基于HYDRUS-1D模型的华北低平原区不同微咸水利用模式下土壤水盐运移的模拟*

何康康杨艳敏杨永辉

（1.中国科学院农业水资源重点实验室/河北省节水农业重点实验室/中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心　石家庄　050022；2.中国科学院大学　北京　100049）



基于HYDRUS-1D模型的华北低平原区不同微咸水利用模式下土壤水盐运移的模拟*

何康康1，2杨艳敏1**杨永辉1

（1.中国科学院农业水资源重点实验室/河北省节水农业重点实验室/中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心石家庄050022；2.中国科学院大学北京100049）

华北低平原区深层地下水的不断超采不仅造成淡水资源的枯竭，还引发了地面沉降、土壤盐渍化等一系列生态环境问题。微咸水在农业上的利用已成为缓解水资源危机的研究重点。为了研究不同咸水灌溉模式的可持续性，本文以华北低平原区的河北省南皮县为例，利用Hydrus-1D模型，基于8种不同微咸水灌溉方案，模拟2008—2013年6年冬小麦-夏玉米轮作制度下，2m土体水盐通量变化。模拟结果表明，土体剖面盐分积盐区主要集中在下层土壤（100～200cm）；上层土壤（0～100cm）溶液盐分浓度大部分时间保持在2g·L-1左右，能保证作物正常生长；但土壤剖面盐分浓度在冬小麦灌浆末期出现峰值且随灌水盐分浓度增加而逐渐升高。土体盐分充分淋洗的关键在于降雨强度，7月份降雨强度是土体脱盐与否的主要影响因素；同时，在丰水年型夏玉米播种后结合出苗水适当灌溉洗盐对土体达到有效脱盐起到重要作用。本文通过综合分析水文年型、土壤剖面盐分的动态分布特征以及结合夏玉米出苗水的洗盐淡水用量3方面因素对土壤盐分迁移的影响，提出华北低平原区两种适宜的微咸水灌溉制度：（1）冬前浇灌小于2g·L-1的冬小麦越冬水，春后在冬小麦拔节期浇灌一次2～4g·L-1微咸水；（2）冬前不灌越冬水，春后分别在冬小麦拔节期和灌浆期浇灌2g·L-1微咸水。两种灌溉制度年均结合夏玉米出苗水的洗盐淡水用量和总耗水量分别为60～70mm和250～260mm。本文结果旨在为华北低平原区微咸水利用的节水潜力及其可持续性提供理论指导。

微咸水利用 灌溉模式 Hydrus-1D模型 水盐运移 水文年型 冬小麦-夏玉米轮作

华北平原是我国重要的粮食产区，同时也是水资源严重缺乏的地区。地下水资源的大量超采引起了地下水污染、地面沉降、海水入侵、土壤盐渍化等一系列生态环境危机［1］。为了缓解日益突出的用水危机，开发各种水资源、提高水资源利用效率以及制定水资源可持续策略等已成为目前研究的重要课题。在半干旱地区，浅层地下咸水、微咸水具有较大的开发利用潜力，微咸水资源用于农业灌溉也越来越受到重视，尤其在淡水资源短缺地区已成为重要的节水对策。河北地区微咸水、咸水可开采资源量每年近 42亿m3，占地下水总开采资源总量近36％［2］，增大微咸水资源的开发利用率并用于农业灌溉，对于保障水资源可持续利用及华北低平原区农业可持续发展具有重要作用。

应用微咸水灌溉尚需要以试验、模拟等手段为基础的理论和技术指导。目前，微咸水灌溉技术已在很多干旱地区得到应用，适宜的灌溉制度能够达到节水增产的目的。已有的灌溉试验表明灌水量、灌溉水质是影响土壤积盐的主要因素，微咸水灌溉的目标就是控制根区盐分的累积［3］。适宜的微咸水灌溉对作物的生长发育具有一定的促进作用。陈素英等［4］在河北省南皮的试验研究表明，拔节期用2g·L-1和4g·L-1微咸水灌溉比雨养作物分别增产16.7％和7.4％，但是小麦季的积盐会造成后茬作物玉米的减产，微咸水灌溉应考虑作物种类和灌水时间。试验研究［5-7］显示小麦萌芽期和孕穗期对盐分比较敏感而灌浆成熟期和拔节期相对影响较小，并且应控制土壤盐分在6dS·m-1［8］以下。玉米则对盐分胁迫非常敏感，特别是在萌芽期、苗期阶段［9］。在土壤盐分为1.7dS·m-1［7］以上玉米开始受害，在5.9dS·m-1时玉米产量减少一半［10］。因此，应根据不同的作物种类、土壤特性及咸水资源确定合理的灌溉制度，既要满足作物的需水量又要有效地控制土壤盐分的累积。

不同微咸水灌溉情景下农田土壤水盐的动态变化一直是研究的难点。目前，Hydrus-1D模型被广泛应用于土壤水分和溶质运移的模拟研究［11-12］，通过模拟来加强机理过程的认识。Hydrus-1D模型是由美国盐改中心开发的用于模拟变饱和多孔介质水分、热量、溶质迁移的数值模型，能够对大气过程（蒸散、降雨、灌溉）、土壤水分及溶质运移、作物根系吸收、地下水水位变化等过程进行综合模拟。具有多种边界条件设置，并提供了大量的参数数据库作为参考［13］。本文利用Hydrus-1D模型模拟在不同的微咸水灌溉情景下，冬小麦-夏玉米轮作下的土壤水盐通量变化。本文通过研究不同水文年型、灌水盐分浓度及结合夏玉米出苗水的洗盐用水量对土壤盐分运移的影响，明确了微咸水灌溉下土壤剖面盐分累积规律和土体盐分淋洗周期，提出了华北低平原区适宜的两种微咸水灌溉方案，从而为华北低平原区微咸水利用的节水潜力及其可持续性提供理论指导。

