農(nóng)田水鹽運移與作物生長對虧水滴灌的響應(yīng)和模擬研究

薄麗媛 趙 引 毛曉敏 陳 帥

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 北京 100083；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物高效用水武威科學(xué)觀測實驗站， 武威 733000)

0 引言

農(nóng)業(yè)生態(tài)水文模型是改善水資源短缺現(xiàn)狀和確保作物產(chǎn)量的重要工具[1-2]。石羊河位于祁連山北麓，是甘肅省河西地區(qū)重要的水源。石羊河流域內(nèi)農(nóng)田灌溉用水量占供水量的86.4%，灌溉水利用率在 54.3%～56.4%之間[3]。水資源的嚴重匱乏、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水嚴重擠占生態(tài)用水致使流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境惡化，造成地下水位下降、沙塵暴活動頻繁、綠洲萎縮等。石羊河流域是制種玉米的重要生產(chǎn)基地，確保制種玉米產(chǎn)量對維持我國糧食安全具有重要意義[4]。在有限的水資源條件下，通過合理的農(nóng)藝措施實現(xiàn)農(nóng)業(yè)持續(xù)的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效發(fā)展，已成為石羊河流域農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的最為突出的問題。

農(nóng)作物的灌溉制度是為了滿足作物生長耗水需求、保證產(chǎn)量而制定的適時的灌水方案[5]。大量研究表明[6-7]，適量減少灌溉定額可以節(jié)約水資源、提高作物水分利用效率。但也有研究表明，隨著水分虧缺程度的加劇，作物的產(chǎn)量和作物水分利用效率呈下降趨勢[8-10]。因此，選擇合適的灌水制度對保證產(chǎn)量和有效提高灌水效率至關(guān)重要[4,11-14]。除此之外，根區(qū)土壤鹽分狀況也會對作物產(chǎn)量造成影響[15]。目前已有許多滴灌條件下水分虧缺對土壤水鹽運移影響的研究成果。王峰等[16]認為，中定額灌溉是實現(xiàn)抑鹽、控水、高產(chǎn)、高效的適宜棉花灌溉制度。部分學(xué)者認為，滴灌技術(shù)使用初期，農(nóng)田土壤含鹽量明顯下降，隨后緩慢下降，直至穩(wěn)定在某一范圍內(nèi)[17-18]。也有學(xué)者認為，農(nóng)田土壤含鹽量下降是短期監(jiān)測的結(jié)果，進行多年滴灌的耕地，其土壤各層鹽分變化仍需進一步研究[19-20]。

農(nóng)業(yè)系統(tǒng)模型EPIC、APSIM、WOFOST和DSSAT等被廣泛使用[21-24]，蒸發(fā)蒸騰過程中的水分流失會改變土壤剖面中的水分分布，并進一步影響鹽分運移。同時，土壤含水率和含鹽量是控制作物根系吸水并影響作物生長和產(chǎn)量的兩個重要因素[25-26]。作物生長與土壤水鹽動態(tài)之間存在強烈的相互作用。因此，研究作物生長過程中常規(guī)灌溉與節(jié)水灌溉對農(nóng)田土壤水鹽運移的影響尤為重要。

本課題組開發(fā)了層狀土壤中水分-溶質(zhì)運移和作物生長的耦合模型(Layered soil water-solute transport and crop growth model，LAWSTAC)，該模型提供了8種不同的導(dǎo)水率半節(jié)點平均方法來克服土壤層狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的數(shù)值問題，并已在西北旱區(qū)春小麥生產(chǎn)中驗證了適用性[1]。盡管模型需要較少的作物數(shù)據(jù)輸入，但仍需在不同水分條件和作物種類下進行驗證。因此，本研究以西北旱區(qū)制種玉米田間試驗觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，驗證LAWSTAC模型對模擬不同灌溉水平下土壤水鹽運移與制種玉米生長的適用性，以便更好地了解農(nóng)業(yè)生態(tài)水文過程，為農(nóng)業(yè)科學(xué)管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2018年4—9月在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物高效用水武威科學(xué)觀測實驗站進行。玉米品種為制種玉米TRF2018，由當(dāng)?shù)胤N子公司提供。母本統(tǒng)一于2018年4月19日播種，父本分兩批播種，分別于2018年4月26日和5月2日播種。南北向種植，行距40 cm，株距25 cm。采用滴灌灌溉方式，“一帶雙行”，滴灌帶間距80 cm，滴頭間距30 cm，滴頭流量2.5 L/h。施肥按照當(dāng)?shù)亟?jīng)驗，即播前施375 kg/hm2的磷酸二銨和375 kg/hm2的氮磷鉀復(fù)合肥作為基肥，拔節(jié)期分3次施525 kg/hm2的尿素。設(shè)置3種水分處理：W100、W70、W40，分別為灌溉需水量的100%、70%、40%。

