不同土質(zhì)的淺層土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律模擬
----以內(nèi)蒙古解放閘灌域?yàn)槔?/h1>

2019-03-06 08:19:52周亮，蘇濤，趙令

節(jié)水灌溉訂閱 2019年2期 收藏

關(guān)鍵詞：粉砂壤土土質(zhì)

周 亮，蘇 濤，趙 令

(安徽理工大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，安徽 淮南 232000)

河套灌區(qū)是黃河流域在內(nèi)蒙古的一個(gè)十分重要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)，也是我國(guó)西北部的一個(gè)農(nóng)業(yè)重地。灌區(qū)年降水變化大并且分配不均，水資源匱乏，蒸發(fā)強(qiáng)烈，所以，引黃河水灌溉尤為重要[1]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期引黃灌溉，河套灌區(qū)土壤含鹽量與日俱增，土質(zhì)發(fā)生很大變化，形成復(fù)雜的土壤環(huán)境，農(nóng)田水鹽平衡關(guān)系受到影響，從而影響到作物的正常生長(zhǎng)。近些年有關(guān)水鹽運(yùn)移的研究成為焦點(diǎn)，Jiang等(2005年)認(rèn)為在負(fù)壓灌溉中黏壤土較之砂土具有更好的灌溉效果，原因是黏壤土相同時(shí)間的累計(jì)入滲量、最大水平和垂直濕潤(rùn)距離均比砂土大；余根堅(jiān)等(2013年)利用HYDRUS-1D/2D數(shù)值模型對(duì)內(nèi)蒙古河套灌區(qū)不同灌水模式下土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了不同灌溉條件下的水鹽運(yùn)移狀態(tài)，結(jié)果表明溝灌能夠有效控制土壤鹽分的累積；潘延鑫等(2017年)利用HYDRUS-1D模型研究了鹵泊灘鹽堿地農(nóng)田土壤剖面水鹽分布特征及土壤水鹽運(yùn)移時(shí)空變異規(guī)律，結(jié)果表明實(shí)施合理的田間灌水定額對(duì)土壤鹽分累積的控制有利；李亮等(2010年)利用HYDRUS-1D模型模擬了荒地土壤水鹽的遷移規(guī)律，結(jié)果闡明荒地水鹽運(yùn)移的原動(dòng)力是強(qiáng)蒸發(fā)，荒地在作物生育期是積鹽的過(guò)程，而在秋澆期是流失鹽分的過(guò)程。

最近幾十年來(lái)，水鹽運(yùn)移的研究都是在田間灌溉制度的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，作物的灌水方式和灌水定額對(duì)土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律模擬日趨完善，但是對(duì)于區(qū)域土質(zhì)分布復(fù)雜的灌域的田間水鹽運(yùn)移規(guī)律模擬有待進(jìn)一步探究。本文通過(guò)HYDRUS-1D模型，以田間試驗(yàn)為基礎(chǔ)，模擬田間土壤表層含水量和電導(dǎo)率變化，利用模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，論證模型的可靠性，并模擬分析田間不同土壤土質(zhì)條件下水鹽運(yùn)移規(guī)律，為土質(zhì)復(fù)雜的灌域水鹽運(yùn)移規(guī)律研究及水鹽管理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)

研究地區(qū)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)中西側(cè)的解放閘灌域，南臨黃河，北靠陰山，東與永濟(jì)灌域鄰接，西與烏蘭布和沙漠交界。地理位置位于東經(jīng)106°43′～107°27′，北緯40°34′～41°14′，海拔在1 030～1 046 m之間，地勢(shì)平坦[2-6]。地處干旱、半干旱、半荒漠草原地帶，屬于西北部季風(fēng)中溫帶亞干旱氣候區(qū)，具有顯著的大陸性氣候特征，年平均降水量37.4 mm，年平均蒸發(fā)量2 046.5 mm，年平均蒸發(fā)量是年平均降水量的54.71倍，降水稀少并且集中在6-9月。由于降水少，地下水開(kāi)采有限，研究區(qū)灌溉用水主要引自黃河，黃灌面積占灌溉總面積的85.98%。

1.2 實(shí)驗(yàn)布置

以解放閘灌域?yàn)檠芯繀^(qū)，玉米作物為研究對(duì)象。如圖1所示，在解放閘灌域玉米種植區(qū)選取試驗(yàn)點(diǎn)，經(jīng)土質(zhì)檢測(cè)知：試驗(yàn)點(diǎn)0～20 cm土質(zhì)相同，均為壤土。在試驗(yàn)點(diǎn)布置觀測(cè)斷面，使用TRIME-PICO IPH TDR對(duì)每層土壤含水量進(jìn)行測(cè)定。觀測(cè)時(shí)間為2011年6月20日至2011年7月20日，一共30 d，每5 d觀測(cè)一次。

