基于HYDRUS-2D的負壓微潤灌土壤水分運動模擬

徐俊增 劉瑋璇 衛(wèi) 琦 王可純 王海渝 周姣艷

(1.河海大學農業(yè)科學與工程學院， 南京 210098；2.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室， 南京 210098；3.昆山市城市水系調度與信息管理處， 昆山 215300)

0 引言

隨著人口數量的增長和經濟社會的快速發(fā)展，人均水資源可利用量不斷銳減，水資源短缺問題已經成為制約我國經濟發(fā)展的重要因素[1]。在水資源供需矛盾日益突出的背景下，發(fā)展新型節(jié)水灌溉技術對提高灌溉用水效率、緩解農業(yè)用水危機具有重要的現實意義[2]。

負壓微潤灌是一種通過土壤基質吸力將灌溉水由低處向高處運移而自動補充土壤水分、維持根區(qū)穩(wěn)定土壤水分、以保證作物需水的灌溉方式[3]，其最主要的特點是連續(xù)微量供水、維持穩(wěn)定的土壤水分分布[1]、減少地表無效蒸發(fā)和下滲損失，從而實現水資源高效利用[1,4]。負壓微潤灌技術具有節(jié)水、節(jié)能、促進作物生長、改善土壤環(huán)境等優(yōu)勢，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦凸?jié)水灌溉技術[5-6]。隨著灌水器材料與制備工藝的日趨成熟，負壓微潤灌技術受到了越來越多的關注，但受供水壓力、灌水器導水率及埋深等因素的影響，仍缺乏較為系統的負壓微潤灌技術設計標準或參考依據。因此，在實際推廣應用中受到一定的限制[2]。

土壤濕潤體決定作物的水分利用效率和生長特性[7]，準確把握負壓微潤灌的土壤濕潤體特征，對于選擇具有高效用水效率的負壓微潤灌技術參數具有重要指導意義。在諸多影響負壓微潤灌土壤濕潤體特征的因素中，灌水器導水率KS、供水水頭H及灌水器埋深D是決定負壓微潤灌濕潤體特征的重要因子。在通常情況下，KS決定了負壓微潤灌的供水速率，KS越大，意味著水分進入土壤的通道越多，在相同時間內累積入滲水量和濕潤體也越大[8]。H決定了灌水器的內外壓力差，H越小，意味著土壤水吸力和濕潤體越小[9-10]，一般認為，作物適宜的負壓微潤灌供水水頭主要維持在-10～0 kPa范圍內[2]。灌水器埋深也顯著影響土壤濕潤體的分布特征，是實現與作物根系有效匹配的關鍵因素[11]。

數值模擬方法可以定量描述土壤水分運動過程，因此被廣泛應用于節(jié)水灌溉研究中[12]。由美國國家鹽土實驗室開發(fā)的HYDRUS模型具有模擬精度高、算法種類豐富等優(yōu)點，是目前應用最為廣泛的水分運動模擬模型之一[13-15]。已有學者針對該模型在負壓微潤灌條件下的土壤水分運移規(guī)律進行了模擬研究。冀榮華等[14]研究了不同灌水器半徑(8、10、12 cm)對負壓微潤灌土壤水分入滲的影響，結果表明，灌水器半徑是影響土壤水分入滲的顯著性因素，且水分入滲速率隨灌水器半徑的增大而增加。WANG等[8]通過土箱試驗與HYDRUS-2D模型相結合的方法研究了灌水器導水率、土壤初始含水率、灌水器埋深以及供水壓力對土壤水分入滲的影響，并基于上述參數建立了負壓微潤灌累積灌水量的半機理半經驗的數學計算表達式。目前，關于負壓微潤灌土壤濕潤體的研究主要采用土箱試驗和模型模擬相結合的方法，探究不同灌水器埋深和供水水頭對濕潤體最大濕潤距離及其水分含量的影響[16]，而將負壓微潤灌土壤長期穩(wěn)定的濕潤體特征與作物根系分布特征相匹配，探求不同作物適宜的負壓微潤灌技術參數范圍等方面的研究還鮮見報道。

