干旱區(qū)膜下滴灌棉田SPAC系統(tǒng)水分通量模擬

李 惠，梁 杏，2，劉延鋒

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院濕地演化與生態(tài)恢復(fù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

新疆地處西北內(nèi)陸盆地干旱地區(qū)，水資源短缺問(wèn)題是制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)年用水量占自治區(qū)總用水量的97.3%[1]，其中99% 用于農(nóng)田灌溉[2]。農(nóng)業(yè)用水比例在逐年增加，但由于傳統(tǒng)灌溉方式的不合理性，造成新疆農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)僅為0.48，低于全國(guó)灌溉水利用系數(shù) 0.51，提升空間較大[3]。在農(nóng)田土壤-植被-大氣連續(xù)體(簡(jiǎn)稱SPAC系統(tǒng))中，作物生長(zhǎng)所需的水分主要來(lái)源于大氣降水和灌溉水，水分消耗量包括土壤蒸發(fā)、作物蒸騰以及深層滲漏等，其中只有作物蒸騰量為田間水分的有效利用量。提高農(nóng)田灌溉水有效利用率即要增加作物有效蒸騰量，減少土壤蒸發(fā)量及深層滲漏量[4]。因此，研究現(xiàn)行膜下滴灌方式下棉田SPAC 系統(tǒng)的水分通量，計(jì)算農(nóng)田灌溉水的利用效率，可為實(shí)施具體的農(nóng)業(yè)節(jié)水策略提供理論基礎(chǔ)。

膜下滴灌是近年來(lái)新疆棉花種植區(qū)廣泛實(shí)施的節(jié)水灌溉模式，覆膜改變了田間的上邊界條件，滴灌加劇了土壤水分的水平運(yùn)動(dòng)，致使田間土壤水鹽運(yùn)移模式復(fù)雜[5～6]。為了定量研究膜下滴灌棉田中土壤水分運(yùn)移過(guò)程及各邊界水分通量，通常在田間試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)構(gòu)建土壤水分運(yùn)移模型進(jìn)行模擬[7～12]。目前很多學(xué)者對(duì)膜下滴灌棉花根系生長(zhǎng)及產(chǎn)量、水鹽運(yùn)移規(guī)律及數(shù)值模擬、滴灌水資源利用效率以及優(yōu)化膜下滴灌制度等方面進(jìn)行了針對(duì)性的研究并取得一系列成果[13～17]。不同的膜下滴灌種植方式產(chǎn)生的土壤水流系統(tǒng)模式不同，但是，目前針對(duì)一膜雙管六行種植方式下棉田的土壤水流系統(tǒng)模式及SPAC系統(tǒng)水分通量的研究較少。

本文在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)炮臺(tái)土壤改良試驗(yàn)站棉花種植區(qū)田間試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用HYDRUS-2D軟件構(gòu)建二維膜下滴灌棉田土壤水分運(yùn)移模型，模擬棉田土壤水分運(yùn)移過(guò)程，定量評(píng)價(jià)一膜雙管六行種植方式下棉田SPAC系統(tǒng)的水分通量，確定農(nóng)田灌溉水的有效利用率，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

棉花試驗(yàn)田設(shè)在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師炮臺(tái)鎮(zhèn)土壤改良試驗(yàn)站內(nèi)。試驗(yàn)站地處瑪納斯河中下游(圖1)，具有典型的內(nèi)陸性荒漠氣候，日照時(shí)間長(zhǎng)，年均日照時(shí)長(zhǎng)2 772 h，年均風(fēng)速1.5 m/s。降水主要集中在6—9月，年降水量164.3 mm，蒸發(fā)量2 036.2 mm，年平均氣溫8.2 ℃[18]。試驗(yàn)站實(shí)測(cè)地下水位埋深隨季節(jié)波動(dòng)較小，地下水位埋深為3.48～3.74 m，地下水溶解性總固體為5.11 g/L，水化學(xué)類型為SO4·Cl—Na型。土壤質(zhì)地層次較明顯，依據(jù)實(shí)測(cè)土壤顆粒組成，采用美國(guó)制分類標(biāo)準(zhǔn)，分為壤質(zhì)砂土、粉砂質(zhì)黏土和粉砂質(zhì)黏壤土3種。研究區(qū)土地利用類型主要為耕地。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Location of the study area

