東北寒區(qū)黑土稻田土壤水分剖面二維運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

楊 霞，邵東國(guó)，徐保利

（武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072）

1 研究背景

水稻作為黑龍江省主要高產(chǎn)作物，是全省糧食穩(wěn)定與安全的重要保障基礎(chǔ)。隨著水資源短缺，季節(jié)性干旱頻繁發(fā)生等問題出現(xiàn)，用水矛盾逐漸突出，農(nóng)業(yè)用水形式嚴(yán)峻。水稻作為耗水大戶，用水量占農(nóng)業(yè)總用水量的65%以上，因此，盡可能挖掘稻田節(jié)水潛力，是降低農(nóng)業(yè)用水總量，提高灌溉用水效率的有效途徑[1］。稻田土壤水分狀況直接影響水稻作物生長(zhǎng)發(fā)育與產(chǎn)量形成，探究土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律，明確稻田滲漏來源和損失對(duì)實(shí)現(xiàn)水資源高效利用具有重要意義[2-3］。

多年來，相關(guān)學(xué)者通過開展田間原位試驗(yàn)監(jiān)測(cè)各水分要素變化情況，分析稻田耕作層、犁底層的入滲性能，同時(shí)探討了不同灌溉方式、土壤耕作年限等對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)、稻田垂直滲漏以及作物產(chǎn)量等的影響[4-7］。由于田間試驗(yàn)存在試驗(yàn)周期長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)困難，試驗(yàn)條件難以控制等問題，室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)逐漸發(fā)展和完善，為研究土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供了有效方法：Jahanshir等[8］基于Green-Ampt方法確定了定水頭入滲條件下分層土壤的水力特性參數(shù)，分析了不同質(zhì)地土層的組合形式差異對(duì)土柱入滲性能的影響；雷廷武等[9］設(shè)計(jì)一套能夠連續(xù)測(cè)量土壤水分入滲的測(cè)試裝置，可連續(xù)觀測(cè)土壤耕作層與犁底層水分入滲速率隨時(shí)間變化規(guī)律。也有較多針對(duì)于土壤不同分層厚度、分層數(shù)量及灌溉水層條件下的土壤水分運(yùn)動(dòng)特征的研究[10-12］。地下水位對(duì)土壤上升毛管水運(yùn)動(dòng)影響也是研究土壤水分運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要部分[13］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)學(xué)模擬模型如HYDRUS、SWAP、SWMS等也開始較廣泛地應(yīng)用于該領(lǐng)域，為監(jiān)測(cè)土壤水分動(dòng)態(tài)變化，探明水分運(yùn)動(dòng)路徑，研究水量平衡關(guān)系提供技術(shù)支持[14-17］。

但現(xiàn)有研究大多集中于稻田非飽和土壤的一維運(yùn)動(dòng)，對(duì)稻田土壤水分的二維運(yùn)動(dòng)過程及定量估算分層土壤滲漏量的研究較少，尤其是針對(duì)東北寒區(qū)黑土稻田研究不多。稻田土壤在干濕交替狀況下，容易形成結(jié)構(gòu)性裂縫[18］。黑土區(qū)稻田土壤分層明顯，結(jié)構(gòu)差異較大：耕作層黑土土壤黏重，往往呈現(xiàn)出土壤持水性強(qiáng)，含水率高的狀態(tài)；耕作層以下存在約15 cm的犁底層，其密實(shí)結(jié)構(gòu)抑制土壤水分的下滲；犁底層以下底土層為質(zhì)地松軟的黃土土壤，透水性強(qiáng)。層間結(jié)構(gòu)差異能夠有效抑制水分垂直滲漏，但會(huì)同時(shí)促進(jìn)水分沿疏松多孔的土層以及相鄰兩層之間的結(jié)構(gòu)性孔隙側(cè)向滲流至田塊外部排水溝，形成水分流失。同時(shí)，持水性較差的底土層也會(huì)加劇土壤深層滲漏。因此，有必要對(duì)黑土區(qū)稻田分層土壤水分剖面二維運(yùn)動(dòng)規(guī)律尤其是水分側(cè)向滲流進(jìn)行深入探究。HYDRUS-2D模型是用來模擬水分及溶質(zhì)二維運(yùn)動(dòng)過程，目前主要集中于研究田間溝灌、地下灌溉條件下的水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律等，也有學(xué)者用以模擬渠道滲漏、溶質(zhì)運(yùn)移等方面[19-21］。模型是否能夠用以模擬東北黑土區(qū)稻田水分運(yùn)動(dòng)特性，還有待檢驗(yàn)。

