石羊河流域咸水灌溉下土壤水鹽動(dòng)態(tài)及春玉米產(chǎn)量模擬

袁成福

(1.江西省水工程安全與資源高效利用工程研究中心,江西 南昌 330099;2.江西水利職業(yè)學(xué)院,江西 南昌 330013)

1 研究背景

石羊河流域地處我國西北干旱內(nèi)陸地區(qū)，該地區(qū)降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，地表水資源極其短缺，但該地區(qū)埋藏在淺層地表以下的地下咸水資源儲(chǔ)量較大[1-2]。在淡水資源匱乏的干旱地區(qū)，開發(fā)利用地下咸水資源，采用咸水灌溉已經(jīng)成為解決干旱地區(qū)水資源短缺問題的重要措施之一[3-4]。大量研究表明，利用咸水灌溉能夠緩解土壤干旱，使部分耐鹽作物的產(chǎn)量接近利用淡水灌溉時(shí)的產(chǎn)量，與不灌溉相比能夠達(dá)到增產(chǎn)的目的[5-6]。但若咸水灌溉利用不當(dāng)，也會(huì)造成土壤鹽分持續(xù)累積，改變土壤理化性質(zhì)，使土壤產(chǎn)生次生鹽堿化，威脅作物的生長[7]。如何科學(xué)合理、安全有效利用咸水資源進(jìn)行灌溉一直是研究者所關(guān)注的核心問題。眾多研究者對(duì)咸水灌溉的研究，大多采用室內(nèi)和田間定位試驗(yàn)的方法來分析咸水灌溉對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境及作物生長的影響[8-10]。然而，由于咸水利用對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境和作物生長的影響是一個(gè)長期的過程，而野外田間定位試驗(yàn)受外界因素影響較大，長時(shí)間進(jìn)行野外田間試驗(yàn)耗費(fèi)也大。在田間試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用數(shù)學(xué)模型模擬和預(yù)測(cè)長期咸水灌溉對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境和作物生長的影響，是較為有效和經(jīng)濟(jì)的研究方法[11-13]。其中國內(nèi)外廣泛采用SWAP模型來模擬干旱區(qū)或半干旱區(qū)下土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律及作物生長過程。SWAP模型是由土壤水分運(yùn)移、溶質(zhì)運(yùn)移、土壤蒸發(fā)、植物騰發(fā)、熱量傳輸和作物生長等6個(gè)模塊組成，是宏觀SPAC系統(tǒng)的集中體現(xiàn)，能夠較好地用來模擬田間尺度下土壤-植物-大氣環(huán)境中土壤水分運(yùn)移、溶質(zhì)運(yùn)移和作物生長，該模型在國內(nèi)外得到較廣泛的接受和認(rèn)可。Kumar等[14]在印度新德里利用SWAP模型模擬了小麥不同咸水灌溉條件下根區(qū)土壤鹽分動(dòng)態(tài)及小麥的相對(duì)產(chǎn)量，并預(yù)測(cè)了小麥長時(shí)期咸水灌溉下的相對(duì)產(chǎn)量。楊樹青等[15]在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)利用SWAP模型模擬了不同灌溉定額的微咸水灌溉對(duì)土壤鹽分累積效應(yīng)以及作物產(chǎn)量的影響，并預(yù)測(cè)了長時(shí)期微咸水灌溉后土壤根系層鹽分分布與平衡。由于研究區(qū)地處西北干旱地區(qū)，地下水埋深較大，咸水灌溉后土壤水鹽運(yùn)移是典型的垂直一維運(yùn)動(dòng)，且野外試驗(yàn)是在田間尺度下進(jìn)行的，能夠較好地滿足SWAP模型的環(huán)境條件。本研究在已經(jīng)進(jìn)行為期1年野外田間試驗(yàn)的基礎(chǔ)，為了探究較長時(shí)期采用咸水灌溉后土壤鹽分動(dòng)態(tài)及春玉米產(chǎn)量情況，引進(jìn)了SWAP模型來模擬研究區(qū)咸水灌溉下土壤鹽分動(dòng)態(tài)及對(duì)春玉米產(chǎn)量的影響，探求較適宜研究區(qū)春玉米生長的灌溉水礦化度，所得結(jié)果可為研究區(qū)合理利用地下咸水資源提供理論依據(jù)。

