肖 姚,王 珂,趙 強(qiáng),毛 俊,伍靖?jìng)?/p>
(武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢430072)
在我國(guó)西北干旱-半干旱季節(jié)性凍融地區(qū),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中常采取秋澆、冬灌等非生育期淋洗灌溉制度來(lái)保墑壓鹽,隨著近年來(lái)膜下滴灌節(jié)水灌溉技術(shù)在西北地區(qū)的廣泛推行,如何對(duì)該地區(qū)膜下滴灌農(nóng)田進(jìn)行非生育期淋洗成為亟待解決的新問(wèn)題。不同于傳統(tǒng)地面灌溉,膜下滴灌灌水僅以滴頭為圓心局部濕潤(rùn)根區(qū)范圍內(nèi)土壤,膜下區(qū)域和膜間區(qū)域土壤水鹽分布極不均衡,具有其特殊的水鹽運(yùn)移規(guī)律和空間分布狀態(tài)[1-4];西北地區(qū)廣泛存在的季節(jié)性凍融現(xiàn)象,又進(jìn)一步加劇了該地區(qū)膜下滴灌農(nóng)田非生育期水鹽運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性[5-8]。因此,針對(duì)傳統(tǒng)地面灌溉農(nóng)田的非生育期淋洗制度難以直接應(yīng)用至季節(jié)性凍融膜下滴灌農(nóng)田。
盡管學(xué)者們針對(duì)非生育期淋洗制度已展開(kāi)諸多研究[9-12],但研究對(duì)象多為傳統(tǒng)灌溉農(nóng)田,并未考慮到膜下滴灌農(nóng)田特殊的水鹽分布情況,難以指導(dǎo)膜下滴灌區(qū)的非生育期淋洗。目前僅有部分學(xué)者針對(duì)膜下滴灌區(qū)非生育期淋洗進(jìn)行了研究。孫貫芳等[14]通過(guò)田間試驗(yàn)研究了河套灌區(qū)玉米膜下滴灌農(nóng)田土壤水熱鹽效應(yīng)及秋澆洗鹽灌溉效果,結(jié)果表明不同滴灌制度下土壤水鹽剖面分布極不均勻,非生育期洗鹽灌溉效果顯著。毛威[15]等利用SaltMod 模型模擬河套灌區(qū)膜下滴灌土壤鹽分演化規(guī)律,分析了根系層土壤鹽分累積與灌溉水量、水質(zhì)、地下水位等因素的關(guān)系,并建議每?jī)赡暌S河水秋澆一次?;⒛憽ね埋R爾白等[16]則利用HYDRUS-3D 模型來(lái)模擬不同秋澆定額下秋澆期10月1日-11月1日膜下滴灌農(nóng)田的水鹽運(yùn)移,通過(guò)分析秋澆前后的土壤脫鹽率和底層土壤水分通量,給出了新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)石河子121團(tuán)的推薦秋澆定額?,F(xiàn)有研究從土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律、淋洗灌溉效果、推薦淋洗定額等方面展開(kāi)了部分討論,但現(xiàn)有研究時(shí)段局限在非生育期淋洗期,未考慮凍融作用對(duì)膜下滴灌農(nóng)田水鹽重分布的影響,不能有效確定作物播前土壤水鹽狀態(tài);且有關(guān)淋洗定額的研究均為一年一淋洗條件下的定額優(yōu)選,缺乏膜下滴灌農(nóng)田年際間水鹽運(yùn)移規(guī)律的有關(guān)研究,對(duì)于膜下滴灌農(nóng)田多年一淋洗的淋洗制度研究尚未進(jìn)一步展開(kāi)。
針對(duì)上述問(wèn)題,本文綜合考慮膜下滴灌農(nóng)田水鹽空間分布的特殊性和季節(jié)性凍融影響,采用多維水鹽運(yùn)移模擬模型HYDRUS-2D 和凍融模擬模型SHAW 進(jìn)行聯(lián)合模擬,同時(shí)在進(jìn)行單年際水鹽運(yùn)移模擬基礎(chǔ)上,進(jìn)一步模擬了膜下滴灌農(nóng)田多年際水鹽運(yùn)移情況,確定了季節(jié)性凍融區(qū)膜下滴灌土壤單年際和多年際的推薦秋澆定額,以期為季節(jié)性凍融區(qū)膜下滴灌農(nóng)田確定合理的非生育期淋洗制度提供參考。