1.2 測定項目與方法

1.2.1土壤含水率與含鹽量

利用TRIME-TDR型時域反射儀測定試驗田土壤體積含水率，每個小區(qū)埋設(shè)3根TRIME管。每7 d測1次，灌水前后、降雨后各加測1次，測點垂向間距20 cm，測定深度0～160 cm。其中W100處理由于TRIME管埋設(shè)問題，實測數(shù)據(jù)存在誤差，采用土鉆取土干燥法對存在誤差的數(shù)據(jù)進行修正。

制種玉米播種前、收獲后和灌水前后進行取土，取土深度為地下0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm，共6層，每個小區(qū)取3個重復(fù)；將土樣風(fēng)干、碾碎和過篩(1 mm)，采用1∶5的土水比配制成土壤浸提液，利用FE38型電導(dǎo)率儀測定其電導(dǎo)率，轉(zhuǎn)換為含鹽量[27]，公式為

S=0.027 5EC1∶5+0.136 6

(1)

式中S——含鹽量，g/kg

EC1∶5——電導(dǎo)率，mS/m

脫鹽率、積鹽率與土壤鹽分濃度計算公式分別為

(2)

(3)

(4)

式中 ΔSd——脫鹽率，%

ΔSa——積鹽率，%

Sc——土壤鹽分質(zhì)量濃度，g/L

S0、S1——時段初、時段末土壤含鹽量，g/kg

ρ——土壤干容重，g/cm3

θ——土壤體積含水率，cm3/cm3

1.2.2制種玉米生長發(fā)育指標及觀測方法

葉面積指數(shù)：葉面積采用卷尺測量，在每個小區(qū)隨機選取5株，在不影響其生長的情況下標記，5月22日開始，7 d一周期，葉面積指數(shù)計算公式[28]為

(5)

式中LAI——葉面積指數(shù)，cm2/cm2

L——葉片長度，cm

W——葉片最大寬度，cm

β——折減系數(shù)

A——單個植株所占地表面積，cm2

地上生物量：從5月30日(苗期)開始，每個試驗小區(qū)隨機選取3株制種玉米，取地上部分，將莖、葉、果等分解后，采用干燥法獲取其地上生物量，計算公式為

(6)

式中B——地上生物量，t/hm2

J——玉米莖干質(zhì)量，g

Y——玉米葉干質(zhì)量，g

Q——玉米葉鞘干質(zhì)量，g

G——玉米果實干質(zhì)量，g

1.2.3作物耗水量和水分利用效率

灌溉需水量計算公式為

I=ETm-P

(7)

其中

ETm=KcET0

(8)

式中I——灌溉需水量，mm

ETm——潛在作物騰發(fā)量，mm

ET0——參考作物騰發(fā)量，mm

P——有效降雨量(降雨量大于5 mm)，mm

Kc——作物系數(shù)

其中ET0利用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的公式計算[29]，Kc參考姜雪連[30]的研究成果。

制種玉米生育期耗水量由水量平衡公式計算，即

ETc=P+ΔI-ΔW±q-R

(9)

其中

ΔW=W1-W0

(10)

式中ETc——時段內(nèi)作物耗水量，mm

ΔI——時段內(nèi)灌水量，mm

ΔW——時段內(nèi)土壤濕潤層內(nèi)儲水量變化量(時段內(nèi)水量增加時,ΔW>0)，mm

q——地下水補給量和深層滲漏量，根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況，地下水埋深較深(大于30 m)，根據(jù)灌溉制度，灌水次數(shù)多，單次灌水量較少，所以深層滲漏可以忽略，mm

