灌水量和地下水調(diào)控對(duì)干旱地區(qū)土壤水鹽分布的影響

史海濱 郭珈瑋 周 慧 王國帥 付小軍 李正中

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)解放閘灌域管理局沙壕渠試驗(yàn)站， 巴彥淖爾 015400)

0 引言

土壤鹽分是制約干旱和半干旱地區(qū)作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量的重要因子之一[1-3]，全球大約有33%的農(nóng)業(yè)用地被鹽化[4]。不合理的灌排制度是導(dǎo)致土壤發(fā)生次生鹽漬化的主要原因[5]。目前，灌溉農(nóng)田占中國耕地面積的39.6%[6]，內(nèi)蒙古河套灌區(qū)位于我國典型的干旱地區(qū)，是亞洲最大的一首制平原引水灌區(qū)，總干渠長(zhǎng)180.85 km[7-8]。近年來，節(jié)水改造的實(shí)施致使灌區(qū)傳統(tǒng)的排水控鹽技術(shù)受到限制，淋洗水量不足使鹽分在土壤表層積累[9]。同時(shí)，灌區(qū)淺地下水埋深也增加了因潛水蒸發(fā)帶來鹽分的幾率，進(jìn)一步加大土壤鹽堿化的風(fēng)險(xiǎn)[10]。灌區(qū)內(nèi)部灌溉水、土壤水和地下水三者之間聯(lián)系緊密，采用靈活的水分配置政策[11]、將地下水位調(diào)控至合理埋深對(duì)于實(shí)現(xiàn)水資源有效利用、減輕土壤鹽漬化將起到重要作用。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于不同作物灌溉制度的研究方法大致分為兩類。第1類是通過研究作物需水量和水量平衡來估算各種作物的灌溉需求；第2類研究側(cè)重于通過模型模擬來制定科學(xué)的灌溉制度和優(yōu)化農(nóng)業(yè)管理[12-16]。但上述研究均未考慮地下水對(duì)作物灌溉制度的影響。灌區(qū)作物的灌溉間歇期長(zhǎng)，間歇期作物需水主要靠地下水補(bǔ)給。地下水位過低，不能滿足作物需水量，甚至?xí)?dǎo)致作物減產(chǎn)；地下水位過高，又會(huì)增大表層土壤積鹽的概率。因此，對(duì)灌區(qū)地下水位的合理調(diào)控極為重要。研究表明，地下水位不同，土壤水與地下水的相互作用程度不相同，導(dǎo)致作物所需灌溉水量也不同[17-18]。理清GSPAC系統(tǒng)中的水鹽運(yùn)移規(guī)律，制定合理的灌溉制度及地下水埋深，發(fā)揮兩者對(duì)土壤水的調(diào)節(jié)作用，對(duì)控制灌區(qū)土壤次生鹽漬化的產(chǎn)生以及對(duì)作物正常生長(zhǎng)發(fā)育具有重要意義。

本研究以灌區(qū)主要作物向日葵農(nóng)田作為研究對(duì)象，基于田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建田間尺度飽和-非飽和土壤水鹽運(yùn)移數(shù)值模型，利用HYDRUS-2D模型模擬不同灌水量條件下的土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律，通過調(diào)節(jié)灌水量確定最優(yōu)的灌溉方案，并結(jié)合對(duì)地下水埋深的調(diào)控尋求一種適合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的節(jié)水灌溉、防治土壤鹽漬化的農(nóng)田水鹽調(diào)控方案，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉水合理利用和水鹽調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于河套灌區(qū)杭錦后旗南小召永勝五隊(duì)(40°48′N，107°5′E, 海拔1 038 m)，多年平均氣溫6.9℃，年日照時(shí)數(shù)3 189 h，相對(duì)濕度51%，年均風(fēng)速為2.8～2.9 m/s。年總輻射量為6 151.2～6 383.1 MJ/m2，大于10℃年積溫為3 180℃，全年日照充足，晝夜溫差大，降水量集中，蒸發(fā)強(qiáng)烈，研究區(qū)參考作物騰發(fā)量(ET0)和降雨量如圖1所示。試驗(yàn)期為每年6月初—9月末，向日葵播種時(shí)間分別為2017年6月1日和2018年6月3日，收獲時(shí)間分別為2017年9月25日和2018年9月26日。研究區(qū)土壤物理性質(zhì)如表1所示，土壤質(zhì)地以粉壤土為主，田間持水率為37%，凋萎系數(shù)為0.12。試驗(yàn)區(qū)土壤鹽堿化嚴(yán)重，土壤表層電導(dǎo)率為1.5 dS/m，土壤容重1.56 g/cm3。以2018年典型區(qū)地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，地下水埋深變化范圍在47.89～165 cm，平均地下水電導(dǎo)率為4.18 dS/m。研究區(qū)主要依靠灌水進(jìn)行洗鹽來維持作物生長(zhǎng)，每年進(jìn)行3次灌水，其中生育期只進(jìn)行1次，其余2次為春播前灌水與秋澆，2017、2018年生育期分別在7月6日、7月7日灌水95、92 mm。