田間試驗(yàn)于2017-2018年在河套灌區(qū)隆勝井渠結(jié)合試驗(yàn)區(qū)膜下滴灌玉米大田內(nèi)進(jìn)行,試驗(yàn)區(qū)位于河套灌區(qū)中部永濟(jì)灌域,地理坐標(biāo)為107°28′~107°32′E,40°51′~40°55′N,海拔1 037 m。試驗(yàn)區(qū)位于干旱-半干旱氣候帶,屬典型的溫帶大陸性氣候、季節(jié)性凍土地區(qū),土壤凍結(jié)期始于11月中下旬,在翌年4 中下旬至5月上旬凍層融通。試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地主要為壤土、粉壤土,表層土壤容重1.45~1.55 g/cm3,黃河水礦化度0.4 g/L。
本文基于野外秋澆試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè),試驗(yàn)田內(nèi)滴灌帶鋪設(shè)間距為100 cm,地膜寬60 cm,膜間距離40 cm。試驗(yàn)設(shè)置1 350、1 800、2 250 m3/hm2三組秋澆定額,于秋澆前(2017年10月22日)、秋澆后(2017年11月10日)及春播前(2018年4月15日)各進(jìn)行一次土壤取樣,取樣時(shí)在膜下(A 組)、膜間(B 組)位置用荷蘭鉆取土,取樣深度為100 cm,由表層開(kāi)始分層取樣,取樣分層為0~5、5~10、10~20、20~30、30~40、40~60、60~80、80~100 cm。膜下、膜間取樣點(diǎn)位置及取樣剖面形式見(jiàn)圖1。取樣后測(cè)定土壤顆粒級(jí)配、容重、含水率、含鹽量等基本參數(shù)。
圖1 取樣剖面示意圖Fig.1 Schematic diagram of drip irrigation under mulch
同時(shí),對(duì)土壤溫度、地下水埋深和基本氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。土壤溫度由試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地下溫度傳感器自動(dòng)采集。地下水埋深數(shù)據(jù)由試驗(yàn)區(qū)地下水位監(jiān)測(cè)井測(cè)定,每5 天人工測(cè)量一次并記錄。氣象資料采用站內(nèi)自動(dòng)氣象站觀測(cè),每1 h 自動(dòng)記錄一組數(shù)據(jù),基本氣象資料包括空氣相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、最高氣溫、最低氣溫、降雨量、蒸發(fā)及日照輻射等。
本文結(jié)合HYDRUS-2D 模型和SHAW 模型進(jìn)行數(shù)值模擬。HYDRUS-2D模型是用于模擬飽和-非飽和多孔介質(zhì)中水分、溶質(zhì)及能量運(yùn)移的有限元計(jì)算模型,軟件可以描述復(fù)雜的邊界形狀,設(shè)置多樣化的邊界條件,目前在對(duì)滴灌點(diǎn)源入滲條件下土壤水、熱及溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)值模擬方面應(yīng)用廣泛。SHAW 模型對(duì)系統(tǒng)各層結(jié)構(gòu)之間水、熱、溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)的物理過(guò)程有明確的數(shù)學(xué)公式表述,常用于模擬在土壤凍結(jié)和融化過(guò)程中的水量、熱量和溶質(zhì)通量變化。