2 材料來(lái)源與方法

2.1 試驗(yàn)布置和監(jiān)測(cè)

試驗(yàn)區(qū)棉花的種植布管模式采用一膜雙管六行的方式(圖2)，即一膜內(nèi)鋪設(shè)2根滴管，灌溉6行棉花。棉花窄行和寬行的行距分別為20 cm和40 cm，在寬行中間鋪設(shè)滴灌帶。滴灌帶間距60 cm，各滴頭間距30 cm。膜寬160 cm，膜間(未覆膜區(qū))寬40 cm。本次試驗(yàn)?zāi)M從2016年7月1日—8月29日共計(jì)60 d。棉花生育期內(nèi)利用當(dāng)?shù)氐叵滤M(jìn)行膜下滴灌，共灌溉5次，間隔10～13 d。

為監(jiān)測(cè)棉花田間水分運(yùn)移過(guò)程，在棉花試驗(yàn)田膜內(nèi)、滴管下、膜間分別布設(shè)了3組時(shí)域反射儀(Trime-IPH，測(cè)量精度±2%)監(jiān)測(cè)土壤含水量的變化，監(jiān)測(cè)深度為0～180 cm，間隔10 cm，每4 d測(cè)定一次。同時(shí)選取棉花典型生育日期和灌水后連續(xù)7 d，用手動(dòng)采樣鉆取0～220 cm深度土壤樣品，使用便攜式土壤水分儀(MP406，測(cè)量精度±2%)補(bǔ)充測(cè)試每層土壤體積含水率，深度為5 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、70 cm、90 cm、110 cm、130 cm、150 cm、180 cm、210 cm。利用自動(dòng)氣象站觀測(cè)試驗(yàn)區(qū)水文氣象數(shù)據(jù)，如降水量、溫度、濕度、風(fēng)速等。試驗(yàn)站設(shè)有地下水水位監(jiān)測(cè)井，利用Sonlist多參數(shù)儀逐日自動(dòng)監(jiān)測(cè)地下水位、溫度和電導(dǎo)率。

圖2 棉花及滴灌帶布置圖Fig.2 Layout of the cotton and pipes for drip irrigation

2.2 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值模擬模型

采用膜下滴灌時(shí)，水分自滴頭處向四周運(yùn)動(dòng)，土壤水流為三維運(yùn)動(dòng)。本次研究中滴頭間距為30 cm，滴頭流量約為2 L/h，滴灌帶間距60 cm，長(zhǎng)度可達(dá)幾十米，單次灌水時(shí)間均大于6 h。已有研究表明，膜下滴灌條件下，垂直滴灌帶方向土壤水流呈點(diǎn)源入滲，沿著滴灌帶方向近似呈線源入滲[19～20]。因此，可將膜下滴灌土壤水分運(yùn)動(dòng)視為與滴灌帶延伸方向垂直的剖面二維流動(dòng)。本次模擬選擇垂直于滴灌帶方向的二維剖面，模擬區(qū)域?qū)挾葹橐荒?00 cm，深度為220 cm。

2.2.1控制性方程

(1) 土壤水運(yùn)動(dòng)方程

考慮根系吸水項(xiàng)的Richards二維非飽和水流控制方程[21]：

(1)

式中：θ——土壤體積含水率；

h——土壤負(fù)壓；

x,z——空間坐標(biāo)，左下角為其原點(diǎn)；

t——時(shí)間；

S——根系吸水項(xiàng)；

K(θ)——非飽和水力傳導(dǎo)度。

K(θ)=KsSe0.5[1-(1-Se1/m)m]2

(2)

(3)