圖1 2017年與2018年全生育期ET0和降雨量Fig.1 ET0 and rainfall during whole growth periods in 2017 and 2018

表1 土壤物理性質(zhì)
Tab.1 Soil physical properties

土層深度/cm容重/(g·m-3)土壤顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%0.05～2mm0.002～0.05mm0～0.002mm土壤類型0～201.5316.90±573.97±59.13±5粉壤土20～401.5814.09±583.49±102.42±0.5粉土40～601.6521.49±1076.02±102.49±0.5粉壤土60～801.5227.13±1570.49±102.38±0.5粉壤土80～1001.5126.92±1070.65±102.43±0.5粉壤土

1.2 試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)位于東漲渠內(nèi)部，地勢(shì)整體為西北高東南低，北部為道路，西部為機(jī)緣支渠，東部為永勝到先鋒干渠，南部為幾夜渠，四周以道路和支渠為邊界，可以看作相對(duì)獨(dú)立的灌溉系統(tǒng)。試驗(yàn)區(qū)選定在2.8 hm2向日葵農(nóng)田內(nèi)開展，東西長(zhǎng)140 m，南北長(zhǎng)200 m，灌溉方式為畦灌。如圖2所示，研究區(qū)內(nèi)布設(shè)地下水位監(jiān)測(cè)孔，孔深4 m。2017年每隔10 d采用土鉆取土法取樣，取樣深度為120 cm，灌水前3 d和灌水后連續(xù)10 d取樣，觀測(cè)時(shí)間為一水、二水、秋澆，本文只對(duì)生育期灌水進(jìn)行研究。土壤含水率采用干燥法測(cè)定，含鹽量采用5∶1水土質(zhì)量比浸提電導(dǎo)法測(cè)定。2018年在25、45、65、85 cm土壤深處加設(shè)ECH20型土壤水分溫度及電阻率檢測(cè)系統(tǒng)及CTD-10型地下水自動(dòng)記錄儀，每隔1 d自動(dòng)監(jiān)測(cè)土壤含水率、電導(dǎo)率，地下水位與地下水電導(dǎo)率。且每隔10 d采用土鉆取土法取樣，對(duì)儀器進(jìn)行驗(yàn)證。在試驗(yàn)地放置微型蒸發(fā)器測(cè)量土壤蒸發(fā)量。用盒尺測(cè)量向日葵各生育期內(nèi)的株高、葉面積，每隔10 d監(jiān)測(cè)1次。

土壤指標(biāo)觀測(cè)包括：土壤含水率、電導(dǎo)率；地下水指標(biāo)：地下水位、電導(dǎo)率；灌水指標(biāo)：灌水量、時(shí)間、灌溉水電導(dǎo)率；作物指標(biāo)：向日葵各生育期內(nèi)的株高、葉面積。

圖2 試驗(yàn)區(qū)土壤水鹽監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖 Fig.2 Layouts of experimental site for soil water and salt monitoring

1.3 數(shù)值計(jì)算與分析方法

1.3.1樣品處理與分析

將采集的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后碾碎過1 mm篩備用。所有土樣均制備5∶1水土浸提液，測(cè)定其電導(dǎo)率(EC1∶5)。

選取全部96個(gè)土壤樣品，通過相關(guān)分析得到自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀所測(cè)電導(dǎo)率，換算成土壤EC1∶5的換算關(guān)系為

S1=0.959 5S2+0.150 5
(r=0.975，p<0.05)

(1)

式中S1——自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀電導(dǎo)率，dS/m

S2——土壤樣品EC1∶5，dS/m

土壤全鹽量計(jì)算公式為[19]