考慮到膜下滴灌條件下土壤水鹽空間分布的差異性以及季節(jié)性凍土區(qū)凍融作用的特殊性,本文將全年劃分為生育期、秋澆期、凍融期3 個(gè)階段,聯(lián)合使用HYDRUS-2D 模型和SHAW模型模擬農(nóng)田水鹽運(yùn)移過(guò)程,其中HYDRUS-2D 模型模擬生育期和秋澆期,SHAW 模型模擬凍融期。為將二維的HYDRUS-2D 模型和一維的SHAW 模型耦合使用,根據(jù)最不利原則,采用HYDRUS-2D模型秋澆期末輸出的膜間積鹽最大剖面的一維數(shù)據(jù)作為SHAW模型模擬凍融期的初始值。
HYDRUS-2D模型中取兩滴灌帶之間的一半土體作為模擬區(qū)域,模擬區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)水平寬50 cm,縱向深100 cm 的矩形研究區(qū)。模型初始條件為隆勝試驗(yàn)區(qū)實(shí)測(cè)值。模型區(qū)分生育期和非生育期來(lái)設(shè)定上邊界,生育期模型滴頭處設(shè)為變流量邊界,膜內(nèi)設(shè)為零通量邊界,膜間設(shè)為大氣邊界;非生育期無(wú)地膜覆蓋,設(shè)為大氣邊界。模型下邊界選擇為自由排水邊界,因?yàn)樵囼?yàn)區(qū)地下水位長(zhǎng)期低于2.5 m,土壤水和地下水之間聯(lián)系較微弱。由于模型概化的模擬區(qū)域?yàn)槠矫鎸?duì)稱,故側(cè)邊界選擇為零通量邊界。
SHAW 模型中設(shè)置各層節(jié)點(diǎn)深度分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 m。模型初始及邊界條件由相應(yīng)氣象文件、土壤溫度文件、節(jié)點(diǎn)含水率文件和模型參數(shù)文件輸入。氣象參數(shù)、土壤溫度參數(shù)為隆勝試驗(yàn)區(qū)實(shí)測(cè)值,初始土壤含水率為HYDRUS-2D模型輸出值。模型上邊界條件由隆勝試驗(yàn)區(qū)實(shí)測(cè)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)確定,下邊界條件由土壤底層體積含水量資料和土壤底層溫度資料確定。
利用2017-2018年土壤含水率和土壤含鹽量的野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定和驗(yàn)證,用A組數(shù)據(jù)率定模型參數(shù),并用B組數(shù)據(jù)對(duì)初步率定的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。模擬值和實(shí)測(cè)值的擬合程度采用均方根誤差RMSE進(jìn)行評(píng)價(jià),計(jì)算公式如下:
式中:Si為第i個(gè)樣本的模擬值;Oi為第i個(gè)樣本的實(shí)測(cè)值;n為觀測(cè)樣本數(shù)目。
HYDRUS-2D 模型中,不同土層土壤含水率的RMSE為0.021 5~0.031 3 cm3/cm3,秋澆后大田各取樣點(diǎn)不同位置剖面含水率模擬值與實(shí)測(cè)值基本一致,土壤含水率模擬值和實(shí)測(cè)值吻合較好。不同土層土壤含鹽量的RMSE為0.268~0.339 g/kg。含鹽量的模擬效果比含水率的模擬效果略差,總體吻合較好。秋澆后土壤含水率和含鹽量實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比圖見(jiàn)圖2。
圖2 秋澆后土壤含水率和含鹽量實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比圖Fig.2 Comparison of measured and simulated values of soil moisture and salinity after autumn irrigation
SHAW 模型中,不同土層土壤含水率RMSE為0.021 2~0.031 1 cm3/cm3,春播前土壤含水率模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較好。不同土層土壤含鹽量RMSE為0.629~3.77 g/kg,春播前土壤含鹽量模擬值與實(shí)測(cè)值總體吻合較好。春播前土壤含水率和含鹽量模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)圖3。
