Hydrus-2D模擬起壟覆膜處理對夏玉米生育期水量平衡的影響

付玉娟 ，李 堯 ，喻浩洋 ，吳佳鈺 ，張旭東

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院, 沈陽 110866）

0 引 言

遼西北半干旱地區(qū)土壤類型以砂壤土為主，土壤貯水能力弱，水分利用效率遠(yuǎn)低于中國平均水平，缺水成為限制該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食安全的主要因素之一[1]。在節(jié)水灌溉理論大面積推廣應(yīng)用的背景下，地膜覆蓋和起壟種植相結(jié)合的壟作覆膜技術(shù)由于其增溫保墑、減少蒸發(fā)、提高產(chǎn)量等優(yōu)點(diǎn)在遼西北半干旱區(qū)得到了大面積推廣[2]。但覆膜和起壟改變了農(nóng)田的自然下墊面，進(jìn)而改變了降雨入滲和作物生育期水文循環(huán)過程。有研究認(rèn)為受地區(qū)自然環(huán)境因素的影響，起壟和覆膜可能導(dǎo)致降雨后土壤水分入滲不均勻，影響作物根系吸水，覆膜還可能導(dǎo)致作物的耗水量增加，長期覆蓋還會(huì)造成土壤退化[3-4]。在遼西北半干旱地區(qū)將地膜覆蓋和起壟種植技術(shù)相結(jié)合能否在不影響作物生長的情況下降低整個(gè)生育期的農(nóng)田耗水量還存在爭議。因此在推進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的過程中，摸清起壟覆膜后農(nóng)田下墊面的降雨入滲特征，探究起壟和覆膜能否提高作物生育期水分的利用效率并減少農(nóng)田耗水量，對全面評價(jià)節(jié)水灌溉技術(shù)，完善節(jié)水灌溉理論，都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[5-7]。

遼西北半干旱區(qū)的年降雨量少、蒸發(fā)速率快、土壤透水性強(qiáng)，極少產(chǎn)生地表徑流。作物生育期的水量平衡主要由自然降雨、灌溉、深層滲漏、土壤蒸發(fā)以及作物消耗5部分組成，其中作物組織生長的需水量因小于總需水量的1%，可忽略不計(jì)，因此作物消耗的水分主要為蒸騰量[8]。目前關(guān)于作物生育期水量平衡的研究主要基于田間試驗(yàn)，如ZHANG等[9]通過滴灌和地膜覆蓋相結(jié)合的田間試驗(yàn)分析了不同顏色地膜覆蓋對中國華東和西北地區(qū)馬鈴薯生長的影響。CHEN等[10]通過測量播種前與收獲后的土壤貯水量分析了不同耕作和秸稈還田方式對農(nóng)田水分利用效率的影響。田間試驗(yàn)的測量方法和精度有限，對農(nóng)田水量平衡中的一些組成部分如深層滲漏量、作物實(shí)際蒸騰量等難以準(zhǔn)確測量[11]。此外，在面對多重因素共同作用時(shí)，田間試驗(yàn)所需的面積大，投資費(fèi)用高，不利于對各種氣候條件和耕作方式的農(nóng)田水量平衡進(jìn)行多因素、重復(fù)性、定量化的研究[12]。

隨著土壤水分入滲方程的提出不斷完善和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展， Hydrus-2D模型被廣泛應(yīng)用于農(nóng)田土壤水分運(yùn)動(dòng)模擬研究中。該模型有豐富的初始條件和邊界條件可供選擇，能夠模擬不同情景下的田間水文循環(huán)過程，對田間試驗(yàn)難以測量的作物實(shí)際蒸散量和深層滲漏量等進(jìn)行輔助計(jì)算[13-15]。TU等[16]應(yīng)用Hydrus模型模擬了2010-2015年中國南方柑橘園土壤水分的動(dòng)態(tài)，分析了導(dǎo)致柑橘園季節(jié)性缺水的原因，并給出果園水資源管理的合理建議。ER-RAKI等[17]通過對比摩洛哥半干旱地區(qū)不同灌溉方式下的田間蒸發(fā)蒸騰量以及土壤含水率的動(dòng)態(tài)，證明了Hydrus模型的可靠性，并通過該模型對灌溉系統(tǒng)的深層滲漏損失進(jìn)行了評估。目前已有學(xué)者針對不同的降雨量或灌溉制度對作物生育期水量平衡的影響進(jìn)行分析，而在此基礎(chǔ)上同時(shí)考慮耕作方式的改變對作物生育期水量平衡影響的研究相對較少。馮浩等[18]基于Hydrus-2D模型對黃土高原地區(qū)起壟覆膜條件下夏玉米的農(nóng)田耗水過程分析，水量平衡的計(jì)算結(jié)果顯示起壟覆膜可以使田間無效水分的損耗整體減少，增加農(nóng)田水分利用效率，但文中并未對作物生育期中單次降雨后的土壤含水率分布和水分循環(huán)過程進(jìn)行分析，也未在Hydrus-2D模型中改變覆膜寬度進(jìn)而確定節(jié)水效果最佳的覆膜寬度，且黃土高原地區(qū)的土壤、作物類型以及氣候特征與遼西北半干旱區(qū)存在較大差異，有必要針對遼西北半干旱區(qū)開展水量平衡規(guī)律研究。

