犁底層對土壤剖面鹽分淋洗的影響及優(yōu)化洗鹽模擬

顧思敏，江思珉，2，栗現(xiàn)文，夏思琪，胡亞鮮

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院水利工程系,上海 200092；2.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210029；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100；4.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；5.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

0 引 言

我國西北干旱區(qū)是重要的微咸水分布區(qū)域，使用適宜濃度的咸水或微咸水灌溉可以一定程度緩解水資源匱乏的情況[1-3]。膜下滴灌作為微咸水主要的利用形式[4-6]，可防止灌水深層滲漏，但也為鹽分在土壤淺部積聚提供了條件，長期采用微咸水進(jìn)行膜下滴灌且利用不當(dāng)，存在土壤次生鹽漬化的風(fēng)險。

目前常用的解決方法是，在非生育期采用河渠淡水漫灌淋洗降低根區(qū)土壤鹽分。但是，漫灌洗鹽模式較為粗放，且受田間微地形、土壤質(zhì)地、灌水水質(zhì)與滴灌模式等因素影響，造成土壤鹽分空間變異強(qiáng)烈[7]，淋洗不均勻，洗鹽效果不甚理想。而滴灌洗鹽相比漫灌則有不受地形限制、空間淋洗均勻等優(yōu)點(diǎn)。在田間水鹽調(diào)控過程中，可考慮根據(jù)鹽分狀況，在播前選定某一時段，利用上一生育期結(jié)束未撤除的滴灌帶開展持續(xù)多次的淡水膜下滴灌洗鹽，達(dá)到節(jié)水控鹽目的。

此外，長期連作加上單一機(jī)械耕作模式，土壤緊實(shí)度增大，形成犁底層，具有明顯的阻水滯鹽效應(yīng)，隨著滴灌年限增加，耕作層與犁底層土壤鹽分積聚嚴(yán)重，直接影響滴灌洗鹽效果。為改善犁底層對土壤物理性狀、水分入滲、作物產(chǎn)量等的影響，農(nóng)業(yè)中常采用機(jī)械深松(Subsoiling)方法改良，如王立春等[8]提出部分破除犁底層，構(gòu)造虛實(shí)并存的耕作層可解決耕作層透水與提熵的矛盾；花偉東等[9]研究了打破犁底層范圍不同對水分入滲的影響，并發(fā)現(xiàn)局部打破犁底層的水分入滲率提高；齊華等[10]發(fā)現(xiàn)壟間隔行深松可構(gòu)建良好的耕作層結(jié)構(gòu)。另一類改良方法是生物耕作(Bio-tillage)方法，利用對土壤有較強(qiáng)穿透能力的植物根系，破壞犁底層[11,12]。生物耕作改良可利用作物生長期間或收獲后種植在經(jīng)濟(jì)作物間隙的覆蓋作物實(shí)現(xiàn)[13]。在減少土壤在時間或空間上裸露的同時，覆蓋作物在形成通道后分解，留下的生物孔隙(Biopore)可以優(yōu)先輸送空氣和水[14-16]。Jiang等[17]研究了覆蓋作物對犁底層的改良以及對土壤水分分布的影響；嚴(yán)磊等[18]開展不同覆蓋作物根系對土壤壓實(shí)的響應(yīng)研究，選擇合理的覆蓋作物可以緩解土壤壓實(shí)。

選擇適宜的犁底層改良措施，通常需要開展大量的田間試驗(yàn)，人力物力成本巨大，因此可以考慮采用數(shù)值模擬手段進(jìn)行改良措施的優(yōu)化篩選。隨著飽和-非飽和帶數(shù)值模擬研究的迅速發(fā)展，HYDRUS 模型廣泛應(yīng)用于包氣帶水鹽運(yùn)移模擬的研究[19-22]。胡文同等[23]利用HYDRUS 模擬了犁底層容重對微咸水膜下滴灌土壤水鹽運(yùn)移分布的影響；魏建濤等[24]將室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合，揭示了不同犁底層深度下的水鹽運(yùn)移規(guī)律。

