基于HYDRUS-2D模型的膜下滴灌暗管排水棉田土壤鹽分變化

劉洪光，白振濤，李開明

（1. 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子 832000；2. 石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，石河子 832000）

0 引言

新疆地區(qū)在大面積推廣膜下滴灌技術(shù)之后，逐漸荒廢了原有的排水渠，形成了“滴灌無排”的模式[1-2]。該模式短期內(nèi)可以濕潤根系層，使得根系層暫時脫鹽，但長期會使新疆地區(qū)土壤次生鹽漬化加劇[3-4]。劉新永等[5]研究發(fā)現(xiàn)，棉花生育期結(jié)束后，0～60 cm土層鹽分都有增加，在膜間0～20 cm土層鹽分強烈累積。牟洪臣等[6]研究發(fā)現(xiàn)小定額灌溉不會產(chǎn)生深層滲漏，鹽分無法排除土體，大量的鹽分會在深層聚集。弋鵬飛等[7]研究發(fā)現(xiàn)土壤鹽分隨膜下滴灌使用年限增長呈逐漸累積的趨勢，且累積的鹽分逐漸向地表遷移。膜下滴灌是局部灌溉，沒有深層滲漏，也不具備排鹽效果，使用膜下滴灌多年以后，鹽分連年累積，產(chǎn)量明顯下降，因此需要新的技術(shù)手段提高排鹽效率。

滴灌淋洗配套排水措施是非常有效的鹽堿地改良方法，排水措施主要有明溝排水、暗管排水和豎井排水等[8]，其中明溝排水和暗管排水最為常用。暗管排水與明溝排水相比，不僅具有占地少、零污染、壽命長等優(yōu)點，而且滿足農(nóng)業(yè)機械化、集約化發(fā)展趨勢，在新疆地區(qū)應(yīng)用的前景廣闊[9-10]。Talukolaee等[11]通過對伊朗北部1年生作物稻田多樣化的研究，發(fā)現(xiàn)地下排水系統(tǒng)通過影響土壤的飽和導(dǎo)水率和有效孔隙率來影響土壤結(jié)構(gòu)。徐友信等[12]在河北省沿海鹽堿區(qū)附近的地下埋下暗管進行排水試驗，結(jié)果表明，暗管排水能促進鹽離子的浸出，埋設(shè)暗管區(qū)域的脫鹽率高于非埋設(shè)區(qū)域。此外，暗管排水不僅能有效控制地下水位[13-14]，降低土壤鹽分含量[15-16]，緩解沿海地區(qū)高水位引起的土壤鹽漬化問題[17]，而且當(dāng)排水暗管間距小于或等于12 m時也可以提高土壤強度[18]。Li等[19]通過大田試驗及數(shù)值模擬研究干旱區(qū)膜下滴灌暗管排水土壤水鹽運動變化及脫鹽量，發(fā)現(xiàn)使用1 a后土壤表層脫鹽明顯，而農(nóng)田整體脫鹽不顯著。

研究地區(qū)不同，地下水埋深、土壤類型、氣候、地形、作物的種植模式等條件不同，需要的暗管鋪方式、間距、深度以及淋洗壓鹽方案等指標(biāo)也會有所差異。在干旱區(qū)利用暗管排水可以有效地降低土壤中的鹽分，但是田間試驗所需的面積大、投資費用高、施工量大。和田間試驗相比，利用數(shù)值模擬來獲取和驗證這些信息將會更加便捷、有效。李顯溦等[20]利用HYDRUS-2D軟件對暗管排水的水鹽運動參數(shù)進行了校驗，結(jié)果表明模擬值與實測值吻合度較高，可以較好地描述暗管排水、排鹽過程中的土壤水鹽動態(tài)。李亮等[21]利用HYDRUS-2D模型對土壤水鹽的遷移進行了模擬分析，結(jié)果表明模型對土壤含水率和含鹽率運移的模擬具有較高精度，反映出鹽分積聚和水分運移規(guī)律。莫彥等[22]基于HYDRUS-2D構(gòu)建并驗證了玉米地下滴灌開溝播種模型，確定了適宜于此種模式的滴灌帶深埋、開溝深度、灌水量等技術(shù)參數(shù)。數(shù)值模擬技術(shù)不僅可以根據(jù)不同土壤類型和氣象條件等，對土壤水鹽運移進行模擬，研究土層內(nèi)水鹽的連續(xù)性變化規(guī)律，還可以預(yù)測未來土層內(nèi)水鹽的去向和動態(tài)變化。