為了探究起壟和覆膜處理對遼西北半干旱區(qū)夏玉米生育期水量平衡的影響，本文基于2017和2018年研究區(qū)試驗(yàn)站作物生育期土壤含水率的田間實(shí)測數(shù)據(jù)，建立不同起壟和覆膜條件下的Hydrus-2D模擬模型；選取典型水文年，模擬并分析夏玉米生育期中單次降雨以及整個(gè)生育期下墊面的水文循環(huán)過程，同時(shí)改變覆膜壟作下墊面的覆膜寬度，分析覆膜寬度對水量平衡各項(xiàng)指標(biāo)的影響，以期完善地膜覆蓋和起壟種植技術(shù)對農(nóng)田水文數(shù)據(jù)影響的相關(guān)理論，為提高遼西北半干旱區(qū)水資源利用效率、促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)及技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在遼寧省朝陽市建平縣節(jié)水灌溉試驗(yàn)站（119°18'E， 41°47'N，海拔512 m）進(jìn)行。該站位于建平縣中西部，老哈河?xùn)|岸，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候。地區(qū)多年平均氣溫7.1 ℃，日照時(shí)數(shù)2 868～3 111 h，多年平均降水量為430～470 mm，主要集中在6-8月，多年平均實(shí)際蒸散量為1 800～2 100 mm，主要集中在4-6月。當(dāng)?shù)叵挠衩咨跒?-8月，生育期多年平均降雨量為360 mm，實(shí)際蒸發(fā)量為670 mm。土壤類型以砂壤土為主，砂粒含量較高，粒間大孔隙數(shù)量多，持水性差。田間持水量為0.21 cm3/cm3，水分蒸發(fā)速率快，因此很少形成地表徑流。試驗(yàn)站地下水埋深在3 m以下，潛水蒸發(fā)量可忽略不計(jì)。

1.2 大田試驗(yàn)與測量項(xiàng)目

于2017和2018年4-8月開展大田小區(qū)試驗(yàn)，試驗(yàn)小區(qū)3 m×50 m，四周設(shè)保護(hù)行。供試的玉米品種為遼單1 211，生育期階段劃分見表1。設(shè)置不覆膜平作（NL-NM）、不覆膜壟作（L-NM）、覆膜平作（NL-M）和覆膜壟作（L-M）4種下墊面處理，每種處理各3個(gè)重復(fù)。采取壟上覆膜，膜間種植，種植行距為40 cm，株距為30 cm，每667 m2種植4 000株玉米，壟溝和覆膜寬度均為60 cm，壟溝深度6 cm，地膜材料為聚乙烯透明塑料薄膜。由于在垂向剖面各作物兩側(cè)的降雨入滲過程相同，因此4種耕作處理均在作物單側(cè)每隔20 cm埋設(shè)1根TRIMETDR測管，監(jiān)測2017和2018年4月27日-8月31日0～120 cm土層深度降雨前1 d和降雨后1 、2 、3 和5 d不同剖面位置的土壤含水率變化，其中雨前1 d的監(jiān)測時(shí)刻根據(jù)天氣情況確定，雨后的含水率監(jiān)測在每日08:00進(jìn)行。當(dāng)?shù)厥┓是闆r與農(nóng)戶保持一致，2017和2018年夏玉米生育期降雨總量分別為426和309 mm。各下墊面處理示意圖如圖1所示。

圖1 夏玉米種植示意圖Fig.1 Schematic diagram of summer maize planting

表1 試驗(yàn)區(qū)夏玉米生育期各階段劃分Table 1 Division of different stages of summer maize growth period in the experimental area

由于試驗(yàn)所在地降雨較少，為保證作物生長的需水量，在生育期內(nèi)對作物進(jìn)行補(bǔ)水灌溉，灌溉時(shí)間及灌溉量通過式（1）確定。

式中Q為單次灌溉量，mm；H為設(shè)計(jì)土壤灌溉深度，苗期-抽雄期為40 cm，灌溉-成熟期為60 cm；θup為土壤含水率上限，即田間持水量的100%，cm3/cm3；θlow為土壤含水率下限，即下降到田間持水量的70%后連續(xù)3 d仍無降雨時(shí)的土壤含水率，cm3/cm3；p為濕潤面積百分比，本研究取0.6；?為設(shè)備的應(yīng)用效率（滴灌始終假定為95%）。

灌水方式為滴灌，2017年7月20日灌水20.21 mm，2018年7月6日和8月7日分別灌水17.68和24.63 mm。采用由新疆天業(yè)公司生產(chǎn)的內(nèi)鑲式薄壁滴灌帶，管徑16 mm，滴頭流量1.38 L/h，滴頭間距120 cm，滴頭埋深8 cm滴頭位置如圖1所示。

1.3 Hydrus-2D建模

1.3.1 模型方程

作為模擬二維飽和-非飽和土壤水、熱、溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)值模擬模型，Hydrus-2D可模擬降雨滲入土壤剖面的二維水分運(yùn)動(dòng)過程[19-20]。本文應(yīng)用Hydrus-2D模型模擬田間不同耕作方式夏玉米生育期的每日土壤蒸發(fā)、作物蒸騰、土壤含水率以及深層滲漏量。