基于以上研究，為探究犁底層阻滯作用對土壤鹽分淋洗的影響并進(jìn)行優(yōu)化改良調(diào)控，本研究擬通過HYDRUS-2D構(gòu)建干旱區(qū)棉田二維土壤水鹽運(yùn)移模型，模擬不同破壞犁底層方案對土壤水鹽運(yùn)移分布的影響，分析多次膜下滴灌過程的洗鹽優(yōu)化效果，為改良犁底層提供一定的技術(shù)基礎(chǔ)，對后續(xù)的田間水鹽管理具有指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 研究站點(diǎn)概況

田間背景站點(diǎn)處于典型干旱區(qū)的新疆塔里木河流域巴音郭勒管理局水利科研所(41°35′N,86°10′E)，為國家水利部重點(diǎn)灌溉試驗(yàn)站，耕地面積500 余hm2，處于天山南麓塔里木盆地邊緣孔雀河沖積平原帶，地勢平緩，海拔900 m 左右。屬暖溫帶大陸性荒漠氣候，干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，晝夜溫差大，多年平均降水量58.6 mm，年最大蒸發(fā)量2 788.2 mm。灌溉用微咸地下水溶解性總固體(TDS)2.4 g/L 左右；滴灌洗鹽用河渠淡水TDS為0.6 g/L左右。地下水位埋深在5.8 m左右。

1.2 滴灌帶布設(shè)和監(jiān)測

田間布置(圖1)為一膜兩管四行，覆膜(MW)寬度110 cm，膜間(AM、WL)寬40 cm，寬行(QR)行距為50 cm，窄行(NQ、RV)行距為20 cm，并于窄行中央布設(shè)滴灌帶，滴灌帶間距70 cm，滴頭間距30 cm。在模擬時段，采用地表水進(jìn)行滴灌洗鹽。 試驗(yàn)站安裝Davis Vantage Pro2 自動氣象站(Davis Instruments,California,USA)采集氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集間隔為1 h，自動監(jiān)測降雨、蒸發(fā)、濕度、氣溫、風(fēng)速和日照等氣象要素。

1.3 包氣帶水鹽運(yùn)移模型

1.3.1 控制方程

模型采用Richards方程[25]作為二維非飽和水流控制方程：

式中：θ為土壤體積含水率，cm3/cm3；t為時間變量，h；x、z為空間變量，cm；K(θ)為非飽和滲透系數(shù)，cm/h；h為土壤負(fù)壓，cm。

采用van Genuchten-Mualem 模型[26]來描述土壤水分特征曲線，同時用于計(jì)算Richards方程中未進(jìn)行描述的非飽和滲透系數(shù)K：

式中：θr、θs分別為土壤殘余含水率與飽和含水率，cm3/cm3；KS為土壤飽和滲透系數(shù)，cm/h；Se為有效水分含量，%；m、n、α和l均為van Genuchten-Mualem 模型中的擬合參數(shù)，其中l(wèi)在滲透系數(shù)的函數(shù)中反映了土壤孔隙的連接性，一般取值為0.5。

溶質(zhì)運(yùn)移方程采用下式表示：

式中：Dij為土壤彌散系數(shù)，cm2/h；qi為通量組分，cm/h；c為土壤水礦化度，mg/cm3；cs為源匯項(xiàng)礦化度，mg/cm3；xi、xj為空間坐標(biāo)（i,j=1,2），x1=x，x2=z，D12=Dxz，D22=Dzz。

1.3.2 初始條件和邊界條件

式中：θi(x,z) 為i節(jié)點(diǎn)0 時刻土壤體積含水量，cm3·cm?3；ci(x,z)為i節(jié)點(diǎn)0 時刻土壤水礦化度，mg/cm3。初始土壤含水率、土壤水礦化度采用實(shí)測值。

該模型(圖1)設(shè)定膜間中線AF、LG為左右邊界，由對稱性均設(shè)為零通量邊界；上邊界AM、WL 為膜間區(qū)域，設(shè)為大氣邊界，根據(jù)實(shí)測氣象數(shù)據(jù)，考慮降水入滲與蒸發(fā)；滴頭OP、TU(半徑1 cm 的半圓)為變流量邊界；覆膜處MO、PT 和UW 為零通量邊界；下邊界FG 為自由排水邊界。模型取上邊界為零基準(zhǔn)面，其水流模型邊界條件為：