1　材料和方法

1.1研究区概况

研究区域位于河北省南皮县（北纬37°50′～38°11′，东经116°32′～117°02′，海拔7～12m）。土壤类型主要是潮土、盐化潮土和脱潮土，其中盐化潮土占22％，土壤质地以壤土为主［14］，土壤含盐量为0.8～1.5g·kg-1，土壤容重为1.42 g·cm-3，田间持水量为24.1％［15］。该地区属近滨海缺水盐渍化类型区，灌溉用地面水稀少，浅层地下咸水资源丰富。南皮县属于古河道平原地下水系统［2］，地下水埋深在5～7 m，其中浅层地下水资源小于2g·L-1占18％，2～3g·L-1占33％，3～5g·L-1占24％，大于5g·L-1占25％［16］。该地区年均降水量550mm，是典型的暖温带半湿润大陆季风气候区，春秋干旱，夏季多雨易涝，土壤具有明显的季节性积盐或脱盐现象。

1.2模型描述

本文采用美国农业部盐渍土实验室研发的模拟饱和-非饱和土壤水、热、溶质运移的Hydrus-1D软件，该软件主要包括水分运移、根系吸水、盐分运移3个模块。

1.2.1水分运动基本方程

以地表为基准面，垂直一维水分运动基本模型［17］可表示为：

式中：θ表示土壤体积含水率（cm3·cm-3）；t为时间（d）；K为非饱和水力传导系数（cm·d-1）；h为基质势（cm）；S是作物根系吸水率（d-1）；z是垂直坐标，方向向上为正（cm）。

选用van-Genuchten-Mualem模型［18］确定土壤水分特征参数：

式中：θs为土壤饱和体积含水率（cm3·cm-3）；θr为土壤残余体积含水率（cm3·cm-3）；h为基质势（cm）；Ks为饱和传导系数（cm·d-1）；Se为有效饱和度；α为进气吸力的倒数（cm-1）；m为水分特征曲线参数；n为孔径分布参数；l是空隙连通性参数，一般取值为0.5。

1.2.2根系吸水方程

根系吸水模型采用Feddes模型［19］计算根系吸水速率，即：

式中：α（h）表示根系吸水胁迫系数；N（ x）为标准化根系吸水分布函数，描述根系吸水的空间变异；Tp为作物潜在蒸腾速率（cm·d-1）。根系吸水胁迫系数由Wesseling等［20］提出的参数经验值确定，如表1所示：

表1　作物根系吸水方程参数Table 1 Crop root uptake equation parameters

标准化根系吸水分布函数N（x）计算方程如下［21］：

式中：N′（x）为实测或模拟的根系分布函数，反映根系在土壤剖面上的分布状况。作物根系生长采用线性生长函数，冬小麦和夏玉米根系生长状况根据张喜英［22］试验研究确定。

1.2.3盐分运动基本方程

模型以土壤可溶盐（惰性非吸附性溶质）为研究对象，以土壤水矿化度为主要研究指标，建立饱和-非饱和土壤溶质运移数学模型［21］：

式中：C表示土壤溶液中盐分的浓度（mg·cm-3），q为水流通量（cm·d-1），D为水动力弥散系数（cm2·d-1）。

1.2.4模型输入

土壤水分运动的初始条件和边界条件［21］：

土壤盐分运动的初始条件与边界条件［21］：

模拟的初始条件取野外经验值，初始含水率为田持量的65％，盐分含量为1g·kg-1。模型溶质运移上边界是由不同的灌水浓度确定的，水分运移上边界选取表层无积水的大气边界。潜在蒸散发（ETp）、土壤潜在蒸发（Ep）和作物潜在蒸腾量（Tp）由气象条件以及叶面积指数求得。首先根据 Penman-Monteith方程［23］计算作物参考蒸散（ET0），然后根据参考作物系数Kc［24］计算作物的潜在蒸散量（ETp），最后，潜在蒸发量（Ep）和蒸腾量（Tp）根据Beer’s law定律［25］进行计算：式中：LAI表示叶面积指数［26-27］；k表示的是冠层的消光系数，反映的是太阳辐射在冠层中的衰减程度，小麦消光系数一般取值 0.60［28-29］，玉米消光系数为0.438［30］。

本文取2m土体作为模拟剖面，基于研究区地下水埋深常年在 5～7 m，因此不考虑地下水补给影响，并取自由排水作为下边界。模型模拟土壤深度为0～200cm，步长为天，设定最小时间步长和最大时间步长分别为0.000 01d和5 d。考虑根系主要分布在耕层，空间步长上密下疏。将2m土体根据土壤质地划分为3层，利用 Hydrus-1D模型中自带的Rosseta模块，输入各层土壤的粒径组成和容重，初步得到各层的土壤水力参数。并根据试验区2004—2005年土壤水盐数据进一步的校正，校准后的土壤水力参数如表2所示。

表2　校准后的van-Genuchten模型特征参数Table 2 Calibrated parameters of the van-Genuchten model