C=6.9EC1∶5-0.2

(2)

式中C——土壤全鹽量，g/kg

EC1∶5——水土比5∶1土壤浸提液電導(dǎo)率，dS/m

使用由實(shí)驗(yàn)室測(cè)試開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)公式，將地下水電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換為地下水含鹽量[20]。公式為

TDS=0.69EC

(3)

式中TDS——地下水含鹽量，g/L

EC——地下水電導(dǎo)率，dS/m

1.3.2土壤洗鹽率

洗鹽率指0～120 cm平均土壤剖面在灌溉后某一時(shí)期與灌溉前相比土壤含鹽量的減少率，其計(jì)算公式為

(4)

式中St——土壤洗鹽率，%

et——灌溉后某一時(shí)期土壤含鹽量，g/kg

e0——灌溉前土壤含鹽量，g/kg

1.3.3邊際土壤洗鹽率

邊際土壤洗鹽率指每增加一個(gè)單位的灌水量所增加的土壤洗鹽率。表示其他條件固定不變時(shí)，由灌水量所帶來的最大土壤洗鹽率的變化，其計(jì)算公式為

(5)

式中S(Zt)——邊際土壤洗鹽率，%

Q1、Q2——不同時(shí)刻的灌水量，m3/hm2

St1、St2——某一時(shí)刻灌水量為Q1、Q2的土壤洗鹽率，%

2 模型建立

2.1 基本方程

土壤水分運(yùn)移數(shù)學(xué)方程為

(6)

式中θ——土壤體積含水率，cm3/cm3

z——垂向坐標(biāo)，cm，零點(diǎn)取在地面，地面以上為負(fù)

t——時(shí)間，d

h——土壤水勢(shì)，cm

K(θ)——非飽和土壤導(dǎo)水率，cm/d

S(z,t)——單位時(shí)間單位體積土壤中根系吸水率，d-1

土壤水力函數(shù)為[21]

(7)

(8)

m=1-1/n(n>1)

(9)

式中θe——土壤相對(duì)飽和度

θr、θs——?dú)堄嗤寥篮?、飽和土壤含水率?

Ks——土壤飽和導(dǎo)水率，cm/d

n、m、a——經(jīng)驗(yàn)參數(shù)

l——孔隙關(guān)聯(lián)度參數(shù)，一般取平均值0.5

以土壤可溶鹽為研究對(duì)象，以土壤溶液的鹽分濃度為主要指標(biāo)，建立土壤二維飽和-非飽和溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型。土壤鹽分運(yùn)移數(shù)學(xué)方程為

(10)

式中cz——土壤溶液的鹽分質(zhì)量濃度，g/cm3

Dzz——水動(dòng)力彌散系數(shù)，cm2/d

qz——土壤水入滲率，cm/d

c——液相的鹽分質(zhì)量濃度，g/cm3

2.2 定解條件確定

二維土壤水流的初始條件和邊界條件如下：

初始條件

θ(z，t)|t=0=θ0(z) (Z≤z≤0)

(11)

上邊界

(12)

下邊界

h(z，0)|z=Z=hb(t>0)

(13)

式中Z——土壤水鹽模型模擬深度，cm

ε——垂向水流交換強(qiáng)度，cm/d

hb——下邊界處負(fù)壓，cm

θ0——土壤初始含水率，cm3/cm3

模型上邊界為隨時(shí)間變化的第2類邊界條件，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(如降雨量、灌水量)計(jì)算出的潛在蒸發(fā)蒸騰量逐日輸入模型進(jìn)行模擬。根據(jù)2017—2018年實(shí)測(cè)地下水埋深最大值為165 cm，考慮地下水補(bǔ)給,故將模擬區(qū)深度設(shè)為200 cm, 并將下邊界設(shè)為變水頭邊界，逐日賦值地下水頭，左右兩測(cè)邊界設(shè)為零通量邊界。

二維土壤鹽分的初始條件和邊界條件如下：

初始條件

c(z，t)|t=0=c0(z) (0≤z≤Z)

(14)

上邊界

(15)

下邊界

c(z,0)=ci(z=Z,t>0)

(16)