2 田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)在甘肅省武威市的中國農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河試驗(yàn)站進(jìn)行，所在經(jīng)緯度為E102°52′、N37°52′，海拔為1 581 m。該研究區(qū)地處我國西北干旱內(nèi)陸區(qū)，降雨稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均降雨量為164.4 mm，年均蒸發(fā)量為2 000 mm，地下水埋深為48 m。試驗(yàn)在測(cè)坑中進(jìn)行，試驗(yàn)站共有12個(gè)測(cè)坑，每個(gè)測(cè)坑的面積為6.66 m2(3.33 m×2 m)，深度為3 m，每個(gè)測(cè)坑之間用混凝土分隔，可防止側(cè)滲。采用馬爾文MS2000激光粒度分析儀分析土壤顆粒組成，土壤容重和田間持水率采用環(huán)刀法測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定。測(cè)坑內(nèi)0～100 cm土層的土壤理化性質(zhì)如表1所示。

試驗(yàn)根據(jù)石羊河流域上、中、下游及民勤湖區(qū)典型區(qū)域的地下水礦化度情況設(shè)置4個(gè)處理，分別為S0(灌溉水礦化度為0.71 mg/cm3，近似為淡水)、S3(灌溉水礦化度為3.0 mg/cm3)、S6(灌溉水礦化度為6.0 mg/cm3)和S9(灌溉水礦化度為9.0 mg/cm3)，其中灌溉水礦化度采用電導(dǎo)率儀測(cè)定，每個(gè)處理重復(fù)3次，共12個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，采用隨機(jī)排列方式布置。試驗(yàn)所用淡水為當(dāng)?shù)鼐?，咸水根?jù)當(dāng)?shù)氐叵滤瘜W(xué)組成，采用質(zhì)量比為2∶2∶1的NaCl、MgSO4和CaSO4混合地下水配制而成。試驗(yàn)站具有管道供水到試驗(yàn)地，利用水表精確控制每次灌溉的水量。試驗(yàn)作物為當(dāng)?shù)卮河衩?金穗1號(hào))，于2011年4月22日播種，9月12日收獲，全生育期143 d。各處理灌溉水量參照當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，在春玉米生育期內(nèi)共灌溉4次，灌水時(shí)間分別為6月6日、6月25日、7月16日、8月13日，灌溉制度見表2。其他各種農(nóng)藝措施均與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況保持一致。

表1 試驗(yàn)測(cè)坑內(nèi)土壤基本理化性質(zhì)

表2 各處理灌溉制度

試驗(yàn)期間在春玉米播種前、每次灌溉前后和收獲后通過土鉆田間分層取土的方法獲取土樣，每個(gè)小區(qū)每次取1個(gè)取樣點(diǎn)，取土深度分別為0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm，采用烘干法測(cè)定土壤含水率；采用SG-3型電導(dǎo)率儀(SG3-ELK742)測(cè)定土壤飽和浸提液的電導(dǎo)率EC1∶5(單位為mS/m)，根據(jù)已有換算公式(S=0.0275EC1∶5+0.1366)將EC1∶5轉(zhuǎn)化為土壤含鹽量[16]。在春玉米出苗后每隔7～10 d獲取制種玉米不同生育期的株高、葉面積指數(shù)、根長分布等資料。土壤水分特征曲線參數(shù)采用高速離心機(jī)測(cè)定，VG (van Genuchten)模型水力特性參數(shù)利用RETC軟件擬合得到。飽和導(dǎo)水率采用滲透儀(TST-55，China)，按常水頭法測(cè)定值。春玉米成熟后每個(gè)小區(qū)單獨(dú)收割、脫粒、曬干后稱重得到每個(gè)處理的產(chǎn)量，然后再折算單位為kg/hm2的產(chǎn)量。氣象數(shù)據(jù)從試驗(yàn)站安裝的自動(dòng)氣象站采集獲取，春玉米生育階段內(nèi)的有效降雨量為110.0 mm。

