不同土质的浅层土壤水盐运移规律模拟----以内蒙古解放闸灌域为例

周 亮，苏 涛，赵 令

(安徽理工大学测绘学院，安徽 淮南 232000)

河套灌区是黄河流域在内蒙古的一个十分重要的农业产区，也是我国西北部的一个农业重地。灌区年降水变化大并且分配不均，水资源匮乏，蒸发强烈，所以，引黄河水灌溉尤为重要[1]。经过长期引黄灌溉，河套灌区土壤含盐量与日俱增，土质发生很大变化，形成复杂的土壤环境，农田水盐平衡关系受到影响，从而影响到作物的正常生长。近些年有关水盐运移的研究成为焦点，Jiang等(2005年)认为在负压灌溉中黏壤土较之砂土具有更好的灌溉效果，原因是黏壤土相同时间的累计入渗量、最大水平和垂直湿润距离均比砂土大；余根坚等(2013年)利用HYDRUS-1D/2D数值模型对内蒙古河套灌区不同灌水模式下土壤水盐运移规律进行数值模拟，研究了不同灌溉条件下的水盐运移状态，结果表明沟灌能够有效控制土壤盐分的累积；潘延鑫等(2017年)利用HYDRUS-1D模型研究了卤泊滩盐碱地农田土壤剖面水盐分布特征及土壤水盐运移时空变异规律，结果表明实施合理的田间灌水定额对土壤盐分累积的控制有利；李亮等(2010年)利用HYDRUS-1D模型模拟了荒地土壤水盐的迁移规律，结果阐明荒地水盐运移的原动力是强蒸发，荒地在作物生育期是积盐的过程，而在秋浇期是流失盐分的过程。

最近几十年来，水盐运移的研究都是在田间灌溉制度的基础上进行的，作物的灌水方式和灌水定额对土壤水盐运移规律模拟日趋完善，但是对于区域土质分布复杂的灌域的田间水盐运移规律模拟有待进一步探究。本文通过HYDRUS-1D模型，以田间试验为基础，模拟田间土壤表层含水量和电导率变化，利用模拟数据与实测数据对比分析，论证模型的可靠性，并模拟分析田间不同土壤土质条件下水盐运移规律，为土质复杂的灌域水盐运移规律研究及水盐管理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区

研究地区位于内蒙古河套灌区中西侧的解放闸灌域，南临黄河，北靠阴山，东与永济灌域邻接，西与乌兰布和沙漠交界。地理位置位于东经106°43′～107°27′，北纬40°34′～41°14′，海拔在1 030～1 046 m之间，地势平坦[2-6]。地处干旱、半干旱、半荒漠草原地带，属于西北部季风中温带亚干旱气候区，具有显著的大陆性气候特征，年平均降水量37.4 mm，年平均蒸发量2 046.5 mm，年平均蒸发量是年平均降水量的54.71倍，降水稀少并且集中在6-9月。由于降水少，地下水开采有限，研究区灌溉用水主要引自黄河，黄灌面积占灌溉总面积的85.98%。

1.2 实验布置

以解放闸灌域为研究区，玉米作物为研究对象。如图1所示，在解放闸灌域玉米种植区选取试验点，经土质检测知：试验点0～20 cm土质相同，均为壤土。在试验点布置观测断面，使用TRIME-PICO IPH TDR对每层土壤含水量进行测定。观测时间为2011年6月20日至2011年7月20日，一共30 d，每5 d观测一次。