圖3 春播前土壤含水率和含鹽量實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比圖Fig.3 Comparison of measured and simulated values of soil moisture and salinity before spring planting
結(jié)果表明,HYDRUS-2D 和SHAW 模型分別對(duì)秋澆期和凍融期的土壤水鹽模擬結(jié)果良好,基本能夠正確的反應(yīng)秋澆及凍融作用下的土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律。故結(jié)合HYDRUS-2D和SHAW模型來(lái)制定膜下滴灌條件下的秋澆制度可行。
本文采用HYDRUS-2D 和SHAW 模型模擬膜下滴灌農(nóng)田引黃灌溉時(shí)秋澆期(10月1日-11月10日)和凍融期(11月11日-翌年4月15日)的土壤水鹽運(yùn)移過(guò)程,輸出春播前的土壤含水率和土壤含鹽量,與相應(yīng)土壤水鹽標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比后進(jìn)一步確定單年際秋澆定額。秋澆應(yīng)保證春播前作物根系活動(dòng)層內(nèi)土壤的水鹽條件滿足作物生長(zhǎng)的需求,因此以滿足春小麥苗期正常生長(zhǎng)發(fā)育的土壤水鹽條件為指標(biāo)來(lái)確定單年際秋澆定額。春播前土壤0~40 cm 體積含水率應(yīng)為25%~28%,土壤表層0~10 cm土壤含鹽量應(yīng)小于2 g/kg。
為模擬不同秋澆定額對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的影響,模擬過(guò)程中針對(duì)不同鹽漬化程度的土壤分別設(shè)定0、450、900、1 350、1 800、2 250、2 700、3 150 及3 600 m3/hm29個(gè)等級(jí)灌溉量的灌溉處理,根據(jù)秋澆定額對(duì)春播前土壤含水率和含鹽量的影響關(guān)系來(lái)確定適宜的秋澆定額。土壤鹽漬化程度的劃分采用童文杰等[17]結(jié)合河套灌區(qū)土壤鹽分普查和典型作物耐鹽性評(píng)價(jià)后給出的分類方法,初始含鹽量為試驗(yàn)站在相應(yīng)鹽漬化區(qū)間內(nèi)的實(shí)測(cè)值的平均值。圖4~6 分別為輕、中、重度鹽漬化土壤條件下,春播前0~40 cm 土壤含水率及0~10 cm 土壤含鹽量隨秋澆定額的變化關(guān)系圖。從圖中可以看出,秋澆具有良好的增水保墑、鹽分淋洗效果,且秋澆定額越大,春播前土壤0~40 cm 含水率越高,土壤0~10 cm 含鹽量越低,但隨著秋澆定額的增加,相應(yīng)的邊際效益逐漸減小。
圖4 輕鹽土春播前0~40 cm土壤含水率和0~10 cm土壤含鹽量隨秋澆定額變化圖Fig.4 Changes of 0~40 cm soil water content and 0~10 cm soil salt content with autumn irrigation quota before spring sowing in light saline soil