1）水流運(yùn)動(dòng)控制方程

覆膜起壟條件下的土壤水分運(yùn)動(dòng)可視為二維入滲過程，水流控制方程選用Richards方程，采用Galerkin有限元方法求解[21]，計(jì)算式如下：

式中θ是土壤體積含水率，cm3/cm3；h是壓力水頭，cm；K(h)是導(dǎo)水率，cm/d；t為模擬時(shí)間，d；x和z是水平和垂直坐標(biāo)，cm，S(h)為根系吸水項(xiàng)，指單位時(shí)間單位體積土壤中根系吸水率，d-1。

2）土壤水分特征曲線模型

土壤水分特征曲線模型采用van Genuchten模型[22]，計(jì)算式如下：

式中Ks為土壤飽和導(dǎo)水率，cm/d；θr為土壤殘余體積含水率，cm3/cm3；θs為土壤飽和體積含水率，cm3/cm3；Se為相對飽和系數(shù)；α、n、m均為土壤物理特性有關(guān)的擬合參數(shù)；l為孔隙關(guān)聯(lián)度參數(shù)，取0.5。

3）根系吸水模型

根系吸水模型選用Feddes模型[23]，計(jì)算式如下：

式中S(h)為根系吸水速率，cm3/cm3；a(h)為水分脅迫響應(yīng)函數(shù)；b(x,z)為根系吸水分配密度函數(shù)；Tr為潛在騰發(fā)速率，cm/d；St為與作物蒸騰過程有關(guān)的土壤表面寬度，cm；h1是根系吸水厭氧點(diǎn)壓力水頭，cm；h2是根系吸水最適的壓力水頭，cm；h3是根系吸水結(jié)束的壓力水頭，cm；h4是根系吸水萎靡點(diǎn)壓力水頭，cm。根系吸水參數(shù)值參考WESSELING等[24]，直接在Hydrus-2D中選定。

4）蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算

Hydrus-2D模型需要通過輸入潛在蒸散量來完成作物-土壤水分的交換運(yùn)移過程，并通過運(yùn)算將潛在蒸散量轉(zhuǎn)化成實(shí)際的蒸散量。采用單作物系數(shù)法計(jì)算潛在蒸散量，在試驗(yàn)區(qū)附近氣象站氣象數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)Penman-Monteith公式計(jì)算出參考作物蒸發(fā)蒸騰量，然后根據(jù)單作物系數(shù)法計(jì)算出潛在作物蒸發(fā)蒸騰量，再根據(jù)Beer定律分離出潛在蒸發(fā)量和潛在蒸騰量[25]。

參考作物蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算式如下：

式中ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm；Rn為凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)，由于本研究計(jì)算為日尺度，所以取值為0；μ2為2 m高處的風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa；△為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率，kPa/℃；γ為干濕表常數(shù)，kPa/℃；T為海溫度，℃。

潛在蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算式如下：

式中ET為潛在蒸發(fā)蒸騰量，mm；KC為綜合作物系數(shù)，采用FAO-56（聯(lián)合國糧農(nóng)組織）的推薦值。

Beer定律計(jì)算潛在蒸騰量公式：

式中TP為潛在蒸騰量，mm；K為消光系數(shù)無量綱，玉米一般取值0.4；L為葉面積指數(shù)無量綱。

實(shí)際蒸騰量計(jì)算式如下：

式中Tα為實(shí)際蒸騰量，mm/d；Ω為根系分布區(qū)面積，cm2；α’為水分脅迫因子；w為土壤水勢，cm；wφ為滲壓水頭，cm；b為根系分布函數(shù)。

實(shí)際蒸發(fā)量在表層土壤負(fù)壓水頭下降到臨界值之前等于潛在蒸發(fā)量，在表層土壤負(fù)壓水頭達(dá)到臨界值之后，上邊界變?yōu)槎ㄋ^邊界并根據(jù)達(dá)西公式計(jì)算土壤蒸發(fā)量[26]。

1.3.2 幾何區(qū)域及邊界條件

建立與田間試驗(yàn)相同初始條件的Hydrus-2D模型，如圖2。各模型的垂向邊界沒有水分的水平運(yùn)移，故幾何區(qū)域兩側(cè)設(shè)置為零通量邊界。土壤表層覆膜部分由于膜的不透水性設(shè)置為零通量邊界；未覆膜區(qū)域有降雨和蒸發(fā)過程，設(shè)置為大氣邊界。試驗(yàn)站當(dāng)?shù)氐叵滤裆畛Ｄ暝? m以下且土壤透水性強(qiáng)，所以模型的底部設(shè)置為自由排水邊界。當(dāng)對農(nóng)田進(jìn)行滴灌時(shí)，滴頭處設(shè)置為變水頭邊界。在軟件中的可視化窗口可以調(diào)整模型的壟溝形狀以及覆膜寬度。需要注意的是當(dāng)改變覆膜寬度時(shí)，膜上降雨會(huì)匯集到未覆膜區(qū)域，因此土壤表層大氣邊界所對應(yīng)的降雨量也應(yīng)增加相應(yīng)的倍數(shù)，使各下墊面的整體降雨量均相同。模型中0～40 cm處由于土壤含水率變化幅度較大，有限元網(wǎng)格直徑為3 mm，＞40～90 cm土層土壤含水率變化較小，有限元網(wǎng)格直徑為5 mm。在各模型豎直方向10～60 cm深度每隔10 cm設(shè)置一行觀測點(diǎn)，水平方向每隔30 cm設(shè)置一列觀測點(diǎn)。

