毛烏素沙地地下水淺埋區(qū)田間水分動態(tài)

包 含，張國彪，侯立柱，沈建根

1. 長安大學(xué) 公路學(xué)院，西安710064

2. 中國地質(zhì)大學(xué)（北京） 水資源與環(huán)境學(xué)院，北京100083

3. 嘉興市環(huán)泰工程咨詢有限公司，嘉興314000

水分動態(tài)是土壤-植物-大氣連續(xù)體（SPAC）水熱傳輸過程研究的關(guān)鍵（Philip，1966），反映了植物的耗水特征和水分通量各組分間的相互關(guān)系。特別是在干旱地區(qū)，水分作為制約植物生長的主要因子，與生態(tài)環(huán)境的維系與水資源的合理利用也密切相關(guān)（徐小玲和延軍平，2003；高浩等，2016）。

毛烏素沙地處于干旱、半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，降雨量少，是中國四大沙地之一。在毛烏素沙地，地下水資源相對豐富，特別是農(nóng)業(yè)種植區(qū)，地下水埋深一般較淺。研究表明，淺埋的地下水與土壤水之間存在著水分交換（雷志棟等，1992），并且其動態(tài)過程受到了如降水、蒸發(fā)、地下水埋深、土壤質(zhì)地、前期土壤含水量和植被類型等的影響（宋獻(xiàn)方等，2011；王云強(qiáng)等，2012；賀美娜等，2017）。因此，針對淺埋地下水環(huán)境，開展毛烏素沙地植被水分利用一直是一個研究的熱點（錢多等，2017），特別是在油蒿、麻黃、沙柳等沙生植被的耗水規(guī)律、土壤水分動態(tài)特征以及影響因素方面開展了大量的研究工作，認(rèn)識到了地下水在沙生植被生長、荒漠化治理、水資源保護(hù)方面的重要作用（王鶴松等，2010；傅子洹等，2015；于曉娜等，2015；高浩等，2016）。毛烏素沙地不同植被的水分動態(tài)已經(jīng)得到了比較深入的研究，但是主要集中于特征分析等定性描述，在量化研究方面尚有不足之處。并且，春玉米作為當(dāng)?shù)刈钪饕r(nóng)作物，關(guān)系到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水資源利用等多個方面，其田間土壤水分與淺埋地下水之間也存在著緊密的關(guān)系（包含等，2014）。針對春玉米的田間水分動態(tài)開展量化研究工作，具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實意義。

目前，對田間水分動態(tài)的研究主要是通過估算田間水分通量來實現(xiàn)，田間水分通量是研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部及其與大氣之間水熱交換和分配的主要指標(biāo)，體現(xiàn)了農(nóng)田內(nèi)部和表面水分輸送到大氣中的總過程。對此，前人已經(jīng)做了充分的工作，研究方法也相對成熟，包括試驗觀測法（孫宏勇等，2004；Cubera and Moreno，2007；Duan et al，2016）、模型模擬法（Zhu et al，2009；袁成福等，2014）、遙感圖像反演法（Albert et al，1999；彭致功等，2008）等。其中，基于原位測試，結(jié)合數(shù)值模型開展研究工作是一種常用手段。在眾多數(shù)值軟件中，Hydrus-1D因為便于模擬一維變飽和度地下水流、根系吸水、溶質(zhì)運移和熱運移、氣運移而得到廣泛應(yīng)用（Simunek et al，1998）。

本文以毛烏素沙地田間水分作為研究對象，開展原位實驗與觀測，在獲取田間氣象因子、降水與灌溉量、土壤含水量、土壤水勢、地下水位變動以及玉米生長狀況的基礎(chǔ)上，分析土壤水分變化特征，并利用Hydrus-1D軟件建立模型，量化作物生長過程中的田間水分動態(tài)變化，分析淺埋地下水對田間水分通量的影響。從而掌握整個春玉米生長期的田間水分動態(tài)過程，揭示田間耗水特征，為保護(hù)毛烏素沙地水資源，改善生態(tài)環(huán)境，提高用水效率提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況和試驗介紹