式中：qd、qA、qb分別為滴頭流量、膜間土面蒸發(fā)量和下邊界流量，cm/h。

溶質(zhì)運(yùn)移模型的邊界條件為：

式中：cd、cr、cb分別為滴頭、降水、下邊界的鹽分濃度，mg/cm3；qr為降水量，cm/h；q為垂直方向達(dá)西流速，cm/h。

1.3.3 模型參數(shù)

土壤水力特征參數(shù)和溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)根據(jù)課題組在研究站點(diǎn)前期田間研究[27]確定，犁底層深度在30 cm 處，厚度為10 cm，其水力特征參數(shù)采用HYDRUS 模型中的Rosetta 模塊，根據(jù)田間實(shí)測的顆粒組分與土壤容重預(yù)測確定（見表1）。

表1 土壤水力特性與溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)Tab.1 Parameters of soil hydraulic and solute transport

1.3.4 模型設(shè)定

本研究中設(shè)定二維剖面模型寬為150 cm，深160 cm[28]。模擬時間設(shè)定為20 d，其中每5 d(120 h)為一灌水周期，連續(xù)滴灌時間為24 h，重分布時間96 h，整個模擬期包括4 次滴灌洗鹽周期。每次滴灌的灌水量設(shè)為900 m3/hm2，模擬總灌水量與實(shí)際灌水量相近，將實(shí)際膜下滴灌概化為剖面二維線源供水的水鹽運(yùn)移模型，經(jīng)換算后滴頭流量為4.48 cm/h。初始時間步長0.001 h，最短時間步長0.000 24 h，最大時間步長為120 h，θ迭代精度為0.001，最大迭代次數(shù)取10。

1.4 犁底層結(jié)構(gòu)改良方案

1.4.1 機(jī)械深松破壞犁底層

以不打破犁底層(CK)為對照，設(shè)計(jì)局部打破犁底層的方案，本研究根據(jù)不同的深松模式，設(shè)置間隔犁底層破壞深松寬度a分別為20 cm(SW1)、40 cm(SW2)、60 cm(SW3)[圖2(a)]，以及犁底層破壞厚度b分別為2.67 cm(SD1)、5.33 cm(SD2)、8.00 cm(SD3)[圖2(b)]，并假定犁底層打破部位的土壤理化性質(zhì)、土壤水力特征參數(shù)等與Ⅰ、Ⅲ層壤質(zhì)砂土一致。

1.4.2 生物耕作穿破犁底層

本研究設(shè)定苗孔處留有垂直的生物孔隙[圖2(c)]，頂部直徑為0.4 cm，底部直徑為0.2 cm，從上至下直徑設(shè)為線性變化。根據(jù)覆蓋作物的根系有疏松土壤、增大孔隙度的效果，通過減小土壤干容重，采用Rosetta 預(yù)測以獲取土壤水力特征參數(shù)。設(shè)定覆蓋作物的根系深度分別為40 cm(BT1)、60 cm(BT2)和80 cm(BT3)。

圖2 不同犁底層改良情景示意圖Fig.2 Schematic diagram of different plow pan improvement scenarios

2 犁底層改良模擬與分析

2.1 犁底層對水鹽的阻滯作用分析

圖3為完整犁底層結(jié)構(gòu)(CK)情景，模擬初始與結(jié)束時刻的土壤含水率及礦化度的分布情況，可發(fā)現(xiàn)犁底層具有明顯的阻水滯鹽作用。如圖3(a)所示，土壤剖面的初始含水率為0.08～0.12 cm3/cm3左右，模擬結(jié)束時，犁底層上表面(約30 cm深度)寬行處土壤含水率達(dá)到最大值，約0.31 cm3/cm3[圖3(c)]，表現(xiàn)出阻水效應(yīng)。這主要由于犁底層土壤容重大，土顆粒間孔隙較小，滲透性弱，阻礙水分的垂向運(yùn)移，促進(jìn)其水平運(yùn)動，導(dǎo)致水分下滲速度緩慢，淺層土壤體積含水率大于深層土壤。同時，表層未覆膜區(qū)域受蒸發(fā)作用的影響，體積含水率較小。