模擬結(jié)果表明:輕度鹽漬化土壤對(duì)應(yīng)于適宜含水率和含鹽量范圍的秋澆定額為1 100~2 300 m3/hm2,出于節(jié)水考慮,推薦秋澆定額為1 100 m3/hm2。中度鹽漬化土壤對(duì)應(yīng)于適宜含水率和含鹽量范圍的秋澆定額為2 100~2 300 m3/hm2,出于節(jié)水考慮,推薦秋澆定額為2 100 m3/hm2。重度鹽漬化土壤對(duì)應(yīng)于適宜體積含水率范圍的秋澆定額為1 100~2 300 m3/hm2,而對(duì)應(yīng)于春小麥耐鹽極限的適宜秋澆定額應(yīng)大于2 500 m3/hm2。在重度鹽漬化土壤條件下,當(dāng)使用較大灌水定額以滿足鹽分淋洗目的時(shí),會(huì)使土壤含水率過(guò)大而造成潮塌,當(dāng)使用較低灌水定額以滿足適宜含水率要求時(shí),卻并不能將土壤鹽分淋洗至春小麥耐鹽極限以下,秋澆很難同時(shí)滿足春播前土壤0~40 cm 含水率要求及0~10 cm 含鹽量要求。在實(shí)際生產(chǎn)中,對(duì)于重度鹽漬化土壤一般不種植小麥,而以種植葵花等較為耐鹽的作物為主。在重度鹽漬化土壤條件下,為淋洗鹽分、改良土質(zhì),建議秋澆定額為2 500 m3/hm2。
圖5 中鹽土春播前0~40 cm土壤含水率和0~10 cm土壤含鹽量隨秋澆定額變化圖Fig.5 Changes of 0~40 cm soil water content and 0~10 cm soil salt content with autumn irrigation quota before spring planting in medium saline soil
為得到更為節(jié)水的秋澆淋洗方案,本文進(jìn)一步研究了黃灌時(shí)多年際秋澆淋洗制度。通過(guò)運(yùn)用HYDRUS-2D 和SHAW 模型進(jìn)行連續(xù)多年的土壤水鹽運(yùn)移模擬,得到多年不秋澆情況下的土壤鹽分累積規(guī)律,并據(jù)此進(jìn)一步確定秋澆頻次和不同秋澆頻次下對(duì)應(yīng)的秋澆定額。
3.2.1 確定秋澆頻次
首先根據(jù)作物苗期含鹽量需求來(lái)確定最長(zhǎng)秋澆年限,即苗期0~20 cm 土層土壤含鹽量需低于2 g/kg。進(jìn)行連續(xù)多年不秋澆數(shù)值模擬后,輸出播種前的土壤含鹽量數(shù)據(jù),當(dāng)土壤含鹽量大于作物生長(zhǎng)土壤鹽分控制上限時(shí),則必須進(jìn)行秋澆。模擬結(jié)果顯示,一年不秋澆情況下輕、中、重度鹽漬化土壤翌年的表層土壤含鹽量即超過(guò)了作物苗期耐鹽極限,故研究多年際秋澆定額時(shí),只考慮非鹽土情況,初始含鹽量為試驗(yàn)站實(shí)測(cè)值。
圖6 重鹽土春播前0~40 cm土壤含水率和0~10 cm土壤含鹽量隨秋澆定額變化圖Fig.6 Changes of 0~40 cm soil water content and 0~10 cm soil salt content with autumn irrigation quota before spring planting in heavy saline soil
對(duì)非鹽土進(jìn)行連續(xù)多年不秋澆數(shù)值模擬,模擬結(jié)果見(jiàn)圖7。模擬結(jié)果表明,當(dāng)不進(jìn)行秋澆淋洗時(shí),土壤連年積鹽,當(dāng)連續(xù)三年不秋澆時(shí),翌年生育期初土壤含鹽量即超過(guò)了2 g/kg,無(wú)法滿足作物生長(zhǎng)要求,故最長(zhǎng)秋澆年限為3年,多年際秋澆頻次可設(shè)為3年1灌和2年1灌。
圖7 非鹽土多年不秋澆翌年生育期初0~20 cm土壤含鹽量Fig.7 The salt content of the 0~20 cm soil at the beginning of the growth period of the non-saline soil when irrigated in autumn for many years
3.2.2 確定秋澆定額
針對(duì)3年1 灌和2年1 灌兩種秋澆頻次,分別設(shè)置多組秋澆定額進(jìn)行數(shù)值模擬,以確定不同秋澆頻次下的秋澆定額。為使制定的多年一灌的秋澆制度能應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期膜下滴灌要求,即能長(zhǎng)期連續(xù)實(shí)施三年一灌或兩年一灌的秋澆制度,以秋澆之后翌年4月15日0~20 cm 土層的土壤平均含鹽量小于或接近于模擬初始時(shí)設(shè)定的0~20 cm 土層的土壤平均含鹽量為標(biāo)準(zhǔn)(即小于或接近0.771 g/kg),選定秋澆定額。