研究區(qū)位于毛烏素沙地海流兔河流域，位置（N：38°23.502′，E：109°11.942′，H：1152 m）。區(qū)域多年平均降水量約為349.37 mm，多年平均水面蒸發(fā)量（200 mm蒸發(fā)皿）為2035.19 mm。試驗區(qū)地下水埋藏深度淺，研究時段地下水埋深波動范圍為90?—?130 cm。研究區(qū)農(nóng)作物以春玉米為主，研究時間段為春玉米整個生長期，自2011 年4 月30 日至10 月1日 ，共計155 天。試驗?zāi)隇榈湫涂菟?，整個玉米生長期降水量為214.1 mm，灌溉量為177 mm。

本項研究對田間的地下水埋深、土壤水勢、土壤含水率、降雨灌溉和氣象進(jìn)行了監(jiān)測，相關(guān)觀測項目、觀測時間及方法如表1所示。

其中，MiniDiver用來監(jiān)測地下水位，并使用MiniBaro進(jìn)行氣壓校正。土水勢儀（Watermark）共7個探頭，布置間距為30 cm。時域反射儀（Trime-IPH）設(shè)置3個測管，間距為300 cm，因試驗需要或者降雨灌溉后加密測量。此外自動雨量計與波文比氣象站系統(tǒng)連通，采集風(fēng)速風(fēng)向、凈輻射、溫度濕度、降水等氣象數(shù)據(jù)。監(jiān)測設(shè)備相對安裝位置如圖1。

1.2 Hydrus-1D 模型介紹

本項研究以氣象觀測和原位試驗為基礎(chǔ)，利用Hydrus-1D建立模型，對玉米種植區(qū)內(nèi)田間水分通量進(jìn)行量化分析。

Hydrus-1D模型用于模擬計算一維垂直非飽和流和溶質(zhì)運移，不僅考慮了植物根系吸水和土壤持水能力的滯后效應(yīng)，還加入了氣象模塊，適用于各種恒定或非恒定的邊界條件（Simunek et al，1998）。

以地表為基準(zhǔn)面，垂直一維土壤水分運動模型可由Darcy-Richards方程確定（坐標(biāo)軸向下為正），方程如下：式中：θ 為土壤體積含水率（cm3? cm?3）；K(θ?)為非飽和滲透系數(shù)（cm ? d?1）；S為單位時間單位體積土壤中根系吸水率（d?1）；t為時間變量（d）；Z為空間變量（cm），地表為原點，向下為正。其中，非飽和滲透系數(shù)由Van Genuchten模型計算（Genuchten，1980）。

表1 毛烏素沙地田間觀測項目、方法及日期Tab.1 Field observation items, method and time in Mu Us Sandy Land

圖1 毛烏素沙地試驗現(xiàn)場儀器安裝位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of instruments installation locations in the test site of Mu Us Sandy Land

Van Genuchten 模型的表示方式為：

式中：Se為無量綱的有效水分含量；θ為土壤體積含水率（cm3? cm?3）；θr和 θs分別為殘余和飽和土壤含水率（cm3? cm?3）；n和 m 分別為 Van Genuchten 模型參數(shù)，m = 1?1 /?n；Ks為飽和導(dǎo)水率（cm3? d?1）。

根系吸水模型采用以水勢差為基礎(chǔ)的Feddes模型（Feddes et al，1978）：

式中：α(h, z)表示水分脅迫反應(yīng)方程；β(z)為根系吸水分布函數(shù)（mm?1），S(z, t)用來描述根系吸水的空間變異；Tp為作物的潛在蒸騰速率（mm ? d?1）。而Tp可通過Beer定律（Ritchie，1972）計算：

其中：ET0是參考作物蒸散量（cm），可由FAO推薦的Penman-Monteith公式計算（Allen et al，1998），LAI是葉面積指數(shù)，指單位土地面積上植物葉片總面積占土地面積的倍數(shù)，其中葉面積=長×寬×0.75（李向嶺等，2011），k是植物灌層輻射衰減系數(shù)，本文中k值采用下述Rosenthal方法計算（祁紅彥等，2011），取玉米整個生長期的平均值0.478：