1.2.5情景设计

据 1996—2014年19年的降水资料分析，该区域丰水年（P=25％）降水量为658.1mm，平水年（P= 50％）为536.4mm，枯水年（P=75％）为446.8mm。其中，2009年、2012年、2013年属于丰水年型，2008年、2010年、2011年属于平水年型。根据华北平原冬小麦生育期和夏玉米生育期耗水量分别在 400～450mm和350～400mm之间［31］，而2008—2013年玉米生育期降雨量均在400mm以上（表3），降雨能够满足玉米水分的需求。因此，该区域的灌溉研究主要是以冬小麦为对象，进行微咸水灌溉补给处理。虽然后茬玉米未进行微咸水灌溉，但前茬小麦土壤盐分的累积会对玉米形成减产效应［3］，一般情况下，玉米播后灌溉应结合出苗水进行洗盐，即玉米播后洗盐水用量同时也是出苗水用量。

根据不同灌溉时期本文设置 2种情景，每个情景各有4个咸水灌溉处理，灌溉用水量和灌溉时期参照试验研究和实践经验确定［32］。情景Ⅰ是对冬小麦进行春后 3水灌溉：拔节期和灌浆期咸水灌溉，抽穗期淡水灌溉；夏玉米播后洗盐水用量根据玉米耐盐阈值（1.7dS·m-1）设置，但最大不超过120mm。情景Ⅱ是根据南皮“渤海粮仓”项目试区灌水经验进行设置，即冬小麦灌溉3水：越冬期固定2g·L-1微咸水灌溉，拔节期咸水灌溉，开花期淡水灌溉；夏玉米洗盐水用量固定为70mm。情景Ⅰ和情景Ⅱ冬小麦灌水定额均为60mm，灌溉咸水浓度设置4个处理，分别为2g·L-1、3g·L-1、4g·L-1和5g·L-1。具体灌水处理如表4所示。

表3　2007—2013年小麦和玉米生育期降雨量Table 3 Precipitations of wheat and corn growth periods in 2007-2013 mm

表4　河北南皮县小麦-玉米系统两种模拟情景不同时期的灌水水质和水量Table 4 Irrigation water quality and amount of winter wheat-summer maize system at different growth stages under different modeling scenarios in Nanpi County，Hebei Province

模拟时段选择2007—2013年共6年时间，小麦季播种日期为10月13日，收割日期为6月7日，生育期为238d；玉米季播种日期为6月10日，收割日期为10月2日，生育期为115 d。冬小麦越冬水、拔节水、抽穗水、开花水和灌浆水的灌水时间分别为12月1日、3月上旬、4月中旬、4月下旬和5月中旬，具体灌水日期根据当月降雨时间和强度确定。

2　结果与分析

2.1模型校准和验证

利用2004年和2005年南皮试验资料［33］分别作为校正和验证数据，对比了冬小麦主根区0～40cm土壤水盐含量模拟值与实测值。

2004年的试验设置［33］为：冬小麦生育期灌溉定额为195mm，分别为底墒水60mm（淡水0.84g·L-1）、拔节水45mm（淡水0.84g·L-1）、抽穗水45mm（淡水0.84g·L-1）和灌浆水45mm（微咸水3g·L-1）。试验主要关注的是主根区（0～40cm），因此分别在10cm、20cm、30cm、40cm土层设置4个观测点，模拟值取观测点的加权平均值，校正结果如图1所示。结果表明，土壤含水率和土壤溶液含盐量在前两次灌水前后模拟值和实测值吻合较好，在灌浆期灌水前后则偏离较大。含水量的均方根误差和决定系数分别为0.041 8cm3·cm-3和0.726 4cm3·cm-3，而含盐量的均方根误差和决定系数分别为0.927 1g·L-1和0.502 3g·L-1。

图1　2004年河北省南皮县冬小麦根区0～40cm土壤水分（A）及盐分（B）模拟值与实测值的率定结果Fig.1 Comparison between the simulated and measured water contents（A） and salt contents（B） of 0-40cm soil of winter wheat in Nanpi County，Hebei Province in 2004

2005年试验设置［33］春后 3水，即拔节水-抽穗水-灌浆水，根据灌水浓度设置 3个处理，分别是：淡-淡-淡、淡-咸-咸和淡-淡-咸，每个处理的底墒水、淡水和咸水的浓度以及每次灌水量均同2004年试验设置。图2为验证结果，结果表明，含水量模拟效果比较好，均方根误差最小为0.029，决定系数最大为0.958 7；从含盐量的对比结果来看，虽然在灌浆期灌水前后模拟值与实测值偏差较大，但模型总体模拟效果比较好，大致反映了主根区土壤含盐量的动态变化趋势。总体来说，模型模拟效果可以接受，参数较为可靠，可用于实际模拟应用。

2.2模拟结果分析

利用校验后的土壤水盐运移模型，分别模拟情景Ⅰ和情景Ⅱ的土壤水盐运移过程。

2.2.1情景Ⅰ

1）灌溉用水量

情景I中4个咸水灌溉处理的咸水用量都为120mm（两次灌溉时间分别为拔节期和灌浆期），淡水用量为小麦播前灌水（仅2007—2008年需要播前灌水）、抽穗水（60mm）和玉米出苗水。从图3看出，由于2008年、2010年、2011年属于平水年型，结合夏玉米出苗水的洗盐用水量比较大，大部分都在120mm。而2009年、2012年、2013年属于丰水年型，受到降雨条件的影响，洗盐水用量较少，以3g·L-1为例，3年夏玉米洗盐水用量分别为0mm、120mm和30mm。为使夏玉米在苗期的根区盐分浓度在耐盐阈值以下，淡水用量亦随着咸水浓度的增加而增加，这可以从第6年的淡水用量变化趋势看出。2g·L-1、3g·L-1、4g·L-1和5g·L-14个处理6年平均结合夏玉米出苗水的洗盐用水量分别为64mm、101mm、105mm和118mm（图4）。