本文以負壓微潤灌為研究對象，以3種負壓控制下的土箱實測土壤水分數據為依據，通過反演土壤和灌水器水力特征參數構建基于HYDRUS-2D的負壓微潤灌模型，研究負壓微潤灌不同灌水器導水率和供水壓力水頭條件下土壤有效濕潤距離(滿足作物正常生長所需要的最低土壤水分的運移距離，包括水平距離、垂直向上距離和垂直向下距離)的變化規(guī)律，并結合負壓微潤灌不同情景模擬下土壤濕潤體特征和典型設施作物根系分布特征及需水規(guī)律，探究常見設施作物適宜的負壓微潤灌技術參數范圍。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本試驗于2019年4—6月在河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室(32°3′24″N,118°45′E)進行。供試土壤取自南京市蔬菜花卉科學研究所塑料溫室，采集的土壤樣本在自然條件下進行風干，經過研磨、過篩(4 mm)后分層填入規(guī)格為80 cm×40 cm×60 cm土箱內，填土高度為45 cm。供試土壤均源自表層(0～30 cm土層)土壤，其基本物理特征參數如表1所示。

表1 土壤基本物理特征參數

試驗采用陶土管負壓微潤灌系統進行供水(圖1)。其中負壓微潤灌系統采用頂空氣壓傳感器測定內部壓力，并通過單片機進行決策來控制排氣泵對內部壓力進行調整，使之穩(wěn)定在設定的壓力范圍(-100～100 Pa)。試驗采用黏土陶土管灌水器(外徑3 cm，內徑1.5 cm，長40 cm)進行灌溉，陶土管在回填過程中置于土箱長邊一側的中線位置處(埋深為15 cm)。試驗過程中，土箱一側用于記錄不同時刻的濕潤峰推進情況，另一側用于取樣測定不同時段和不同距離的土壤含水率，即取樣側在水平和垂直方向上每隔5 cm處設置取樣孔(直徑d為1 cm)。本研究中，選擇灌水器周圍的6個取土點為觀測點，并采用不銹鋼土鉆(外徑8 mm，內徑6 mm)對土壤樣品進行采集，采用干燥法(100℃，8 h)對土壤質量含水率進行測定，并通過土壤質量含水率與土壤容重的乘積求得土壤體積含水率。

試驗共設置3個供水壓力處理(供水水頭H分別為-2、-4、-6 kPa，表示為T1、T2、T3)，每個處理設置3個重復。試驗過程中，分別在灌水后第1天內的4、8、16、24 h，以及之后6 d內每間隔24 h記錄濕潤峰推進距離和土壤含水率。

1.2 模型構建

1.2.1數值模型

負壓微潤灌沿水平方向均勻入滲，假設土壤均勻且各向同性，在灌水器左右兩側軸對稱，因此按照二維水分運動的理念進行模型概化，使用HYDRUS-2D對不同負壓供水條件下的土壤水分運動進行模擬分析，其水分運動方程為Richards方程[15],即

(1)

其中

式中c(h)——比水容量(也稱容水度)，cm3/cm3

θ——土壤含水率，cm3/cm3

h——土壤水壓力，kPa

K(h)——非飽和土壤導水率，cm/min

t——時間，min

r、z——柱坐標下徑向坐標和垂向坐標，cm

土壤水分入滲規(guī)律采用VG模型進行描述[12]，表達式為

(2)

(3)