3 數(shù)學(xué)模型及模型率定

3.1 SWAP模型簡介

SWAP模型是由荷蘭Wageningen大學(xué)開發(fā)的一種用于模擬農(nóng)田尺度下土壤水分、溶質(zhì)和熱量在SPAC系統(tǒng)中運(yùn)移及作物生長過程的綜合模型。該模型在國內(nèi)外干旱地區(qū)或半干旱地區(qū)模擬土壤水鹽運(yùn)移及作物生長方面得到了較廣泛的應(yīng)用。該模型主要的計(jì)算原理公式如下：

土壤水分運(yùn)動(dòng)采用Richards方程：

(1)

式中：θ為體積含水率，cm3/cm3；K為土壤飽和導(dǎo)水率，cm/d；h為土壤水頭，cm；Z為垂向坐標(biāo)，cm，向上為正；t為時(shí)間，d；C為容水度，cm-1；S為作物根系吸水項(xiàng)，cm3/(cm3·d)。

溶質(zhì)運(yùn)移采用對(duì)流彌散方程：

(2)

式中：J為總?cè)苜|(zhì)通量濃度，g/(cm2·d)；q為在邊界處的垂向水流通量，cm/d；c為溶質(zhì)濃度，g/cm3;Ddif為溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，cm2/d；Ddis為溶質(zhì)彌散系數(shù)，cm2/d；?c/?z為溶質(zhì)濃度梯度，g/cm4。

SWAP模型的模擬的作物生長過程是采用WOFOST作物生長模型，其中本研究采用簡單作物模型。簡單作物模型計(jì)算作物的實(shí)際產(chǎn)量與潛在產(chǎn)量的比值為相對(duì)產(chǎn)量，運(yùn)用各生育階段相對(duì)產(chǎn)量連乘的數(shù)學(xué)模型表示整個(gè)生育階段的相對(duì)產(chǎn)量。其計(jì)算公式如下：

(3)

式中：Ya,k為各生育階段作物實(shí)際產(chǎn)量,kg/hm2；Yp,k為各生育階段作物最大產(chǎn)量,kg/hm2；Ta,k、Tp,k分別為各生育階段實(shí)際蒸騰量和最大蒸騰量，cm；Ky,k為各生育階段產(chǎn)量反應(yīng)系數(shù)；k為作物不同生育階段。

(4)

式中：Ya為整個(gè)生育階段累積作物實(shí)際產(chǎn)量,kg/hm2;Yp為整個(gè)生育期作物累積最大產(chǎn)量,kg/hm2;n為作物不同生育期階段的數(shù)量。

SWAP模型需要輸入氣象數(shù)據(jù)、灌溉資料、作物生長資料、土壤理化參數(shù)以及水力特性參數(shù)、初始和邊界條件、初始?jí)毫λ^和溶質(zhì)濃度等資料。具體有關(guān)SWAP模型的詳細(xì)介紹參見SWAP模型理論用書[17]。模型模擬值與實(shí)測(cè)值吻合度采用均方誤差(RMSE)和平均相對(duì)誤差(MRE)2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.2 SWAP模型率定與檢驗(yàn)

應(yīng)用研究區(qū)田間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)SWAP模型進(jìn)行率定和檢驗(yàn)。S3處理為率定過程，S6和S9為檢驗(yàn)過程。不同土層的土壤含水量的率定與檢驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。圖1顯示，土壤含水量的模擬與實(shí)測(cè)值吻合較好，模擬值較好地反映了實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)。土壤含水量率定與檢驗(yàn)過程中，RMSE值在0.05 cm3/cm3以下，MRE值在20%以下，符合誤差精度要求。率定后得到的VG模型水力特性參數(shù)見表3。