本文通過設(shè)計(jì)室內(nèi)二維垂直入滲與側(cè)滲裝置，增加柱壁側(cè)滲孔，分層收集側(cè)滲水量，開展控制地表灌溉水層與地下水水位條件下的東北黑土區(qū)稻田分層土壤與均質(zhì)土壤水分二維運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，基于HYDRUS-2D軟件反演土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)，建立稻田分層與均質(zhì)土壤水分二維運(yùn)動(dòng)模型；探討分層與均質(zhì)土柱入滲速率、側(cè)滲速率、垂直滲漏速率隨時(shí)間變化規(guī)律以及各土柱水量平衡關(guān)系；模擬不同情景下土壤側(cè)向滲漏，揭示稻田灌溉水層深度、犁底層厚度及地下水位對(duì)側(cè)滲輸出的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)室內(nèi)試驗(yàn)裝置分別由圓柱形有機(jī)玻璃柱、自動(dòng)控制供排水裝置以及馬氏瓶實(shí)現(xiàn)土壤水分運(yùn)動(dòng)過程、恒定地下水位條件和地表灌溉水層深度控制功能，如圖1所示。

圖1 室內(nèi)二維試驗(yàn)裝置示意圖（單位：cm）

有機(jī)玻璃柱分為外柱和內(nèi)柱，內(nèi)柱中裝填土壤，其柱壁打設(shè)側(cè)滲孔（孔徑及孔間距均為2 mm），觀測(cè)土壤水分側(cè)滲輸出，涉及耕作層15 cm土壤，犁底層土壤以及底土層20 cm土壤，均勻分布在距離玻璃內(nèi)柱頂部25 cm以下50 cm高度上。為實(shí)現(xiàn)分層（表1）收集側(cè)滲水，在相鄰兩層土壤的有機(jī)玻璃內(nèi)柱銜接處，安裝環(huán)形有機(jī)玻璃側(cè)滲槽，通過外接水管，收集各層側(cè)滲水量，最下層側(cè)滲水量則由內(nèi)外柱之間形成的環(huán)形區(qū)域承接并排出收集。每日收集兩次側(cè)滲水，并稱量記錄。在土柱每層土壤中部同一平面位置分別布設(shè)土壤水分探頭與土壤負(fù)壓探頭，連接外部數(shù)據(jù)采集器，實(shí)現(xiàn)土壤含水率與負(fù)壓數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)采集與自動(dòng)儲(chǔ)存，水分探頭試驗(yàn)前與烘干法測(cè)定的含水率對(duì)比校正。有機(jī)玻璃土柱下部設(shè)有10 cm高度的供水室，保證地下水均勻上升至設(shè)定水位高度，供水室頂部側(cè)面開小孔連接軟管排除內(nèi)部空氣。土壤填充高度為90 cm，整個(gè)有機(jī)玻璃柱高度為120 cm。

2.2 供試土壤與試驗(yàn)方法試驗(yàn)土壤來自黑龍江省慶安灌溉試驗(yàn)站稻田。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地觀測(cè)稻田土壤剖面，發(fā)現(xiàn)0～20 cm耕作層土壤主要為質(zhì)地黏重的黑土，其下約15 cm土壤呈黑黃色，質(zhì)地堅(jiān)硬，為犁底層；犁底層以下土壤主要為黃土，結(jié)構(gòu)均勻，土質(zhì)較松軟，砂粒含量明顯增加，為底土層。本地區(qū)稻田土壤基本理化性質(zhì)平均值為：有機(jī)質(zhì)含量4.14 g/kg，pH值6.40，全氮15.06 g/kg，全磷15.23 g/kg，全鉀20.11 g/kg，堿解氮154.36 mg/kg，有效磷25.33 mg/kg和速效鉀157.25 mg/kg。

設(shè)計(jì)分層土柱和均質(zhì)土柱兩種類型開展室內(nèi)稻土二維運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，相互對(duì)照分析。室內(nèi)分層土柱按照稻田實(shí)際分層順序與土層厚度裝填，均質(zhì)土柱由各層土壤按比例混合。試驗(yàn)測(cè)定分層土壤與均質(zhì)土壤各層物理性質(zhì)見表1。

表1 室內(nèi)土柱土壤基本物理特性參數(shù)