其中

m=1-1/n

式中θs——土壤飽和含水率，cm3/cm3

θr——土壤殘余含水率，cm3/cm3

θ(h)——土壤相對飽和度，cm3/cm3

KS——土壤飽和導水率，cm/h

Se——土壤相對飽和度

α——經驗常數，與進氣壓力成反比

n——與孔徑分布相關的經驗參數

l——經驗形狀系數

1.2.2幾何模型

由于陶土管灌水器管材為多孔材料，其水分運移理論上也可借助HYDRUS模型進行模擬，因此，在模型模擬過程中將陶土管假定為一種多孔材料(直徑3 cm，厚度1.5 cm)。另外，考慮到土壤水分入滲過程土壤濕潤體的左右對稱性，本研究中僅針對土體右側的濕潤過程進行模擬[8]，即在模型構建過程中將厚度為1.5 cm的半環(huán)形陶土管灌水器設置在計算模擬區(qū)域的左側，用于模擬其土壤水分在土體右側運移規(guī)律，因此其坐標系的原點位于土體下邊界的最左側(圖2)。此外，模型模擬過程中，考慮到上下層土壤容重的差異以及灌水器特殊的滲透性質，將模擬區(qū)域分為0～16.5 cm土層、16.5～45.0 cm土層和灌水器3部分，分別設置水力特征參數，并在模擬區(qū)域中根據取土樣點的位置同步設定6個土壤水分觀測點(圖2)。

1.2.3邊界條件設定

模型模擬區(qū)域為40 cm×45 cm的矩形，目標網格大小為1 cm，土壤剖面按深度分為0～16.5 cm和16.5～45.0 cm 2個土層。對于灌水器的多孔介質特性，為了使計算更加精確，在灌水器周圍進行加密并按網格大小為0.25 cm進行劃分，整個模型共劃分成4 388個幾何節(jié)點(圖2)。灌水器內壁邊界為定水頭邊界(Constant pressure head)，邊界水頭設定為實際壓力水頭，結合土壤初始含水率，通過土壤水分特征曲線獲得土壤初始負水頭為-20 000 cm[17]。忽略對稱面的水平交換，左側邊界除灌水器外其余部分按不透水邊界對待。上邊界設置為大氣邊界(Atmospheric boundary)條件，由于試驗在室內進行，不考慮降雨量和蒸發(fā)蒸騰速率日變化的影響，因此，平均潛在蒸發(fā)量設置為0.4 cm/d[8]。另外，考慮到試驗模擬期間土箱裝置的不透水性且在試驗模擬期間水分基本不會入滲到底部和右側邊界，所以右側和底部均設定為無通量邊界(No flux)。

1.3 模型水力特征參數反演

模型模擬結果的可靠性通常取決于土壤或灌水器水力特征參數的選擇。目前，關于水力特征參數的選擇主要通過基于土壤基本物理特征參數的ROSETTA模型預測、基于實測土壤水分特征曲線計算以及基于實測含水率結果的反演模型計算得到。例如，ZHANG等[18]基于實測含水率數據和HYDRUS-2D模型反演并驗證了反演模型的模擬精度，結果表明反演模型能夠較好地模擬土壤水分運移特征，其均方根誤差(RMSE)僅為0.015～0.038 cm3/cm3。此外，還有部分學者通過研究地下滴灌系統及地下排水系統的水分遷移過程，認為反演參數越少，反演模型的模擬結果越精確[16,19]。因此，為了得到與實測結果匹配性更高的模型，以往大部分文獻主要先通過ROSETTA模型預測土壤初始水力特征參數，并選擇其中的敏感參數基于實測結果進行反演計算，得到新土壤水力特征參數及反演模型，且證實了其模擬結果的可靠性[8,20-22]。

基于供試土壤的顆粒級配與容重，以HYDRUS-2D模型內置RETC預測模塊估算土壤初始水力特征參數(表2)。并根據落差法(Falling head method)測量計算得到陶土管的飽和導水率KS0[22]。假設陶土管灌水器在試驗初始階段工作壓力較小且處于飽和含水狀態(tài)，故α取較小值0.000 001 cm-1。此外，假定管壁材料的不飽和參數θs、θr、n和l對模擬結果沒有顯著影響，其取值可借鑒SIYAL等[22]研究結果。