圖2 模擬區(qū)域及邊界條件示意圖Fig.2 Schematic diagram of simulation area and boundary conditions

1.3.3 參數(shù)率定及驗(yàn)證

通過剖面法取得原狀土樣，用烘干法測得土壤的飽和含水率。利用離心機(jī)測定不同含水率所對應(yīng)的壓力水頭值，進(jìn)而借助RETC軟件擬合得到各層土壤在van Genuchten(VG)模型中的水分特征參數(shù)。將實(shí)測土壤水分特征參數(shù)作為初始值輸入到Hydrus-2D模型中進(jìn)行參數(shù)率定，率定后各層土壤的特征參數(shù)見表2。

表2 率定后的土壤特征參數(shù)Table 2 Soil characteristic parameters after calibration

根據(jù)田間試驗(yàn)監(jiān)測的各處理不同剖面的土壤含水率數(shù)據(jù)和模型模擬結(jié)果，利用決定系數(shù)（R2）以及均方根誤差（SRMSE）對模型的模擬精度進(jìn)行評價(jià)，計(jì)算式見文獻(xiàn)[27]。其中SRMSE的值越接近0，R2的值越接近1，證明模型的模擬精度越高。

1.3.4 模型模擬

根據(jù)建平縣試驗(yàn)站2000-2022年的年降雨量數(shù)據(jù)，選擇降雨頻率為25%、50%和75%的豐、平、枯3個(gè)典型年，分別為2008、2014和2001年。根據(jù)前述4種下墊面處理的Hydrus-2D模型，模擬各典型年不同處理的土壤含水率變化過程。其中，根據(jù)模擬計(jì)算的NL-NM處理生育期計(jì)劃濕潤層的土壤含水率情況，按式（1）確定灌溉日期及灌水量。各典型年的降雨量及灌溉情況見表3。

表3 各典型年灌溉方案制定Table 3 Formulation of irrigation schemes for each typical year

在確定灌溉方案后，建立各典型年全生育期的Hydrus-2D模型，并結(jié)合各下墊面處理的節(jié)水效果以及當(dāng)?shù)貙?shí)際生產(chǎn)情況，對L-M處理設(shè)置50、60、70、80 cm 4種覆膜寬度，模擬得到夏玉米在自然降雨條件下的生育期水文循環(huán)過程，繪制夏玉米生育期每日的土壤含水率空間分布圖、蒸散量和深層滲漏量，通過式（13）和式（14）計(jì)算各模型的農(nóng)田耗水量和農(nóng)田貯水量。

式中QC為農(nóng)田耗水量，mm；Eα為實(shí)際蒸發(fā)量，mm；Dα為實(shí)際深層滲漏量，mm；QS為農(nóng)田貯水量增加量，mm；Pr為降雨量，mm；I為灌溉量，mm。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

大田試驗(yàn)中的測量數(shù)據(jù)用3組重復(fù)試驗(yàn)的平均值表示。Hydrus-2D模型輸出的結(jié)果均在Matlab 2021a中進(jìn)行處理計(jì)算，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 22.0軟件。應(yīng)用單因素方差分析測試各下墊面處理方式下蒸發(fā)、蒸騰、深層滲漏和農(nóng)田含水率之間的顯著性差異，當(dāng)P值小于0.05時(shí)，認(rèn)為非常顯著，當(dāng)P值小于0.01時(shí)，認(rèn)為極顯著。使用Origin 2018繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證建立的Hydrus-2D模型可靠性，將2017年實(shí)測土壤含水率數(shù)據(jù)代入模型中進(jìn)行土壤水分特征參數(shù)的率定，用2018年實(shí)測土壤含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的驗(yàn)證，得出2017和2018年各下墊面處理土壤含水率的模擬值與實(shí)測值間的決定系數(shù)以及均方根誤差，結(jié)果見表4。表4中4種下墊面處理實(shí)測值和模擬值的R2均在0.87及以上，SRMSE在0.01 cm3/cm3以下，總體擬合效果較好。在各下墊面處理中隨機(jī)選取了2017年NL-NM和2018年L-M下墊面10、20、40、60 cm土層深度的實(shí)測值與模擬值展示動(dòng)態(tài)，如圖3所示。圖3表明生育期內(nèi)各土層深度的實(shí)測值和模擬值的一致性高，Hydrus-2D模型對各種耕作方式降雨后土壤含水率的動(dòng)態(tài)變化過程模擬效果均較好，可以用來開展本文相關(guān)試驗(yàn)的模擬分析。

圖3 4種耕作方式不同土深（d）處土壤含水率模擬值與實(shí)測值對比Fig.3 Comparison between simulated and measured values of soil water content at different soil depths （d）under four tillage methods

表4 2017和2018年各處理實(shí)測值與模擬值的決定系數(shù)和均方根誤差Table 4 Coefficient of determination（R2）and root mean square error（SRMSE）of measured and simulated values for each treatment in 2017 and 2018