為了解決“有灌無排，土體積鹽”的問題，本研究選擇地下水位季節(jié)性升高、土壤鹽漬化嚴(yán)重的新疆塔城地區(qū)122團，通過2 a的持續(xù)監(jiān)測，研究在膜下滴灌條件下，暗管排水對鹽漬化棉田鹽分運移產(chǎn)生的影響，并利用HYDRUS-2D模型對該鹽堿地農(nóng)田土壤鹽分運移進行模擬，分析鹽堿地棉花生育周期內(nèi)和秋季返鹽期間土壤鹽分變化情況，進一步量化農(nóng)田土體的脫鹽情況，揭示暗管排水條件下膜下滴灌棉田土壤鹽分變化規(guī)律，旨在為西北內(nèi)陸干旱區(qū)暗管排鹽技術(shù)和膜下滴灌的推廣和應(yīng)用提供理論支撐和科學(xué)指導(dǎo)。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)八師122團，地理坐標(biāo)為44°37′～44°48′N，85°27′～85°41′E。試驗區(qū)夏季炎熱，冬季寒冷，極端最高氣溫達43.1 ℃，極端最低氣溫達-42.3 ℃，9、10月份降溫迅速，晝夜溫差大，光熱資源豐富，年平均日照時數(shù)2861.6 h，年均降水量141.8 mm，年均潛在蒸發(fā)量1826.2 mm。試驗區(qū)地勢平坦，鹽堿化現(xiàn)象嚴(yán)重，土壤質(zhì)地基本屬于砂壤土。試驗區(qū)氣候干燥和蒸發(fā)強烈，由于灌溉不當(dāng)、排水不暢，引起地下水位上升，土壤母質(zhì)和地下水中所含的鹽分隨著土壤中毛細水的上升而集聚在地表，導(dǎo)致該地區(qū)土壤次生鹽漬化嚴(yán)重。試驗區(qū)的土壤初始含鹽量基本上在10 g/kg以上，按新疆鹽堿土分類標(biāo)準(zhǔn)[23]，屬于重度鹽化土。

1.2 試驗設(shè)計

在大田中埋設(shè)暗管，暗管內(nèi)徑為70 mm，埋深為2.2 m，間距為48 m，與地表平行。灌溉水取自瑪納斯河西岸大渠，試驗區(qū)與大渠之間有一條隔水溝，其作用是降低地下水位，減緩大渠對試驗區(qū)地下水位的影響，研究區(qū)運用暗管排水系統(tǒng)，暗管排出的水匯流到集水溝，研究區(qū)剖面圖見圖1。在研究區(qū)使用單翼迷宮型滴灌帶進行滴灌，滴頭流速為3.2 L/h，滴灌模式為一膜兩管六行，地膜厚度為0.015 mm，寬度為2 m，膜間距為40 cm，如圖2所示。本試驗種植作物為棉花，品種為創(chuàng)雜100號，采用膜下滴灌，作物系數(shù)采用FAO-56建議的棉花標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)毓喔冉?jīng)驗確定灌溉制度，如表1所示。第1年2013年4月15日播種，9月30日收獲，第2年2014年4月10日播種，9月20日收獲。

1.3 測試指標(biāo)及方法

考慮灌溉周期與作物生育期，取樣時間分別設(shè)定為2013年5月25日（苗期）、2013年7月20日（花期）、2013年9月30日（吐絮期）、2014年5月20日（苗期）、2014年7月25日（花期）和2014年9月20日（吐絮期）。為了研究排鹽效果隨距暗管距離的變化情況，在研究區(qū)棉田地塊中間選取3個水平距離（分別為垂直于暗管上方8、16、24 m處）和10個土層深度（分別為0～20、20～40、40～60 、60～80、80～100、100～120、120～140、140～160、160～180和180～200 cm）設(shè)置取樣點，為盡量消除試驗誤差，每個采樣點設(shè)置3個重復(fù)，3個重復(fù)之間的水平距離為3 m，試驗結(jié)束后取3組試驗結(jié)果的平均值，取樣點均在覆膜處。

將取回的土樣按1∶5的土水比配置溶液，使用雷磁DDS-11A型數(shù)顯電導(dǎo)率儀（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）測定土壤樣品浸提液的電導(dǎo)率EC（Electrical Conductivity，mS/cm），其中土壤浸提液電導(dǎo)率與土壤含鹽量之間的關(guān)系為

