起垄覆膜条件下夏玉米农田耗水过程分析

冯 浩 王 杰 王乃江 刘建超 褚晓升 董勤各

(1.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院， 陕西杨凌 712100； 2.中国科学院水利部水土保持研究所， 陕西杨凌 712100； 3.西北农林科技大学水利与建筑工程学院， 陕西杨凌 712100)

0 引言

我国西北干旱半干旱地区，水资源缺乏并且水分利用效率不高[1]，严重制约了当地农业生产的发展[2]。大力发展节水农业，提高农业用水效率显得尤为重要[3]。地面覆盖是一种应用广泛的节水农业种植技术，常用的覆盖材料有塑料地膜、秸秆、砂石等[4]。地面覆盖常与耕作技术相结合，如将起垄种植和地膜覆盖相结合的垄作覆膜技术由于具有显著的节水增产效果[5-6]，应用十分广泛。李玉玲等[7]发现起垄覆膜较传统种植夏玉米增产39.9%，水分利用效率提高33.8%；齐智娟等[8]研究结果表明垄作全覆膜条件下春玉米增产17.1%；LIU等[9]发现垄作覆膜条件下春玉米增产39%～89%。

田间耗水是土壤-植物-大气水分传输系统中重要的组成部分[10]，研究地面覆盖条件下田间耗水规律对理解其节水增产机理有重要意义。目前关于田间耗水方面的研究集中在作物耗水即蒸发蒸腾上，如文冶强等[11]基于双作物系数法分析了覆膜春小麦耗水规律，认为覆膜春小麦总耗水量比不覆盖少10.0%～16.0%，蒸腾量占总耗水量的比例比不覆膜提高了25.0%～27.0%；王罕博等[12]通过涡度相关系统和微型蒸渗仪得到垄作覆膜的农田蒸散量为376.2 mm，比裸地降低了6.0%，其中土壤蒸发降低了57.7%；DING等[13]、TIAN等[14]、PEREIRA等[15]也分别研究了地膜覆盖下玉米、棉花、大麦的耗水规律，得出覆盖增加作物蒸腾量，减少土壤蒸发量的结论。但是，目前关于整个田间耗水过程的研究相对较少，田间耗水除了作物耗水外，还包括深层渗漏以及其他为创造良好农业生态环境所必须的水量(如水田泡田、冲洗压盐等)[16]。有研究认为，覆膜高产是建立在高耗水的基础上[17]，长期覆盖还会造成土壤退化[18]，覆膜增产是否具有可持续性还存在争议。因此，有必要对覆盖条件下整个田间耗水过程进行研究。由于田间耗水过程难以直接测量，因此，本文借鉴马欢等[19]、FILIPOVI等[20]将HYDRUS-2D模型用于农田水分量化研究的经验，采用二维数值模型HYDRUS-2D，模拟起垄覆膜条件下农田水分变化情况，以探究夏玉米生育期土壤蒸发、作物蒸腾、土壤水分深层渗漏等农田耗水过程的变化规律，为分析起垄覆膜节水增产原因和其可持续性与否问题提供依据，并为西北干旱半干旱地区覆膜种植增产稳产提供理论支撑和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于陕西省杨凌区西北农林科技大学旱区农业水土工程重点实验室灌溉试验站(108°24′E，34°20′N，海拔521 m)，该地属于暖温带半湿润大陆性季风气候区，四季分明，多年平均气温13～15℃，多年平均降水量在630 mm左右，降水量年际分布不均，主要集中在7—10月。供试土壤为中壤土，0～1 m土层的平均田间持水率、凋萎含水率为23%、8.5%(质量含水率)，pH值为8.20，平均容重为1.37 g/cm3。该站地下水埋深在5 m以下，其向上补给量可忽略不计。研究对象为夏玉米，2014年7月4日和2015年6月12日为辅助出苗灌水30 mm，其余时期不灌水。

1.2 试验区布置与测定

试验设置不覆盖平作处理NM(Flat field without mulching)和起垄覆膜处理RM(Ridge-furrow with plastic film mulching planting)。起垄覆膜处理在垄上覆膜，沟内种植，垄宽60 cm，垄高20 cm，所用地膜为聚乙烯塑料薄膜，膜厚0.008 mm，地膜覆盖度约为0.5。每个处理3个重复，共6个小区，小区面积10 m2(5 m×2 m)(图1)。播种前，先进行人工翻耕、整地、施肥，不同处理小区施用同一水平肥料：纯N 225 kg/hm2、P2O590 kg/hm2作为基肥一次施入，生育期不追肥。供试夏玉米品种为秦龙11，东西行种植，人工穴播，播种密度52 000株/hm2，株距40 cm，行距60 cm。于2014年6月19日播种，10月11日收获；2015年6月11日播种，10月8日收获；2016年6月9日播种，9月22日收获。

