基于HYDRUS-2D滴灌棉田不同深度排盐沟土壤水盐运移的试验及模拟

李卓然，虎胆·吐马尔白，由国栋

（新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

新疆地处干旱半干旱地区，盐碱荒地面积达2.81×10 hm2，占中国盐碱地总面积的 1/3[1]，截止2014年，新疆灌区盐渍化耕地占灌区耕地的37.72%[2]。在有限的耕地资源中，采用滴灌技术进行灌溉的棉田占其中很大一部分。由于滴灌技术自身的灌排特点，水分不能对土体盐分进行有效淋洗，造成盐分只在耕层上下运动，不能排出土体[3]。随着滴灌运用年限的增加，滴灌带来的土壤次生盐渍化问题日益严重。目前，治理农田次生盐碱化的灌排手段较多，虽行之有效但各有优缺。大水漫灌洗盐可有效将盐分淋洗出土体，但对于水资源产生极大浪费且会对地下水造成威胁[4]，而采用明沟排水，仅一条长500 m宽10 m的农渠，占地面积达到0.5 hm2，从而使土地利用率大大降低。采用暗管排盐可对土壤进行有效排盐[5-6]，但铺设成本较高、维护管理复杂等问题却不可忽视。针对此问题，王少丽[7]、周和平[8]等提出定向上移地表排盐方式突破传统大水漫灌淋洗盐分模式，研究结果为滴灌棉田水盐的防治提供技术支持；马合木江[9]利用土槽开展滴灌技术排盐试验，探讨土壤盐分运动特点，结果表明盐分从滴头向膜边缘裸露部分运移明显，滴头以下部位形成盐分淡化区，盐分在排盐沟表面形成累积。

排盐沟排盐效果与诸多因素密不可分，如排盐沟深度、距离、设置方式等，而确定这些因素的前提在于明确土壤内水盐分布动态，利用软件模型进行模拟已成为可靠便捷的方式之一，如利用HYDRUS系列软件[10-12]，对一维、二维以及三维土壤剖面水分盐分进行分析，可以更直观的体现土壤水盐的分布规律与变化趋势。莫彦等[13]基于HYDRUS-2D构建并验证了玉米地下滴灌开沟播种模型，确定了适宜于此种模式的滴灌带深埋、开沟深度、灌水量等技术参数；李亮[14]等利1用HYDRUS-2D对生育期耕荒地间水盐迁移进行模拟，结果表明：在蒸发作用下，20、40、70 cm土层土壤盐分分别上升 67.23%、62.37%、37.2%，经检验，Hydrus-2D对土壤含水率与含盐率模拟具有较高精度，可反映土壤水盐运移规律。这些研究利用Hydrus软件从不同角度对滴灌条件下的技术参数与土壤水盐动态进行分析。因此，为了评估排盐沟对土壤排盐效果的影响，本文在开展测坑试验的基础上，采用试验与数值模拟相结合的研究方法，确定合理的Hydrus模型，并分析滴灌棉花设置排盐沟后土壤水盐变化规律。

1 材料与方法

1.1 材料

试验进行地位于新疆农业大学农业水利工程室外试验场测坑，该地区为温带大陆性气候，昼夜温差大，寒暑分配不均。年平均降雨量194 mm，平均蒸发量2200 mm，年均日照时数达2645 h。

本试验模拟田间种植方式，试验用土取自新疆地区最早开展膜下滴灌技术的石河子垦区121团炮台镇，土壤机械组成见表1，初始含水率、电导率见图1。在此基础上分别设置2种不同深度（10 cm，30 cm）排盐沟。试验所用测坑长1.4 m，宽0.9 m，高1m。每个测坑分别设置不同深度排盐沟，其中编号为1、2、3号的测坑设置10 cm深度排盐沟，编号为4、5、6号的测坑设置30 cm深度排盐沟（测坑排列见图2）。试验开展时间为2016年4月至2016年10月。