試驗(yàn)按照如下步驟進(jìn)行：（1）將供試土壤風(fēng)干后磨細(xì)過2 mm篩，并按照設(shè)計(jì)容重要求及分層情況（圖1）每次5 cm高度裝填進(jìn)有機(jī)玻璃柱，并在指定土層位置安裝土壤水分探頭并連接數(shù)據(jù)采集器；（2）連接自動(dòng)供排水裝置對(duì)土柱進(jìn)行地下水供應(yīng)并控制其埋深為60 cm（即30 cm水位條件），同時(shí)記錄毛管水上升濕潤(rùn)峰，當(dāng)供排水裝置記錄的供水量在一定時(shí)間不發(fā)生改變時(shí)，則表明達(dá)到設(shè)定的地下水水位條件；（3）連接馬氏瓶進(jìn)行地表恒定水層（5 cm）入滲試驗(yàn)，并記錄馬氏瓶?jī)?nèi)水量的變化情況；（4）當(dāng)土柱內(nèi)各土層含水率均達(dá)到飽和并持續(xù)一段時(shí)間后，試驗(yàn)結(jié)束。

3 基于HYDRUS-2D的土壤水分運(yùn)動(dòng)模型

3.1 模型構(gòu)建將稻田土壤水分運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為二維運(yùn)動(dòng)，模型利用Richards方程計(jì)算土壤水分二維入滲過程[22］：

式中：C為容水度，cm；h為土壤壓力水頭，cm；t為時(shí)間，h；x，z為水平向/垂向坐標(biāo)，cm；K（h）為非飽和導(dǎo)水率，cm/min。選用HYDRUS提供的van Genuchten-Mualem公式計(jì)算土壤水力特性參數(shù)[23］：

式中：Ks為土壤飽和導(dǎo)水率，cm/d；Se為土壤相對(duì)飽和度；qr為土壤凋萎含水率，cm3/cm3；qs為土壤飽和含水率，cm3/cm3；m、n、α、l均為擬合參數(shù)，l取0.5。

本次研究主要考慮土壤水分沿圖1中x軸水平側(cè)向以及沿z軸垂直運(yùn)動(dòng)特性，同一層土壤忽略其各向異性和土壤水力特性參數(shù)的非均勻性，因此建立與土柱對(duì)應(yīng)二維矩形模擬區(qū)域，寬度28 cm，高度90 cm，所建立模擬區(qū)域坐標(biāo)原點(diǎn)o、x軸及z軸選取如圖1所示。模擬區(qū)域內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置在土柱內(nèi)土壤水分探頭對(duì)應(yīng)位置處。試驗(yàn)過程中土柱上部加蓋可移動(dòng)柱蓋，試驗(yàn)時(shí)間較短，忽略水量蒸發(fā)損失。模型模擬的初始狀態(tài)為地下水位達(dá)到恒定，毛管水保持上升穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)土壤田面無壓力水頭，試驗(yàn)前根據(jù)土柱各層負(fù)壓傳感器測(cè)得土壤初始負(fù)壓水頭值作為模型初始條件，兩負(fù)壓傳感器之間土壤區(qū)域采用線性插值得到負(fù)壓水頭值[24-25］。設(shè)定模擬區(qū)域上邊界為定壓力水頭（5 cm）邊界；下邊界為恒定地下水位（30 cm水頭）邊界；左右分布側(cè)滲孔的邊界為側(cè)滲面邊界；其余均為零通量邊界。HYDRUS軟件采用有限元法將模擬區(qū)域離散成網(wǎng)格進(jìn)行求解，網(wǎng)格尺寸均設(shè)定為0.5 cm。

土壤水力特性參數(shù)的準(zhǔn)確性對(duì)于反映實(shí)際土壤水分運(yùn)動(dòng)過程具有重要意義[24］。利用HYDRUS自帶的Rosetta模塊通過輸入表1中土壤質(zhì)地及容重參數(shù)預(yù)測(cè)土壤水力學(xué)參數(shù)，模擬各土柱土壤水分運(yùn)動(dòng)，模擬得到土壤含水率及負(fù)壓值與實(shí)測(cè)值吻合度不理想（平均相對(duì)誤差達(dá)到15%）。為進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)，調(diào)用模型中Inverse Solution子模塊利用試驗(yàn)時(shí)段各層土壤含水率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演求得主要土壤水力學(xué)參數(shù)（飽和水力傳導(dǎo)度Ks、擬合參數(shù)α、n），得出的分層土壤與均質(zhì)土壤的水力學(xué)特性參數(shù)見表1。