1.3 模型建立與參數(shù)反演

模型選取水分運移、根系吸水、根系生長3個子程序，以天為單位模擬田間一維垂向的土壤水分運動過程。模擬土壤層的厚度為150 cm，根據(jù)土壤性質(zhì)的差異（包含等，2014），共分為5個土層，各層土壤的劃分范圍見表2。模擬時間為玉米的整個生長期，以氣象條件作為模型的非穩(wěn)定邊界條件，選擇Penman-Monteith公式運算，通過輸入氣象因子（氣溫、風(fēng)速、相對濕度、凈輻射、降水等）和玉米的LAI、株高，由模型自動計算蒸散量。研究區(qū)農(nóng)田土壤類型為壤質(zhì)砂土，降雨過程中很難產(chǎn)生地表徑流，將模型上邊界選為大氣邊界。研究區(qū)地下水埋深淺，不超過150 cm，因此水分運移的下邊界為變壓力水頭邊界。根系吸水模型采用無水分脅迫的Fedds模型，吸水參數(shù)采用Wesseling 1991年推薦的參數(shù)。玉米根系生長狀況采用如下經(jīng)驗公式進(jìn)行估算（張蔚榛，1996）：

其中：Lr( t?) 為根系層厚度，t?為相對時間，是實際時間與整個生長期之比。

模型中的土壤水分特征參數(shù)包括殘余含水率θr（cm3? cm?3），飽和含水率 θs（cm3? cm?3），滲透系數(shù) K（cm ? d?1），曲線形狀參數(shù) n，經(jīng)驗參數(shù) ?（cm?1）。特征參數(shù)通過Hydrus-1D軟件依據(jù)Van Genuchten模型分層反演，并且將反演所得土壤水分特征曲線與實測值進(jìn)行對比，則最小差異所對應(yīng)的特征值作為最優(yōu)反演結(jié)果，見表2和圖2。

表2 土壤水分特征參數(shù)Tab.2 Soil-water characteristic parameters

圖2顯示，在淺部，擬合出的土壤水分特征曲線與實測值吻合度較高，而深部擬合結(jié)果與實測結(jié)果相差較大。可見，不同土壤水分吸力條件下模擬結(jié)果不同，在低土壤吸力的情況下模擬結(jié)果與實測誤差較大，這與李峰等（2009）的研究相吻合。

1.4 模型檢驗

為了檢驗?zāi)M效果，采用均方根誤差、相對誤差和Nash效率系數(shù)（Nash and Sutcliffe，1970）3個評價指標(biāo)對模型進(jìn)行定量評價，各評價指標(biāo)的計算公式如下：

均方根誤差（root mean square error，RMSE）：

相對誤差（relative error，RE）：

Nash效率系數(shù)（Nash-sutcliffe efficiency coefficient，NSE）：

以上公式中：Si和Oi分別為第i個樣本的模擬值和實測值：為實測值的平均值，N為樣本數(shù)。3個指標(biāo)中，RMSE反映模擬值與實測值的絕對誤差的平均程度，RE反映模擬值與實測值總量之間的相對誤差，NSE反映模擬值與實測值隨時間變化過程的符合程度，當(dāng)NSE ＞ 0.5時，認(rèn)為模擬值為可接受值。

模型輸出結(jié)果包括蒸散發(fā)、土壤含水率和底部交換量等。前人研究結(jié)果表明，Hydrus-1D 在模擬非飽和帶水鹽運移方面具有較高的精度（李亮等，2010），為了驗證本模型運行結(jié)果的精度，將模擬含水率值與實測含水率值進(jìn)行比較，利用RMSE、RE和NSE三個指標(biāo)評價，結(jié)果如圖3。

圖2 各深度土層擬合土壤水分特征曲線與實測值關(guān)系Fig.2 Relationship between soil-water characteristic curves and measured values at different depth

圖3 結(jié)果顯示，模型對淺部土壤的模擬比較精確，受地下水影響，在深部模擬精度有所下降。整體來看，各層土壤含水率的模擬值均能滿足精度要求。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤水分變化特征