式中：θ——土壤含水率；

Ks——飽和土壤導(dǎo)水率；

Se——土壤相對(duì)飽和度；

θs——土壤飽和含水率；

θr——土壤殘余含水率；

m，n——土壤水分特征曲線模型系數(shù)。

(2)根系吸水模型

采用Feddes模型求解根系吸水項(xiàng)：

S(h)=α(h)β(x,z)Tp

(4)

式中：α(h)——水分脅迫函數(shù)；

β(x,z)——標(biāo)準(zhǔn)化根系吸水分布函數(shù)；

Tp——潛在蒸騰速率。

2.2.2初始條件和邊界條件

取7月1日實(shí)測(cè)土壤剖面含水率為模擬區(qū)域初始含水率。該典型剖面二維模型下邊界取自由排水邊界，不考慮地下水對(duì)模擬區(qū)的影響。生育期膜間為大氣邊界，接受降水入滲和土壤蒸發(fā)；滴頭處(2 cm直徑半圓)為變流量邊界，由實(shí)際灌水量表示；滴頭以外的覆膜區(qū)域?yàn)榱懔髁窟吔?。由于模型的平面?duì)稱性，側(cè)向邊界設(shè)為無(wú)流量邊界(圖3)。

圖3 模擬區(qū)域邊界條件及含水量監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.3 Layout sketch of the simulation region boundary conditions and water content observation points

2.2.3數(shù)值模型與參數(shù)識(shí)別

采用滴灌試驗(yàn)田間監(jiān)測(cè)資料識(shí)別模型參數(shù)。試驗(yàn)時(shí)間為2016年7月1日—10日。利用土壤水分儀實(shí)測(cè)土壤剖面含水率。模擬初始值根據(jù)灌水前(7月1日)土壤剖面含水率插值獲得。邊界條件按天為單位輸入。

(1)土壤水力參數(shù)

采用van Genuchten模型確定土壤水力參數(shù)。典型土壤剖面垂向上分為壤質(zhì)砂土(0～60 cm)、粉砂質(zhì)黏土(60～110 cm)和粉砂質(zhì)黏壤土(110～220 cm)。根據(jù)測(cè)定的土壤顆粒組成及干容重，利用Rosetta軟件SSCBD模式預(yù)測(cè)初始水力參數(shù)。利用2016年7月1日—10日土壤含水率監(jiān)測(cè)值來(lái)率定土壤水力參數(shù)。通過(guò)均方根誤差(RMSE)[22]、平均相對(duì)誤差(MRE)[23]評(píng)價(jià)，率定后的土壤水力參數(shù)滿足模擬精度要求(表1)。

表1 土壤水力參數(shù)取值

(2)根系吸水參數(shù)

根據(jù)田間試驗(yàn)情況并參考新疆地區(qū)前人研究成果[24]，確定根系吸水參數(shù)值(表2)。

表2 作物吸水參數(shù)

3 模型驗(yàn)證與結(jié)果分析

3.1 模型驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證模型可靠性，利用2016年棉花生育期(7月11日—8月29日，計(jì)50d)土壤含水率進(jìn)行模型驗(yàn)證。通過(guò)20 cm、60 cm、100 cm及160 cm處實(shí)測(cè)土壤含水率值與模型模擬值的對(duì)比結(jié)果，采用相對(duì)誤差(RE)、均方根誤差(RMSE)和Nash-Sutcliffe效率系數(shù)(NSE)評(píng)價(jià)模型的模擬精度[25]。模擬結(jié)果及評(píng)價(jià)指標(biāo)值見(jiàn)圖4。當(dāng)NSE=1時(shí)，說(shuō)明模擬值與實(shí)測(cè)值相等，NSE>0.5時(shí)為可接受的模擬值。經(jīng)計(jì)算，土壤剖面20 cm、60 cm、100 cm和160 cm處的模擬效率系數(shù)分別為0.794、0.724、0.785和0.922，效率系數(shù)均在0.7以上，表明模擬效果較好。相對(duì)誤差(RE)絕對(duì)值均小于5.43%，均方根誤差(RMSE)均小于0.040，表明模型的預(yù)測(cè)精度較高?？傮w而言，該模型對(duì)深層土壤含水率的模擬精度高于淺層土壤，主要是由于淺層土壤水分動(dòng)態(tài)變化頻繁，變化幅度較大，并受溫度、參數(shù)非均質(zhì)性和優(yōu)先流等影響。