3.2 模型參數(shù)反演效果驗(yàn)證由表1中列出的反演后土壤水力學(xué)參數(shù)值可知，參數(shù)α在反演前后變化不大；n和Ks值變化較明顯，n值影響土壤水分特征曲線的形狀，Ks值影響土壤性質(zhì)及滲透能力，因此對(duì)n和Ks值的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)能更真實(shí)反映稻田土壤水力特征與水分運(yùn)動(dòng)過程[25］；耕作層和犁底層反演后Ks值變小，底土層與均質(zhì)土柱Ks值變大，說明利用Rosetta模塊預(yù)測(cè)值較大的估計(jì)了耕作層與犁底層土壤的滲透能力，反之低估了較疏松土層的滲透性。利用反演后的土壤水力特性參數(shù)建立水分運(yùn)動(dòng)模型模擬分層與均質(zhì)土柱各觀測(cè)點(diǎn)土壤含水率，得到的模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖2所示。同時(shí)，利用統(tǒng)計(jì)參數(shù)相對(duì)均方差RE計(jì)算土柱土壤含水率及入滲速率、側(cè)滲速率、垂直滲漏速率模擬值和實(shí)測(cè)值的擬合效果，RE計(jì)算表達(dá)式為：

式中：n為模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)目；Oi、Pi分別為i時(shí)刻觀測(cè)值和模擬值；RE的理想值為0。計(jì)算結(jié)果見表2。

由圖2可看出，含水率數(shù)據(jù)點(diǎn)集中在y=x線附近，模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較一致。根據(jù)表2中統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果，由于裝置試驗(yàn)未收集到分層土壤犁底層側(cè)滲水與垂直滲漏水（滲漏量并未達(dá)到自動(dòng)供排水設(shè)置的收集下限，無法記錄），因此沒有進(jìn)行統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算。另外，均質(zhì)土壤土柱側(cè)滲速率的分析基于整個(gè)側(cè)滲面進(jìn)行。

圖2 各觀測(cè)點(diǎn)土壤含水率對(duì)比

表2 土壤含水率及入滲速率、側(cè)滲速率、垂直滲漏速率模擬效果統(tǒng)計(jì)參數(shù)RE

從表2中RE的計(jì)算結(jié)果可以看出，分層土壤與均質(zhì)土壤含水率模擬誤差較小，側(cè)滲速率的模擬誤差較大，由于稻田土壤水分水平側(cè)向運(yùn)動(dòng)受到垂直方向和水平方向的雙向壓力差作用，因此其側(cè)向運(yùn)動(dòng)過程較復(fù)雜，模擬精度還有待于進(jìn)一步提高。

4 結(jié)果分析與討論

4.1 不同土壤類型二維運(yùn)動(dòng)速率分析

4.1.1 土壤水分入滲速率分析 由圖3可知，分層土柱與均質(zhì)土柱入滲速率變化規(guī)律比較一致：前期入滲速率較大，之后在很短時(shí)間內(nèi)迅速降低并達(dá)到穩(wěn)定。均質(zhì)土壤達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間較短，穩(wěn)定后分層土柱與均質(zhì)土柱入滲速率分別為0.056和0.609 cm/h。均質(zhì)土柱土質(zhì)結(jié)構(gòu)均勻，當(dāng)土壤達(dá)到飽和后，易形成連續(xù)入滲通道，滲透性強(qiáng)，入滲速率曲線可能形成陡降趨勢(shì)，同時(shí)增大了穩(wěn)定入滲速率值；分層土柱各層土壤層間結(jié)構(gòu)差異形成了一定的減滲性[26］，且耕作層土壤為質(zhì)地黏重，結(jié)構(gòu)密實(shí)的黑土，能夠有效抑制水分入滲。

圖3 分層與均質(zhì)土柱土壤水分入滲速率變化

結(jié)合圖3和表2結(jié)果，模擬效果總體比較理想，基于Inverse Solution模塊反演的土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)建立的HYDRUS土壤水分二維運(yùn)動(dòng)模型模擬準(zhǔn)確度較高，結(jié)果能夠描述土壤水分二維運(yùn)動(dòng)過程。