2.2 基于Hydraus-2D的模擬結(jié)果分析

2.2.1 降雨后土壤含水率空間分布

為了研究起壟和覆膜處理對單次降雨入滲過程的影響，以降雨前、后5 d內(nèi)均未發(fā)生重復(fù)降雨的2018年7月8日降雨量45 mm為例，導(dǎo)出Hydrus-2D模型模擬結(jié)果中4種下墊面處理雨前和雨后1、3、5 d的有限元網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)土壤含水率數(shù)值，繪制土壤含水率空間分布圖，見圖4。

圖4 4種下墊面處理雨后1、3、5 d土壤含水率空間分布Fig.4 Spatial distribution of soil water content after rainfall 1、3、5 days for four types of underlying surfaces

由圖4可知，起壟或覆膜處理下墊面的土壤含水率均高于NL-NM處理。與NL-NM處理相比，L-NM處理降雨后1 d的土壤水分增加效果最明顯，土壤平均含水率增加2.44%，L-M處理對降雨后3 和5 d的土壤水分增加效果最明顯，土壤平均含水率分別增加2.23%和2.57%。與NL-NM處理相比，其余3個(gè)處理的深層土壤含水率增加更快，其中L-M處理在雨后1 d時(shí)深層土壤含水率就已經(jīng)高于0.20 cm3/cm3。對比4種下墊面淺層土壤水平方向上的土壤含水率可知，降雨后1 d，NL-M和L-M處理的膜間水分含量小于NL-NM處理，但由于覆膜處理能減少下墊面的水分蒸發(fā)，且起壟和覆膜處理均有較強(qiáng)的集雨能力，使溝中或膜間的表層土壤含水率較高，進(jìn)而增加淺層土壤中水分在水平方向的運(yùn)移能力，在降雨3 d后，各下墊面的土壤水分在水平方向上呈均勻分布。在降雨5 d后NL-M和L-M處理的膜間水分含量已經(jīng)明顯高于NL-NM處理?？梢娖饓藕透材ぬ幚砜梢栽黾咏涤旰笸寥乐械乃趾恳约按瓜虻娜霛B速率，并且不會(huì)由于地膜的不透水性和下墊面形狀的改變造成入滲穩(wěn)定后土壤中水分分布的不均勻。

2.2.2 蒸發(fā)蒸騰和深層滲漏

1） 蒸發(fā)和蒸騰速率

為了探究不同水文年夏玉米生育期的蒸散量以及在起壟和覆膜處理后蒸發(fā)和蒸騰速率的變化特征和起壟和覆膜處理對農(nóng)田耗水結(jié)構(gòu)的影響，導(dǎo)出了Hydrus-2D模型模擬結(jié)果中4種下墊面處理的邊界通量數(shù)值，應(yīng)用SPSS軟件對各下墊面的日蒸發(fā)、蒸騰速率進(jìn)行了方差分析，并分別繪制了各典型年夏玉米生育期每日蒸發(fā)和蒸騰速率變化的折線圖，見圖5。

圖5 不同水文年夏玉米生育期蒸發(fā)和蒸騰速率Fig.5 Evaporation and transpiration rate of summer maize during growth period in different hydrological years

通過分析不同水文年的氣象數(shù)據(jù)可知，2001和2014年作物生育期的參考作物蒸發(fā)蒸騰總量明顯高于2008年，其中2014年最高，為672.05 mm，2001和2008年分別為625.63和554.76 mm。圖5中，作物生育期的蒸發(fā)速率呈現(xiàn)首尾高中間低的變化規(guī)律，各水平年不同處理中，苗期和成熟期的平均蒸發(fā)速率分別為1.42和1.15 mm/d，在拔節(jié)期開始至灌漿期結(jié)束的平均蒸發(fā)速率為0.62 mm/d。蒸騰速率呈現(xiàn)先增加后減少的變化規(guī)律，在拔節(jié)期開始至灌漿期結(jié)束的平均蒸騰速率為3.20 mm/d，苗期和成熟期的平均蒸騰速率分別為0.85和0.62 mm/d。通過對比相同下墊面處理方式在3個(gè)典型年日蒸發(fā)和蒸騰速率的平均值發(fā)現(xiàn)，起壟后作物的日蒸發(fā)速率和蒸騰速率與不起壟差異不顯著（P＞0.05）。覆膜后作物的日蒸發(fā)速率減少0.39 mm，日蒸騰速率增加0.27 mm，數(shù)據(jù)變化極其顯著（P<0.01）。與起壟相比，覆膜對蒸發(fā)、蒸騰速率的影響更為顯著。比較覆膜對3個(gè)典型年蒸發(fā)、蒸騰速率的影響可知，在蒸散量較多的2001和2014年，覆膜后日蒸發(fā)速率的減少量超過0.5 mm，而蒸散量較少的2008年，日蒸發(fā)速率的減少量僅為0.26 mm。覆膜后2014年的日均蒸騰速率增加幅度最大，為0.30 mm，2008年的增加幅度最小，為0.26 mm?？梢姡羯⒛芰υ綇?qiáng)的年份，覆膜后蒸散發(fā)速率的變化幅度越大。