式中c0——初始鹽分質(zhì)量濃度，g/cm3

ε1——蒸發(fā)強(qiáng)度，cm/d

ci——z層土壤鹽分質(zhì)量濃度，g/cm3

2.3 模型構(gòu)建

2.3.1時(shí)間離散

模擬整個(gè)生育期(2018年6月1日—9月30日)共122 d的數(shù)據(jù)。根據(jù)收斂的迭代次數(shù)調(diào)整時(shí)間步長(zhǎng)，采用變時(shí)間步長(zhǎng)剖分方式。初始時(shí)間步長(zhǎng)為0.1 d，最小時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 d，最大時(shí)間步長(zhǎng)為5 d。

2.3.2空間離散

模擬深度取至地面200 cm，采用矩形網(wǎng)格剖分，垂直方向剖面上的土壤為2種土壤質(zhì)地，分別是0～20 cm、40～200 cm粉壤土和20～40 cm粉土。并按照等間距剖分為40個(gè)單元層，每層厚5 cm，水平方向取剖面長(zhǎng)度為100 cm，等間隔剖分為10層，每層厚10 m。

2.3.3根系吸水項(xiàng)

根系吸水的影響函數(shù)采用Feddes函數(shù)[22]，定義為

S(h)=?(h)SP

(17)

其中

(18)

(19)

式中S(h)——單位時(shí)間內(nèi)植物根系從單位體積土壤中吸取的水體積

?(h)——土壤水壓力響應(yīng)函數(shù)，為給定土壤壓力水頭的無因次系數(shù)(0≤a≤1)

SP——潛在最大吸水速率，d-1

h1、h2、h3、h4——影響根系吸水的土壤水勢(shì)閾值

Tp——潛在蒸騰速率，cm/d

Lz——根系深度，cm

Lx——土壤剖面上根系的寬度，cm

Lt——發(fā)生蒸騰作用的土壤表面寬度，cm

不同作物的根系吸水參數(shù)，通過前人研究成果確定[23]。

2.3.4潛在蒸騰速率的計(jì)算

HYDRUS模型通過輸入潛在蒸散量來完成作物-土壤水分交換運(yùn)移過程。并在運(yùn)算過程中通過一定的比例因子將潛在蒸散量轉(zhuǎn)換成實(shí)際的蒸散量。

ET0由FAO推薦的Penman-monteith方法計(jì)算[24]，作物潛在蒸騰速率Tp計(jì)算式為[25]

Tp=ET0(1-e-KLAI)

(20)

式中LAI——葉面積指數(shù)

K——植物灌層輻射衰減系數(shù)，向日葵取0.83

2.4 模型參數(shù)的率定與檢驗(yàn)

2.4.1模型參數(shù)的率定

通過土樣顆分試驗(yàn)確定試驗(yàn)區(qū)的土壤大多為粉壤土，結(jié)合 HYDRUS 模型中的 Rosseta 模塊得到模型初始土壤水力參數(shù)。2018年數(shù)據(jù)用于模型土壤特征參數(shù)的率定，2017年數(shù)據(jù)用于模型驗(yàn)證，從而確定參數(shù)最優(yōu)解，如表2、3所示。

采用試驗(yàn)區(qū)2018年6 月1 日—9 月30日農(nóng)田觀測(cè)的分層(25、45、65、85、120 cm)土壤含水率和電導(dǎo)率(EC)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖3、4所示，為了評(píng)價(jià)模型模擬效果，使用平均絕對(duì)誤差(MAE)、均方根誤差(RMSE)2個(gè)指標(biāo)，檢驗(yàn)所建立模型的合理性[26]。含水率MAE、RMSE分別為

表2 校正后土壤水力參數(shù)Tab.2 Calibrated soil hydraulic parameters

表3 校正后的溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)Tab.3 Calibrated soil solute migration parameters

1.8%～5.3%、2.1%～4.2%，電導(dǎo)率MAE、RMSE分別為0.078～0.22 dS/m、0.065～0.31 dS/m。土壤鹽分模擬精度略微差一些，尤其表層土壤鹽分的模擬。這主要由于鹽分的遷移復(fù)雜具有很大的不確定性且表層土壤易受氣候條件、人類活動(dòng)等因素影響。文中所建模型求解可靠。

圖3 不同深度土壤含水率模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線Fig.3 Comparison of measured and fitted soil water content at different soil profiles

圖4 不同深度土壤電導(dǎo)率模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線Fig.4 Comparison of measured and fitted soil salinity at different soil profiles