图2　2005年不同灌溉方式模拟值和实测值水分和盐分验证结果（F:淡水灌溉，灌溉水矿化度为0.84g·L-1；S:咸水灌溉，灌溉水矿化度为3.0g·L-1；3次灌水时间分别为拔节期、抽穗期和灌浆期）Fig.2 Comparison between the simulated and measured water contents and salt contents at different irrigation modes during the validation in 2005（F：fresh water irrigation，water salinity is 0.84g·L-1；S：saline water irrigation，water salinity is 3.0g·L-1；Three times irrigation were respectively at jointing stage，heading stage and grain filling stage）

2）实际蒸散发

冬小麦分别经过2～5g·L-14种灌溉处理后，实际蒸散量并不随灌水浓度变化，说明冬小麦受到盐分胁迫影响较小。冬小麦蒸散量年际间的变化主要是受生育期降雨量的影响。例如，2009—2010年和2010—2011年冬小麦生育期降雨量分别为124.8mm和63.9mm，而蒸散量分别为474mm和409mm。但是夏玉米蒸散量受盐分胁迫的影响更明显，尤其是在平水年型2010—2011年，2～5g·L-1的蒸散量分别从363mm和342mm下降至351mm和325mm（图5）。

3）盐分累积增加量

在2007—2011年期间，随着灌溉咸水浓度的增加，土体积盐量增加，并且随着时间的推移每个处理盐分累积量增加。而在 2012—2013年期间（丰水年），由于受强降雨洗盐的作用，盐分累积增加量开始减小，并经过两年降雨淋洗过程，最终使土壤积盐量大幅减小（图6）。在2g·L-1、3g·L-1、4g·L-1、5g·L-1咸水灌溉处理下2m土体单位面积的最终积盐量分别为25.36mg·cm-2、-4.88mg·cm-2、28.24mg·cm-2和12.82mg·cm-2。除了3g·L-1处理下土体脱盐，其他都有轻微积盐现象。2g·L-1处理没有脱盐的原因是结合出苗水的洗盐用水量较小（64mm）。

图3　灌溉情景Ⅰ下2007—2013年冬小麦-夏玉米不同盐分浓度咸水灌溉下的灌溉用水量Fig.3 Irrigation amounts of winter wheat-summer maize under different irrigation water salt concentrations in 2007-2013 under irrigation scenarioⅠ

图4　不同灌溉情景下冬小麦-夏玉米年均耗水用量Fig.4 Average annual water consumption of winter wheat-summer maize under different irrigation scenarios

4）2m土壤剖面盐分浓度变化

从图7中可以看出，盐分的累积主要发生在1m土体以下，这是因为经过灌溉和降雨的淋溶作用，表层大部分盐分随水分迁移至下层土壤。并且灌水浓度越大，下层土壤盐分含量越高，积盐越明显。0～100cm土体盐分含量较低。在每年的6月份至第2年的4月份始终维持在4g·L-1以下。经过拔节期和灌浆期两次咸水灌溉后土壤盐分含量明显增加，加上强烈的蒸散作用造成土壤盐分不断上移，4月份至 6月份是土壤盐分浓度最大的时间，峰值在8g·L-1以上。下层土壤（100～200cm）盐分浓度随时间不断升高，且积盐区不断扩大，高浓度区域（9g·L-1左右）在前5年呈现逐渐上移趋势，尤其在4g·L-1和5g·L-1咸水浓度处理时比较突出，在2008—2012年期间，9g·L-1浓度区域边界从140cm上升至100cm。在 2012—2013年，受降雨影响，土体开始有明显脱盐趋势，高浓度盐分区在 2013年玉米季末下降至180cm以下。

图5　情景Ⅰ下2007—2013年冬小麦-夏玉米不同不同盐分浓度咸水灌溉下的实际蒸散发Fig.5 Actual evapotranspiration（ET） of winter wheat-summer maize under different irrigation water salt concentrations in 2007-2013 under irrigation scenario Ⅰ

图6　情景Ⅰ下不同年份不同盐分浓度咸水灌溉下土壤盐分累积增加量（2m土体）Fig.6 Accumulated soil salt increment under different irrigation water salt concentrations（2m soil profile） in different years under irrigation scenario Ⅰ

图7　情景Ⅰ下2007—2013年不同时期冬小麦-玉米轮作系统土壤剖面含盐量变化Fig.7 Soil profile salt concentrations of winter wheat-summer maize system under irrigation scenario Ⅰ from 2007 to 2013