圖4 不同深度土層模擬結(jié)果及評(píng)價(jià)指標(biāo)圖Fig.4 Simulation results of soil water content at different depths and evaluation index values

3.2 滴灌周期內(nèi)不同深度土層土壤含水率動(dòng)態(tài)變化

基于建立的土壤水分運(yùn)移模型分析滴灌周期內(nèi)土壤剖面20 cm、60 cm、100 cm及160 cm深度處土壤含水率的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程(圖5)。由圖5可以看出該模型模擬值與實(shí)測(cè)值隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化過(guò)程較一致。從一個(gè)完整灌水周期看，不同深度(20 cm、60 cm、100 cm及160 cm)土層均對(duì)灌水有響應(yīng)，在灌溉補(bǔ)給時(shí)含水量迅速顯著增加，而后在蒸發(fā)與根系吸水作用下隨時(shí)間逐漸減小，至下次灌水前達(dá)到最低值。同一剖面各深度由淺至深，對(duì)灌溉的響應(yīng)逐漸滯后，20 cm處對(duì)滴灌響應(yīng)最快。四個(gè)不同深度土壤含水率變化趨勢(shì)總體相似，其中，100 cm及160 cm處土壤含水率波動(dòng)情況明顯較淺土層20 cm及60 cm處平緩，主要是由于滴灌單次灌水量小，淺層土壤水受灌溉、根系吸水和膜間蒸發(fā)作用，存在水平和垂向運(yùn)移，導(dǎo)致其變化幅度大；而深部土壤水分運(yùn)動(dòng)所受影響較小，土壤水分動(dòng)態(tài)變化幅度小。

圖5 滴灌周期內(nèi)不同深度土壤水分動(dòng)態(tài)Fig.5 Dynamic process of soil moisture at different depths during drip irrigation

3.3 灌水中土壤水勢(shì)分布特征

圖6為模擬期內(nèi)第1次灌水(7月18日)過(guò)程中垂直滴灌帶方向半膜寬度的土壤剖面水勢(shì)分布圖。土壤水勢(shì)梯度控制著土壤水分運(yùn)動(dòng)方向。在周期性滴灌條件下發(fā)育了一個(gè)發(fā)散型零通量曲面，其兩側(cè)土壤水流分別向上和向下流動(dòng)。零通量曲面發(fā)育位置距地表50～70 cm。零通量曲面以上由于滴灌、蒸發(fā)和蒸騰作用，土壤水流形態(tài)較復(fù)雜。在灌溉過(guò)程中，滴頭處土壤水勢(shì)最大，距滴灌帶越遠(yuǎn)處水勢(shì)越低。土壤水由水勢(shì)高處流向低處，因此，滴頭處土壤水流呈發(fā)散形態(tài)向著根系及膜間裸地方向運(yùn)移。零通量曲面以下土壤水流向著地下水運(yùn)動(dòng)，表明土壤水向地下水產(chǎn)生入滲補(bǔ)給。灌水結(jié)束2 d后，實(shí)測(cè)土壤剖面含水率，結(jié)果顯示0～60 cm深度內(nèi)土壤含水率較低，這與該區(qū)域作物根系分布最大相對(duì)應(yīng)。根據(jù)灌水中土壤水勢(shì)分布及灌水后土壤剖面含水率分布狀況，可知灌水補(bǔ)給后在強(qiáng)烈蒸騰作用下，作物根系吸水范圍主要集中于0～60 cm土層。這也與基于氫氧穩(wěn)定同位素示蹤并利用多水源混合模型(IsoSource模型)計(jì)算的研究結(jié)果相一致[26]。