式中Q為土壤含鹽量，g/kg；EC1:5為土壤浸提液的電導(dǎo)率，mS/cm。

土壤脫鹽率[24]為土壤鹽分初始值與土壤鹽分終值的差值與土壤鹽分初始值之比。

新疆冬季積雪于4月上旬融化，上層土壤基本處于飽和狀態(tài)。根據(jù)布置在研究區(qū)南側(cè)和北側(cè)的觀測井觀測，研究區(qū)地下水位深度在灌溉季節(jié)（4—10月）的波動范圍是1.75～2.10 m，非灌溉季節(jié)地下水位深度均在2.20 m以下，如表2所示。2013和2014年分別對暗管排水、觀測井中地下水和西岸大渠中灌溉水取樣各3次，每次取3瓶，每瓶500 mL，并采用烘干法測定礦化度，取平均值，其中地下水取樣深度取決于地下水位高度。2013年4月15日播種后，采集各采樣點的初始鹽含量，為簡化模型的初始條件，計算和測定各土層的平均含鹽量和初始含水率（表 3）。建立HYDRUS-2D模型模擬棉花生育期的鹽分遷移和秋季返鹽期鹽分遷移，鹽分模擬值通過0～200 cm土層土壤剖面鹽分實測值進行驗證。

1.4 HYDRUS-2D模型基本方程原理

HYDRUS-2D[25]是用來模擬二維飽和-非飽和介質(zhì)中水、熱及溶質(zhì)運移的軟件，在軟件中有不同的水分運動方程、植物根系作用方程、土壤介質(zhì)的水力參數(shù)的數(shù)據(jù)庫可供選擇，符合本研究數(shù)值模擬參數(shù)選擇要求。

表1 2013—2014年試驗區(qū)灌溉制度 Table 1 Irrigation system of experiment area in 2013—2014

表3 各土層初始含鹽量和初始含水率 Table 3 Initial salt content and water content of each soil layer

1.4.1 數(shù)學(xué)模型

1）土壤水分運動模型

膜下滴灌是點源入滲，暗管排水時土壤水鹽運移屬于三維運動入滲問題，但其運動模式可簡化為二維問題來解決[26]。根據(jù)達西定律和質(zhì)量守恒定律[27]，假定土壤均勻和各向同性，不考慮空氣、溫度及土壤水分滯后效應(yīng)對土壤水分運動的影響，考慮作物根系吸水，此時土壤水分運動可用Richards方程[28]表示為

式中θ(h)為土壤體積含水率，cm3/cm3；h為壓力水頭，cm；K(h)為土壤非飽和導(dǎo)水率，cm/d；t為時間，d；x為橫向坐標(biāo)，z為垂向坐標(biāo)，規(guī)定z向下為正；S(h)為源匯項，此處表示根系吸水率，即根系在單位時間內(nèi)由單位體積土壤中所吸收水分的體積，cm3/(cm3·d)，其具體表示為[29]

式中Sp為α(h)=1時無水分脅迫周期內(nèi)的吸水率，α(h)是植物根系吸水的無量綱響應(yīng)函數(shù)[28-30]，定義為

式中h1為作物根系吸水厭氧基質(zhì)勢值，cm；h2為土壤初始基質(zhì)勢值，cm；h3為土壤末態(tài)基質(zhì)勢值，cm；h4為根系凋萎時土壤基質(zhì)勢值，cm。式（2）中涉及到θ(h)、h、K(h)三者之間的關(guān)系，模擬中采用van Genuchten-Mualem模型[30]擬合，即

式中Ks為土壤飽和導(dǎo)水率，cm/d；Se為相對飽和系數(shù)，無量綱；θr為土壤剩余體積含水率，cm3/cm3；θs為土壤飽和體積含水率，cm3/cm3；α、n、m均為土壤物理特性有關(guān)的擬合參數(shù)，α為經(jīng)驗參數(shù)，cm-1；n是曲線形狀參數(shù)，n＞1；m=1?1/n；l為形狀系數(shù)。

軟件模擬的是膜下滴灌，棉花生育期降水量很小，故忽略降水對水鹽鹽分運移的影響。土壤容重采用環(huán)刀取原狀土測定，根據(jù)在試驗區(qū)內(nèi)0～300 cm土層測得土壤中黏粒、粉粒和砂粒的平均含量，經(jīng)RETC軟件擬合，其土壤水力特性參數(shù)：土壤容重r取1.51 g/cm3，Ks取106.1 cm/d，θr取0.065 cm3/cm3，θs取0.41 cm3/cm3，α取0.075 cm-1，n取1.89，l取0.5。