土壤水礦化度對棉花出苗有重要影響，在大田中，土壤水礦化度的適宜值、臨界值和極限值分別為17.92、31.79、59.52 mg/cm3，分別對應(yīng)出苗率75%、50%與0%[29]。初始時刻0～30 cm 范圍內(nèi)(出苗深度)的土壤水礦化度約41.56 mg/cm3[圖3(b)]，嚴(yán)重影響棉花出苗。經(jīng)過4次鹽分淋洗，0～30 cm 的平均土壤水礦化度下降至11.45 mg/cm3，整體可保證棉花出苗率達(dá)到75%，無論是膜間位置還是窄行位置，土壤水礦化度均小于17.92 mg/cm3，不對棉花產(chǎn)生鹽分脅迫。根據(jù)圖3(d)，滴頭下方以及寬行區(qū)域淋洗效果較好，膜間則因蒸發(fā)導(dǎo)致一定的返鹽，為鹽分最高的區(qū)域。但因犁底層的阻水作用，鹽分也無法隨之向下運(yùn)移，造成犁底層部位存在一定的鹽分積聚。

圖3 犁底層未破環(huán)情景第0、480 h土壤含水率及礦化度分布Fig.3 Distribution of soil water content and soil water salinity at 0 and 480 h for the unbroken plow pan scenario

2.2 不同犁底層改良方案對土壤含水率分布規(guī)律的影響

圖4為不同改良方案處理后，模擬結(jié)束時的土壤含水率分布情況，3 種方案中濕潤鋒均推進(jìn)到犁底層下方。SW 優(yōu)化效果較好，且間隔深松寬度越大，水分下滲的效果就越明顯；存在犁底層的部位，由于滲透速率較小，模擬結(jié)束時，寬行犁底層上部均存在水分積聚。

圖4 不同犁底層改良方案模擬期末土壤含水率分布Fig.4 Distribution of soil water content at the end of the simulation period for different plow pan improvement scenarios

SD1 處理的體積含水率分布與CK[圖3(c)]差別不大，主要由于SD1 的深松深度過淺，未穿破犁底層，阻水效應(yīng)仍然顯著；隨破壞深度增加，優(yōu)化效果SD3>SD2>SD1。

BT 處理中因覆蓋作物根系的疏松效果，使得土壤干容重減小，孔隙率增大，飽和滲透系數(shù)有所增大，犁底層中形成4個優(yōu)先導(dǎo)水通道，并對其周圍的土壤有一定的潤濕；但由于根系直徑較小，仍阻滯了大量水分，根系深度大小對犁底層的水分下滲效果沒有顯著改善。

2.3 不同犁底層改良方案對土壤鹽分分布規(guī)律的影響

圖5為不同改良方案處理后，模擬結(jié)束時的土壤水礦化度的分布情況。所有改良方案均在膜間耕作層處土壤水礦化度較高，在洗鹽效果較差的方案中尤為明顯(SD、BT)。說明水流下滲受到犁底層阻擋，滯留在耕作層，而地表未覆膜區(qū)域(膜間)受蒸發(fā)作用影響，導(dǎo)致大量水分被蒸發(fā)，出現(xiàn)返鹽現(xiàn)象。因此，鹽分淋洗效果整體表現(xiàn)為：膜間<寬行<窄行，窄行位于滴頭正下方，鹽分淋洗效果最好。

圖5 不同犁底層改良方案模擬期末土壤水礦化度分布Fig.5 Distribution of soil salinity at the end of the simulation period for different plow pan improvement scenarios

SW 方案相較CK，土壤水礦化度下降明顯，耕作層(0～30 cm)的平均土壤水礦化度下降至8 mg/cm3。同時，膜間殘留的犁底層鹽分未被完全淋洗，而寬行淺層區(qū)域因受到兩側(cè)滴頭灌水的影響，鹽分淋洗較為充分。由于打破部位的滲透性增大，水分不斷下滲，將鹽分帶到深層土層，因此打破犁底層的寬度越寬，鹽分淋洗效果就越好。SD 處理因存在不同厚度的完整犁底層，仍具有明顯的滯鹽效應(yīng)；方案SD3 的洗鹽效果在SD 處理中為最優(yōu)，寬行受到兩側(cè)滴頭的疊加影響，透過犁底層的水分相對較多，使得寬行位置深層土層鹽分含量減小。BT 在根系周圍有優(yōu)化的效果，雖優(yōu)于CK，但3 種不同根系深度情景間的差距不明顯。