4.1.2 土壤水分水平側(cè)滲速率分析 對(duì)于分層土柱（圖4（a）），試驗(yàn)過程中沒有收集到犁底層側(cè)滲水量，模型中該值也顯示為零，說明15 cm的犁底層是稻田密實(shí)土層，能夠有效阻止水分發(fā)生側(cè)滲。上層耕作層在試驗(yàn)進(jìn)行將近20 h后開始發(fā)生側(cè)滲，側(cè)滲速率逐漸升高至下層開始發(fā)生側(cè)滲時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定后的側(cè)滲速率較小，為0.007 cm/h。相反，犁底層以下的黃土層（底土層）表現(xiàn)出相對(duì)較大的側(cè)滲速率，實(shí)際的確在該層產(chǎn)生了較大的側(cè)滲水量，其側(cè)滲速率變化呈現(xiàn)上下波動(dòng)，但是基本穩(wěn)定在0.023 cm/h附近。均質(zhì)土柱（圖4（b））的側(cè)滲速率較大，前期速率值下降快，之后側(cè)滲范圍內(nèi)土柱達(dá)到飽和之后，曲線也出現(xiàn)了陡降趨勢(shì)，側(cè)滲速率逐漸保持穩(wěn)定，穩(wěn)定后的側(cè)滲速率為0.081 cm/h。均質(zhì)土柱土壤結(jié)構(gòu)均勻，可能存在連貫的水平滲流通道[27］，容易發(fā)生側(cè)滲。該結(jié)果說明土壤分層特征在一定程度上為側(cè)滲提供了流通的通道，但均質(zhì)土柱的側(cè)滲速率明顯大于分層土柱各層側(cè)滲速率，表明土壤本身的滲透性能對(duì)側(cè)滲過程的影響是很大的。

圖4 分層與均質(zhì)土柱土壤水分側(cè)滲速率變化

4.1.3 土壤水分垂直滲漏速率分析 實(shí)測(cè)垂直滲漏量來源于自動(dòng)供排水裝置記錄的排出水量，模擬值為試驗(yàn)期間模擬區(qū)域下邊界輸出水量。前文提到，分層土柱試驗(yàn)期間未記錄到垂直滲漏數(shù)據(jù)，表明該值非常小，低于自動(dòng)供排水裝置記錄下限值，模型模擬值很小，穩(wěn)定后的分層土壤垂直滲漏速率為0.029 cm/h，如圖5所示。分層土壤的耕作層中下部與犁底層均發(fā)揮了抑制水分垂直入滲的作用，同時(shí)可能促進(jìn)了水分沿層間的水平運(yùn)動(dòng)[15］，且垂直方向由于土壤分層，可能在層間產(chǎn)生部分滯留空氣影響水分垂直入滲。因此，大部分滲漏水由水平側(cè)滲輸出，或進(jìn)入下層并由下層側(cè)滲輸出，真正垂直滲漏至地下水的部分較少。這部分將在下文水平衡關(guān)系中用具體數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析。均質(zhì)土柱垂直方向無分層，水分流通性較好，其垂直滲漏大于分層土柱，均質(zhì)土壤垂直滲漏速率為0.086 cm/h，但低于側(cè)滲速率。

圖5 分層與均質(zhì)土柱土壤水分垂直滲漏速率變化

4.2 不同土壤類型水量平衡分析表3、表4分析了分層土柱與均質(zhì)土柱的水平衡關(guān)系。土壤輸入水量為累積入滲量，包括上邊界灌水及地下水上升補(bǔ)給。累積入滲量一部分用以滿足土壤自身儲(chǔ)水，另一部分通過土壤輸出，主要為側(cè)向滲漏和垂向滲漏。分層土柱達(dá)到飽和歷時(shí)較長(zhǎng)，飽和期間伴隨著側(cè)向滲漏，而均質(zhì)土柱很快達(dá)到飽和，飽和之后開始發(fā)生滲漏。

由表3、表4可知，分層土柱與均質(zhì)土柱達(dá)到飽和入滲分別歷時(shí)54 h、3 h，兩土柱在此過程中均有大約20%的入滲水量由地下水上升補(bǔ)給，主要補(bǔ)給底土層，期間無垂向滲漏產(chǎn)生，各土層土壤儲(chǔ)水量由初始含水率決定，累積入滲量主要貢獻(xiàn)給土壤儲(chǔ)水。前期入滲至飽和階段分層土柱（表3）側(cè)向滲漏占有比例較小，為10.2%，35 cm以下土層的側(cè)向滲漏是整個(gè)土柱側(cè)向滲漏的主要途徑；均質(zhì)土柱（表4）入滲水量基本全部補(bǔ)給土壤儲(chǔ)水。