2）土壤溶質(zhì)運移模型

在研究中，使用土壤溶質(zhì)穿透曲線來推導(dǎo)水動力彌散系數(shù)，它是反映溶質(zhì)在非飽和土壤中運移的基本曲線。將風(fēng)干土樣裝入土柱中，控制容重，用示蹤劑連續(xù)恒定注入土壤中，然后根據(jù)示蹤劑溶質(zhì)在土壤中運移時通過某截面的相對濃度與時間或體積的關(guān)系繪制曲線。本試驗使用氯化鈉溶液作為示蹤劑。為了獲得實測值與模擬值之間的最佳擬合，在土壤穿透曲線的基礎(chǔ)上對修正后的水動力彌散系數(shù)進行調(diào)整，得出修正后的水動力彌散系數(shù)，其中溶質(zhì)運移參數(shù)縱向彌散度為21 cm，橫向彌散度為4.5 cm。在均勻介質(zhì)中，用可控的對流彌散方程模擬非反應(yīng)離子運移[29]，其公式為

式中c為溶質(zhì)濃度，g/cm3；qi為入滲率，cm/d；Dij為彌散系數(shù)，cm2/d；下標(biāo)i，j表示x，z軸坐標(biāo)；Cs為匯項鹽分含量，g/L。

3）根系吸水模型

鹽度脅迫響應(yīng)函數(shù)采用乘法模型中的閾值模型，并在HYDRUS數(shù)據(jù)庫中選擇與棉花相對應(yīng)的閾值和斜率值。棉花根系吸水參數(shù)取值情況：土體空隙被水完全充滿時對應(yīng)的負壓值（P0）取-10 cm；土壤毛管上升水達到最大量時對應(yīng)的負壓值（Popt）取-25 cm；土壤毛管水因地表蒸發(fā)和作物吸收發(fā)生斷裂時對應(yīng)的極限高負壓值（P2H）取-200 cm；土壤毛管水因地表蒸發(fā)和作物吸收發(fā)生斷裂時對應(yīng)的極限低負壓值（P2L）取-600 cm；作物產(chǎn)生永久凋萎時對應(yīng)的負壓值（P3）取-14000 cm；最大根系深度取60 cm；最大根系深度取25 cm；最小滲透壓頭（鹽度閾值）值取15.4 cm，高于該值時根系水分的吸收不會降低；斜率取2.6，為確定分根曲線的斜率，鹽度每增加1個單位，其吸水量就下降到閾值以下。

采用修正的Feddes模型[31]，公式如下：

式中α(h, hφ,x,z)為土壤水鹽脅迫函數(shù)；hφ為滲透壓力，cm；b(x, z)為根系分布函數(shù)，cm-2；St為與蒸騰關(guān)聯(lián)的地表長度，cm；Tp為潛在蒸發(fā)速率，cm/d。

4）參考作物蒸發(fā)蒸騰量

參考作物蒸發(fā)蒸騰量按照Penman-Monteith公式[19]計算，數(shù)據(jù)來源為當(dāng)?shù)貧庀笳镜臍庀髷?shù)據(jù)，計算結(jié)果如圖3所示。潛在蒸發(fā)量和潛在蒸騰量計算公式[19]為

式中ETp為潛在蒸發(fā)蒸騰速率，cm/d；Kc為棉花的作物系數(shù)；ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，cm/d；Ep為潛在蒸發(fā)速率，cm/d；Tp為潛在蒸騰速率，cm/d；Δ為飽和水汽壓溫度曲線上的斜率，kPa/℃；Rn為凈太陽輻射，MJ/m2；L為水汽化的潛熱，MJ/kg；γ為濕度常數(shù)，kPa/℃；LAI為葉面積指數(shù)。

1.4.2 初始條件

以2根暗管中心線為軸，左右呈現(xiàn)對稱，為了減少模型運算可以簡化模型，將試驗區(qū)域以2根暗管中心線進行劃分，對其左側(cè)進行模擬，模擬區(qū)域以及邊界條件見圖4。模擬計算區(qū)域為長（水平方向）2470 cm、寬（垂直方向）300 cm的矩形。模型模擬地下0～200 cm深度范圍土壤鹽分變化特征，按照土壤初始含鹽量和初始含水率進行分層。模擬時間從2013年4月20日至2014年12月1日，共建立4個數(shù)值模型，分別模擬2013和2014年的灌溉期（2013年4月20日—2013年9月30日、2014年4月20日—2014年9月20日）和秋季返鹽期（2013年10月1日—2014年4月9日、2014年9月21日—2014年12月1日），模擬時長共計590 d，前1個階段的模擬結(jié)果按節(jié)點逐個賦值為下1個階段的初始輸入條件，采用變時間步長剖分方式，根據(jù)收斂迭代次數(shù)調(diào)整時間步長[32]。模擬結(jié)束，將4次模擬的數(shù)據(jù)整合在一起來分析灌溉期和秋季返鹽期的鹽分變化規(guī)律。