2.4 犁底層改良對鹽分淋洗效果

采用脫鹽率量化土層的鹽分淋洗效果[30,31]，公式表示為：

式中：N為脫鹽率，%；S1、S2分別為初始時刻和最終時刻的土壤水礦化度，mg/cm3。

圖6為所有方案的脫鹽率情況，其中耕作層的脫鹽率均達(dá)到72%以上，犁底層的脫鹽率達(dá)到53%以上。采用SPSS 軟件進(jìn)行差異顯著性分析，耕作層與犁底層的脫鹽率差異達(dá)到顯著水平(p<0.05)。耕作層具有較高的脫鹽率主要由于其初始鹽分濃度大，且距滴頭位置較近，鹽分淋洗效果最為明顯。所有處理中SW 效果最優(yōu)，SW3 情景耕作層脫鹽率達(dá)到80%，相較于未處理的CK 方案脫鹽率提升8%；犁底層脫鹽率達(dá)65%，較CK 提高12%。SD1、SD2 與BT 方案的總體優(yōu)化效果并不明顯。

圖6 不同犁底層改良方案的耕作層、犁底層脫鹽率Fig.6 Desalination rate of cultivated horizon and plow pan for different plow pan improvement scenarios

旱地耕作需保蓄土壤水分，以提高水分利用效率，表2為各方案模擬結(jié)束時的累計(jì)蒸發(fā)量與160 cm 下邊界的排水排鹽量。不同改良方案的下邊界累計(jì)排水排鹽量相近，但CK 的累計(jì)蒸發(fā)量最大，達(dá)到1 214.30 cm2，說明淺層土壤中水分受犁底層影響難以下滲而易被蒸發(fā)；而SW 處理的蒸發(fā)量最小，SW3儲水量相比CK增加644.80 cm2，明顯提高了土壤熵情。

表2 不同犁底層改良方案的累計(jì)蒸發(fā)量與排水排鹽量Tab.2 Cumulative evaporation,drainage and salt discharge for different plow pan improvement scenarios

另外，在鹽分淋洗過程中還需要注意控制鹽分的向下運(yùn)移，防止鹽分運(yùn)至地下水中，造成一定程度的污染。優(yōu)化改良方案間的下邊界累計(jì)排鹽量差異較小，并未顯著增加深層排鹽量。近年來，我國西北干旱區(qū)的區(qū)域地下水位不斷下降，土壤水和地下水之間的聯(lián)系減弱，但在實(shí)際鹽分淋洗過程中，仍應(yīng)注意灌水量及地下水埋深位置，防止造成污染。

經(jīng)4次滴灌洗鹽后，所有方案的土壤水礦化度均滿足棉田出苗對土壤水礦化度適宜值的要求。綜合洗鹽效率、保熵效果，SW3 的改良效果最優(yōu)，該方案對土壤物理性狀和水分入滲也起到優(yōu)化作用，具有顯著的控鹽保墑效果。

3 結(jié) 論

本文采用HYDRUS-2D 建立二維滴灌洗鹽的水鹽運(yùn)移模型，探討不同犁底層改良方案對鹽分淋洗效果的影響，得出以下主要結(jié)論。

(1)鹽分淋洗過程中，犁底層阻礙水分向下運(yùn)移，降低滲透性，將水分鹽分反向滯留于耕作層和犁底層部位，膜間受到蒸發(fā)作用影響鹽分積聚。

(2)經(jīng)過4 次滴灌洗鹽周期后，土壤剖面內(nèi)的土壤水礦化度降至出苗所需的濃度適宜值。犁底層破壞寬度為60 cm 的間隔深松處理(SW3)鹽分淋洗效率最高，耕作層和犁底層的脫鹽率分別達(dá)到80%與65%，相較未破壞犁底層的對照組(CK)，脫鹽率明顯得到提升。

(3) 通過對犁底層改良方案控鹽保熵能力的量化分析，SW3 方案的控鹽保熵效果最優(yōu)，剖面儲水量相較CK 組增加644.80 cm2，且下邊界累計(jì)排水排鹽量較小，改善了土壤結(jié)構(gòu)，為改良犁底層滴灌洗鹽提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。