2.2.2情景Ⅱ

1）灌溉用水量

此情景是南皮现有的微咸水灌溉模式及洗盐方式，即越冬期灌溉2g·L-1微咸水，在拔节期灌溉咸水（有2g·L-1、3g·L-1、4g·L-1、5g·L-14个处理），开花期灌溉淡水，玉米出苗水每年均为70mm。冬小麦除第1年播前灌溉60mm淡水外，其余年份只在开花期灌溉淡水，夏玉米除第2年播前有降雨外，其余年份均灌溉出苗水70mm，即每年淡水消耗量为：2007—2008年淡水用量190mm，2008—2009年淡水用量为60mm，其余4年淡水用量为130mm；每年的咸水用量均为120mm。多年平均结合出苗水的洗盐用水量和咸、淡灌水量见图4。

2）实际蒸散发

情景Ⅱ的蒸散量随灌溉水盐分浓度和水文年型变化的趋势和情景Ⅰ类似，即小麦受盐分胁迫影响不明显，在不同年份的变化受降雨的影响；玉米受盐分胁迫的影响较大，尤其是在 2010年和2011年随盐分浓度的增加蒸散量降低（图8）。

3）盐分累积增加量

4个处理2g·L-1、3g·L-1、4g·L-1和5g·L-16年后盐分累积增加值分别为-62.29mg·cm-2、-38.32mg·cm-2、-15.49mg·cm-2和5.90mg·cm-2。2～4g·L-1处理2m土体能够脱盐，5g·L-1处理则有轻微积盐。总体来看，在情景Ⅱ灌溉制度下，4种咸水灌溉处理后2m土体基本不积盐（图9）。

图8　情景Ⅱ下2007—2013年冬小麦-夏玉米不同盐分浓度咸水灌溉下的实际蒸散发Fig.8 Actual evapotranspiration（ET） of winter wheat-summer maize under different irrigation water salt concentrations in 2007—2013 under irrigation scenario Ⅱ

图9　情景Ⅱ下不同年份不同盐分浓度咸水灌溉下土壤盐分累积增加量（2m土体）Fig.9 Accumulated soil salt increment under different irrigation water salt concentrations（2m soil profile） in different years under irrigation scenario Ⅱ

4）2m土壤剖面盐分浓度变化

上层土体（0～100cm）盐分含量基本维持在 2g·L-1左右，出现峰值的时间段在每年的4月份至6月份。从年际变化来看，2008—2012年下层土体（100～200cm）盐分浓度逐渐升高，但高浓度区域（10g·L-1左右）没有明显上移，保持在120cm以下。从年内变化来看，每年的6月份至翌年的4月份，100～160cm区域盐分浓度具有持续下降趋势（图10）。总体来看，情景Ⅱ模式上层土体（0～100cm）盐分含量更低且下层积盐区更稳定。

3　讨论与结论

3.1不同水文年型下土壤水盐动态变化

土体是否积盐关键在于脱盐量，而土体的脱盐量主要受到自然降雨的影响。在2008—2013年6年模拟时段，冬小麦季每年都处于积盐状态，洗盐主要发生在夏玉米季。其中，在平水年型2008年、2010年和2011年夏玉米季都在积盐；在丰水年型 2009年、2012年和2013年夏玉米季都在洗盐且玉米洗盐水用量依次增大。土体洗盐用水量与底部水分渗漏量密切相关，以情景Ⅱ为例，2009年玉米季渗漏量为13mm，最大渗漏量可达0.055cm·d-1；2012年和2013年玉米季渗漏量分别为50mm、109mm，最大渗漏量分别为0.14cm·d-1和0.61cm·d-1。由此可见，土体明显脱盐现象主要发生在2012年和2013年玉米季。

土体是否产生渗漏主要决定于这个时期的降雨量和蒸散量。2009年最大降雨强度发生在8月份（表5），洗盐过程主要发生在9月份；2012年和2013年最大降雨强度都在7月份，而土体洗盐过程发生在8月、9月份，由此说明，土体发生洗盐的时间滞后于最大雨强发生时间。根据玉米需水量规律变化可知，土壤蒸发量和作物蒸腾量分别在 6月份、8月份最高（图11，以2009年为例），说明玉米在这两个月份需水量最大，如果降雨量集中在这两个月份，土体产生的渗漏量可能偏小且持续时间短；如果降雨集中在7月份或9月份，受到玉米耗水量较少的影响，土体产生的渗漏量可能较大且持续时间长。相对于9月份，7月份强降雨的洗盐效果更好，原因是8月份的降雨量远远大于10月份，而洗盐时间具有滞后性并需要一定强度的连续降雨。

图10　情景Ⅱ下2007—2013年不同时期冬小麦-玉米轮作系统土壤剖面含盐量变化Fig.10 Soil profile salt concentrations of winter wheat-summer maize system under irrigation scenario Ⅱ from 2007 to 2013

表5　河北省南皮县丰水年型夏玉米季不同月份降雨量Table 5 Precipitation in different months during summer maize growth period in wet years in Nanpi County of Hebei Provincemm

3.2不同矿化度咸水灌溉对土壤剖面盐分分布和洗盐效果的影响

两种情景土壤剖面共同的特点：在 2008—2011年期间（积盐时间），下层土体（100～200cm）土壤盐分浓度在8g·L-1以上并随时间不断增大；上层土体（0～100cm）在每年7月份至次年3月份土壤盐分浓度基本维持在2g·L-1左右，基本能保证夏玉米的正常生长。5月中下旬出现短暂峰值现象可达8g·L-1以上，此时正值冬小麦灌浆末期，受盐分胁迫影响较大。因此咸水灌溉需要注意两点：一是控制下层土体（积盐区）盐分累积，过多则不利于雨季脱盐；二是冬小麦灌浆末期上层土壤盐分浓度不宜过高（6dS·m-1以上影响小麦生长），否则不仅会影响小麦产量，也会使玉米播后洗盐水用量增加，不利于节水。