表1 土壤类型与颗粒等级Tab.1 Soil type and particle level

图1 土壤初始电导率与含水率Fig.1 Soil initial electricity conductivity and moisture content

1.2 方法

1.2.1 试验设计

于2016年 4月19日种植棉花（新陆早62）后进行灌溉，棉花灌溉定额为3900 m3/hm2，分别于每月10日，20日和30日灌水，初次灌水时间为4月20日，最后一次灌水时间为8月20日，共计13次灌水。灌溉安排见表2。

表2 灌溉安排Tab.2 Irrigation schedule

灌水时用马氏瓶（内径22 cm，高38 cm）精准控制水量，并记录起止时间。

试验所用滴灌管设置4个滴头，其中滴灌管直径2 cm，滴头间距30 cm；棉花种植于滴灌管两侧，采用一膜一管两行种植方式，株距20 cm。不同深度排盐沟试验测坑排列示意图与种植布置示意图见图2。

图2 不同深度排盐沟试验测坑排列示意图与种植布置示意图Fig.2 Schematic diagram of planting arrangement in different depth of salt drainage ditch

为避免化肥内有机质对土壤水盐运移产生影响，整个生育期内不进行施肥。

1.2.2 数据观测与测定

观测指标包括含水率与电导率。将所取土壤烘干测试含水率，并将烘干土壤粉碎，按照5∶1的水土比例制取混合溶液，利用电导率仪测定土壤电导率。

取样时间定于棉花不同生育期内，具体为4月30日（苗期），5月 25日（蕾期），6月 30日（花期），7月 11日（龄期），9月 11日（絮期）。

由于土壤表层受外界影响较为强烈，为保证数据准确性需适当减少取样点间隔。因此，取样点定于滴头下与排盐沟边，深度分别为5、15、25、40 cm与60 cm，取样点如图3所示。

图3 排盐沟取样点示意图Fig.3 Demonstration of sampling point of salt drainage

各测坑中排盐沟左右两侧对称取样，两侧滴头处同深度取样点所测含水率值与电导率值取平均作为此测坑滴头处实测值；两侧排盐沟下方同深度取样点所测含水率值与电导率值取平均作为此测坑排盐沟处实测值。根据此方法计算6组测坑含水率与电导率，后将10 cm排盐沟3组测坑数据取平均值，作为最终使用数据；30 cm排盐沟亦同。

2 模型建立

2.1 数学模型

2.1.1 土壤水分运动模型

在膜下滴灌条件下，土壤水分运动属于三维运动水分入渗问题，但运动模式可简化为二维问题来解决[15]。此时土壤水分运动可用Richards方程表示为[16]：

上式中：θ为土壤水含量（cm3/cm3）；t为时间(d)；h 为水头压力（cm）；x，z为坐标系坐标（cm）；K(h)为土壤非饱和导水率（cm/h）；S(h,x,z)代表了根系吸水（cm/cm3·h），其具体表示为：

式（2）中，Sp为α(h)=1时无水分胁迫周期内的吸水率，α(h)是植物根系吸水的无量纲响应函数，定义为：

式（3）中，h1-h4表示影响根系从土壤吸水的不同水头压力。

2.1.2 土壤溶质运移模型

在均匀介质中，用可控的对流弥散方程模拟非反应离子运移，其公式为：

式（4）中，下标 i，j表示 x、z轴坐标，c表示液体中的溶质浓度（g/cm3）。

2.2 模型水力参数

土壤的水力函数计算一般选择Van Genuchten-Mualem公式[17]，表示为：式（5）、（6）中：θs为饱和体积含水率 cm3/cm3；θr为残余体积含水率cm3/cm3；m、、n为经验参数，m=1-1/n；Ks为饱和水力传导度（cm/d）；l为形状系数，通常取平均值0.5；Se为无量纲的相对饱和系数。