不同時(shí)期土壤含鹽量的率定與檢驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。S3處理為率定過程，S6和S9為檢驗(yàn)過程。圖2顯示，土壤含鹽量的模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較好，模擬值基本上反映了實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)。土壤含鹽量率定與檢驗(yàn)過程中，RMSE值均在4.5 mg/cm3以下，MRE值均在允許的誤差精度范圍25%之內(nèi)。率定后得到分子擴(kuò)散系數(shù)為0.5 cm2/d，彌散度為10.0 cm。

圖1 不同土層深度土壤含水量的率定與檢驗(yàn)

SWAP模型模擬得出的產(chǎn)量結(jié)果為相對(duì)產(chǎn)量，本研究假定2011年試驗(yàn)S0處理得到的春玉米產(chǎn)量(10 572.72 kg/hm2)為最大實(shí)際產(chǎn)量，根據(jù)模擬的相對(duì)產(chǎn)量與最大實(shí)際產(chǎn)量之間的換算可得到各處理的模擬產(chǎn)量，春玉米產(chǎn)量的率定與檢驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。圖3顯示，春玉米產(chǎn)量模擬值略小于春玉米實(shí)測(cè)產(chǎn)量，這主要是由假定估算得到的誤差，但春玉米產(chǎn)量模擬值與春玉米實(shí)測(cè)產(chǎn)量基本一致。春玉米產(chǎn)量的率定與檢驗(yàn)過程中，除了S6處理誤差較大外，其余處理的RMSE值均在2 200 kg/hm2以內(nèi)，MRE值均在允許的誤差精度范圍25%之內(nèi)。

上述對(duì)SWAP模型參數(shù)的率定和檢驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過率定和檢驗(yàn)參數(shù)后的SWAP模型可以用于研究區(qū)咸水灌溉下土壤鹽分動(dòng)態(tài)和春玉米產(chǎn)量的模擬。

4 結(jié)果與分析

咸水灌溉對(duì)土壤水鹽運(yùn)移及作物生長的影響是一個(gè)長期過程，利用率定與檢驗(yàn)后的SWAP模型模擬較長時(shí)期咸水灌溉對(duì)土壤鹽分動(dòng)態(tài)及春玉米產(chǎn)量的影響。在模擬過程中，氣象資料采用研究區(qū)2011-2015年期間的氣象數(shù)據(jù)，各處理的初始含水量、初始含鹽量和灌溉制度不變，以每一年末的土壤含水量和土壤含鹽量模擬結(jié)果作為下一年度的初始條件，將上述4種灌溉水礦化度的咸水灌溉連續(xù)運(yùn)行5 a。圖4為這4種灌溉水礦化度的咸水灌溉模擬5 a內(nèi)0～100 cm土層土壤含鹽量動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。圖4顯示，模型運(yùn)行5 a后S0、S3、S6和S9處理的土壤含鹽量分別為1.88、5.93、10.82 和15.88 mg/cm3，分別比試驗(yàn)初始鹽分增加了1.34、2.77、4.33 和5.73 mg/cm3，呈現(xiàn)出土壤鹽分累積量隨著灌溉水礦化度的增加而逐漸增大的趨勢(shì)，這也說明了較長時(shí)期采用咸水灌溉會(huì)使土壤鹽分逐漸增加。礦化度為3.0 mg/cm3以下的微咸水灌溉在模擬期內(nèi)土壤鹽分累積量在2.8 mg/cm3以下，礦化度為6.0 mg/cm3以上的咸水灌溉在模擬期內(nèi)土壤鹽分累積量在4.0 mg/cm3以上，高礦化度的咸水長時(shí)期灌溉勢(shì)必會(huì)造成土壤鹽堿化。