R——地表徑流量，根據(jù)實地觀測，在作物播種至收獲期間，不存在地表徑流，所以該項取為零，mm

W0、W1——時段初、時段末土壤濕潤層內(nèi)儲水量，mm

1.3 土壤水鹽運移與作物生長耦合模型

1.3.1LAWSTAC模型

采用本課題組開發(fā)的LAWSTAC模型，該模型是以土壤水、鹽動態(tài)遷移的Richards方程、對流彌散方程和作物生長基本原理為基礎(chǔ)，利用有限差分方法，動態(tài)模擬層狀土壤中水分和溶質(zhì)遷移與作物生長相耦合的農(nóng)業(yè)生態(tài)水文模型[1]。水分運動是鹽分運移的主要驅(qū)動力，在根系吸水情況下，溶質(zhì)勢的再分布也會影響水分運動，同時，土壤中水鹽濃度也會對作物根系吸水和生長產(chǎn)生脅迫，影響作物生長過程中的蒸散發(fā)、生物量的形成、干物質(zhì)分配等，最終影響產(chǎn)量。在實現(xiàn)模型耦合方面，作物生長模塊和水鹽運移模塊互為反饋，水鹽運移影響根區(qū)水鹽分布，影響作物根系吸水和蒸騰，從而影響作物生長和產(chǎn)量。而作物蒸騰及根系發(fā)育和冠層葉面積的增長，反過來成為地面和根區(qū)的水分運動的匯項，影響水鹽運移與分布。由此實現(xiàn)了作物生長模塊和土壤水鹽運移模塊的耦合。

1.3.2LAWSTAC模型主要修正參數(shù)

采用W100、W70和W40處理對LAWSTAC模型在模擬石羊河流域土壤水鹽運移與制種玉米生長的適用性進行分析?？紤]設(shè)置的3個灌溉水平，選取W100、W40處理對LAWSTAC模型進行率定，以W70處理進行驗證模型。模型輸入數(shù)據(jù)包括：氣象數(shù)據(jù)、土壤參數(shù)、作物生長參數(shù)、田間管理數(shù)據(jù)及模型運行初始及邊界條件。在參數(shù)調(diào)整過程中，根據(jù)參數(shù)參考取值[22]與實際情況校正模型中的參數(shù)，部分參數(shù)值如表1所示。

表1 LAWSTAC模型作物參數(shù)Tab.1 Main crop parameters in LAWSTAC model

1.3.3LAWSTAC模型驗證與評價方法

通過比較不同灌溉水平下土壤貯水量、土壤鹽分濃度、制種玉米的LAI和地上生物量等參數(shù)的模擬值與實測值，來評價模型模擬效果。為了定量描述LAWSTAC模型的可靠性，采用模擬值與實測值之間的均方根誤差(RMSE)和決定系數(shù)(R2)作為模型評價指標。其中RMSE越小，R2越接近1，說明模擬值的變化趨勢與實測值的吻合程度更高。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分試驗結(jié)果與模擬

2.1.1水分虧缺條件下根系層水量均衡分析

圖1為不同灌溉水平處理下制種玉米不同生育期根區(qū)土壤水量，其中，0～160 cm土層貯水量變化量大于零表示土壤水分減少(被消耗)，小于零表示土壤水分增加。在播種后進入苗期之前有一次較大的灌水，這是為保證出苗率，對各處理灌溉了3次出苗水(灌溉量依次為30、30、20 mm)，不同處理各次灌溉量均相同。此階段農(nóng)田水分輸入主要來源于農(nóng)業(yè)灌溉，由于該階段作物需水量較小，大部分灌溉水以土壤水的形式存儲于土壤中。制種玉米拔節(jié)期到抽穗期結(jié)束期間，作物生長迅速，此階段需要大量水分，其水分主要來源于灌溉、降雨以及部分土壤水分，充分灌溉(W100)下，作物長勢與蒸散發(fā)旺盛，土壤貯水量減少以彌補作物耗水需求。由于虧水灌溉下的作物長勢較差，蒸散發(fā)明顯減小，作物耗水量小，又因降雨灌溉，所以土壤貯水量有少量增加的趨勢。制種玉米灌漿期，降雨量為80.8 mm，虧水灌溉下的作物出現(xiàn)旱后復(fù)水效應(yīng)，復(fù)水后，作物根系活力、作物生長速率等表現(xiàn)出補償生長效應(yīng)[31]，所以后期虧水灌溉的作物耗水量較大(灌漿期W100、W70、W40作物耗水量分別為107、114、120 mm)。制種玉米成熟期，由于降雨量減小且無農(nóng)業(yè)灌溉水，0～160 cm土層水分對作物耗水的供給量有所增加，超過了降雨與灌溉量，說明土壤水分對作物耗水的補給作用不可忽視，特別是在作物生長后期，土壤水分供給對維持作物的正常耗水起到重要作用。