2.4.2模型參數(shù)的檢驗(yàn)

采用試驗(yàn)區(qū)2017年6月1日—9 月30日的土壤含水率和電導(dǎo)率(EC)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

如圖5所示，土壤含水率、電導(dǎo)率模擬值與實(shí)測(cè)值基本分布在1∶1線附近，含水率模擬計(jì)算中MAE、RMSE分別為2.3%、4.5%。土壤鹽分模擬計(jì)算MAE、RMSE分別為0.12、0.33 dS/m。說明實(shí)測(cè)值與模擬值一致，所構(gòu)建的模型可行。

3 結(jié)果與討論

3.1 田間最優(yōu)灌水量設(shè)計(jì)

灌水定額小，鹽分淋洗不充分，根層鹽分累積量會(huì)增加，作物生長(zhǎng)易受鹽分脅迫影響[9]。而灌水定額大，雖能促進(jìn)土壤鹽分向根層以下淋洗，但一方面易造成灌后返鹽，不易于鹽堿地的改良且造成水資源的浪費(fèi)[27]，另一方面當(dāng)水分過剩時(shí)，向日葵會(huì)出現(xiàn)“四低”現(xiàn)象，即葉片的低膨脹、低光合速率、低產(chǎn)量、低根生物量，而且會(huì)加速植株的衰老[28-29]。因此，研究不同灌水量對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的影響，提出有效洗鹽、合理用水的灌溉定額，是實(shí)現(xiàn)研究區(qū)水資源的合理利用及次生鹽堿地防治的有效途徑。本文通過模型分別對(duì)生育期7種灌水量(表4，其中M表示試驗(yàn)區(qū)實(shí)際灌水定額)下土壤水鹽運(yùn)移進(jìn)行模擬，確定研究區(qū)合理田間灌溉模式，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)制定合理灌水制度提供理論依據(jù)。

3.1.1不同灌水量對(duì)土壤含水率的影響

2018年生育期土壤剖面各層水分變化過程如圖6所示，在灌溉期內(nèi)，不同灌水量下的土壤含水率變化趨勢(shì)基本一致，灌水量與土壤含水率成正比。從不同土壤深度來看，25、45、65、85、120 cm土壤平均含水率分別為 30%、34%、38%、42%、47%，呈現(xiàn)出土壤含水率隨著土壤深度的增大而增加的趨勢(shì)。表層土壤受灌水影響較大，隨著土層深度增加灌溉對(duì)土壤含水率的影響逐漸減小，120 cm土壤含水率基本維持穩(wěn)定。灌后10 d，灌水對(duì)土壤水鹽運(yùn)移影響微弱，進(jìn)入非灌溉期，期間受降雨和蒸發(fā)的影響，

表層土壤含水率變動(dòng)較為頻繁且幅度較大，而深層土壤含水率主要受地下水位變化的影響，變化幅度較小。整體來看，由于灌溉和淺埋地下水位，研究時(shí)段內(nèi)耕地土壤含水率均維持在較高水平。

圖6 不同灌水量下土壤各土層含水率變化曲線Fig.6 Variation curves of water content in different soil layers under different irrigation amounts

3.1.2土壤含水率變化特征

研究區(qū)實(shí)測(cè)田間持水率為37%，凋萎系數(shù)為12%。向日葵主根區(qū)通常分布在0～60 cm范圍內(nèi)，以2018年為例，播種期—收獲期內(nèi)主根區(qū)(0～60 cm)平均土壤含水率如圖7(圖中△為灌水影響，○為降雨影響，□為附近灌水影響)所示。由圖可知，由于當(dāng)?shù)氐叵滤惠^淺，且受灌水及降雨的影響，各處理土壤含水率在生育期內(nèi)均高于凋萎系數(shù)，生育期土壤大多時(shí)間處于水分充足的環(huán)境。單就土壤水分來說，不同灌水量均滿足向日葵生育期生長(zhǎng)所需水量。由此說明，土壤水分并不是限制研究區(qū)作物生長(zhǎng)發(fā)育的主要因素。

圖7 不同灌水量下土壤含水率變化曲線Fig.7 Variation curves of soil water content under different irrigation amounts