表2 土壤和灌水器初始水力特征參數

以T1(H=-2 kPa)處理實測的土壤含水率數據為依據對土壤水力特征參數進行反演計算，以T2(H=-4 kPa)、T3(H=-6 kPa)處理結果進行驗證?；谕寥莱跏妓μ卣鲄抵担ㄟ^HYDRUS-2D內置Marquardt-Levenberg優(yōu)化算法對土壤和灌水器參數θr、α、n和KS進行反演計算?？紤]到反演參數的數量越多對模型精度的影響越大[19],因此，在參數反演過程中，重點針對陶土管較為敏感的參數飽和導水率KS0及土壤水分特征的敏感參數θr、α、n、KS進行了反演，反演參數的設置區(qū)間主要參考KARIMOV等[23]研究結果，其具體范圍如下：KS0、KS為 0.000 1～5 cm/h，θr為0.35～0.6 cm3/cm3，α為0.003 1～0.036 8 cm-1，n為1.3～2.42。此外，在對反演結果進行精度分析時，土壤含水率采用6個觀測樣點的實測值與模擬值進行比較；累積入滲量由于模擬過程僅采用半柱體進行分析，故模擬值需加倍后再與實際灌水量進行比較分析，濕潤距離(土壤水分的實際運移距離)則選取濕潤體3個方向(水平方向、垂直向上方向和垂直向下方向)對不同時刻土壤實際觀測的最大濕潤邊界及模型模擬值進行比較。

1.4 統計方法

為了評價模型的準確性，采用平均誤差(ME)、均方根誤差(RMSE)和納什效率系數(NSE)3個指標對模型模擬結果進行評價。一般情況下，ME和RMSE越小、NSE越接近1，說明模型精度越高。

1.5 情景模擬

影響負壓微潤灌土壤濕潤體特征的因素主要包括土壤質地、灌水器材料、供水水頭、灌水器埋深等[2]，因此，在土壤質地和作物種類確定的情況下，灌水器材料和供水水頭是影響負壓微潤灌土壤濕潤峰最主要的因素。為進一步明確影響負壓微潤灌土壤濕潤體特征的灌水器導水率和供水水頭臨界范圍，本研究以土箱試驗T1處理的負壓微潤灌技術參數為基礎，通過HYDRUS-2D反演模型模擬負壓微潤灌不同灌水器導水率(0.000 1～0.005 cm/h)和不同供水水頭(-10～0 kPa)條件下土壤濕潤體分布特征，統計分析有效濕潤距離(對應能夠滿足作物生長所需的最低土壤水分(本研究取0.15 cm3/cm3)的濕潤距離)，建立不同灌水器導水率和供水水頭與有效濕潤距離之間的定量關系。并結合該定量關系，以典型設施作物主要根系分布特征和適宜的供水壓力范圍[2]為參考，通過設置不同負壓微潤灌技術參數組合，借助反演模型模擬更多情景組合下土壤濕潤體特征。此外，為更好模擬原狀土的特征以及考慮到實際回填過程中因夯土對灌水器產生的影響，本研究模型模擬過程中，以不同灌水器埋深D(5、10、15、20 cm)所對應的土層為臨界土層，并分別將模擬區(qū)域臨界土層上下部分土壤水力特征參數設定為基于HYDRUS-2D的負壓微潤灌水分模型反演后的上下兩層(0～16.5 cm和16.5～45.0 cm)的土壤水力特征參數值。

2 結果與討論

2.1 基于HYDRUS-2D的負壓微潤灌模型參數反演與驗證

2.1.1模型參數反演

由土壤初始水力特征參數(表2)和模型反演參數結果(表3)可以看出，反演后的土壤水力特征參數KS較其初始值有了顯著降低，即分別由1.064、1.041 cm/h降低為0.012、0.008 cm/h，而其余參數的變化相對較小。

表3 反演后的土壤和灌水器水力特征參數

此外，基于土箱試驗T1(H=-2 kPa)處理的實測數據對反演模型的準確性進行驗證，相關評價指標結果見圖3。可以看出，反演模型模擬的T1處理的土壤含水率、累積入滲量和濕潤距離(水平距離、垂直向上距離、垂直向下距離)與實測結果之間具有較好的一致性，其決定系數(R2)均達到了0.98以上，ME分別為0.37 cm3/cm3、0.09L和1.09 cm，RMSE分別為3.49 cm3/cm3、0.22L和1.73 cm，NSE分別為0.910 8、0.951 2和0.778 5。結果表明，HYDRUS-2D模型能夠較好地模擬負壓微潤灌土壤水分運移特征。