2.1.2全生育期0～80 cm土層貯水量率定與驗證

圖2為不同灌溉水平下全生育期制種玉米0～80 cm土層貯水量的模擬值與實測值的比較結(jié)果。0～80 cm土層貯水量模擬值與實測值的變化趨勢基本吻合，在灌溉或者降雨之后，貯水量增加，隨后緩慢減少。各處理R2在0.41～0.61之間，RMSE在12～21 mm之間，表明LAWSTAC在模擬制種玉米0～80 cm貯水量上擬合效果較好。

2.2 土壤鹽分試驗結(jié)果與模擬

2.2.1單次灌水前后土壤剖面鹽分變化

土壤水分是土壤鹽分運移的重要載體，土壤中鹽分隨著土壤水分的運動而遷移，在灌水過程中，鹽分隨灌溉水以下滲為主，在作物蒸騰和棵間蒸發(fā)下，隨土壤水分再分布鹽分可能滯留根區(qū)或向上運移。圖3為不同灌溉水平下各生育期單次灌水前后土壤剖面鹽分變化。圖3a、3b、3c、3e、3i、3k、3l中，0～20 cm土層灌溉后脫鹽，其余處理灌溉后積鹽。表2(表中數(shù)值小于零表示脫鹽，數(shù)值大于零表示積鹽)為不同灌溉水平下各生育期灌水前后0～20 cm土層脫鹽率與積鹽率的定量分析，與圖3一一對應(yīng)。由表2可知，在不同處理下，灌水后表層(0～20 cm)土壤含鹽量都有所降低，灌漿期不明顯。生育期末脫鹽率依次為49%、49%、25%。灌水量與脫鹽率的關(guān)系不明顯，可能是因為在獲取其含鹽量時，采用選點取土測土壤溶液電導(dǎo)率的方法，無法獲得灌水前后土壤含鹽量的連續(xù)變化。除此之外，雖然選擇在垂直滴灌帶方向0、10、20 cm處取土取均值，但是滴頭的位置對鹽分的累積也有較大影響。

表2 不同灌溉水平下各生育期灌水前后0～20 cm土層脫鹽率與積鹽率的定量分析Tab.2 Quantitative analysis of desalination and salt accumulation in 0～20 cm soil layer before and after irrigation at various irrigation levels under different growth stages %

2.2.2全生育期土壤剖面鹽分分布

圖4為不同灌水量對土壤剖面含鹽量的影響，分別選取5月8日(苗期)、6月10日(拔節(jié)期)和9月21日(收獲期)作為生育前期、中期和末期。隨著生育期的推進，0～20 cm土層剖面含鹽量處于脫鹽狀態(tài)，20～100 cm土層處于積鹽狀態(tài)，充分灌溉W100處理尤為明顯，W100處理的脫鹽率與積鹽率分別為49%和59.2%，W70處理的脫鹽率與積鹽率分別為49%和18.9%，W40處理的脫鹽率與積鹽率分別為25%和-14.3%(負值表示脫鹽)，如圖4所示。充分灌溉處理的脫鹽率與積鹽率大于嚴重虧缺灌溉處理，原因是W100的灌水量較大，對鹽分有一定的淋洗作用。所以，鹽分隨水分運動向下遷移，經(jīng)過全生育期灌水后，灌水量越大，深層積鹽越明顯，淺層脫鹽也越明顯，嚴重虧缺灌溉或是灌水量無法滿足作物正常生長發(fā)育耗水時，其深層積鹽效果不明顯。