圖6 灌水中垂直滴灌帶方向剖面土壤水勢(shì)分布Fig.6 Soil water potential distribution of the vertical drip line profile during drip irrigation

3.4 土壤水資源均衡分析

根據(jù)膜下滴灌棉田的土壤水分運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果分析可得：土壤水補(bǔ)給來(lái)源為灌溉量和膜間的降雨入滲量。模擬區(qū)域水資源的消耗項(xiàng)為根系吸水量、土壤蒸發(fā)量及滲漏量。因此，模擬區(qū)域水資源均衡方程為：

ΔW=Win-Wout=P+I-E-T-Rs-Rg

(5)

式中：ΔW——模擬區(qū)域水資源的變化量；

Win——區(qū)域輸入總水量；

Wout——區(qū)域流出總水量；

P——降雨量；

I——灌溉量；

E、T——土壤蒸發(fā)和植株蒸騰量；

Rs——地表徑流；

Rg——土壤水與地下水交換量。

本次模擬不考慮地表徑流量，植株蒸騰量由根系吸水量表征，可將式(5)簡(jiǎn)化為：

ΔW=P+I-E-R-Rg

(6)

式中：R——根系吸水量。

模擬期內(nèi)區(qū)域輸入及流出水量變化情況，見(jiàn)圖7。模擬期內(nèi)，降雨量較小，僅為26.2 mm。期間灌水4次，灌溉總量為185.3 mm，區(qū)內(nèi)累積輸入水量在灌溉當(dāng)天明顯激增，整體呈現(xiàn)階梯狀增長(zhǎng)趨勢(shì)。區(qū)內(nèi)累積流出水量大體呈線性增長(zhǎng)，其中根系吸水累積量占71.0%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蒸發(fā)量及滲漏量。土壤水滲漏量在每次灌溉后有明顯的增加，并隨時(shí)間逐漸減小。在灌溉后的1～2 d達(dá)到最大滲漏強(qiáng)度，具有一定的時(shí)間滯后效應(yīng)。灌溉結(jié)束后的7 d左右，區(qū)內(nèi)土壤含水量不斷降低，滲漏量由負(fù)變正，地下水通過(guò)毛細(xì)作用上升補(bǔ)給土壤水。與滲漏量相比，這部分上升水量仍然較小。

灌溉條件下棉田根系吸水速率及蒸發(fā)速率逐日變化見(jiàn)圖8。根系日吸水量及日蒸發(fā)量動(dòng)態(tài)變化幅度較大。前10 d(蕾期)根系吸水速率較低，平均2.50 mm/d；之后根系后吸水速率迅速上升，最大值為4.95 mm/d。38 d后再次下降，而土壤蒸發(fā)速率則在38 d后逐漸增加。這是由于棉花在生育前期階段，根系短淺稀疏，葉片發(fā)育較小，植株低矮，長(zhǎng)勢(shì)較弱，生理需水量及根系吸水量也相對(duì)較小，故前10 d根系吸水速率較低；隨著作物的生長(zhǎng)，在花鈴期葉面積指數(shù)迅速增大，根系分布范圍加深加寬，根系吸水量達(dá)到最大值。在吐絮期，植株葉片逐漸變黃，葉面積指數(shù)及生理需水量均逐漸減小，生育后期根系吸水量也減小，而土壤蒸發(fā)量相對(duì)增加。

圖7 模擬區(qū)域輸入水量和流出水量Fig.7 Accumulated water inflow and outflow in the simulation region

圖8 模擬區(qū)域土壤蒸發(fā)及根系吸水速率Fig.8 Rate of evaporation and root uptake in the simulation region

