qū)域逐漸下移，5 cm處理主要在滴灌帶附近的土壤表面形成脫鹽區(qū)域；15 cm和30 cm處理土壤表面基本處于淡化區(qū)之外，因而含鹽量有不同程度的增加。相對來看，15 cm處理淡化區(qū)域集中分布在計劃濕潤層，有利于根系生長。

圖4 不同滴灌帶埋深(H)灌水結束時土壤剖面含水量分布情況Fig.4 Simulated distributions of soil water contentat end of simulation for different treatments

圖5 不同滴灌帶埋深(H)處理灌水結束時土壤剖面含鹽量分布情況Fig.5 Simulated distributions of soil salinity at end of simulation for different treatments

從濕潤層整體含鹽水平和淡化脫鹽效果看，灌水前各處理土壤鹽分分布一致，計劃濕潤層平均含鹽量為25.4 g/kg，灌水結束時各處理分別為24.1、25.4、22.9 g/kg。整體來看，15 cm處理的供水基本以濕潤土壤、增加計劃濕潤層土壤含水量為主，而5 cm和30 cm處理由于供水時間較長、供水量較多，其深層滲漏量較大，從而對計劃濕潤層土壤產(chǎn)生了一定的淋洗作用，其中30 cm處理的淋洗最強，因此15 cm處理整體含鹽量基本保持不變，5 cm處理出現(xiàn)小幅下降、30 cm處理則下降明顯。與初始含鹽量相比，各處理計劃濕潤層內土壤剖面淡化脫鹽面積占比分別為34.7%、27.8%、33.3%，就單位長度(100 cm)滴灌帶而言，其單方水的淡化脫鹽效率(即淡化脫鹽區(qū)域體積占灌水量的比例)分別為1.39、1.95、1.87 m3/m3。由此可見，由于灌水量相對較小，且水鹽運動主要集中在計劃濕潤層，盡管15 cm處理淡化脫鹽面積較小，但其單方水的脫鹽效率卻最高；而較大的蒸發(fā)損失以及灌溉水分運動深度較淺，使得5 cm處理單方水的淡化脫鹽效率最低。

5 討論

應用一次性滴灌帶的地下滴灌技術具有十分明顯的優(yōu)勢：①地下滴灌可有效解決膜下滴灌所導致的棉花根系淺、抗性弱、易早衰等問題，而一次性滴灌帶的采用則可充分保證苗期水分供應，并避免繁瑣的設備維護和檢修；合理的滴灌帶埋深可減小地表濕潤面積和蒸發(fā)損失，并進而抑制雜草生長[31]。②可避免塑料薄膜的大規(guī)模應用，從而減少對田間土壤和周邊環(huán)境的白色污染[3]。③地下滴灌條件下相對干燥的地面還有利于降低病蟲害發(fā)生概率[33]，且便于機械行進、提高田間管理效率。④目前新疆地下滴灌棉田中的滴灌帶埋深較大、多年使用，埋設位置往往無法與植株種植模式完全匹配，滴灌帶上方可能是植株行，也可能是膜間空白區(qū)域，從而使灌溉效率無法得到可靠保障；而淺埋一次性滴灌帶可在播種時將滴灌帶準確地布設在植株行中間，既能保證“一管兩行”的布置模式，獲得較好的灌溉均勻性，還能有效避免根系入侵對滴灌帶的影響。

較高的土壤含鹽量會對根系水分/養(yǎng)分吸收產(chǎn)生不利影響，無論是地面還是地下滴灌都僅能在滴灌帶附近形成一定程度的淡化區(qū)域，保持短期內尚不至于對作物生長產(chǎn)生較大影響，但鹽分并沒有被排除農田之外，從可持續(xù)發(fā)展角度看，長期滴灌條件下如何保證根區(qū)處于脫鹽狀態(tài)仍有待進一步深入研究。

6 結論

(1)地下滴灌田間試驗結果表明，本文所建立的數(shù)值模型和取得的土壤物理參數(shù)可較好地用于模擬地下滴灌條件下的土壤水鹽動態(tài)，控制土壤含水量分布模擬值和實測值間的平均絕對誤差Me≤0.034 cm3/cm3、均方根差Rm≤0.040 cm3/cm3、相關系數(shù)R≥0.8、Nash效率系數(shù)Ns在0.34～0.62之間；含鹽量Me≤3.31 g/kg、Rm≤4.24 g/kg、R≥0.6、Ns在-0.06～0.38之間，除土壤分層界面上下模擬效果稍差外，其他位置整體趨勢基本一致。