2） 深層滲漏速率

為了分析起壟和覆膜處理對夏玉米生育期深層滲漏速率的影響，各典型年4種下墊面深層滲漏速率變化見圖6。

圖6 不同水文年夏玉米生育期深層滲漏速率Fig.6 Deep drainage rate of summer maize during growth period in different hydrological years

在降雨或灌溉后土壤水分含量超過農(nóng)田下墊面的最大儲(chǔ)水量時(shí)，會(huì)發(fā)生深層滲漏。本研究中當(dāng)土壤含水率達(dá)到田間持水率則停止灌溉，因此灌溉不會(huì)導(dǎo)致深層滲漏量的明顯增加，降雨成為本研究中影響深層滲漏的主要因素。從圖6可知，2001年的平均日滲漏速率較2008年增加0.13 mm，降雨量越多的年份作物在生育期內(nèi)發(fā)生深層滲漏的頻率和日深層滲漏速率越高，且起壟和覆膜處理對深層滲漏速率的影響均不顯著（P＞0.05）。通過對比降雨量和深層滲漏速率可知，當(dāng)發(fā)生多日連續(xù)降雨，土壤中含水率持續(xù)較高時(shí)，覆膜對深層滲漏速率有抑制作用，但當(dāng)出現(xiàn)單次40 mm以上降雨量的大雨時(shí)，覆膜后的深層滲漏速率反而更高。

2.3 作物生育期水量平衡

各典型年4種下墊面作物生育期的水量平衡結(jié)果如表5所示。對比各下墊面的累積蒸發(fā)和蒸騰量可知，起壟處理對作物生育期累積蒸發(fā)量和蒸騰量的影響較??；覆膜處理能夠大幅減少作物生育期的蒸發(fā)量并增加蒸騰量。對比各下墊面處理方式3個(gè)典型年的各項(xiàng)水量平衡數(shù)據(jù)平均值可知，覆膜后的下墊面累積蒸發(fā)量減少52.24 mm，累積蒸騰量增加31.84 mm，此外，覆膜處理對2001和2014年累積蒸發(fā)量的減少效果更明顯，對2014年累積蒸騰量的增加效果更明顯。生育期的累積深層滲漏量的變化主要受降雨的影響，降雨量越充足的年份累積深層滲漏量越多。覆膜處理能夠使各典型年下墊面的深層滲漏量平均減少5.35 mm，而起壟處理對深層滲漏量基本沒有影響。綜上，覆膜能夠減少作物生育期的蒸發(fā)量和深層滲漏量，增加蒸騰量（減少的蒸發(fā)量大于增加的蒸騰量）進(jìn)而減少作物生育期的農(nóng)田耗水量，使覆膜后各典型年的平均農(nóng)田耗水量減少25.74 mm，是改變各典型年作物生育期耗水量的最主要因素。此外，在覆膜的同時(shí)進(jìn)行起壟處理，能夠進(jìn)一步減少8.16 mm的農(nóng)田耗水量。

表5 不同水文年夏玉米生育期水量平衡Table 5 Water balance in summer maize growth period in different hydrological yearsmm

與起壟相比，覆膜處理對作物生育期水量平衡各指標(biāo)的影響更為明顯。為了分析覆膜寬度對各水量平衡項(xiàng)的影響，根據(jù)4種下墊面處理的節(jié)水效果以及當(dāng)?shù)氐姆N植習(xí)慣，依據(jù)所建立的Hydrus-2D模型，模擬分析各典型年L-M處理在覆膜寬度分別為50、60、70、80 cm條件下的夏玉米生育期水量平衡情況，結(jié)果見表6。

表6 不同覆膜寬度L-M下墊面夏玉米生育期農(nóng)田水量平衡Table 6 Water balance in field of L-M underlying surface in summer maize growth period under different plastic width

由表6可知，隨著覆膜寬度的增加，各典型年的蒸發(fā)量均逐漸下降，各典型年的覆膜寬度每增加10 cm，蒸發(fā)量平均下降12.12 mm，其中2014年蒸發(fā)量在覆膜寬度為50和80 cm時(shí)相差42.23 mm，下降幅度最大。對于蒸騰量，隨著覆膜寬度的增加，2008和2001年的蒸騰量均逐漸增加，但不同覆膜寬度間蒸騰量的差異并不大。對于深層滲漏，當(dāng)2008枯水年的覆膜寬度從50 cm增加到60 cm時(shí)，深層滲漏量減少0.70 mm，之后隨著覆膜寬度的增加逐漸上升，平水年和豐水年的滲漏量均隨覆膜寬度的增加而上升。綜上，各典型年中隨著覆膜寬度的增加，作物生育期減少的蒸發(fā)量均大于增加的蒸騰量和耗水量，農(nóng)田耗水量逐漸減少，其中枯水年減少13.11 mm，平水年減少18.47 mm，豐水年減少23.17 mm。除平水年和枯水年膜寬50 cm的下墊面農(nóng)田貯水量為負(fù)值以外，L-M下墊面的其他模擬方案農(nóng)田貯水量均為正值，不會(huì)造成作物生育期土壤水分的流失。