图1 夏玉米种植示意图Fig.1 Planting diagram of summer maize

生育期中每隔15 d左右用直尺测量叶面积和株高。玉米成熟后，每个小区随机取12株，测定穗粒数、百粒质量、穗行数、穗长、穗粗等性状，人工脱粒测干质量，干燥后称总质量，然后计算出单位面积产量。利用时域反射仪TRIME-TDR测定土壤体积含水量，测定深度为260 cm，100 cm以上土层以10 cm为测量间隔，100 cm以下土层以20 cm为测定间隔，大约每7 d左右测一次，降雨前后加测。

1.3 数值模拟

1.3.1模型方程

HYDRUS-2D模型可以用来模拟土壤水分运动、溶质运移、热量传输及根系吸水等过程，该模型能灵活地设置边界条件和不规则的几何区域[21]，为模拟复杂的农田环境提供便利。

(1)水流运动控制方程

水流运动控制方程Richards方程为

(1)

式中x——横坐标，cm

z——纵坐标，cm

h——土壤水势，cm

Kh——非饱和土壤导水率，cm/d

t——时间，s

S——根系吸水项，mm/d

土壤水力函数方程选用Van Genuchten-Mualem公式，以下简称VG模型。

(2)蒸发蒸腾量计算

HYDRUS-2D模型需要将潜在蒸腾量和潜在蒸发量作为输入项。潜在蒸发蒸腾量采用单作物系数法计算，其中，参考作物蒸发蒸腾量采用FAO-56推荐的Penman-Monteith[22]公式计算，作物系数Kc取值参考当地的研究结果[23]。根据夏玉米生育期实测叶面积指数将潜在蒸发蒸腾量分割为潜在蒸发量和潜在蒸腾量[24]。

ETc=KcET0

(2)

(3)

Tp=ETc-Ep

(4)

式中ET0——参考作物蒸发蒸腾量，mm/d

ETc——作物潜在蒸发蒸腾量，mm/d

Ep——潜在蒸发量，mm/d

Tp——潜在蒸腾量，mm/d

LAI——叶面积指数，cm2/cm2

实际蒸腾量计算为潜在蒸腾量乘以水分胁迫系数，即

S(h,hφ,x,z)=α′(h,hφ,x,z)b(x,z)StTp

(5)

其中

b(x,z)=

(6)

(7)

式中hφ——渗压水头，cm

α′——水分胁迫因子

b——根系分布函数

St——与蒸腾有关的土壤表面宽度，cm

Zm——z方向的根系达到的最大长度，cm

Xm——x方向的根系达到的最大长度，cm

Pz、Px、z*、x*——经验系数，取值参照文献[25-27]

Ta——实际蒸腾速率，mm/d

Ω——根系分布区面积，cm2

土壤蒸发量的计算是与蒸腾量计算相独立的过程。蒸发量的大小与输入的气象相关[28]，在表层土壤负压水头下降至临界值之前，土壤蒸发一直以潜在蒸发速率进行，达到临界值之后上边界变为定水头边界并根据达西公式计算土壤蒸发量[29]。

1.3.2几何区域及边界条件

模型模拟几何区域深度设置为120 cm， NM处理宽度设置为30 cm，RM处理宽度设置为60 cm，在10、30、50、100 cm处设置观测点。通过比较观测点实测土壤含水量和模拟含水量的差异，可以评价模型对水分动态变化的模拟效果。NM及RM处理未覆膜土壤表面为大气边界条件，通过此界面的水分通量有降雨量、灌溉量、蒸腾量和蒸发量。RM覆膜部分因为不透水的地膜切断了水分传输路径，设定为零通量边界条件。两个处理底部都设置为自由排水边界。由于试验地地下水位较深(大于5 m)，所以不考虑地下水补给。几何区域两侧均为零通量边界条件(图2)。

图2 HYDRUS-2D模型中几何区域及边界条件的设定Fig.2 Domain geometry and boundary conditions used in HYDRUS-2D model