1）水分運動初始條件

式中θ′(x, z,0)為土壤初始含水率，cm3/cm3；X為暗管到模型右邊界間距，cm；Z為地面到模型下邊界的距離，cm。

圖4為研究區(qū)模型邊界示意圖。灌溉期模型土壤初始邊界條件為：模型的上邊界條件由膜下滴灌覆膜區(qū)、滴頭區(qū)和膜間裸地組成，覆膜區(qū)為零通量邊界；膜間裸地為大氣邊界；在二維垂直水流運動下，滴頭流量造成的通量變化可視為變通量邊界；暗管管壁有微孔，表面并包裹有濾料和土工織布，可視為滲流面邊界；左、右邊界為零通量邊界；研究區(qū)模型下邊界遠低于地下水位，研究區(qū)地下水穩(wěn)定，視為模型下邊界與地下水基本不發(fā)生水量交換和溶質(zhì)運移，下邊界可視為零通量邊界。

秋季返鹽期模型土壤初始邊界條件為：模型的上邊界條件為大氣邊界，降水量和灌水量設(shè)為0，在裸土條件下進行模擬；其余邊界條件同灌溉期模型邊界條件。在膜下和膜間分別設(shè)置觀測點，用土壤鹽分平均值的變化來表示整個模擬區(qū)總鹽分的變化。

2）溶質(zhì)運移初始條件

式中C0為土壤初始含鹽量，g/kg。

溶質(zhì)運移邊界條件與水分運動邊界條件相對應(yīng)，滴頭處、暗管邊壁處同為第三類邊界條件。

1.4.3 模型檢驗

利用SPSS軟件對重復(fù)取樣實測值進行最小顯著性差異方法（Least Significant Difference，LSD）分析，利用均方根誤差（Root Mean Squared Error，RMSE）和納什效率系數(shù)（Nash-Sutcliffe Efficiency Coefficient，NSE）驗證模擬結(jié)果的可靠性[33]，RMSE越接近0，NSE越接近1，表示模擬值與實測值差異越小，兩者吻合越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分實測數(shù)據(jù)分析

利用最小顯著性差異方法計算得到的重復(fù)取樣的樣本數(shù)據(jù)P值均大于0.05，說明土壤的實測值均無顯著性差異，一致性較好。由圖5可知，2014年根系層土壤含鹽量降低到11 g/kg左右，與初始含鹽量相比顯著下降，出苗率明顯提高。與初始鹽含量相比，在0～80 cm的深度范圍內(nèi)，土壤鹽分下降明顯，隨著土壤深度的增加，土壤鹽分含量減少的速率呈逐漸下降的趨勢，在100～120 cm的深度范圍內(nèi)，隨著土壤深度的增加，土壤含鹽量呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律。土壤鹽分含量峰值伴隨棉花生育期過程逐漸向下遷移，最終從100～120 cm的土層深度遷移至140～160 cm的土層深度。這表明，鹽分隨著灌溉水向下運移，上層土壤鹽分不斷被淋洗，上層土壤處于脫鹽狀態(tài)，并在下層土壤一定深度處聚集。

暗管排水水樣平均礦化度為90.6 g/L，觀測井中地下水和西岸大渠中灌溉水的水樣礦化度分別為10.3和0.96 g/L，均遠低于暗管排出水樣的含鹽量，這說明暗管排出的鹽分絕大部分來自于土體。灌溉期灌水后地下水位上升至暗管以上，灌溉水與地下水在暗管上方形成匯流流入暗管，上層淋洗到下層的鹽分也隨之排出暗管，說明膜下滴灌與暗管排水對鹽堿化土壤的改良具有良好的協(xié)同作用。

2.2 HYDRUS-2D模型驗證結(jié)果分析

圖6為0～200 cm深度范圍距離暗管不同間距處各剖面土壤鹽分模擬值與實測值的對比情況，由圖6可知，在0～40 cm土層范圍內(nèi)，土壤鹽分模擬值大多數(shù)略小于實測值，尤其在圖6a的模擬結(jié)果對比中尤為明顯。這可能是由于土壤上表層電導(dǎo)率受實際外界因素影響明顯，而模型構(gòu)建過程中的邊界情況與實際邊界情況存在細微差異，實際情況中的蒸發(fā)蒸騰等邊界條件比模型中所構(gòu)建的要復(fù)雜，這些差異對土壤電導(dǎo)率會產(chǎn)生一定影響。