當(dāng)土柱達(dá)到飽和后，兩土柱上邊界灌水和地下水基本不再補(bǔ)給土壤儲(chǔ)水，此時(shí)上邊界灌水通過側(cè)向滲漏和垂向滲漏輸出，均質(zhì)土柱累積入滲水量明顯大于分層土柱。分層土柱達(dá)到飽和后垂向滲漏占27.55%，其余均由側(cè)向滲漏排出，主要為底土層側(cè)滲，耕作層側(cè)滲比例小，犁底層無側(cè)滲輸出，表明稻田土壤根系層以及密實(shí)土層以下土壤是產(chǎn)生滲漏的主要途徑；均質(zhì)土柱穩(wěn)定入滲過程中累積入滲量顯著大于分層土柱，且側(cè)滲量占有較大比例（83.85%），主要以土柱上部和下部土壤側(cè)滲為主，中間部分側(cè)滲量較少，表明均質(zhì)土柱側(cè)滲現(xiàn)象大多產(chǎn)生于靠近地下水的下層土壤部分，中層很少，上層由于灌水原因也會(huì)占有一定比例。以上分析表明東北寒區(qū)黑土稻田土壤滲漏大多以側(cè)向滲漏為主，靠近地下水的底土層是側(cè)滲的主要途徑，同時(shí)水量損失差異與土壤分層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，均質(zhì)土壤持水能力差，易形成滲漏損失。

表3 分層土柱水量平衡關(guān)系

表4 均質(zhì)土柱水量平衡關(guān)系

4.3 不同控制條件對(duì)分層土壤側(cè)滲輸出的影響分析

4.3.1 模擬情景設(shè)計(jì) 根據(jù)上述分析，稻田側(cè)滲是主要滲漏形式。因此本節(jié)選取影響側(cè)滲的幾個(gè)因素，利用驗(yàn)證后的稻田土壤水分二維運(yùn)動(dòng)模型模擬不同條件下土壤側(cè)向滲漏量，分析不同條件對(duì)土壤側(cè)滲輸出的影響規(guī)律。結(jié)合上述分析結(jié)果及相關(guān)研究[16，28］，選定稻田田面灌溉水層、犁底層厚度、地下水水位作為控制條件，選取相應(yīng)數(shù)據(jù)變化梯度進(jìn)行模擬，設(shè)置情景如表5所示。

表5 三種控制條件情景設(shè)置情況

4.3.2 模擬結(jié)果分析 引入“單寬側(cè)滲量”，即沿土層單位高度輸出的側(cè)向滲漏水流量，由于土柱被簡(jiǎn)化二維，因此這里稱為“單寬”，以此分析不同控制條件變化對(duì)土壤水分側(cè)滲輸出的影響。

由圖6可知，灌溉水層、犁底層厚度以及地下水水位的變化對(duì)犁底層的單寬側(cè)滲輸出無明顯影響，由于耕作層為結(jié)構(gòu)密實(shí)的黑土層，底土層為質(zhì)地松軟的黃土層，當(dāng)水分通過阻水能力較強(qiáng)的黑土層后，上下之間壓力差作用增強(qiáng)了水分通過中層垂直補(bǔ)給下層的能力，因此，中層基本無側(cè)滲水量。灌溉水層的增加對(duì)耕作層影響最大，當(dāng)灌溉水層增加至20 mm時(shí)，耕作層開始產(chǎn)生側(cè)滲，水層每增加10 mm，平均增幅達(dá)到117.79%，并且增幅以較大的增長(zhǎng)速度（177.12%）增加；對(duì)底土層影響較小，增幅為2.71%，但較淺的灌溉水層依然促進(jìn)了底土層的側(cè)滲。表明控制灌溉水層深度，能夠有效降低稻田耕作層土壤的側(cè)滲輸出，水層在增加至30 mm以上時(shí)側(cè)滲增加明顯，因此將灌溉水層控制在30 mm左右既能不顯著增加側(cè)滲損失又能一定程度保證作物需水。