3 討 論

3.1 模型有效性

Hydrus模型作為一種結(jié)合土壤水分、溶質(zhì)和熱運(yùn)移計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，被廣泛應(yīng)用于節(jié)水灌溉的研究領(lǐng)域。降雨后的部分水分會(huì)被作物截流，截流的水量也會(huì)隨著作物的生長而變化，但目前模型中暫無作物截流與作物生長模塊，因此可能會(huì)使模擬的結(jié)果產(chǎn)生誤差。起壟覆膜能夠減小土壤表面蒸發(fā)、提高土壤溫度、控制微生物活性進(jìn)而為作物提供適宜的水熱條件，加速作物生長，因此本文在計(jì)算作物的潛在蒸發(fā)蒸騰量時(shí)對4種農(nóng)田下墊面均采用相同的作物系數(shù)可能會(huì)使結(jié)果存在誤差，在實(shí)際生產(chǎn)中起壟和覆膜后的下墊面在拔節(jié)期開始-灌漿期結(jié)束的日蒸騰速率可能均大于與之對照的裸地平作處理。本文模型中的模擬值與實(shí)測值的R2均在0.87以上，SRMSE在0.01 cm3/cm3以下，證明了本文建立的Hydrus-2D模型對4種下墊面生育期水分的動(dòng)態(tài)變化擬合效果較好，但在今后的研究中還應(yīng)考慮覆膜和起壟對作物生長的促進(jìn)作用，增加對不同耕作方式下作物系數(shù)的研究，進(jìn)一步提高模型的模擬精度。

3.2 水量平衡

作物根系的密度以及根系周圍的土壤含水率是影響作物根系吸水進(jìn)而影響蒸騰作用的主要因素，而由于覆膜和起壟的集雨作用會(huì)改變農(nóng)田下墊面的降雨入滲過程，因此了解4種下墊面處理在降雨后1～5 d的土壤含水率動(dòng)態(tài)對于摸清各農(nóng)田下墊面降雨后的水分入滲過程以及水分分布情況非常重要。模擬結(jié)果顯示，起壟和覆膜都有集雨的作用，能夠顯著增加降雨后膜間或壟溝內(nèi)的土壤含水率，并加速水分的垂向入滲速率[28]。由于地膜覆蓋阻斷了土壤和大氣間的水量交換，因此雨后1 d的NLM和L-M處理膜間水分含量小于NL-NM處理，但地膜的不透水性能夠減少蒸發(fā)，在降雨5 d后NL-M和L-M處理的膜間水分含量已經(jīng)明顯高于NL-NM處理，并不會(huì)由于起壟和覆膜導(dǎo)致土層中水分分布不均勻進(jìn)而減少作物根系周圍的水分分布。

摸清作物生育期的農(nóng)田蒸散發(fā)量是研究作物需水變化以及農(nóng)田水轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，但該過程并不單純與降雨量相關(guān)，同時(shí)還受作物特征、氣象環(huán)境以及農(nóng)田管理措施等多因素的影響[29]。本研究中平水年的作物生育期參考作物蒸發(fā)蒸騰量最多，枯水年最少。與覆膜相比，起壟處理對土壤蒸發(fā)和作物蒸騰的影響并不明顯。前人在甘肅石羊河試驗(yàn)站的砂壤土下墊面進(jìn)行作物生育期水量平衡研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，覆膜處理能夠減少蒸發(fā)量，增加蒸騰量，使作物生育期內(nèi)累積蒸發(fā)蒸騰量之和減少10%～16%[30]，這與本研究中覆膜處理能夠減少作物生育期52.24 mm蒸發(fā)量并增加31.84 mm蒸騰量的結(jié)果類似。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)蒸散能力最強(qiáng)的2014年在覆膜后蒸散量的變化幅度均最大，并且隨著覆膜寬度的增加，蒸散量的變化幅度也最大。LI等[31]研究覆膜處理對陜西合陽試驗(yàn)站的粉壤土下墊面玉米生育期耗水量影響時(shí)得出覆膜處理反而會(huì)增加蒸發(fā)蒸騰量的結(jié)論。可見覆膜處理對蒸發(fā)和蒸騰的影響還與試驗(yàn)區(qū)的氣候以及當(dāng)?shù)氐耐寥李愋偷纫蛩鼐嘘P(guān)，當(dāng)試驗(yàn)區(qū)為孔隙度大透水性強(qiáng)的砂壤土?xí)r，覆膜處理能夠大幅降低下墊面的蒸發(fā)能力，使減小的蒸發(fā)量大于增加的蒸騰量，進(jìn)而減少作物對水分的消耗，但當(dāng)試驗(yàn)區(qū)為孔隙度小透水性較差的粉壤土?xí)r，土壤持水能力較強(qiáng)，水分不易被蒸發(fā)，覆膜處理降低蒸發(fā)的效果減弱，反而會(huì)造成累積蒸發(fā)蒸騰量的增加。