在140～200 cm土層范圍內(nèi)，土壤鹽分模擬值大多數(shù)略大于實測值，尤其在圖6d和圖6h的模擬結(jié)果對比中尤為明顯。這可能是因為土壤溶質(zhì)運移過程本身比較復(fù)雜，溶質(zhì)運移參數(shù)與儀器所測電導(dǎo)率的精確程度都會帶來實測值與模擬誤差。但是從RMSE和NSE值總體來看，模擬值與實測值兩者差異不大且變化趨勢一致，吻合性較好。

在0～80 cm深度范圍內(nèi)，隨著生育期的推進，土壤鹽分含量明顯下降；80～200 cm深度范圍內(nèi)，隨著土層深度的增加，土壤鹽分含量的總體呈下降趨勢，但由于初始含鹽量的影響，最終形成上層和下層土壤含鹽量較少，中間含鹽量較大的分布情況。這是因為灌水后土壤上層的鹽分會隨著水流運動向下遷移，隨著土壤深度的增加鹽分運移對土壤含鹽量變化的影響程度會變小。土壤鹽分含量峰值伴隨灌溉時間的增加逐漸向下遷移，從100～120 cm的土層深度遷移至140～160 cm的土層深度，模擬值與實測值吻合度較好。

在水平方向上，距離暗管越遠，土壤脫鹽率越小，不同距離的含鹽量模擬精度的均方根誤差RMSE和納什效率系數(shù)NSE范圍分別為0.39～1.26 g/kg和0.66～0.97，個別模擬值變異程度較大，其他模擬結(jié)果的變異程度不是很大，說明各個距離的土壤鹽分實測值與模擬值差異不大，模型在模擬土壤的鹽分分布時具有較高的精度，參數(shù)較可靠，滿足模擬精度要求。模擬值與實測值擬合結(jié)果較為理想，較好地反映出了土壤鹽分在試驗期內(nèi)的變化規(guī)律，模擬結(jié)果可靠。

3 模型應(yīng)用

應(yīng)用經(jīng)過實測值與模擬值修正參數(shù)后的膜下滴灌棉田暗管排鹽模型分別對2013和2014年的灌溉期和秋季返鹽期土壤鹽分運移進行更長時間序列的模擬計算，共進行4個階段為期590 d的模擬，以研究土壤鹽分隨時間的連續(xù)動態(tài)變化。

3.1 0～80 cm土層土壤含鹽量分析

圖7是在模擬區(qū)以膜下為取樣點表示距離暗管不同位置處0～80 cm土層內(nèi)鹽分含量變化曲線。由圖7可知，2013和2014年棉花生育期內(nèi)根系層鹽分含量呈下降趨勢，脫鹽量隨土層深度的增加而減小。與初始含鹽量相比，2013和2014年棉花生育期末表層0 cm處鹽分分別平均下降了66.66%和69.41%，20 cm處鹽分分別平均下降了50.85%和64.31%，40 cm處鹽分分別平均下降了42.31%和59.60%，60 cm處鹽分分別平均下降了26.52%和47.96%，80 cm處鹽分分別平均下降了7.13%和28.24%，0～80 cm土層膜下平均脫鹽率分別達到了41.11%和55.56%。灌水間歇期在蒸發(fā)、施肥及根系吸水作用影響下，上層土壤鹽分有小幅波動上移變化特點，但由于地膜覆蓋鹽分隨水分上移受到抑制，土壤水分僅在膜間裸地一定范圍內(nèi)向上運動強烈，鹽分隨水分進入根區(qū)總量相對有限，因此在整個生育期灌溉制度周期性灌水作用下，土壤鹽分總量呈降低趨勢。

9月下旬灌水停止，去除地膜后，在蒸發(fā)作用下鹽分逐漸由深層向上不斷遷移一部分，使得土壤表層0～20 cm土層內(nèi)鹽分含量迅速上升，40～80 cm土層內(nèi)鹽分沒有明顯變化（從圖7中的第160天到第220天和第530天到第590天）。距暗管16和24 m處的0 cm表層土壤鹽分增加量明顯高于8 m處；距24 m處的20 cm土層土壤鹽分增加量明顯高于8 m和16 m處。與距暗管8 m和16 m處0～20 cm土層土壤鹽分升高情況相比，24 m（兩暗管中間位置）處明顯高于前二者，這可能是由于距暗管較遠，脫鹽效果有所減弱，該處土壤中的鹽分含量較高，在蒸發(fā)的作用下，鹽分向表層運移與聚集。