图11　2009年夏玉米实际蒸腾量和土壤蒸发量Fig.11 Actual transpiration and soil evaporation of summer maize in 2009

情景Ⅰ中，4g·L-1两次咸水灌溉和5g·L-1两次咸水灌溉处理下，下层土体积盐过多（在冬小麦灌浆末期上层土壤盐分浓度过高达9.1dS·m-1），导致土体盐分不能在后期丰水年型玉米季淋洗掉。尤其在平水年型2010—2011年结合出苗水的洗盐用水量达到120mm，但是洗盐效果仍然不是太好，玉米苗期根区土壤盐分浓度为3dS·m-1左右，还是在玉米耐盐阈值（1.7dS·m-1）以上。因此，这两种咸水灌溉模式不利于作物正常生长。2g·L-1和3g·L-1两次咸水灌溉处理土壤盐分浓度基本控制在作物耐盐阈值以下。从节水角度考虑，3g·L-1所需的年均结合出苗水的洗盐用水量（101mm）比2g·L-1所需的年均洗盐用水量（64mm）大，因此，情景Ⅰ中的2g·L-1两次咸水灌溉处理是可持续灌溉方案。情景Ⅱ中，由于在越冬期进行一次微咸水（2g·L-1）灌溉，而后只在拔节期进行一次 2～5g·L-1咸水灌溉，这种模式相对来说下层积盐量少，经过后期丰水年降雨量大的影响，2g·L-1、3g·L-1、4g·L-1一次咸水灌溉处理下的土体都能够脱盐，5g·L-1处理则有轻微积盐且灌浆期末出现的浓度峰值在9dS·m-1以上。由于每年玉米季播后设置固定出苗水用量70mm，在这种连续定量洗盐模式下，玉米苗期至小麦返青阶段（每年7月至次年3月份），下层土壤在100～120cm附近处，盐分浓度有一定程度的下降趋势，逐渐从8g·L-1下降至4g·L-1左右，说明情景Ⅱ模式盐分比较容易淋洗。

3.3结合出苗水的洗盐用水量对土体盐分淋洗的影响

玉米季的脱盐量除了受水文年型影响，还受到人工洗盐的影响。在同一水文年型且洗盐用水量相同情况下，4种不同咸水浓度处理下的玉米季脱盐量基本一致（如表6所示）；而在同一水文年型不同洗盐用水量情况下，土体脱盐量随着洗盐用水量的增加而增加，尤其在丰水年型玉米播后结合出苗水进行灌溉洗盐更有利于让土体脱盐，比如情景Ⅰ中，2012年2g·L-1和3g·L-12次咸水灌溉处理下的玉米洗盐水用量分别为0mm和120mm，对应的玉米季土体脱盐量分别为15.51mg·cm-2和75.51mg·cm-2；在 2013年土体脱盐量与洗盐用水量正相关关系更明显，2g·L-1、3g·L-1、4g·L-1、5g·L-12次咸水灌溉4种处理下洗盐用水量分别为0mm、30mm、45mm、110mm，而对应的土体脱盐量随洗盐量增加效果显著，分别为58.61mg·cm-2、79.38mg·cm-2、98.08mg·cm-2、162.11mg·cm-2。因此，玉米季播后结合出苗水灌溉洗盐对土壤脱盐非常关键，即使在丰水年也非常必要。

表6　情景Ⅱ下不同盐分浓度咸水灌溉的玉米季土体脱盐量Table 6 Soil salt leakage under different salt concentrations of irrigation water in summer maize period under scenarios Ⅱmg·cm-2

本文综合提出微咸水灌溉方案的适宜条件和适宜制度：1）冬前浇灌2g·L-1越冬水，春后在拔节期浇灌一次2～4g·L-1咸水；2）冬前不灌越冬水，春后分别在拔节期和灌浆期浇灌2g·L-1咸水。两种灌溉模式年均结合出苗水的洗盐用水量（60～70mm）均小于咸水灌溉用量（120mm），且总耗水量（250～260mm）较小，在节水角度上提高了微咸水资源的可持续利用潜力。

References

［1］钱永，张兆吉，费宇红，等.华北平原浅层地下水可持续利用潜力分析［J］.中国生态农业学报，2014，22（8）：890-897

Qian Y，Zhang Z J，Fei Y H，et al.Sustainable exploitable potential of shallow groundwater in the North China Plain［J］.Chinese Journal of Eco-Agriculture，2014，22（8）：890-897

［2］张兆吉.华北平原地下水可持续利用调查评价［M］.北京：地质出版社，2009：362-370

Zhang Z J.Study and Assessment on Sustainable Utilization of Groundwater in North China Plain［M］.Beijing：GeologicalPublishing House，2009：362-370

［3］逄焕成，杨劲松，严惠峻.微咸水灌溉对土壤盐分和作物产量影响研究［J］.植物营养与肥料学报，2004，10（6）：599-603

Peng H C，Yang J S，Yan H J.Effects of irrigation with saline water on soil salinity and crop yield［J］.Plant Nutrition and Fertilizer Science，2004，10（6）：599-603