2.1.2模型驗證

為進一步驗證反演模型對負壓微潤灌不同負壓狀態(tài)下模擬結果的精度，針對驗證數據T2(H=-4 kPa)和T3(H=-6 kPa)處理對模擬結果進行了分析(表4和圖4)。結果表明，反演模型對T2和T3處理的模擬結果與實測結果之間的R2均達0.98以上，NSE均在0.77以上，ME和RMSE雖較T1處理有所增大，但均在可接受范圍內。研究結果還發(fā)現，隨著負壓微潤灌供水壓力的減小，反演模型對土壤含水率的模擬值與實測值之間的誤差越小，而累積入滲量和濕潤距離模擬結果與實測結果之間的誤差則越大。整體上，反演模型對負壓微潤灌不同供水水頭條件下的土壤水分運移特征(含水率、累積入滲量和濕潤距離)均具有較高的模擬精度，可以作為模擬更多灌水器參數組合下土壤水分動態(tài)的工具。

表4 模擬值與實測值的誤差分析

2.2 基于HYDRUS-2D的負壓微潤灌模型應用

2.2.1負壓微潤灌技術參數范圍選擇

通過反演模型對不同灌水器飽和導水率(0.000 1～0.005 cm/h)的土壤濕潤體特征的模擬結果(圖5，**表示差異極顯著)可以看出，灌水器飽和導水率與土壤有效濕潤距離(包括水平距離、垂直向上距離和垂直向下距離，下同)之間呈顯著的對數關系(p<0.001)，決定系數均達到0.99以上，擬合關系極好。整體上，有效濕潤距離隨灌水器飽和導水率的增大呈現先快速增加后緩慢增加趨勢，且有效濕潤距離在灌水器飽和導水率小于0.001 4 cm/h時，距離的斜率變化隨灌水器飽和導水率變化較為顯著。

另外，通過模擬不同供水水頭(-10～-0.1 kPa)條件下的土壤有效濕潤特征可以發(fā)現(圖5)，土壤有效濕潤距離隨負壓水頭絕對值的增大而減小，二者之間呈顯著的指數關系(p<0.001)，決定系數達到0.98以上。整體上，負壓水頭絕對值與有效濕潤距離之間的決定系數略小于灌水器飽和導水率與有效濕潤距離之間的值。

2.2.2不同組合情景負壓微潤灌土壤有效濕潤體特征情景模擬

由模擬結果可得，不同灌水器飽和導水率、供水水頭及灌水器埋深組合情景下的土壤濕潤體主要呈現3種典型濕潤體形式(A、B、C型，圖6)，且其明顯折線處所對應的土層位置也有所差異，可能是由于不同灌水器埋深對應的臨界土層及其上下土層的土壤容重差異所導致的。進一步分析發(fā)現A型濕潤體主要出現在淺層灌水器埋深和高壓力水頭條件下，即包括灌水器埋深為5 cm時的所有供水水頭以及灌水器埋深為10 cm的高壓力水頭(-2 kPa)所形成的濕潤體。通常情況下，A型濕潤體的主要特點為垂直濕潤距離較短(0～20 cm)，但由于其在地表的濕潤范圍較大，往往導致地表蒸散發(fā)量大、土壤水分利用效率低。B型濕潤體一般出現在灌水器中等埋深(10～15 cm)和高灌水器飽和導水率條件下，其主要特點是垂向濕潤距離較A型更大(0～30 cm)，最大水平濕潤距離出現在灌水器所在位置的同一水平面上，地表濕潤范圍較A型較小，造成地表蒸發(fā)少、土壤水分利用效率較A型略強。C型濕潤體主要出現在中等灌水器埋深(10～15 cm)和高灌水器飽和導水率條件下、以及深層灌水器埋深(20 cm)的所有的灌水器飽和導水率條件下，其最大垂直濕潤距離(0～35 cm)較A型和B型濕潤體有所增大，而地表濕潤范圍則有所減小，甚至不產生地表濕潤，因此，其地表蒸發(fā)損失最低，節(jié)水效果最好。