经RETC软件拟合，其土壤水分运动参数见表3。

表3 土壤水分运动参数Tab.3 Soil water movement parameters

2.3 溶质运移参数

溶质运移参数包含纵向弥散度系数DL，横向弥散系数DT，以及盐分在水体中的扩散系数Dw，其取值分别为 0.1、0.01、2.14 cm2/d。

2.4 初始条件

2.4.1 水分运动初始条件

假设测坑初始含水量为均匀分布，其初始条件为：

式（7）中：θ0为土壤初始含水率（cm3/cm3），z为土壤空间坐标，取向下为正。

土壤初始边界条件为：在二维垂直水流运动下，滴头流量造成的通量变化可视为变通量边界；由于土地表面覆膜，因此视其为隔水边界条件；测坑设有排盐沟，直接受到蒸发及降雨的影响，因此排盐沟处为大气边界条件；测坑底部设有排水管用于排水，因此底边界为自由排水边界。

2.4.2 溶质运移初始条件

假设测坑初始含盐量为均匀分布，其初始条件为：

式（8）中：C0为土壤初始含盐量（g/kg），z为土壤空间坐标，取向上为正。

溶质运移边界条件与水分运动边界条件相对应，滴头处、排盐沟处与测坑底部同为第三类边界条件。

2.5 模型检验

利用Spss软件中配对样本t检验判断实测值与模拟值间有无对比意义，利用计算平方根误差来比较土壤含水率与电导率的实测值与模拟值的可靠程度：

式（9）中：Mi与Si为实测值与模拟值，n为观测点数量。

由于土壤表层5cm与15cm深度含水率与电导率受实际外界因素影响明显，而模型构建过程中的边界情况与实际边界情况存在差异，这些差异对含水率与电导率会产生一定影响。若此时模拟值与实测值匹配良好，则可以更好反映模型的合理性。因此采用2016年生育期各深度排盐沟5 cm与15 cm深度土壤含水率与电导率值实测数据对模型进行验证，含水率实测值与模拟值对比如图4、电导率实测值与模拟值对比如图5。含水率与电导率实测值与模拟值平方根误差分别为0.014与0.107(表4)；在显著性水平设置为0.05时，含水率与电导率配对样本的t检验Sig值（双尾检验概率P值）分别为0.235、0.126，由于t检验Sig值（双尾检验概率P值）大于0.05，故模拟值与实测值无显著差异，因此模型模拟结果可被接受，可用于实际问题中。

表4 模拟效果评价Tab.4 Statistical test results

图4是不同排盐沟深度设置土壤含水率模拟值与实测值对比情况。由图4可知：

（1）10 cm排盐沟深度处理下，滴头下方5 cm与15 cm深度土壤含水率由4月30日的0.25左右下降到9月11日的0.1左右，排盐沟处5 cm与15 cm深度土壤含水率由4月30日的0.18左右下降到9月11日的0.06左右。

（2）30 cm排盐沟深度处理下，滴头下方5 cm与15 cm深度土壤含水率由4月30日的0.28左右下降到9月11日的0.1左右，排盐沟处5 cm与15 cm深度土壤含水率由4月30日的0.22左右下降到9月11日的0.8左右。

（3）2种处理下，滴头处含水率均大于排盐沟处含水率。这是由于排盐沟裸露部分较大，蒸发强烈，造成含水率降低。

（4）2种排盐沟深度处理下含水率实测值与模拟值存在一定的误差。这是因为模型中的上边界条件与实际情况存在细微差别，实际情况中的蒸发蒸腾等边界条件比模型中所构建的要复杂，尤其在7月25日与9月11日的模拟结果对比中尤为明显。

图4 不同排盐沟深度设置土壤含水率模拟值与实测值对比Fig.4 compared with the simulation and measured of water content under different depth of salt drainage ditch