［4］陈素英，张喜英，邵立威，等.微咸水非充分灌溉对冬小麦生长发育及夏玉米产量的影响［J］.中国生态农业学报，2011，19（3）：579-585

Chen S Y，Zhang X Y，Shao L W，et al.Effect of deficit irrigation with brackish water on growth and yield of winter wheat and summer maize［J］.Chinese Journal of Eco-Agriculture，2011，19（3）：579-585

［5］马洪波，宁运旺，陈杰，等.不同基因型小麦品种（系）的耐盐性评价［J］.麦类作物学报，2012，32（6）：1049-1054

Ma H B，Ning Y W，Chen J，et al.Evaluation on salt tolerance of different genotypes of wheat cultivars（strains）［J］.Journal of Triticeae Crops，2012，32（6）：1049-1054

［6］Munns R.Comparative physiology of salt and water stress［J］.Plant，Cell and Environment，2002，25（2）：239-250

［7］Munns R，Rawson H M.Effect of salinity on salt accumulation and reproductive development in the apical meristem of wheat and barley［J］.Australian Journal of Plant Physiology，2004，26（5）：459-464

［8］Ayers R S，Westcot D W.Water Quality for Agriculture［M］.FAO Irrigation and Drainage Paper no.29.Rome：Food and Agriculture Organization of the United Nations，1976

［9］姚正培，孟军，李冠.玉米自交系芽苗期耐盐性的鉴定与筛选［J］.华北农学报，2007，22（5）：27-30

Yao Z P，Meng J，Li G.Salinity tolerance identification and screening of maize inbreeds in seedling emergence stage［J］.Acta Agriculturae Boreali-Sinica，2007，22（5）：27-30

［10］Rhoades Jd，Kandiah A，Mashali A M.The Use of Saline Waters for Crop Production［M］.FAO Irrigation and Drainage Paper No.48，Rome：FAO，1992

［11］Karimov A K，Šimůnek J，Hanjra M A，et al.Effects of the shallow water table on water use of winter wheat and ecosystem health：Implications for unlocking the potential of groundwater in the Fergana Valley（Central Asia）［J］.Agricultural Water Management，2013，131：57-69

［12］Zeng W Z，Xu C，Wu J W，et al.Soil salt leaching under different irrigation regimes：Hydrus-1D modelling and analysis［J］.Journal of Arid Land，2014，6（1）：44-58

［13］Šimůnek J，Šejna M，Van Genuchten M T.The hydrus-1D software package for simulating the one-dimensional movement of water，heat，and multiple solutes in variably-saturated media［R］.Golden，Colorado：U.S.Salinity Laboratory，1998

［14］丁鼎治.河北土种志［M］.石家庄：河北科学技术出版社，1992 Ding D Z.Hebei Soil Species［M］.Shijiazhuang：Hebei Science and Technology Publishing，1992

［15］叶海燕，王全九，刘小京.冬小麦微咸水灌溉制度的研究［J］.农业工程学报，2005，21（9）：27-32

Ye H Y，Wang Q J，Liu X J.Slight saline water irrigation systems for winter wheat［J］.Transactions of the CSAE，2005，21（9）：27-32

［16］方生，陈秀玲.浅层地下咸水利用与改造的研究［J］.河北水力科技，1999，20（2）：6-11

Fang S，Chen X L.Study on the utilization and transformation of shallow groundwater［J］.Hebei Hydraulic Science and Technology，1999，20（2）：6-11

［17］Richards L A.Capillary conduction of liquids through porous mediums［J］.Journal of Applied Physics，1931，1（5）：318-333 ［18］Van Genuchtenn M T.A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils［J］.Soil Science Society of America Journal，1980，44（5）：892-898

［19］Feddes R A，Kowalik P J，Zaradny H.Simulation of Field Water Use and Crop Yield［M］.New York：John Wiley & Sons，1978

［20］Wesseling J G，Elbers J A，Kabat P，et al.SWATRE：Instructions for Input，Internal Note，Winand Staring Centre，Wageningen，the Netherlands［M］.Lahore，Pakistan：International Water Logging and Salinity Research Institute，1991

［21］Šimůnek J，Šejna M，Saito H，et al.The HYDRUS-1D software package for simulating the one-dimensional movement of water，heat，and multiple solutes in variably-saturated media，Version 4.17［R］.Riverside，California，USA：Department of Environmental Sciences，University of California Riverside，2013：15-18

［22］张喜英.作物根系与土壤水利用［M］.北京：气象出版社，1999：34-45

Zhang X Y.Crop Root System and Soil Water Utilization［M］.Beijing：Meteorological Press，1999：34-45

［23］Allen R G，Pereira L S，Raesd，et al.Crop Evapotranspiration：Guidelines for Computing Crop Water Requirements［M］.FAO Irrigation and Drainage Paper No.56.Rome，Italy：FAO，1998

［24］段爱旺，孙景生，刘钰，等.北方地区主要农作物灌溉用水定额［M］.北京：中国农业科学技术出版社，2004：60-63

Duan A W，Sun J S，Liu Y，et al.Irrigation Water Quota of Main Crops in North China［M］.Beijing：China Agricultural Science and Technology Publishing House，2004：60-63

［25］Ritchie J T.Model for predicting evaporation from a row crop with incomplete cover［J］.Water Resources Research，1972，8（5）：1204-1213

［26］吴忠东，王全九.黄淮海平原冬小麦对盐分胁迫的响应研究［J］.农业机械学报，2010，41（12）：99-104

Wu Zd，Wang Q J.Response to salt stress about winter wheat in Huanghuaihai Plain［J］.Transactions of the CSAM，2010，41（12）：99-104