1.3.3参数率定

由于HYDRUS-2D模型不涉及作物生长过程，因此仅需要对土壤参数进行率定。通过剖面法采集原状土样，用离心机测定不同含水量对应的压力水头值，再借助RETC拟合得到VG模型6个土壤水力特性参数初始值：残余含水率Qr、饱和含水率Qs、拟合参数α、n、l、饱和导水率Ks。一般Qr、Qs、Ks以实测值为准，l取值0.5，所以仅需率定α、n值，率定前后土壤水力参数如表1所示。

1.3.4模型评价

本文采用均方根误差(Root mean square error, RMSE)和模型决定系数R2(Coefficient of determination)两个统计指标来比较土壤含水率模拟值和实测值的差异。RMSE越接近于0，表示模拟值和实测值的误差越小，模拟效果越好；R2越接近于1，表示模拟值和实测值的变化趋势越一致，模拟效果越好。

表1 土壤水力特性参数率定Tab.1 Calibrated parameters of soil hydraulic properties

(8)

(9)

式中Pi——模拟值

Oi——实测值

Pmean——模拟值平均值

Omean——实测值平均值

N——观测值数目

2 结果与分析

2.1 模型率定与验证结果

本研究以2014年的土壤水分数据率定模型，2015、2016年的土壤水分数据验证模型，模拟时间段为夏玉米全生育期，3年分别为114、120、103 d。模拟和实测土壤含水率的1∶1线图如图3所示。由图可知，3年各个处理模拟土壤含水率与实测土壤含水率基本分布在1∶1线附近。其中在2014年，NM和RM处理的R2分别为0.80、0.85，RMSE分别为0.021 3、0.014 7 cm3/cm3；2015、2016年各处理的R2在0.7左右，RMSE最大为0.018 7 cm3/cm3。模型率定和验证的R2和RMSE均在合理的范围内，由此表明HYDURS-2D模型可以较好地模拟土壤水分变化，可以进一步开展与水分有关的研究。

图3 土壤含水率模拟值与实测值比较Fig.3 Comparison of simulated and measured soil water contents

2.2 蒸发蒸腾量

2.2.1蒸腾速率与蒸发速率

夏玉米生育期降雨和气温分布以及模拟的蒸腾、蒸发、总蒸发蒸腾速率如图4所示。从图4中降雨和气温变化情况来看，2014年降雨量多达380 mm，主要集中在生育中后期，且多为连续降雨(图4a)。2015年降雨分布比较均匀，总量为283 mm(图4b)。2016年降雨主要发生在生育前期，出现暴雨的次数较多，降雨量与2015年相近(图4c)。

图4 夏玉米生育期降雨量、气温及蒸发、蒸腾、总蒸发蒸腾速率随时间的变化情况Fig.4 Precipitation, air temperature, transpiration, evaporation and evapotranspiration rate during summer maize growth stage

夏玉米蒸腾速率在整个生育期呈现先增加后减少的趋势，最大值在3.3～4.5 mm/d之间，出现在抽雄期左右(图4d～4f)。RM处理下夏玉米的蒸腾速率在各个时期基本都大于NM处理，在降雨较少的时期表现得更为明显，如2014年播后35～50 d，2015年播后20～50 d和2016年播后60～80 d。RM处理全生育期蒸腾速率平均值为1.3 mm/d，比NM处理的1.1 mm/d大18.2%。蒸发速率随时间的变化趋势与蒸腾速率的变化有很大的差别，在苗期较大，苗期之后由于冠层覆盖度变大使蒸发速率减小。NM处理最大蒸发速率3年分别为5.2、4.9、4.3 mm/d，大于RM处理的2.8、2.4、2.5 mm/d。从全生育期平均蒸发速率来看，NM处理为1.2 mm/d，比RM的0.8 mm/d大50%。总蒸发蒸腾速率为蒸腾速率和蒸发速率之和，NM、RM处理最大总蒸发蒸腾速率3年分别为5.3、6.0、5.6 mm/d和4.4、5.4、4.4 mm/d，全生育期平均总蒸发蒸腾速率分别为2.2、2.7、2.1 mm/d和2.0、2.4、2.0 mm/d。可以看出，RM处理能增大蒸腾速率，减小蒸发速率，并且减小了总蒸发蒸腾速率，也就是减小了作物耗水量。