農(nóng)田下墊面深層滲漏量受降雨和灌溉的影響最為顯著[32]。由于本研究制定的灌溉方案僅能夠使淺層土壤達(dá)到田間持水率，并不會(huì)造成深層滲漏速率的快速增加，因此降雨成為發(fā)生深層滲漏的主要來源。HE等[33]在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單次降雨量較大的降雨時(shí)更容易發(fā)生深層滲漏，LAI等[34]通過CART分析得出降雨前期土壤含水率對深層滲漏的貢獻(xiàn)度最大，當(dāng)土壤初始含水率較高時(shí)雨后的深層滲漏量較大，而多日連續(xù)降雨是造成土壤含水率變高的最主要原因。本研究發(fā)現(xiàn)作物生育期深層滲漏的發(fā)生時(shí)機(jī)與上述兩學(xué)者的研究類似，均由單次強(qiáng)降雨或多日連續(xù)降雨導(dǎo)致。此外，由于覆膜和起壟均有集雨作用，砂壤土的空隙大，入滲能力強(qiáng)，在遇到單次強(qiáng)降雨時(shí)水分不能及時(shí)在水平方向入滲均勻，因此起壟和覆膜會(huì)增加單次強(qiáng)降雨后農(nóng)田下墊面的深層滲漏速率；但在遇到多日連續(xù)降雨時(shí)，水分能夠入滲均勻且覆膜能夠提高作物的根系吸水能力，覆膜反而能降低農(nóng)田下墊面的深層滲漏速率。由于試驗(yàn)區(qū)各典型年在作物生育期中發(fā)生強(qiáng)降雨的頻率均不高，因此覆膜能夠減少作物生育期深層滲漏量，且覆膜越寬減少的深層滲漏量越多。

馮浩等[18]通過對比裸地平作和起壟覆膜夏玉米生育期的耗水量，發(fā)現(xiàn)起壟覆膜種植在2014和2015年能明顯減少農(nóng)田耗水量，提高農(nóng)田對水分的利用效率。這與本研究中覆膜能夠使各典型年平均農(nóng)田耗水量減少25.74 mm，在覆膜的同時(shí)進(jìn)行起壟處理，能進(jìn)一步減少8.16 mm農(nóng)田耗水量的結(jié)果基本一致。本試驗(yàn)區(qū)具有降雨量少且土壤保水能力差的特點(diǎn)，在降雨不充沛的平水年和枯水年會(huì)使作物生育期農(nóng)田貯水量下降，導(dǎo)致土壤中水分含量不足。起壟覆膜處理能夠增加土壤中水分含量，覆膜寬度不小于60 cm的L-M處理農(nóng)田貯水量均為正值，且在平水年和枯水年中，覆膜越寬L-M處理的農(nóng)田耗水量越少，貯水量越多，農(nóng)田貯水量的增加有利于作物根系對肥料的吸收，加速土壤中有機(jī)物的分解以及養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而在研究區(qū)形成節(jié)水高產(chǎn)的良性循環(huán)。

LIAO等[35]還在研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時(shí)，由于雨滴的撞擊造成土壤壓實(shí)，容易增加表層土壤的容重并減少土壤的孔隙度，削弱土壤的水分入滲能力，在覆蓋秸稈或園藝織物后，可以在土壤表面形成一層保護(hù)膜，減少雨滴的影響。因此，在今后的研究中還應(yīng)考慮覆膜后對于研究區(qū)砂壤土表層容重和孔隙度的影響，對不同下墊面處理生育期前后的土壤容重和孔隙度進(jìn)行測量和對比。此外，ZHANG等[9]在研究中發(fā)現(xiàn)不同地膜顏色也會(huì)通過影響淺層土壤的溫度進(jìn)而影響下墊面的水分的利用效率，同時(shí)覆膜還有促進(jìn)作物生長以及增加產(chǎn)量的作用。因此在今后的研究中，還應(yīng)考慮適合本研究區(qū)的地膜顏色以及覆膜后對作物生長和產(chǎn)量的影響，進(jìn)而得到既能減少農(nóng)田耗水量，又能促進(jìn)作物生長、提高產(chǎn)量的起壟覆膜種植方式。

4 結(jié) 論

本文在大田試驗(yàn)的基礎(chǔ)上應(yīng)用Hydrus-2D模型，分析了起壟和覆膜處理對降雨后土壤含水率的空間分布以及豐、平、枯3個(gè)典型年作物生育期農(nóng)田水量平衡的影響。得出的主要結(jié)論如下：

1）經(jīng)過率定后的Hydrus-2D模型模擬值與實(shí)測值的R2均在0.87及以上，均方根誤差在0.01 cm3/cm3以下，能夠有效地對起壟和覆膜處理后夏玉米生育期的下墊面降雨入滲過程進(jìn)行模擬。

2）在降雨后，起壟和覆膜處理可以增加土壤中的水分含量以及垂向的入滲速率，并且不會(huì)由于地膜的不透水性和下墊面形狀的改變造成入滲穩(wěn)定后土壤中水分分布的不均勻。

3）覆膜能夠減少作物生育期52.24 mm蒸發(fā)量并增加31.84 mm蒸騰量，因此可以考慮在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行地膜覆蓋處理，促進(jìn)無效水向有效水的轉(zhuǎn)化。

4）覆膜能夠使各典型年平均農(nóng)田耗水量減少25.74 mm，在覆膜的同時(shí)進(jìn)行起壟處理，農(nóng)田耗水量會(huì)進(jìn)一步減少8.16 mm，當(dāng)壟作覆膜處理覆膜寬度不小于60 cm時(shí)，各典型年作物生育期的農(nóng)田貯水量均為正值，在實(shí)際生產(chǎn)中不會(huì)造成作物生育期土壤水分的流失。