為確定三年一灌條件下的秋澆定額,設(shè)定1 200、1 400、1 600、1 800、2 000、2 200、2 400、2 600、2 800、3 000 m3/hm2十組秋澆定額進(jìn)行數(shù)值模擬,第一年和第二年不秋澆,第三年進(jìn)行秋澆,秋澆后得到的第四年4月15日0~20 cm 土壤平均含鹽量見(jiàn)圖8。由圖8 可知,隨著秋澆定額的增加,0~20 cm 土壤含鹽量逐漸降低,且含鹽量曲線下降趨勢(shì)逐漸放緩,這說(shuō)明秋澆的淋鹽效率隨秋澆定額的增加而減少。當(dāng)秋澆定額為2 000 m3/hm2時(shí),0~20 cm 土壤平均含鹽量開(kāi)始小于0.771 g/kg,出于節(jié)水考慮,選擇2 000 m3/hm2為三年一灌時(shí)的秋澆定額。
圖8 三年一灌0~20 cm土壤含鹽量隨秋澆定額變化圖Fig.8 Map of 0~20 cm soil salt content change with autumn irrigation quota under irrigation every three years
為確定兩年一灌條件下的秋澆定額,設(shè)定800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800、2 000、2 200、2 400、2 600 m3/hm2十組秋澆定額進(jìn)行數(shù)值模擬,第一年不秋澆,第二年進(jìn)行秋澆,秋澆后得到的第三年4月15日0~20 cm 土壤平均含鹽量見(jiàn)圖9。由圖9可知,隨著秋澆定額的增加,0~20 cm土壤含鹽量逐漸降低。當(dāng)秋澆定額增加到2 200 m3/hm2時(shí),含鹽量曲線急劇變緩,這說(shuō)明秋澆定額大于2 200 m3/hm2后秋澆的淋鹽效率會(huì)顯著減少。當(dāng)秋澆定額為1 350 m3/hm2時(shí),0~20 cm 土壤平均含鹽量開(kāi)始小于0.771 g/kg,出于節(jié)水考慮,選擇1 350 m3/hm2為兩年一灌時(shí)的秋澆定額。
圖9 兩年一灌0~20 cm土壤含鹽量隨秋澆定額變化圖Fig.9 Map of 0~20 cm soil salt content change with autumn irrigation quota under irrigation every two years
本文結(jié)合HYDRUS-2D 模型和SHAW 模型,構(gòu)建了膜下滴灌農(nóng)田土壤水鹽運(yùn)移數(shù)值模擬模型,進(jìn)行了不同秋澆定額下的土壤水鹽動(dòng)態(tài)模擬,定量分析得到了膜下滴灌農(nóng)田單年際和多年際秋澆定額。主要結(jié)論如下:
(1)秋澆定額越大,秋澆的增水保墑效果越好,鹽分淋洗效果越明顯,但秋澆增水保墑和淋鹽的邊際效率降低。
(2)單年際秋澆情況下,模擬了膜下滴灌農(nóng)田黃灌條件下輕度、中度、重度鹽漬化土壤不同秋澆定額下的土壤水鹽運(yùn)移,結(jié)果表明:輕度鹽漬化土壤,推薦秋澆定額為1 100 m3/hm2;中度鹽漬化土壤,推薦秋澆定額為2 100 m3/hm2;重度鹽漬化土壤,秋澆難以同時(shí)滿足春播條件下土壤含水量和含鹽量要求,推薦種植耐鹽作物,在以淋洗鹽分、改良土質(zhì)為目標(biāo)時(shí)推薦秋澆定額為2 500 m3/hm2。
(3)多年際秋澆情況下,模擬了膜下滴灌農(nóng)田黃灌條件下連續(xù)多年的土壤水鹽運(yùn)移過(guò)程,結(jié)果表明:非鹽土至少每3年需進(jìn)行一次秋澆,3年1 灌時(shí)推薦秋澆定額為2 000 m3/hm2,2年1灌時(shí)推薦秋澆定額為1 350 m3/hm2;輕度、中度和重度鹽堿土必須每年進(jìn)行秋澆,否則作物無(wú)法正常生長(zhǎng)。□