2.2.2各生育阶段蒸腾量与蒸发量

各生育阶段蒸发量、蒸腾量以及蒸发量占总蒸发蒸腾量的比例如表2所示。各生育阶段蒸发量、蒸腾量的变化与蒸发速率和蒸腾速率在生育期中的变化趋势一致，蒸腾量在抽雄-灌浆阶段最大，约占全生育期蒸腾量的40%，蒸发量在播种-拔节阶段最大，占总蒸发量的60%以上。RM处理各生育期蒸腾量基本都大于NM处理，而蒸发量小于NM处理。从全生育期蒸发量的情况来看，RM处理3年分别比NM处理少25.2%、43.6%、20.1%，平均值为29.6%；3年蒸腾量分别比NM处理多8.7%、22.9%、15.1%，平均值为15.6%。由此可以看出，RM处理增大了蒸腾量，减小了蒸发量，并且减小的蒸发水量大于增加的蒸腾水量。

蒸发通常被认为是非生产性消耗水，通过蒸发量占蒸发蒸腾量的比例这一指标可以了解作物对水分利用的有效性[14]。蒸发量占蒸发蒸腾量的比例在播种至拔节时期最大，NM处理不小于0.72，RM处理在0.53～0.72之间，随着生育期的推移，该值呈现减小趋势，到收获期，又有所增大。同一年份，NM处理各个生育阶段蒸发量占蒸发蒸腾量的比例基本上都大于RM处理。NM处理全生育期蒸发量占蒸发蒸腾量比例平均值为0.51，比RM处理的0.38大34.2%，说明起垄覆膜促使无效水转化为可利用水，改善作物耗水结构。

2.3 深层渗漏量

图5为通过研究区域底部向深层土壤渗漏水分的渗漏速率和累计渗漏量。深层渗漏的产生是由于降雨或灌溉水量超过了土层所能储蓄的最大水量，因此渗漏的产生与降雨或灌溉事件密切相关。从图5中可以看出，在2014年，播后87 d水分渗漏速率迅速增大，在这之前，渗漏速率几乎为零，这是由播后80～90 d共计174 mm的连续降雨导致的。NM和RM处理渗漏速率在播后93、91 d达到峰值4.1、5.8 mm/d，直到收获时仍保持较大的速率。整个生育期，NM处理累积渗漏量为75.0 mm，比RM处理的82.5 mm少7.5 mm。同样，2015年播后12～19 d，连续8 d共计81.9 mm的降雨也导致水分渗漏的发生，最终，NM处理累积渗漏量为26.3 mm，比RM处理少19.7 mm。在2016年，虽然发生了几次大雨或暴雨事件，但是两个处理的水分渗漏都非常少，总量不足10 mm，可见连续降雨才是造成水分渗漏的主要原因。从3年总的情况来看，起垄覆膜处理的深层渗漏量约为平作不覆膜处理的1.3倍。

表2 各生育阶段蒸发量、蒸腾量以及蒸发量占总蒸发蒸腾量的比例Tab.2 Cumulative transpiration and evaporation during summer maize growth stage and ratio between evaporation and evapotranspiration

图5 夏玉米生育期水分渗漏速率及累积渗漏量Fig.5 Water leakage rate and volume during summer maize growth stage

2.4 水量平衡及产量分析

模拟的水量平衡结果如表3所示。蒸发蒸腾量约占田间耗水量的87.0%，表明田间耗水以作物蒸腾耗水和土壤蒸发耗水为主。RM处理的蒸发蒸腾量3年平均比NM处理低7.4%，总的田间耗水量平均比NM处理少2.8%。深层渗漏量约占田间耗水量的13.0%，但由于水分渗漏与生育期内降雨分布密切相关，所以其年际变化大，如2014年深层渗漏较大，占田间耗水量的25.0%左右，而2015和2016年分别占田间耗水量的11.0%、2.8%。RM处理深层渗漏所占比例平均为14.9%，NM处理为10.7%。以上结果表明，起垄覆膜虽然导致了水分渗漏增大，但是并没有导致田间过度耗水，原因在于其减小的作物耗水量大于增加的渗漏量。

表3 夏玉米全生育期水量平衡Tab.3 Water balance during summer maize growth season mm

图6 2014—2016年夏玉米产量及水分利用效率Fig.6 Yield and water use efficiency of summer maize in 2014—2016