圖6 不同控制條件變化對(duì)土壤單寬側(cè)滲量影響

犁底層厚度的增加對(duì)耕作層單寬側(cè)滲量影響很小，主要影響底土層的側(cè)滲輸出，犁底層厚度每增加5 cm，底土層單寬側(cè)滲量平均增加38.39%，漲幅增長(zhǎng)速度約達(dá)到12%，進(jìn)一步說明了犁底層厚度的增加發(fā)揮了更強(qiáng)的阻水作用，促進(jìn)淺層地下水對(duì)吸水性較強(qiáng)的底土層的補(bǔ)給作用，一定程度貢獻(xiàn)了單寬側(cè)滲量。

當(dāng)?shù)叵滤恍∮? m時(shí)，耕作層單寬側(cè)滲量的降幅為11.08%，底土層側(cè)滲輸出量最大；當(dāng)?shù)叵滤淮笥? m后，耕作層單寬側(cè)滲量的平均降幅降低為2.62%，底土層單寬側(cè)滲量為零。說明底土層對(duì)地下水水位變化更加敏感，同時(shí)地下水水位的變化對(duì)總體側(cè)滲量產(chǎn)生了很大的影響。將地下水水位控制在1 m左右，能夠較好地控制側(cè)滲輸出水量，同時(shí)也能保持一定的地下水上升補(bǔ)給。

5 結(jié)論

利用HYDRUS-2D中Inverse Solution子模塊反演所得土壤水力特性參數(shù)，分別建立分層與均質(zhì)土壤水分二維運(yùn)動(dòng)模型，結(jié)果表明土壤含水率及入滲速率等實(shí)測(cè)值與模擬值基本一致，反演所得參數(shù)較合理，總體模擬效果較理想。

開展分層土壤與均質(zhì)土壤入滲試驗(yàn)，在有機(jī)玻璃柱柱壁設(shè)置側(cè)滲孔，實(shí)現(xiàn)分層收集土壤側(cè)滲水量，并分析二維運(yùn)動(dòng)速率。結(jié)果表明當(dāng)入滲穩(wěn)定后，分層土柱的入滲速率、側(cè)滲速率及垂直滲漏速率均小于均質(zhì)土柱，說明土壤分層結(jié)構(gòu)是影響水分運(yùn)動(dòng)速率的主要因素。且分層土柱不同層側(cè)滲速率不同，底土層側(cè)滲速率大于耕作層，犁底層未觀測(cè)到側(cè)滲輸出；分層土柱垂直滲漏速率非常小，表明了稻田耕作層黑土結(jié)構(gòu)與犁底層能夠有效抑制水分下滲。

分析水量平衡關(guān)系，分層土柱與均質(zhì)土柱均有超過20%的土壤儲(chǔ)水來自于地下水補(bǔ)給，當(dāng)分層土壤與均質(zhì)土壤達(dá)到穩(wěn)定入滲狀態(tài)后，側(cè)向滲漏水量分別占總?cè)霛B水量的72.45%和83.85%，說明土壤本身的性質(zhì)對(duì)毛管力作用及側(cè)滲輸出影響較大。分層土壤發(fā)生側(cè)滲的主要部位是底土層，其側(cè)滲量占總側(cè)滲量的87.54%，均質(zhì)土壤側(cè)滲現(xiàn)象大多產(chǎn)生于近地下水的底層土壤部分，中層很少，上層也占有一定的比例。

探究三種因素對(duì)分層土壤側(cè)滲的影響，灌溉水層的增加增大了耕作層與底土層單寬側(cè)滲量。當(dāng)水層增加至30 mm時(shí)，耕作層與底土層單寬側(cè)滲量漲幅加快，說明灌溉水層維持在30 mm以下可以有效降低土壤側(cè)滲輸出；犁底層厚度增加增強(qiáng)了阻水作用，進(jìn)一步促進(jìn)底土層對(duì)地下水吸收，從而引起底土層更大的單寬側(cè)滲量，因此，犁底層應(yīng)保持適宜厚度（10～15 cm）有利于減少水分滲漏同時(shí)增強(qiáng)土壤通透性。地下水位埋深在1 m上下有明顯的差異，當(dāng)埋深小于1 m時(shí)，耕作層與底土層側(cè)滲量較大，前者小于后者；當(dāng)埋深大于1 m時(shí)，土壤側(cè)滲輸出顯著降低，尤其是底土層降低明顯。說明地下水水位埋深在1 m左右，能夠較好地控制側(cè)滲輸出水量，同時(shí)能保持一定的地下水上升補(bǔ)給。