圖1 解放閘灌域試驗(yàn)區(qū)示意圖

2 方法描述

2.1 HYDRUS-1D模型

HYDRUS-1D模型是美國(guó)鹽土實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的模擬非飽和介質(zhì)中一維水分、熱、溶質(zhì)運(yùn)移的模型[7]。近些年經(jīng)過(guò)改進(jìn)和完善，模型在土壤中水分、鹽分、農(nóng)藥、能量和土壤氮素遷移方面得到廣泛的應(yīng)用[8-10]。該模型能夠較好地模擬水分、鹽分和能量在土壤中的分布以及時(shí)空變化和運(yùn)移規(guī)律，方便地解決農(nóng)業(yè)有關(guān)問(wèn)題，如灌溉、施肥、作物種植及環(huán)境污染等等。在模擬多孔介質(zhì)中一維飽和—非飽和水流和鹽分運(yùn)移時(shí)水分模擬中具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡鷹l件，考慮了根系吸水，有多種可供選擇的水力模型、土壤介質(zhì)水力參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)和不同植物根系作用的數(shù)據(jù)庫(kù)，還有靈活多變的邊界條件，上邊界條件有6種類型，下邊界條件有8種類型，根據(jù)實(shí)際條件來(lái)確定不同的邊界類型。鹽分運(yùn)移方程中也包含了離子和分子的擴(kuò)散、水動(dòng)力擴(kuò)散、線性或非線性吸附平衡以及一級(jí)衰減[11]。

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 土壤水分運(yùn)動(dòng)基本方程

以土壤表面為基準(zhǔn)面，坐標(biāo)軸向下為正方向，根據(jù)連續(xù)性方程和混合型Richards方程并考慮作物根系吸水，垂直一維土壤水分運(yùn)動(dòng)的定解問(wèn)題可以表示為：

(1)

式中：θ為體積含水量，cm3/cm3；D(θ)為水?dāng)U散度，cm2/d；K(θ)為非飽和水力傳導(dǎo)率，cm/d；z為土壤深度，cm；t為時(shí)間，d；S(z，t)為作物根系吸水率，cm3/d。

本實(shí)驗(yàn)采用Van Genuchten-Mualem公式處理水分特征曲線，其表達(dá)形式如下：

(2)

(3)

(4)

式中：h為負(fù)的土壤吸力；θs為土壤飽和含水量，cm3/cm3；θr為土壤風(fēng)干含水量，cm3/cm3；Ks為土壤飽和導(dǎo)水率，cm/d；Se為有效含水量(飽和度)；n和α為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；l為孔隙關(guān)聯(lián)度參數(shù)，一般取值0.5。

考慮到作物根系吸水的因素，本文采用Feddes 提出的根系吸水模型：

S(z,t)=γ(h)Sp

(5)

(6)

式中：Sp為最大根系吸水速率；h1、h2、h3和h4分別為根系吸水厭氧點(diǎn)土壤吸力、根系吸水最適點(diǎn)開(kāi)始和結(jié)束土壤吸力、根系吸水萎蔫點(diǎn)土壤吸力。

2.2.2 土壤溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)基本方程

在不考慮土壤鹽分的化合與分解、溶解與沉淀以及離子交換的情況下，以土壤可溶性鹽為研究對(duì)象，水流方程為基礎(chǔ)，根據(jù)多孔介質(zhì)溶質(zhì)運(yùn)移理論，建立飽和非飽和土壤溶質(zhì)運(yùn)移對(duì)流和水動(dòng)力彌散數(shù)學(xué)模型，方程如下：

(7)

式中：c為土壤溶液濃度，mS/cm；θ為體積含水量，cm3/cm3；D為水動(dòng)力彌散系數(shù)，cm2/d；q為滲透流速，cm/d。

根據(jù)模擬結(jié)果，以土壤水電導(dǎo)率大小來(lái)反映土壤中溶質(zhì)的含量。

2.3 模型參數(shù)與模型驗(yàn)證

2.3.1 模型參數(shù)

土壤水力參數(shù)根據(jù)實(shí)測(cè)土壤粒徑組成，由Rosetta模型初值給定參數(shù)初值，然后通過(guò)2005年試驗(yàn)區(qū)不同土質(zhì)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)擬合，確定主要的特征參數(shù)數(shù)值[12-18]。調(diào)整后的Van-Genuchten-Mualem公式中各個(gè)土壤水力參數(shù)值如表1所示。

表1 不同土質(zhì)的土壤特性參數(shù)

考慮到玉米根系吸水的問(wèn)題，其吸水參數(shù)參考Wesseling(1991年)的玉米數(shù)據(jù)庫(kù)，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 玉米吸水參數(shù)