3.2 0～80 cm土層膜下和膜間整體脫鹽率分析

分別在數(shù)值模型區(qū)域的膜下和膜間設(shè)置取樣點，取各層土壤鹽分的平均值，計算0～80 cm土層范圍內(nèi)距離暗管0～8、8～16、16～24 m的土體（膜下和膜間）平均含鹽量和土體脫鹽率（與初始含鹽量相比），見表4和表5。由表5可知，在0～80 cm土層范圍內(nèi)，2013年吐絮期土體脫鹽率分別為15.70%、13.83%、12.62%；凍土形成前土體脫鹽率分別為8.90%、4.71%、3.03%；2014年吐絮期土體脫鹽率分別為22.41%、16.88%、14.35%；凍土形成土體脫鹽率分別為16.81%、8.37%、5.27%。與初始含鹽量相比，2013和2014年棉花生育期末膜下及膜間0～80 cm土層整體平均脫鹽率分別達到了14.05%和17.88%，秋季返鹽后脫鹽率分別達到了5.55%和10.15%，秋季返鹽明顯。在棉花生育期內(nèi)，0～80 cm深度范圍內(nèi)隨著灌溉次數(shù)的增加，土壤鹽分向下淋洗，土體鹽分逐漸降低，土體脫鹽率是逐漸減少的，前期脫鹽的速率遠大于后期，隨著距暗管距離的增加，土體脫鹽率有減小的趨勢。這說明脫鹽主要發(fā)生在灌水洗鹽階段，且距暗管的距離越近脫鹽效果越好。秋季返鹽階段，0～80 cm深度范圍內(nèi)土體鹽分逐漸增加，0～8 m土體鹽分增加的程度小于8～16 m和16～24 m土體鹽分增加的程度。

表4 模擬區(qū)0～80 cm和0～200 cm土層平均含鹽量 Table 4 Average salt content of 0-80 cm and 0-200 cm soil layers in simulation area

3.3 0～200 cm土層整體脫鹽率分析

由表5可知，經(jīng)過秋季返鹽階段后，土體含鹽量仍然表現(xiàn)呈減少趨勢，暗管發(fā)揮出了排鹽的效果。2013年凍土形成前（11月27日）與初始含鹽量相比，0～200 cm深度范圍內(nèi)土體脫鹽率分別為2.97%、2.44%、2.32%（0～8、8～16、16～24 m）。2014年凍土形成前（11月28日）與初始含鹽量相比，土體脫鹽率分別為5.71%、4.64%、4.52%（0～8、8～16、16～24 m）。0～8 m土體內(nèi)脫鹽率顯著高于8～16 m和16～24 m土體，三者間差異均達到顯著水平。與初始含鹽量相比，2013和2014年棉花生育期末0～200 cm深度范圍內(nèi)整體平均脫鹽率分別達到了2.26%和4.85%，秋季返鹽后0～200 cm深度范圍內(nèi)土體平均脫鹽率分別為2.58%和4.96%。

表5 模擬區(qū)0～80和0～200 cm土層平均脫鹽率 Table 5 Average desalination rate of 0-80 and 0-200 cm soil layer in simulation area

4 討論

潘延鑫等[34-38]進行鹽堿地膜下滴灌研究時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灌水定額足夠大時，由于上層土壤鹽分隨著灌溉水向下遷移，在土壤濕潤鋒處的含鹽量增大的同時，上層土壤含鹽量也在減小。本試驗研究結(jié)果表明，在棉花的生育期內(nèi)，灌水后上層鹽分會向下遷移，伴隨著棉花生育期的過程，土壤鹽分含量峰值也逐漸向下遷移，最終由100～120 cm遷移到140～160 cm土層深度內(nèi)。這是因為覆膜抑制了蒸發(fā)，農(nóng)田土壤水分向上運動由原來的棵間蒸發(fā)和植株蒸騰2個渠道變成了植株蒸騰單一渠道，因此水分向上運動的趨勢大大減少。Li等[39-40]在進行月季的滴灌試驗以及濱海鹽漬化土壤滴灌試驗研究時發(fā)現(xiàn)，土壤鹽分在生育期階段鹽分降低，但是后期返鹽明顯。這與本研究結(jié)果類似，但不同之處在于，本試驗研究結(jié)果表明，在灌水結(jié)束去除地膜后，土壤表層0～20 cm土層內(nèi)鹽分含量迅速上升，40～80 cm土層內(nèi)鹽分沒有明顯變化，下層土壤鹽分未向上明顯遷移。這是因為雖然研究區(qū)地處蒸發(fā)強烈的西北干旱區(qū)，土壤鹽分易向土體表面聚集，但排水系統(tǒng)的存在使農(nóng)田水分向下運動有了通道，且暗管排水控制地下水位，根系層土壤未受到地下水頂托作用，所以農(nóng)田水分整體運動的趨勢是向下的，下層鹽分向上運動受到抑制。