圖5為4種灌溉水礦化度的咸水灌溉模擬5 a內(nèi)春玉米產(chǎn)量的變化規(guī)律。圖5顯示，隨著模型運(yùn)行年數(shù)的增加，春玉米產(chǎn)量呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢(shì)，模型運(yùn)行5 a后S0、S3、S6和S9處理的產(chǎn)量分別為7718.09、6343.63、4757.72和3171.82 kg/hm2，分別比第1年模擬的產(chǎn)量減少了634.36、740.09、105.73和211.45 kg/hm2，這說明隨著咸水灌溉的長時(shí)期使用，由于土壤鹽分逐漸增加，改變土壤環(huán)境，會(huì)影響作物的生長，使作物造成不同程度的減產(chǎn)。不同灌水礦化度處理的春玉米產(chǎn)量隨著灌水礦化度的增加，呈現(xiàn)出逐漸減少的規(guī)律，在模擬期內(nèi)，礦化度為3.0 mg/cm3的微咸水灌溉比淡水灌溉減產(chǎn)了15.2%～19.2%，礦化度為6.0 mg/cm3和9.0 mg/cm3咸水灌溉的減產(chǎn)幅度分別為38.3%～44.5%和57.5～63.2%，可見，高灌水礦化度的咸水較長時(shí)期利用對(duì)春玉米產(chǎn)量影響較大，礦化度在3.0 mg/cm3以下的微咸水較長時(shí)期利用春玉米的減產(chǎn)幅度在20%以內(nèi)。綜上所述，在研究區(qū)較長時(shí)期采用灌溉水礦化度為3.0 mg/cm3以下的微咸水灌溉，土壤鹽分累積量在2.8 mg/cm3以下，春玉米的減產(chǎn)幅度在20%以內(nèi)，可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐。

表3 率定與檢驗(yàn)后的VG模型水力特性參數(shù)

圖2 土壤含鹽量的率定與檢驗(yàn)曲線

圖3 春玉米產(chǎn)量的率定與檢驗(yàn)

圖4 較長時(shí)期土壤鹽分動(dòng)態(tài)模擬

圖5 咸水灌溉春玉米產(chǎn)量變化規(guī)律

5 結(jié) 論

本研究根據(jù)石羊河流域春玉米咸水灌溉田間試驗(yàn)觀測(cè)資料對(duì)SWAP模型參數(shù)進(jìn)行了率定和檢驗(yàn)，并利用率定參數(shù)后的SWAP模型模擬了較長時(shí)期咸水灌溉對(duì)土壤鹽分動(dòng)態(tài)及春玉米產(chǎn)量的影響，得到的主要結(jié)論如下：

(1)SWAP模型參數(shù)的率定和檢驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)測(cè)土壤含水量、土壤含鹽量和春玉米產(chǎn)量與模型模擬值吻合較好，均方誤差(RMSE)和平均相對(duì)誤差(MRE)均在允許的誤差范圍之內(nèi)，率定參數(shù)后的SWAP模型可用于研究區(qū)咸水灌溉下的土壤鹽分動(dòng)態(tài)及春玉米產(chǎn)量的模擬。

(2)較長時(shí)期土壤鹽分及春玉米產(chǎn)量模擬結(jié)果表明：在模擬期內(nèi)，礦化度在3.0 mg/cm3以下的微咸水灌溉土壤鹽分累積量在2.8 mg/cm3以下，礦化度在6.0 mg/cm3以上的咸水灌溉土壤鹽分累積量在4.0 mg/cm3以上；與淡水灌溉相比，礦化度在3.0 mg/cm3以下的微咸水灌溉春玉米的減產(chǎn)幅度在20%以內(nèi)，礦化度在6.0 mg/cm3以上的咸水灌溉春玉米減產(chǎn)幅度在38%以上。因此，在研究區(qū)可以較長時(shí)期利用灌水礦化度低于3.0 mg/cm3的微咸水進(jìn)行灌溉，土壤積鹽量較少，對(duì)春玉米產(chǎn)量影響較小，可以達(dá)到合理利用地下咸水資源的目的。