注：r2H和r2L分別為兩個(gè)假設(shè)的作物潛在蒸騰率。

2.3.2 模型驗(yàn)證

利用數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證模型模擬得到的試驗(yàn)區(qū)2011年玉米生育期實(shí)測(cè)土壤含水率和土壤電導(dǎo)率(EC)數(shù)據(jù)的精度，如圖2和圖3所示。

圖2 各層土壤體積含水量模擬值與實(shí)測(cè)值

圖3 各層土壤電導(dǎo)率EC模擬值與實(shí)測(cè)值

對(duì)土壤含水量、電導(dǎo)率實(shí)測(cè)值與模擬值進(jìn)行兩配對(duì)樣本T檢驗(yàn)，檢驗(yàn)樣本數(shù)量為48。通過(guò)查t界值表(雙側(cè))并統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到土壤含水量、電導(dǎo)率實(shí)測(cè)值與模擬值檢驗(yàn)精度(表3)，結(jié)果表明：試驗(yàn)區(qū)2011年玉米生育期實(shí)測(cè)土壤含水率和土壤電導(dǎo)率(EC)與模擬值相關(guān)性分別為0.917、0.893。土壤含水率和電導(dǎo)率配對(duì)T檢驗(yàn)的顯著性水平P值都不在置信區(qū)間(α=0.05)，說(shuō)明土壤含水率和電導(dǎo)率的模擬值與實(shí)測(cè)值有很好相關(guān)性且無(wú)顯著差異，表明各個(gè)參數(shù)值可靠，模型模擬情況良好，能夠應(yīng)用于不同土質(zhì)下水鹽運(yùn)移研究。

表3 HYDRUS-1D模型模擬精度評(píng)價(jià)

3 結(jié)果與分析

解放閘灌域主要有4種不同土質(zhì)土壤，分別為壤土、黏壤土、粉砂質(zhì)黏壤土、壤質(zhì)黏土，利用模型模擬土層為0～20 cm，各個(gè)土層土質(zhì)相同。模擬時(shí)段為玉米的生長(zhǎng)時(shí)期(2005年6月20日至2005年8月28日)，一共70 d。采用變時(shí)間步長(zhǎng)剖分方式，據(jù)收斂迭代次數(shù)調(diào)整時(shí)間步長(zhǎng)。設(shè)定初始時(shí)間步長(zhǎng)為0.1 d，最小步長(zhǎng)為0.1 d，最大步長(zhǎng)為10 d。土壤含水量容許偏差為0.000 5，壓力水頭容許偏差為1 cm。根據(jù)解放閘灌域玉米灌溉制度(表4)，利用驗(yàn)證的水鹽運(yùn)移模型，對(duì)不同土質(zhì)的水鹽運(yùn)移進(jìn)行模擬，并進(jìn)行對(duì)比分析。

表4 解放閘灌域玉米灌溉制度調(diào)查表

3.1 不同土質(zhì)土壤含水率比較分析

圖4給出了不同土質(zhì)條件下各土層體積含水量的變化情況。由圖4可知，0～10與10～20 cm土壤體積含水量變化基本一致，10～20 cm含水量變化相對(duì)穩(wěn)定，10～20 cm土壤含水量高于0～10 cm，兩個(gè)土層土壤體積含水量差異明顯。每個(gè)灌水時(shí)期內(nèi)各土層土壤體積含水量隨著灌水而增加，且增加趨勢(shì)隨著灌水定額減小而降低。從不同土質(zhì)來(lái)看，壤土0～10 cm的平均土壤體積含水量約為19.9%，10～20 cm為35.1%；黏壤土0～10 cm的平均土壤體積含水量約為20.2%，10～20 cm為35.3%；粉砂質(zhì)黏壤土0～10 cm的平均土壤體積含水量約為21.7%，10～20 cm為36.7%；壤質(zhì)黏土0～10 cm的平均土壤體積含水量約為20.5%，10～20 cm為35.7%。其中，粉砂質(zhì)黏壤土土壤體積含水量最高。