3.1.3不同灌水量對(duì)土壤含鹽量的影響

圖8為2018年各灌水處理下向日葵生育期內(nèi)各土層土壤電導(dǎo)率變化情況。在灌溉期內(nèi)，土壤鹽分變化趨勢(shì)與水分波動(dòng)相反，受灌水影響，各處理0～65 cm土層深度鹽分明顯減小，隨著灌水量增大土壤含鹽量降低程度越大，但隨著灌水量增加至82.8 mm時(shí)，這一趨勢(shì)開始明顯減緩。由于灌區(qū)排水不暢，淋洗下去的鹽分不能及時(shí)排出，導(dǎo)致土壤鹽分積聚于深層土壤，隨著灌水定額的增大，深層土壤鹽分累積呈先增加后減少的趨勢(shì)，各灌水處理導(dǎo)致85 cm土層電導(dǎo)率增至0.99～1.1 dS/m之間。由此可以看出，本設(shè)計(jì)范圍內(nèi)灌水量對(duì)降低主根區(qū)(0～60 cm)鹽分效果明顯。在作物非灌溉期內(nèi)，除降雨會(huì)產(chǎn)生和灌溉對(duì)土壤鹽分淋洗一樣的效果外，由于研究區(qū)地下水埋深較淺，土壤水及潛水強(qiáng)烈蒸發(fā)，導(dǎo)致鹽分又會(huì)隨著土壤水分向上遷移，再次積累在土壤中。

圖8 不同灌水量下土壤各土層電導(dǎo)率變化曲線Fig.8 Variation curves of electrical conductivity of different soil layers under different irrigation amounts

3.1.4土壤洗鹽率與灌水量的關(guān)系

2017、2018年受不同灌水量的影響St隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致(圖9)。在灌水后不同時(shí)間，St均隨著灌水量增大呈增加態(tài)勢(shì)。各灌水量下St均在灌水后3 d達(dá)到最大值，而隨著時(shí)間推移，0～120 cm剖面內(nèi)St逐漸減小，進(jìn)入積鹽期，這是因?yàn)檠芯繀^(qū)潛水蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤水分由下滲轉(zhuǎn)為上移，從而帶動(dòng)鹽分向上層集聚。在灌水后10 d，灌水量低于82.8 mm時(shí)St均為負(fù)值，說明此時(shí)只有當(dāng)灌水量達(dá)到82.8 mm以上時(shí)才可以達(dá)到洗鹽效果。

圖9 土壤洗鹽率與灌溉量的關(guān)系Fig.9 Relationship between irrigation amount and wash salt rate

3.1.5邊際土壤洗鹽率的變化

以試驗(yàn)區(qū)0～120 cm土層剖面含鹽量隨著灌水后時(shí)間推移與其灌水前相比的鹽分變化量為計(jì)算基準(zhǔn)，得到S(Zt)的變化如圖10所示。可以看出，當(dāng)灌水量相同時(shí)，隨著時(shí)間推移，S(Zt)呈先增加后減少趨勢(shì)，在灌水后3 d，2年內(nèi)灌水量分別為85.5、82.8 mm時(shí)，S(Zt)最高，分別較其余灌水處理高8.84%～69.81%和9.34%～68.72%。隨著時(shí)間推移，各處理S(Zt)均開始降低，但依然表現(xiàn)出灌水量為85.5、82.8 mm高于其他處理。由此表明，灌溉量過小達(dá)不到洗鹽效果，而灌水量較大洗鹽效率降低，造成水資源浪費(fèi)。

圖10 邊際土壤洗鹽率與灌溉量的關(guān)系Fig.10 Relationship between irrigation amount and marginal wash salt rate

3.2 基于土壤水-地下水的水鹽調(diào)控模式

圖11 2017年和2018年土壤鹽分隨不同灌水量及地下水埋深的變化Fig.11 Changes of soil salinity with different irrigation amount and groundwater depths