2.2.3基于HYDRUS-2D的典型設施作物負壓微潤灌技術參數篩選

結合HYDRUS-2D模型對負壓微潤灌不同灌水器參數組合下的土壤濕潤體模擬結果，選擇6種灌水器飽和導水率參數(0.000 2、0.000 4、0.000 8、0.001 4、0.002、0.004 cm/h)、5種供水壓力水頭(-2、-4、-6、-8、-10 kPa)和4種灌水器埋深(5、10、15、20 cm)進行組合，借助反演模型模擬了120種情景組合下土壤濕潤體特征。根據典型設施作物根系分布特征(表5)，以土壤濕潤體的濕潤距離與根系分布層的匹配情況以及生產實踐中作物對根區(qū)水分的正常需求為判斷依據，確定了不同根系設施作物適宜的負壓微潤灌濕潤體特征類型及其對應的技術參數范圍(表6)。

從表2中可以看出，每組數據中所包含的粗差數量并不多，對平均值的影響比較微弱，各組數據的數量不同是因為實際觀測時間長短不同，同一距離處的一組數據可以看作重復性觀測。

表5 典型設施作物根系形狀和灌溉組合

由表5可以看出，淺須根系作物由于其主要根系分布層較淺、水平根系較寬，因此與A型濕潤體較為匹配。中間須根系作物由于其主要根系在土壤中層位置的分布較寬，根系垂向范圍略大于水平方向范圍，因此與B型濕潤體較為匹配。深須根系和深直根系由于其根系在垂向的分布顯著大于水平方向的分布，因此與C型濕潤體更為匹配。淺直根系由于其存在根系主要分布層較淺、垂向分布顯著大于水平分布等特點，因此與A型或B型均較為匹配。

此外，進一步分析不同設施作物的負壓微潤灌技術參數推薦范圍(表6)可以看出，由于香蔥和菠菜的根系分別屬于淺須根系和淺直根系，所以符合A型濕潤體對應的負壓微潤灌技術參數范圍，即灌水器飽和導水率主要維持在0.000 2～0.002 cm/h范圍內，供水水頭和灌水器埋深范圍分別為-8～-4 kPa和0～5 cm。與香蔥和菠菜相比，黃瓜和辣椒的根系屬于中間須根系或者中直根系，所以符合B型濕潤體對應的負壓微潤灌技術參數范圍，因此其供水水頭和灌水器埋深主要維持在-6～-2 kPa和5～10 cm范圍內，但考慮到黃瓜的根系水平和垂直分布范圍略小于辣椒，因此其灌水器飽和導水率(0.000 4～0.000 8 cm/h)較辣椒(0.001 4～0.002 cm/h)有所減小。對于番茄、大蒜來說，由于其根系垂向深度和水平寬度主要維持在20 cm以上，因此可參考C型濕潤體對應的負壓微潤灌技術參數范圍，結合情景參數的設置和模擬結果分析發(fā)現，其灌水器飽和導水率和供水水頭相對固定，分別為0.001 4～0.004 cm/h和-4～-2 kPa，灌水器埋深為15～20 cm。

表6 作物根系分布、生長需水量及其負壓微潤灌技術參數推薦范圍

2.3 討論

土壤水力特征參數的精確與否決定了模型模擬結果的可靠性。關于土壤水力特征參數及其對模型模擬精度的評價等方面的研究，國內外相關學者已經通過多種方法開展了部分研究工作。例如，ZHANG等[18]通過研究預測模塊、實測土壤持水曲線及模型反演3種方法計算的土壤水力特征參數對模擬結果的可靠性，結果表明采用反演模塊計算的土壤水力特征參數值的模擬結果精確最高，且反演后的土壤飽和導水率KS變化最為明顯，即0～21.5 cm和21.5～70 cm土層的KS分別由35.31、34.88 cm/d增加到176.9、50.72 cm/d。本研究結果表明，基于HYDRUS-2D模型反演模塊計算的土壤水力特征參數能夠較好地模擬負壓微潤灌不同供水水頭條件下的土壤濕潤體特征，且由模型預測(RETC)模塊和反演模塊計算的土壤飽和導水率KS之間也存在較大差異，這一結果與文獻[18]較為相似。此外，本研究還發(fā)現，基于實測數據和模型反演得到的土壤0～16.5 cm和16.5～45.0 cm土層的KS分別為0.012、0.008 cm/h，與文獻[18]中KS結果存在顯著差異，這一現象可能是由土壤質地的差異所導致。例如，WANG等[8]基于實測土壤水力特征曲線計算得到壤土的KS為0.011 cm/h；毛乾屹等[34]基于HYDRUS-2D模型率定的砂壤土、壤土和砂土的土壤KS分別為63.01、24.04、81.52 cm/d。