土壤含水率的變化同灌溉降水、作物生長、蒸散發(fā)有密切的聯(lián)系，在地下水淺埋區(qū)，地下水對土壤水分也有著重要的影響（Yang and Yanful，2002；喬冬梅等，2005）。

毛烏素沙地地下水淺埋區(qū)田間土壤含水率、地下水埋深、灌溉降水之間的關(guān)系如圖4所示。

圖中表明，深層含水率受地下水影響明顯，變化規(guī)律同地下水埋深的變化規(guī)律較淺層更相似，而淺層土壤（40 cm深以上）含水率受到了根系吸水和氣象因素的影響，對灌溉和降水的響應(yīng)強(qiáng)烈，并且波動性比較大。事實上，灌溉因水分脅迫的出現(xiàn)而發(fā)生，圖4中可見，當(dāng)出現(xiàn)水分脅迫時，位于10 cm、20 cm、30 cm深度處土壤的含水率約為 0.17?cm3? cm?3、0.18?cm3? cm?3、0.18?cm3? cm?3。

土壤含水率與地下水埋深的關(guān)系說明地下水影響土壤含水率。在田間排水溝中可發(fā)現(xiàn)，毛細(xì)水所形成的濕潤面距離水面的高度可以達(dá)到70?—?80 cm，而研究時段的地下水埋深范圍在90?—?130 cm，可見耕作層中的水分有一部分來自于地下水，這部分水分將參與到農(nóng)田的蒸散作用中。

2.2 水分通量計算

利用Hydrus-1D模型輸出田間蒸散量、土壤水儲存量和底部交換量，田間水文變化過程見圖5。

結(jié)果表明，玉米的蒸散發(fā)與LAI之間關(guān)系密切。玉米生長初期LAI值小，田間蒸發(fā)強(qiáng)烈，隨著LAI值的增大，蒸發(fā)量呈減小趨勢，而蒸騰量逐漸變大。研究時段內(nèi)平均地下水埋深為112.1 cm，毛細(xì)水上升高度則可以達(dá)到70?—?80 cm，模擬土層土壤水分儲存量的變化與地下水埋深變化趨勢相關(guān)性達(dá)0.96，而在圖5中蒸散量與地下水埋深則呈反相關(guān)關(guān)系，由此可定性地判斷地下水參與了農(nóng)田的蒸散作用。

模型所輸出的底部通量反映了模擬土層底部的水分交換信息，可定量化計算地下水對玉米生長的水分貢獻(xiàn)。輸出結(jié)果顯示，模擬土層底部水分交換劇烈，在整個模擬期內(nèi)，底部水分上移量為389.83 mm，深層入滲量為169.74 mm。由此可見，地下水對玉米生長的水分貢獻(xiàn)量為220.09 mm，其中水分上移主要在蒸散作用強(qiáng)烈和地下水位抬升的情況下發(fā)生，深層入滲則主要發(fā)生在灌溉降水之后的較短時段內(nèi)。灌溉作為補(bǔ)充土壤水分的方式，最經(jīng)濟(jì)的灌水量是完成土壤水分虧缺的補(bǔ)充，灌溉所引起的深層入滲是灌水的多余量，應(yīng)盡量避免。研究時段內(nèi)共發(fā)生6次灌溉，每次灌溉水量約為30 mm，根據(jù)模型輸出結(jié)果，每次灌溉后深層入滲量平均值約為8.5 mm，因此可將灌溉量減少為原水量的72%，以實現(xiàn)對水資源的有效利用和保護(hù)。

圖3 春玉米試驗田模擬值與實測值Fig.3 Simulation and experimental values of spring corn fi eld

為了研究田間水分通量的變化規(guī)律，將水分通量按照玉米生長期進(jìn)行分階段定量研究，如表3。

表3表明，玉米全生育期蒸散總量為580.32 mm，其中，蒸散主要發(fā)生在拔節(jié)、抽穗、灌漿三個生育階段，占整個生育期的71.8%。蒸散最強(qiáng)烈發(fā)生在抽穗期，蒸騰最強(qiáng)烈發(fā)生在抽穗期，蒸發(fā)最強(qiáng)烈發(fā)生在播種期，而在灌漿期最弱。在玉米整個生育期內(nèi)蒸發(fā)量占蒸散量的比例為31%。根據(jù)玉米生長過程和圖5a所示信息，說明蒸發(fā)、蒸騰與葉面積指數(shù)具有顯著的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)分別為 ?0.599 和0.712。