灌水量和地下水位的調(diào)控是對(duì)水資源有效利用及土壤鹽漬化管理的關(guān)鍵?；谘芯繀^(qū)制定的合理灌溉制度和地下水埋深可以有效降低土壤積鹽量，防止植物被鹽害，同時(shí)增加土壤水分利用效率，這對(duì)作物的生長(zhǎng)與增產(chǎn)具有重要的作用。因此，研究試驗(yàn)區(qū)土壤鹽分受灌溉和地下水位變化的影響十分必要。本文利用驗(yàn)證后的數(shù)值模型，通過改變灌水量和地下水位來進(jìn)行模擬分析，探尋研究區(qū)最優(yōu)灌水制度及合理的地下水埋深。前人研究表明，土壤積鹽程度主要與地下水埋深和礦化度密切相關(guān)[30-31]，地下水淺埋區(qū),土壤鹽漬化的鹽分主要來自于地下水[32],其積鹽量與潛水蒸發(fā)量密切相關(guān)[33]。地下水淺埋區(qū)的蒸發(fā)量較大,水分強(qiáng)烈向上運(yùn)移,不僅使地下水中鹽分易濃縮,而且加劇了表層土壤積鹽[34]，作物易受鹽漬化迫害[35-36]。而地下水埋深過大，毛管上升水流很難到達(dá)植物根系層，不利于植被的生長(zhǎng)與發(fā)育[37]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)叵滤裆畛^2.50 m之后，毛管上升和地下水對(duì)作物生長(zhǎng)的作用很小[38-39]。也有學(xué)者認(rèn)為，當(dāng)?shù)叵滤裆畛^3 m將會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響[40]。因此設(shè)置合理的地下水埋深對(duì)于改善土壤水鹽狀況和植被生長(zhǎng)環(huán)境起著關(guān)鍵作用。前期研究表明，向日葵由于在生育期內(nèi)只進(jìn)行一次灌水，因此，本研究基于不同灌水量情景進(jìn)一步對(duì)地下水埋深情景進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。研究區(qū)地下水埋深較淺(平均為100.72 cm)，故基于試驗(yàn)區(qū)地下水埋深的基礎(chǔ)上分別增加30、60、90、120、150 cm進(jìn)行數(shù)值模擬。2017、2018年不同灌水處理下土壤鹽分對(duì)地下水埋深變動(dòng)的響應(yīng)規(guī)律趨于一致(圖11，圖中W為試驗(yàn)區(qū)實(shí)際地下水埋深)，結(jié)果表明，不同灌水量下，較淺的地下水埋深對(duì)土壤鹽分調(diào)控能力有限，隨著地下水埋深增大土壤洗鹽率逐漸增加，但當(dāng)?shù)叵滤裆畹竭_(dá)160.72 cm時(shí)，對(duì)土壤鹽分調(diào)控趨于平緩，并且考慮到地下水淺埋深為作物提供水分的作用，地下水埋深不能過深。在同一地下水埋深條件下，隨著灌水量增加土壤洗鹽率增大，當(dāng)灌水量增至M-10%M時(shí)，再繼續(xù)增大灌水量對(duì)土壤鹽分淋洗效果不明顯。以2018年的M-10%M灌水量為例，分析不同地下水埋深對(duì)土壤鹽分變化的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)叵滤裆顝?00.72 cm增加到130.72、160.72、190.72、220.72、250.72 cm時(shí)，土壤洗鹽率(灌水后3 d鹽分減少量與灌水前含鹽量之比)分別增加了23.44%、53.45%、60.31%、60.85%、61.05%。因此，綜合對(duì)水資源利用、生態(tài)環(huán)境方面的考慮，研究區(qū)適宜的灌水量及地下水埋深分別為82.8～85.5 mm及160.72 cm。

4 結(jié)論

(1)利用HYDRUS-2D模型對(duì)河套灌區(qū)向日葵農(nóng)田不同灌水制度和不同地下水埋深的土壤水鹽運(yùn)移時(shí)空變異規(guī)律進(jìn)行模擬，經(jīng)田間試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，該模型在校準(zhǔn)和驗(yàn)證階段均具有較好性能，能夠模擬水鹽在土壤中的分布和隨時(shí)空變化的趨勢(shì)。

(2)整體來看，土壤含水率及洗鹽率均隨著灌水量的增加而增大。不同灌水量對(duì)邊際土壤洗鹽率的效應(yīng)呈拋物線型變化，2017、2018年灌水量分別為85.5、82.8 mm時(shí)，邊際洗鹽率呈最大值，隨后開始逐漸降低。因此，當(dāng)?shù)剌^優(yōu)灌水量為82.8～85.5 mm。

(3) 以2018年為例，通過對(duì)不同灌水量和不同地下水埋深的模擬得出，當(dāng)灌水量為82.8 mm、地下水埋深為160.72 cm時(shí)，對(duì)于研究區(qū)鹽分調(diào)控最為有利。