［27］张喜英，陈素英，裴冬，等.秸秆覆盖下的夏玉米蒸散、水分利用效率和作物系数的变化［J］.地理科学进展，2002，21（6）：583-592

Zhang X Y，Chen S Y，Peid，et al.Evapotranspiration，yield and crop coefficient of irrigated maize under straw mulch conditions［J］.Progress in Geography，2002，21（6）：583-592

［28］Belmans C，Wesseling J G，Feddes R A.Simulation model of the water balance of a cropped soil：SWATRE［J］.Journal of Hydrology，1983，63（3/4）：271-286

［29］Hay R K M，Porter J R.The Physiology of Crop Yield［M］.2nd ed.Oxford，UK：Blackwell Pub.，2006

［30］Childs S W，Gilley J R，Splinter W E.A simplified model of corn growth under moisture stress［J］.Transactions of the ASAE，1977，20（5）：858-865

［31］孙宏勇，张喜英，陈素英，等.亏缺灌溉对冬小麦生理生态指标的影响及应用［J］.中国生态农业学报，2011，19（5）：1086-1090

Sun H Y，Zhang X Y，Chen S Y，et al.Effects of deficit irrigation on physio-ecological indices of winter wheat［J］.Chinese Journal of Eco-Agriculture，2011，19（5）：1086-1090

［32］杨萌，冯宇鹏，林倩，等.近30年吴桥县冬小麦生育期水分亏缺变化趋势分析［J］.中国生态农业学报，2015，23（4）：482-489

Yang M，Feng Y P，Lin Q，et al.Study on water deficit trend in the recent 30 years in Wuqiao County，Hebei Province［J］.Chinese Journal of Eco-Agriculture，2015，23（4）：482-489

［33］吴忠东，王全九.不同微咸水组合灌溉对土壤水盐分布和冬小麦产量影响的田间试验研究［J］.农业工程学报，2007，23（11）：71-76

Wu Zd，Wang Q J.Field study on impacts of soil water-salt distribution and winter wheat yield by different saline water combination irrigations［J］.Transactions of the CSAE，2007，23（11）：71-76

HYDRUS-1D model simulation of soil water and salt movement under various brackish water use schemes in the North China Lowplain*

HE Kangkang1，2，YANG Yanmin1**，YANG Yonghui1
（1.Key laboratory of Agricultural Water Resources，Chinese Academy of Sciences / Hebei Laboratory of Water-saving Agriculture / Center for Agricultural Resources Research，Institute of Genetics and Developmental Biology，Chinese Academy of Sciences，Shijiazhuang 050022，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Freshwater resource in the North China Lowplain is nearly been depleted due to continuous overexploitation of deep groundwater resources.This has led to a series of ecological and environmental problems，including land subsidence and soil salinization.The use of brackish water in agriculture to alleviate water crisis in the region has become the new focus of research.In order to determine the sustainability of various irrigation modes of saline water，this study used the Hydrus-1D model to simulate eight different brackish water irrigation schemes in Nanpi County.The model simulated water and salt fluxes in the 0-2m soil layer in the winter wheat-summer maize crop rotation system for the period of 2008-2013.Thesimulation results of soil salinity profile distribution showed that the 100-200cm subsoil layer was the main salt accumulation zone.The upper 0-100cm soil layer was lower in salt solution concentration with 2g·L-1salt solution in most time，which generally ensured normal growth of crops.Soil profile salinity concentration peaked at late winter wheat grain-filling stage.Peak salinity increased with increasing salt concentration of irrigation water.Leaching soil salt in the study area depended mainly on rainfall intensity，especially in July when precipitation was heaviest.Proper leaching of salt after sowing corn in wet years significantly enhanced soil desalination.Based on comprehensive analysis of the effects of three tested factors（hydrological year type，dynamic distribution of soil profile salinity and soil salt migration/leaching），the paper proposed two suitable brackish water irrigation schemes in the North China Lowplain.1） Pre-winter irrigation of brackish water with less than 2g·L-1salt concentration combined irrigation at jointing stage with 2-4g·L-1brackish water.2） Without pre-winter irrigation，wheat was irrigated at jointing and grain-filling stage with 2g·L-1brackish water.The amount of freshwater used to leach soil salt at summer seedling stage and the total water consumption of the winter wheat-summer maize system under the above two irrigation schemes were 60-70mm and 250-260mm，respectively.This research provided the theoretical basis of water-saving potential through the use of brackish water for sustainable use of the limited water resources in the North China Lowplain.

Blackish water use；Irrigation scheme；Hydrus-1D model；Water and salt movement；Hydrological year；Winter wheat-summer maize crop rotation

S152.7

A

1671-3990（2016）08-1059-12

10.13930/j.cnki.cjea.160199

*中国科学院科技服务网络计划（STS计划）项目（KFJ-EW-STS-057-3）资助

**通讯作者：杨艳敏，研究方向为作物模型与农业耗水估算。E-mail：ymyang@sjziam.ac.cn

何康康，主要研究方向为生态水文。E-mail：kkhe@ sjziam.ac.cn

2016-03-01接受日期：2016-04-19

*Supported by the Science and Technology Service Network（STS） Program of Chinese Academy of Sciences（KFJ-EW-STS-057-3）

**Corresponding author，E-mail：ymyang@sjziam.ac.cn

Accepted Mar.1，2016；accepted Apr.19，2016