(2)利用上述經(jīng)過驗證的數(shù)值模型和土壤物理參數(shù)，根據(jù)當?shù)啬は碌喂嗝尢锍Ｒ?guī)種植模式，以灌水至根系層平均含水量達田間持水量為標準，進一步對3種不同滴灌帶埋深(5、15、30 cm)條件下灌水過程中的水鹽運動規(guī)律進行了數(shù)值模擬與分析，模擬結果表明：隨滴灌帶埋深加大，地表蒸發(fā)損失減小，但深層滲漏損失相對增加；淡化區(qū)域主要集中在滴灌帶附近，在遠離滴灌帶的濕潤鋒邊緣出現(xiàn)積鹽；不同埋深導致土壤淡化和積鹽區(qū)域分布不同，15 cm處理淡化區(qū)域集中分布在計劃濕潤層，有利于根系生長，盡管其淡化脫鹽區(qū)域面積相對較小，但由于耗水量較低，其單方水脫鹽效率最高，達1.95 m3/m3。總體而言，考慮到回收方便、苗期用水及根區(qū)脫鹽等需求，當?shù)氐叵碌喂嗝尢镆淮涡缘喂鄮裆钜?5 cm左右為宜。

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NumericalSimulationandAnalysisonDepthofDisposableTapeinCottonFieldunderSubsurfaceDripIrrigationinXinjiang,China

LI Xianwei1SHI Jianchu2WANG Shu2ZUO Qiang2

(1.CollegeofWaterResourcesandCivilEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China2.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China)

The technology of film mulched drip irrigation (FMDI) is applied widely to cotton cultivation in Xinjiang, China. Resulted from its characteristics of high ratio and small amount of irrigation, a problem of shallow roots and weak adversity resistance is often found in practice and thus would limit further development of FMDI. Since the irrigation water is supplied deeper in the root zone, the subsurface drip irrigation (SDI) is easily to be considered as an alternative to solve the problem. To avoid probable damage from mechanical farming and prolong the application duration, the irrigation tape in a traditional SDI system is usually buried in deeper root zone (e.g. beneath 35 cm from the soil surface), which might be extremely inconvenient for seedling irrigation and management maintenance of the irrigation system. In fact, with the technological progress and cost reduction for manufacturing the irrigation tape, the practical use of disposable drip irrigation tape is becoming more and more popular. The objective was to explore the reasonable depth of disposable drip irrigation tape in SDI by using numerical simulation method. The HYDRUS-2D/3D software was used to simulate the dynamics of soil water and salt, and a field experiment was conducted in Manasi County of Xinjiang autonomous region to validate the numerical model and selected hydraulic parameters. Simulated and observed soil water content distributions were in good agreement with the maximum mean absolute error (Me) and root mean square error (Rm) of 0.034 cm3/cm3and 0.040 cm3/cm3, the minimum correlation coefficient (R) of 0.8 and Nash-Sutcliffe efficiency coefficient (Ns) of 0.34～0.62, respectively, between them. Correspondingly for soil salinity distributions, the values of maximumMeandRmwere 3.31 g/kg and 4.24 g/kg, the minimumRwas 0.6 andNswere -0.06～0.38, respectively, which was also in acceptable range. Then the transport processes of soil water and salt under SDI with different burying depthsH(5 cm, 15 cm and 30 cm, respectively) for irrigation tape were simulated by using the validated numerical model and hydraulic parameters. The results showed that salt was gradually driven away from the tape by irrigation water, with soil salinity decreased around the tape but increased near the wetting front. While the increase ofHresulted in decrease of evaporation loss, the shallow soil layers near surface would be more and more difficult to be wetted by irrigation water. Synthesizing the factors such as recycling convenience of disposable tape, water requirement for cotton seedling, desalination demand of root zone and water use efficiency for desalination, local disposable tape of SDI was recommended to set at about 15 cm, a moderate depth from the soil surface.

subsurface drip irrigation; disposable drip irrigation tape; reasonable depth; numerical simulation; HYDRUS-2D/3D; water and salt dynamics

S275.4

A

1000-1298(2017)09-0191-08

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.024

2017-05-05

2017-07-14

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0501401、2016YFD02003003)

李顯溦(1986—)，男，博士生，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術研究，E-mail: lxwei5945@163.com

左強(1965—)，男，教授，博士生導師，主要從事土壤物理與節(jié)水農業(yè)機理研究，E-mail: qiangzuo@cau.edu.cn