2.2.3全生育期0～80 cm土層土壤鹽分質(zhì)量濃度率定與驗證

圖5為不同灌溉水平下全生育期制種玉米0～80 cm土層土壤鹽分質(zhì)量濃度的模擬值與實測值的比較結(jié)果(土壤鹽分質(zhì)量濃度均為0～80 cm共5個土層的算術(shù)平均值)。0～80 cm土層土壤鹽分質(zhì)量濃度模擬值與實測值的變化趨勢基本吻合，各處理R2在0.53～0.60之間，RMSE在1.37～2.56 g/L之間，總的來說，LAWSTAC模型在模擬制種玉米0～80 cm土層土壤鹽分質(zhì)量濃度時灌水較為充分的W100、W70擬合效果更好，重度虧水的W40模擬效果一般。土壤特性在不同空間位置上存在明顯差異，具有空間變異性[32]，土壤鹽分的空間變異受灌溉、施肥等隨機因素和土壤母質(zhì)、地形等非人為的結(jié)構(gòu)性因素的共同影響[33-34]。其中W40是重度虧水的處理，土壤含水率較低，不僅導(dǎo)致實測土壤含水率空間變異大，相應(yīng)的鹽分空間變異更大，而模型反映的是較為理想的平均情況，所以重度虧水的W40模擬結(jié)果與實測值存在的誤差偏大。這與HAO等[35]的研究結(jié)果相似，其根據(jù)葡萄園土壤含水率空間分布的監(jiān)測分析表明，土壤水分在較低的情況下具有更強的空間變異性。所以后續(xù)應(yīng)繼續(xù)開展試驗，分析不同灌水處理下土壤水鹽的空間變異性，并與數(shù)值模擬結(jié)果開展對比研究。

2.3 作物生長試驗結(jié)果與模擬

不同灌溉水平下的制種玉米葉面積指數(shù)隨生育期的推進呈相同的變化趨勢，如圖6所示。播種后至拔節(jié)期快速增大，抽穗期增速減小并趨于穩(wěn)定，進入灌漿期后，根部葉片脫落，葉面積指數(shù)逐漸下降。灌水量越大，制種玉米長勢越好，葉面積指數(shù)越大，與株高變化呈現(xiàn)相同規(guī)律，峰值出現(xiàn)在W100(4.51)，較其他處理分別提高36.7%和37.7%。整體上看，各處理的決定系數(shù)R2均為0.99，RMSE為0.20～0.87 cm2/cm2，模型對不同灌溉水平下的制種玉米生長模擬效果無明顯差異。

圖7為制種玉米地上生物量的模擬結(jié)果，各處理R2均為0.99，RMSE在1.62～3.57 t/hm2之間，其中灌水量較充分的W100、W70的模擬效果較優(yōu)，而重度虧水的W40模擬效果較差。在不同處理下，制種玉米地上生物量累積規(guī)律基本相同，地上生物量的累積量與灌水量呈正相關(guān)關(guān)系，隨水分虧缺程度的增大逐漸減小。不同灌溉水平下，最終地上生物量分別為24.25、20.80、15.41 t/hm2。W100處理的地上生物量較其他處理分別提高16.6%和57.3%。其中W40處理在整個生育期地上生物量的累積最少，主要可能是水分虧缺程度較大，導(dǎo)致制種玉米生育前期無法達到其生長所需水分，抑制其生長。

3 結(jié)論

(1)在制種玉米生長苗期，單次灌水后，淺層(0～20 cm)土壤電導(dǎo)率明顯降低，經(jīng)全生育期灌溉后，灌水量越大，淺層脫鹽和深層積鹽現(xiàn)象越明顯。

(2)W100、W70、W40水分處理下灌水量越多的處理，制種玉米葉面積指數(shù)和最終地上生物量累積量越高，作物長勢越好。

(3)LAWSTAC模型可以較好地模擬石羊河流域制種玉米葉面積指數(shù)、地上生物量、0～80 cm土層貯水量與土壤鹽分質(zhì)量濃度，利用LAWSTAC模型可為當(dāng)?shù)赜衩邹r(nóng)田進行土壤鹽分平衡和生產(chǎn)力的初步預(yù)測與評估。