灌溉技術的創(chuàng)新與發(fā)展推動了現代農業(yè)的進步，基于模型模擬的土壤水分入滲過程能夠較好地闡述負壓微潤灌土壤水分運動特征。以往關于負壓微潤灌的文獻主要基于土箱試驗和模型模擬研究了不同供水水頭、灌水器埋深對土壤水分遷移特征及作物生長產量的影響[10]，未能將負壓微潤灌土壤濕潤體特征與實際生產中作物根系分布特征及根區(qū)需水規(guī)律進行有效銜接。且受灌水器參數、供水水頭以及土壤質地等因素的影響，在實際應用過程中仍缺乏較為完整的負壓微潤灌技術參數選擇標準，限制了其更廣泛的應用。本研究以土壤濕潤體有效濕潤距離為目標，以土壤濕潤體與作物根系匹配情況以及作物根系對水分的需求為篩選依據，確定了典型設施作物適宜的負壓微潤灌技術參數范圍，研究結果對于生產實踐過程不同作物負壓微潤灌參數的選擇以及負壓微潤灌技術的大面積推廣應用提供了技術指導。然而，考慮到負壓微潤灌土壤濕潤體的左右對稱性，本研究中僅針對右半個陶土灌水器及其在右側土體的土壤水分入滲過程進行了模擬，且重點研究了以供水水頭為變量因子的土壤水分運移特征，考慮到模型模擬過程中僅需考慮的土壤水吸力作用(土壤基質勢差值產生)對模型相關參數和模擬結果無較大影響，因此，本研究中確定的負壓微潤灌技術參數(灌水器飽和導水率、供水水頭和灌水器埋深)在由半柱體向全柱體推廣過程中具有較好的適用性。然而，若在推廣過程中涉及到累積灌水量等參數，其全柱體下的實際灌水量應為基于半柱體模擬灌水量結果的2倍。

此外，在模擬過程中還發(fā)現，土壤濕潤體垂直向下的濕潤距離小于垂直向上和水平方向的濕潤距離，這一結果與范嚴偉等[35]研究發(fā)現的土壤濕潤體垂直向上距離小于水平距離和垂直向下距離等結果并不一致。分析其原因可能為，本研究中0～16.5 cm和16.5～45.0 cm土層的土壤容重分別為1.25、1.35 g/cm3，下層較高的土壤容重減小了土壤顆粒間孔隙，限制了土壤水分的遷移過程，導致該現象產生[17]。上述結果意味著分層容重可調控濕潤體在不同方向的有效濕潤距離，為今后的負壓微潤灌發(fā)展提供新的研究方向。

3 結論

(1)基于負壓微潤灌不同供水水頭(-2、-4、-6 kPa)處理下的土壤水分特征(土壤含水率、累積水分入滲量和濕潤距離)實測值為依據，對HYDRUS-2D模型進行了反演與驗證，構建了適用于負壓微潤灌條件下的HYDRUS-2D模型，驗證結果表明該模型能夠較好地模擬負壓微潤灌不同供水水頭條件下土壤含水率、累積入滲量和濕潤距離(水平和垂直方向)的同步變化規(guī)律。

(2)基于反演模型對不同灌水器飽和導水率和負壓微潤灌供水水頭條件下的濕潤距離模擬結果表明，灌水器飽和導水率和供水水頭與土壤濕潤距離分別呈對數和導數關系，且其決定系數均達到0.98以上，相關性均達到極顯著水平。

(3)基于反演模型對負壓微潤灌120種技術參數組合(不同灌水器飽和導水率、供水水頭以及灌水器埋深)情景的土壤水分模擬結果，并結合常見設施作物根系分布及其根區(qū)需水特征，確定了不同設施作物適宜的負壓微潤灌技術參數范圍。