从产量的结果来看(图6a)，RM与NM处理相比，除2014年减产8.0%外，2015年和2016年分别增产6.6%、17.4%，3年平均增产5.3%。在水分利用效率上，RM处理下夏玉米水分利用效率3年分别比NM高6.4%、18.4%、20.8%(图6b)，3年平均高15.2%。表明起垄覆膜处理能增加产量，并且显著提高水分利用效率。

3 讨论

HYDRUS模型被广泛应用于土壤水分、盐分和热运移研究中，如LIU等[26]运用HYDRUS-2D模型研究了棉花膜下滴灌土壤水分动态变化特征，郝远远等[29]利用HYDRUS-1D模型研究了地下水埋深和灌溉对土壤水盐和玉米产量的影响，结果都表明HYDRUS模型能较好模拟水热盐变化过程。本研究针对模型率定和验证结果的分析也表明该模型在模拟土壤水分运动时具有较高的精度，但是该模型没有作物生长模块，不能模拟作物动态的生长过程，并且与根系分布有关的参数采用其他文献推荐值，可能会导致模拟结果存在误差。因此，在以后的试验中应补充根系的研究。在计算作物潜在蒸发蒸腾量时，起垄覆膜和对照处理采用了相同的作物系数，由于在本试验地区未见关于起垄覆膜下作物系数的报道，因此没有该处理下作物系数参考值，而实际上起垄覆膜处理下玉米生长情况明显要好于对照[30]，采用相同的作物系数可能会引起误差，所以加强不同耕作措施下作物系数的研究也是有必要的。

模拟结果表明，起垄覆膜种植方式较传统平作不覆膜能减少约29.6%的土壤蒸发量，增加15.6%的作物蒸腾量，表明该种植方式能促进无效水向有效水转化，改善作物耗水结构，与文治强等[11]得到的结论相似。起垄覆膜能减少土壤蒸发是因为地膜的不透水性阻碍了水汽向大气的扩散，能增加作物蒸腾是因为起垄覆膜处理改善了作物水热环境，使植株生长旺盛，并且地膜的覆盖还能反射太阳辐射，使冠层底部的光照条件得到改善[31]。在降雨较少的情形下，起垄覆膜明显能提高夏玉米蒸腾速率，可能在于起垄覆膜保墒的特性使得土壤水分的供应能力高于对照处理，这对于易旱地区粮食稳产有积极的意义。文献[16-17,32]指出，地膜覆盖增加作物耗水量，长期使用会导致土壤退化，具有不可持续性，在本研究的3年试验中，起垄覆膜的种植方式较传统种植方式减少了田间耗水量，增加了产量，说明在本试验条件和研究期限下，对土壤水分而言，并未出现上述研究提到的水分过度消耗现象，至于对土壤理化性质的影响，需要进一步的研究。

一般情况下，土壤水分的深层渗漏量很小，几乎可以忽略不计，但是在出现连续降雨情况下，容易产生深层渗漏量，如2014年总渗漏量达75.0～82.5 mm，在此情况下忽略深层渗漏量，在计算玉米根区水量平衡时可能会造成误差。起垄覆膜处理深层渗漏量大于平作不覆膜处理，是因为垄的集雨效应使得垄沟内降雨强度更大，水分入渗更深，韩清芳等[33]的研究结果证明了此结论，并且其研究还得出在沟垄宽度比例一定时，垄越宽，降雨后水分垂直入渗深度越大的结论，说明垄的型式也会影响深层渗漏量。因此，下一步研究中，可以在模型中设置不同垄的参数(宽度、沟垄比)，以便优选渗漏量较少、保水效果更好的垄型，更好地指导农业生产。

4 结束语

在大田试验的基础上结合HYDRUS-2D模型，分析了起垄覆膜与传统平作不覆膜处理在蒸腾、蒸发、水分渗漏等农田耗水过程的差异。HYDRUS-2D模型能较好地模拟土壤水分的动态变化，适用于西北干旱半干旱地区田间耗水的研究。起垄覆膜处理下夏玉米蒸腾量、蒸发量、总的蒸发蒸腾量分别比对照大15.6%、-29.6%、7.4%，表明起垄覆膜种植能增大蒸腾量，减小蒸发量，改善作物的耗水结构。起垄覆膜促进水分入渗，导致深层渗漏增加。起垄覆膜处理3年平均增产5.3%，水分利用效率提高15.2%，并且未出现过度消耗土壤水分的情况，表明起垄覆膜具有节水增产效应，因此该种植方式适合在本地区采用。