图5 是不同排盐沟深度设置土壤电导率模拟值与实测值对比情况。由图5可见：

（1）10 cm排盐沟深度处理下，滴头下方5 cm与15 cm深度土壤电导率由4月30日的0.44 ds/m左右下降到9月11日的0.24 ds/m左右，排盐沟处5 cm与15 cm深度土壤电导率由4月30日的0.6 ds/m左右变化为9月11日的0.5 ds/m左右。

（2）30 cm排盐沟深度处理下，滴头下方5 cm与15 cm深度土壤电导率由4月30日的0.6 ds/m左右下降到9月11日的0.3 ds/m左右，排盐沟处5 cm深度土壤电导率由4月30日的0.8 ds/m左右突增到7月25日的1.5 ds/m。

（3）2种处理下，30 cm深度排盐沟处理排盐沟表层5 cm深度土壤电导率增加明显，盐分在排盐沟表层由一定程度聚集。

（4）电导率实测值与模拟值的吻合程度小于含水率的吻合程度。这是两方面原因造成的，一是影响含水率的因素间接影响土壤电导率，二是土壤溶质运移过程本身比较复杂，溶质运移参数与仪器所测电导率的精确程度都会带来实测值与模拟值的误差。

图5 不同排盐沟深度设置土壤电导率模拟值与实测值对比Fig.5 compared with the simulation and measured of electricity conductivity under different depth salt drainage ditch

3 结果与分析

应用已建立的滴灌棉田排盐沟模型分别对2种深度排盐沟设置下土壤水盐运移进行模型，以确定适合的排盐沟尺寸。

3.1 不同深度排盐沟土壤含水率

图6是不同排盐沟深度（10 cm，30 cm）不同时期土壤含水率的分布情况，由图6可知：

（1）整个生长周期内，无论何种深度处理排盐沟，土壤含水率都随时间的变化呈现出递减趋势，且含水率基本呈现滴头处大于排盐沟处。但在6月30日出现15-40 cm土层排盐沟处含水率大于滴头处情况，是由于降雨因素使得水分从排盐沟裸露部位入渗到15-40 cm土层，从而导致含水率出现增加。

（2）无论何种深度处理排盐沟，表层 0-15 cm土层滴头处与排盐沟处含水率差异较大，这是由于受到蒸发的影响，使得含水率变化剧烈。

（3）40-60 cm深度土壤滴头处含水率与排盐沟处含水率基本保持相同，表明排盐沟处40-60 cm土壤受表层蒸发影响较小。

图6 距明沟不同位置含水率示意图Fig.6 Schematic of water content in different positions of the salt drainage ditch

3.2 不同深度排盐沟土壤电导率

图7 是不同排盐沟深度（10 cm，30 cm）设置下土壤电导率的分布情况。

图7 距明沟不同位置电导率示意图Fig.7 Schematic of electricity conductivity in different positions of the salt drainage ditch

由图7可知：

（1）土壤电导率受到排盐沟的影响较为明显，总体呈现排盐沟处电导率大于滴头处电导率。

（2）滴头下方0-25 cm土壤电导率明显小于排盐沟下方。这是由于滴灌作用下水分不断下渗，使得湿润锋不断下移，盐分随着湿润锋的扩大同样也向下移动，造成了滴头下方电导率表层较小而深层较大。且排盐沟与外界接触面积较大，进而增大了蒸发能力。土壤水分在蒸发作用下，向排盐沟方向移动，土壤盐分在水分运动的带动下同时向排盐沟方向移动。水分蒸发到大气的同时，盐分聚集在排盐沟处，因此造成了排盐沟处0-15 cm土层电导率持续增加。

（3）排盐沟深度为10 cm处理，滴头处0-25 cm土壤电导率整体呈稳定趋势，变化幅度较小，25-60 cm土壤则呈现先减小后增大，滴头下方60 cm处积盐现象明显；排盐沟处土壤电导率有较大幅度变化，表现为先减小，后增大，再减小，再增大趋势。生育早期4月30日，10 cm排盐沟滴头下方60 cm土层含盐量较高，已经形成下大上小的状况，造成这一现象的原因是前期降雨较多（4月20日至5月20日降雨量39.2 mm，且全年降雨较往年偏多五成），盐分在雨水下渗与滴灌的共同作用下被淋洗至60 cm土层，加之生育前期蒸发量小，导致土壤电导率较高。