底部水分通量與降水灌溉和蒸散密切相關(guān)。在蒸散量較少的播種期，灌溉降水補(bǔ)給量大，在土壤層底部發(fā)生深層滲漏；而在蒸散量比較大的抽穗和灌漿期，底部水分上移，補(bǔ)充土壤水分，滿足作物生長的蒸散；蠟熟期雖然蒸散減弱，但地表水分補(bǔ)給非常少，底部水分依然是田間蒸散水量的主要來源。在整個生長期中，地下水對蒸散的貢獻(xiàn)量為

22 0.09 mm，占總蒸散量比例的37.9%。

圖4 不同深度土壤含水率、灌溉、降水、地下水埋深動態(tài)變化曲線Fig.4 Dynamic curves of soil water content, irrigation, precipitation and groundwater depth

圖5 水文變化過程及模型輸出結(jié)果Fig.5 Hydrological process and model output

表3 春玉米不同生長階段田間水分通量變化Tab.3 Water fl ux changes at different growth stages of spring corn

2.3 地下水利用量與埋深關(guān)系

玉米的蒸散水分主要來自于降水灌溉、地下水、土壤水儲存減少三部分。研究表明，地下水埋深直接影響植物根區(qū)土壤水分狀況，地下水埋深越大，對植物耗水的補(bǔ)給作用越弱（亢連強(qiáng)等，2007）。

近幾十年來，毛烏素沙地生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，地下水位逐漸下降（徐小玲和延軍平，2003）。地下水位的下降，減少了作物對地下水的利用，在同樣氣象條件下，所需灌溉量增多。為了推算不同地下水埋深下玉米對地下水的利用量，在Hydrus-1D模型的基礎(chǔ)上，將模擬土層改為200 cm深，利用研究年氣象條件，在地下水平均埋深112.1 cm的基礎(chǔ)上降低地下水位，推測在不同地下水位埋深條件下玉米對地下水的利用量。其中假定作物生長狀態(tài)不變，為了滿足水分需求，需相應(yīng)增加灌溉量，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同地下水埋深條件下春玉米水分利用情況Fig.6 Groundwater uptake of spring coin under different depth

結(jié)果顯示，隨著地下水位的不斷下降，玉米對地下水的利用量逐漸減小，所需灌溉量相應(yīng)增加。當(dāng)?shù)叵滤幌陆档铰裆顬?47 cm的時候，玉米生長將不再利用地下水，而此時的灌溉量需要432.45 mm。所以，在毛烏素沙地，隨著生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，地下水位的不斷下降，當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)將會面臨更大的壓力。

3 結(jié)論

基于原位監(jiān)測和Hydrus-1D模擬，對毛烏素沙地地下水淺埋區(qū)春玉米田間水分動態(tài)進(jìn)行研究，結(jié)論如下：

（1）毛烏素沙地地下水埋深較淺，地下水與土壤水之間聯(lián)系緊密。受根系吸水和氣象因素的影響，10?—?40 cm深土層水分變化劇烈，而50 cm深以下土層水分變化受地下水的影響更顯著。

（2）玉米全生育期的蒸散總量為580.32 mm，其中蒸發(fā)占比為31%。玉米的生長與地下水有密切的聯(lián)系，地下水對玉米生長的水分貢獻(xiàn)量為220.09 mm，占耗水總量的37.9%。

（3）現(xiàn)有的灌水量造成了水分的深層滲漏，為合理利用和保護(hù)水資源，在不改變灌溉方式的情況下，可將灌溉量減少為原水量的72%。

（4）地下水位的下降會減少作物對地下水的利用量，并且引起灌溉量的增加，當(dāng)?shù)叵滤幌陆档铰裆顬?47 cm的時候，玉米生長將不再利用地下水，而此時灌溉量也達(dá)到最大為432.45 mm。