圖4 基于不同土質(zhì)模擬各土層含水率變化

3.2 不同土質(zhì)土壤含鹽量比較分析

圖5給出了不同土質(zhì)條件下各土層電導(dǎo)率EC值的變化情況。由圖5可知，0～10與10～20 cm土壤含鹽量變化基本一致，0～10 cm土壤含鹽量高于10～20 cm。每個(gè)灌水時(shí)期內(nèi)各土層含鹽量隨著灌水而下降，且下降趨勢(shì)隨著灌水定額減小而降低。在玉米生育末期，鹽分基本都有所積累，其中，壤土和黏壤土鹽分積累量最多，這說(shuō)明壤土和黏壤土土質(zhì)最為接近，壤質(zhì)黏土鹽分累積量雖不突出，與壤土和黏壤土也較為接近，而粉砂質(zhì)黏壤土含鹽量呈下降趨勢(shì)，這說(shuō)明粉砂質(zhì)黏壤土與其他土壤土質(zhì)差別較大。在壤土中，0～10 cm含鹽量變化比10～20 cm含鹽量變化明顯。灌水定額越大，粉砂質(zhì)黏壤土與壤質(zhì)黏土中的鹽分隨著水分運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的降低效果明顯，這說(shuō)明在增加一定灌水定額的情況下，粉砂質(zhì)黏壤土與壤質(zhì)黏土土壤更利于玉米生育。

圖5 基于不同土質(zhì)模擬各土層電導(dǎo)率(EC)變化

4 討 論

在玉米拔節(jié)時(shí)期，灌水定額為1 050 m3/hm2，壤土、粉砂質(zhì)黏壤土、壤質(zhì)黏土中含水量都有所上升，壤土含水量更早達(dá)到飽和，而黏壤土由于土質(zhì)的原因含水量下降；孕穗時(shí)期，灌水定額為900 m3/hm2，粉砂質(zhì)黏壤土含水量持續(xù)小幅上升，壤土與黏壤土含水量變化穩(wěn)定，壤質(zhì)黏土含水量大幅下降，這說(shuō)明壤質(zhì)黏土含水量已達(dá)飽和；抽雄時(shí)期，灌水定額仍為900 m3/hm2，但粉砂質(zhì)黏壤土含水量下降，壤土、粉砂質(zhì)黏壤土、壤質(zhì)黏土中含水量有所上升；灌漿時(shí)期，灌水定額為750 m3/hm2，4種土壤含水量大致呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，壤土體積含水量最少，這說(shuō)明壤土透水性最好。總體來(lái)看，0～10 cm土壤含水量整體高于10～20 cm土壤含水量，0～10與10～20 cm土層土壤含水量變化規(guī)律基本一致，且相對(duì)穩(wěn)定；隨著灌水定額減少，各層土壤含水量都有減少趨勢(shì)。

各個(gè)時(shí)期土壤含鹽量變化由電導(dǎo)率變化來(lái)反映。土壤各土層電導(dǎo)率與土壤含水量變化趨勢(shì)相反，壤土各土層電導(dǎo)率先下降，后上升，再減少后升高，呈現(xiàn)波段式變化，體現(xiàn)了灌溉積鹽的過(guò)程；粉砂質(zhì)黏壤土各土層電導(dǎo)率也是先下降，后上升，再減少后升高，但變化周期長(zhǎng)，體現(xiàn)了不同土質(zhì)對(duì)土壤含鹽量的影響；黏壤土含鹽量的變化與其他土壤有所不同，但也明顯體現(xiàn)了積鹽特征。在作物生長(zhǎng)時(shí)期，壤土、黏壤土、壤質(zhì)黏土在0～10 cm土層積鹽明顯，壤土、黏壤土在10～20 cm土層積鹽顯著。粉砂質(zhì)黏壤土在各土層含鹽量都有減少趨勢(shì)。灌水定額越大，粉砂質(zhì)黏壤土、壤質(zhì)黏土各土層含鹽量減少趨勢(shì)明顯。

5 結(jié) 語(yǔ)

應(yīng)用HYDRUS-1D模型對(duì)玉米田間土壤剖面水鹽運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行模擬分析，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，該模型能夠較好地模擬水鹽在土壤中隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，可以運(yùn)用于模擬灌區(qū)土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律研究。

(1)在玉米的全生育期內(nèi)，不同土質(zhì)下0～10與10～20 cm土壤體積含水量變化基本一致，且土壤含水量隨著灌水定額的增大而增大。從不同土質(zhì)來(lái)看，壤土、黏壤土、壤質(zhì)黏土0～10 cm的平均土壤體積含水量約為20%，10～20 cm為35%；粉砂質(zhì)黏壤土0～10 cm的平均土壤體積含水量約為21.7%，10～20 cm為36.7%。同等條件下粉砂質(zhì)黏壤土含水量高于其他3種土質(zhì)的含水量。

(2)不同土質(zhì)和灌水定額對(duì)土壤累積含鹽量影響顯著，隨著灌水定額的增大土壤鹽分減小的趨勢(shì)增大。灌水定額越大，粉砂質(zhì)黏壤土與壤質(zhì)黏土中的鹽分隨著水分運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的降低效果明顯，這說(shuō)明在增加一定灌水定額的情況下，粉砂質(zhì)黏壤土與壤質(zhì)黏土土壤更利于玉米生育。

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