（4）排盐沟深度为30 cm处理，滴头处土壤电导率变化情况与深度为10 cm处理基本保持一致，但生育期末期9月11日滴头下方土壤电导率处于较低的水平，排盐沟处土壤电导率变化明显不同于深度为10 cm的处理，其表层0-15 cm土壤形成表层盐分积累区，这是由于30 cm处理时土壤裸露部分增加，土壤表面蒸发强烈，盐分伴随着水分蒸发而向排盐沟处移动，使得返盐现象明显加剧，这说明30 cm处理排盐沟对土壤排盐有明显效果。

4 结论

（1）利用HYDRUS-2D软件对排盐沟排盐效果的模拟结果可较为准确反映土壤内水盐运移变化规律，可为棉花种植区水盐调控提供有效的依据。

（2）从时间分析，无论何种深度排盐沟滴头处与排盐沟处土壤含水率均呈现下降趋势；从不同土层深度分析，0-40 cm土层含水率受排盐沟影响较大，呈现滴头处含水率大于排盐沟处含水率，而60 cm土层滴头处含水率与排盐沟处含水率基本保持一致。

（3）土壤电导率受到排盐沟影响较为明显，排盐沟深度越深，0-15 cm土层电导率上升趋势越大。从同种排盐沟深度设置来看，电导率呈现排盐沟处大于滴头处特点。从不同深度设置排盐沟来看，30 cm深度排盐沟处电导率远大于10 cm排盐沟，形成更明显的盐分积累区域，且滴头处形成盐分淡化区域。综合来看，30 cm深度排盐沟对土壤排盐效果更好，这为进一步开展机械刮盐、大水洗盐等工作提供了科学依据。

5 讨论

（1）本文在膜下滴灌棉田的基础上设置10 cm与30 cm两种深度排盐浅沟，试验及模拟结果表明在深度为30 cm时排盐浅沟土壤裸露处盐分累积效果更明显。周和平[18]的研究结果表明滴灌棉田采用不同梯度排盐明沟并配合棉花收获后地表沟灌排盐，田间地表盐分平均下降36.7%-63.3%。本研究得到的排盐浅沟处土壤呈现盐分累积现象与其结果相类似，但本文缺少关于盐分累积区进行大水洗盐的研究，仅针对设置排盐沟土壤水盐分布开展模拟分析，这为今后开展深入研究提供了一定的依据。

（2）对于本试验中出现30 cm深度排盐沟处电导率出现明显变化的原因如下：30 cm深度设置下，膜间裸露部分远大于10 cm深度设置，进而蒸发能力较强，伴随强烈的蒸发，“水走盐留”现象越发明显，从而导致排盐沟处电导率上升明显。10 cm设置虽具有一定效果，但滴头下方60 cm处电导率无较大变化。此外，对于盐分运移规律研究，本试验仅在排盐浅沟边缘与覆膜连接位置取样测试电导率，并未在排盐沟边坡与排盐沟沟底位置设置取样点，这种情况下仅能解释盐分由膜间向膜外运移的特点，但并不能很好的解决盐分沿水平方向运移特征等问题。

（3）由于本研究采用测坑进行试验，整个过程中水分盐分运动的边界条件与实际情况有所不同，因而土壤本身的水分交换与盐分迁移运动与大田种植会有所出入，所构建模型中缺少单独考虑土壤热通量交换，这同样会对结果造成一定的误差。同时，考虑到土地利用率的问题，排盐沟若设置过宽，会减少棉花种植面积，进而影响收获期棉花产量。因此综合考虑各种因素，今后有待对膜下滴灌棉花排盐模型进行进一步研究。