采用暗管排水的措施可以有效控制地下水位，排走土體鹽分。張金龍等[41]通過漫灌淋洗暗管排水表明，暗管埋深1.2 m處，淋洗43d后0～30 cm土層脫鹽率在74.8%～95.4%之間。Wang等[42]基于不同暗管埋深和管徑進行田間灌溉排水試驗，結(jié)果表明暗管0.6 m埋深脫鹽效果優(yōu)于1.0、1.4 m埋深，平均脫鹽率達到了57.04%。與以上研究有所差異，本試驗研究結(jié)果表明，2013和2014年棉花生育期與2013年初始含鹽量相比，在0～80 cm土層范圍內(nèi)，膜下平均脫鹽率分別達到了41.11%和55.56%，膜下及膜間整體平均脫鹽率分別達到了14.05%和17.88%，一方面是因為研究土層深度不同，土壤脫鹽率會隨著土層深度的增加而降低，說明土壤鹽分在向下運移；另一方面是因為暗管埋深不同，暗管淺埋會增加暗管以上土層的脫鹽效率，但鹽分并未完全被暗管排走，更大一部分被淋洗至暗管以下土層。另外，暗管間距、暗管埋深型和作物種植模式等指標(biāo)[13,43-44]也會影響各土層的脫鹽率。

不同區(qū)域土壤脫鹽率與距暗管的距離成負相關(guān)。距暗管越近，排鹽速率越快，距暗管越遠，排鹽速率相對減慢[45-46]。本試驗研究結(jié)果表明，距離暗管0～8 m土壤平均脫鹽率顯著高于8～16 m和16～24 m土壤平均脫鹽率，但后兩者的差別較小，形成了距暗管近的區(qū)域鹽分少，距暗管遠的區(qū)域鹽分多的狀況。但依據(jù)溶質(zhì)運移規(guī)律及鹽分平衡原理，農(nóng)田中的鹽分會隨著時間的推移由鹽分多的區(qū)域向鹽分少的區(qū)域運移，從而形成了土壤鹽分整體下降、根系層鹽分下降更加明顯的結(jié)果。2013和2014年秋季返鹽后與2013年初始含鹽量相比，0～80 cm土體鹽分分別平均下降了5.55%和10.15%，0～200 cm深度范圍內(nèi)土體鹽分分別平均下降了2.58%和4.96%，這進一步說明了灌水后大部分鹽分被淋洗到土壤下層，一部分滯留在土壤中，一部分溶解于地下水被暗管排走，但長期使用該模式土體含鹽量將會持續(xù)降低[47]。

5 結(jié)論

基于HYDRUS-2D模型建立了暗管排水條件下膜下滴灌棉田土壤鹽分變化的數(shù)學(xué)模型，比較了HYDRUS-2D模擬結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計分析指標(biāo)均方根誤差RMSE和納什效率系數(shù)NSE驗證了數(shù)值模擬方法的可靠性。在此基礎(chǔ)上，對0～80 cm土層內(nèi)鹽分隨時間的變化、根系層土壤脫鹽率以及0～200 cm土層脫鹽率進行模擬分析。得出以下結(jié)論：

1）膜下滴灌技術(shù)與暗管排水相結(jié)合，使土壤根系層脫鹽效果顯著。利用HYDRUS軟件得到的模擬值與實測值吻合度較高，含鹽量均方根誤差RMSE和納什效率系數(shù)NSE范圍分別為0.39～1.26 g/kg和0.66～0.97，均在可接受范圍內(nèi)。

2）暗管排水和膜下滴灌條件下，2013和2014年棉花生育期末與2013年初始含鹽量相比，根系層土壤脫鹽明顯。在膜下，0～80 cm土層平均脫鹽率分別達到了41.11%和55.56%；膜下及膜間，0～80 cm土層平均脫鹽率分別達到了14.05%和17.88%。

3）2013和2014年秋季返鹽后土壤含鹽量與2013年初始含鹽量相比，0～80 cm土體鹽分分別平均下降了5.55%和10.15%；0～200 cm土體鹽分分別平均下降了2.58%和4.96%，說明暗管控制條件下，使用滴灌淋洗和暗管排鹽的模式，土體內(nèi)的鹽分總量呈現(xiàn)降低趨勢。