由表3可知，模擬期內(nèi)區(qū)域輸入水量為211.5 mm，其中灌溉量占87.6%，降雨量?jī)H占12.4%。因此，灌溉是棉田主要水分輸入來(lái)源。區(qū)域累積出水量為222.3 mm，根系吸水量占流出水量的71.0%，土壤蒸發(fā)量及滲漏量分別占8.2%和20.8%。由此可看出，現(xiàn)行一膜雙管六行的滴灌方式能大大減少土壤無(wú)效蒸發(fā)量，區(qū)域70%的輸入水量均能被植物利用。土壤水累積滲漏量為46.2 mm，占降雨和灌溉總量的21.8%。整個(gè)模擬時(shí)段內(nèi)，土壤水分基本均衡，土壤水資源變化量為10.8 mm，表明模擬期內(nèi)輸出水量中消耗了土壤原有部分含水量。

在農(nóng)田SPAC系統(tǒng)中，土壤水滲漏量及蒸發(fā)量屬于無(wú)效耗損量，尤其灌溉后產(chǎn)生較大的滲漏，會(huì)導(dǎo)致灌溉水利用效率下降。不同灌溉制度下的土壤水滲漏量有所差別[27]。本次模擬結(jié)果顯示一膜雙管六行的滴灌模式下灌溉水的利用率可達(dá)85.2%。

表3 模擬區(qū)域土壤水資源均衡結(jié)果

4 結(jié)論

本文利用Hydrus-2D模型對(duì)新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)炮臺(tái)土壤改良試驗(yàn)站膜下滴灌棉田的土壤水分運(yùn)移進(jìn)行數(shù)值模擬，估算了棉田土壤水分通量，主要得出了以下結(jié)論：

(1)模擬期內(nèi)，20 cm、60 cm、100 cm及160 cm處土壤含水率模擬精度較高，驗(yàn)證后的模型能較好地反映滴灌周期內(nèi)土壤水分運(yùn)移過(guò)程。不同深度土層均對(duì)灌水有響應(yīng)，在灌溉補(bǔ)給時(shí)含水率迅速增加，而后在蒸發(fā)與根系吸水作用下隨時(shí)間逐漸減小，至下次灌水前達(dá)到最低值。100 cm及160 cm處土壤含水率隨時(shí)間波動(dòng)較平緩。

(2)通過(guò)模擬灌水(7月18日)過(guò)程中垂直滴灌帶方向半膜寬度的土壤剖面水勢(shì)分布，表明在周期性滴灌條件下距地表50～70 cm處發(fā)育有一發(fā)散型零通量曲面。在灌溉過(guò)程中，滴頭處土壤水勢(shì)最大，距滴灌帶越遠(yuǎn)處水勢(shì)越低。在滴頭處土壤水流呈發(fā)散形態(tài)向著根系及膜間裸地方向運(yùn)移。零通量曲面以下土壤水流向著地下水產(chǎn)生入滲補(bǔ)給。灌溉后作物根系吸水范圍主要集中在0～60 cm淺土層內(nèi)。

(3)利用驗(yàn)證后的模型估算了模擬區(qū)域膜下滴灌棉田的土壤蒸發(fā)量、根系吸水量及土壤水滲漏量。在整個(gè)模擬期內(nèi)，灌溉量占模擬區(qū)輸入水量的87.6%，是主要的水分輸入來(lái)源。作物根系吸水量占模擬區(qū)域出水量的70%以上。覆膜后土壤蒸發(fā)量明顯減小，僅占出水量的8.2%。在棉花生育后期土壤蒸發(fā)速率相對(duì)增加。土壤水累積滲漏量為46.2 mm，占降雨和灌溉總量的21.8%，主要在每次灌溉后產(chǎn)生較大的滲漏。

(4)整個(gè)模擬期內(nèi)區(qū)域輸入總水量為211.5 mm，輸出總水量為222.3 mm，土壤水分變化量為10.8 mm。本次模擬中，灌溉水的利用率可達(dá)85.2%。表明現(xiàn)行的一膜雙管六行的棉田種植模式能有效的減少土壤蒸發(fā)量及滲漏量，提高灌溉水的利用率。

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