图1 解放闸灌域试验区示意图

2 方法描述

2.1 HYDRUS-1D模型

HYDRUS-1D模型是美国盐土实验室开发的模拟非饱和介质中一维水分、热、溶质运移的模型[7]。近些年经过改进和完善，模型在土壤中水分、盐分、农药、能量和土壤氮素迁移方面得到广泛的应用[8-10]。该模型能够较好地模拟水分、盐分和能量在土壤中的分布以及时空变化和运移规律，方便地解决农业有关问题，如灌溉、施肥、作物种植及环境污染等等。在模拟多孔介质中一维饱和—非饱和水流和盐分运移时水分模拟中具有严谨的迭代条件，考虑了根系吸水，有多种可供选择的水力模型、土壤介质水力参数数据库和不同植物根系作用的数据库，还有灵活多变的边界条件，上边界条件有6种类型，下边界条件有8种类型，根据实际条件来确定不同的边界类型。盐分运移方程中也包含了离子和分子的扩散、水动力扩散、线性或非线性吸附平衡以及一级衰减[11]。

2.2 数学模型

2.2.1 土壤水分运动基本方程

以土壤表面为基准面，坐标轴向下为正方向，根据连续性方程和混合型Richards方程并考虑作物根系吸水，垂直一维土壤水分运动的定解问题可以表示为：

(1)

式中：θ为体积含水量，cm3/cm3；D(θ)为水扩散度，cm2/d；K(θ)为非饱和水力传导率，cm/d；z为土壤深度，cm；t为时间，d；S(z，t)为作物根系吸水率，cm3/d。

本实验采用Van Genuchten-Mualem公式处理水分特征曲线，其表达形式如下：

(2)

(3)

(4)

式中：h为负的土壤吸力；θs为土壤饱和含水量，cm3/cm3；θr为土壤风干含水量，cm3/cm3；Ks为土壤饱和导水率，cm/d；Se为有效含水量(饱和度)；n和α为经验系数；l为孔隙关联度参数，一般取值0.5。

考虑到作物根系吸水的因素，本文采用Feddes 提出的根系吸水模型：

S(z,t)=γ(h)Sp

(5)

(6)

式中：Sp为最大根系吸水速率；h1、h2、h3和h4分别为根系吸水厌氧点土壤吸力、根系吸水最适点开始和结束土壤吸力、根系吸水萎蔫点土壤吸力。

2.2.2 土壤溶质运动基本方程

在不考虑土壤盐分的化合与分解、溶解与沉淀以及离子交换的情况下，以土壤可溶性盐为研究对象，水流方程为基础，根据多孔介质溶质运移理论，建立饱和非饱和土壤溶质运移对流和水动力弥散数学模型，方程如下：

(7)

式中：c为土壤溶液浓度，mS/cm；θ为体积含水量，cm3/cm3；D为水动力弥散系数，cm2/d；q为渗透流速，cm/d。

根据模拟结果，以土壤水电导率大小来反映土壤中溶质的含量。

2.3 模型参数与模型验证

2.3.1 模型参数

土壤水力参数根据实测土壤粒径组成，由Rosetta模型初值给定参数初值，然后通过2005年试验区不同土质试验实测数据进行参数拟合，确定主要的特征参数数值[12-18]。调整后的Van-Genuchten-Mualem公式中各个土壤水力参数值如表1所示。

表1 不同土质的土壤特性参数

考虑到玉米根系吸水的问题，其吸水参数参考Wesseling(1991年)的玉米数据库，具体参数见表2。

表2 玉米吸水参数

注：r2H和r2L分别为两个假设的作物潜在蒸腾率。

2.3.2 模型验证

利用数值模拟数据与实测数据的对比，验证模型模拟得到的试验区2011年玉米生育期实测土壤含水率和土壤电导率(EC)数据的精度，如图2和图3所示。

图2 各层土壤体积含水量模拟值与实测值

图3 各层土壤电导率EC模拟值与实测值

对土壤含水量、电导率实测值与模拟值进行两配对样本T检验，检验样本数量为48。通过查t界值表(双侧)并统计计算，得到土壤含水量、电导率实测值与模拟值检验精度(表3)，结果表明：试验区2011年玉米生育期实测土壤含水率和土壤电导率(EC)与模拟值相关性分别为0.917、0.893。土壤含水率和电导率配对T检验的显著性水平P值都不在置信区间(α=0.05)，说明土壤含水率和电导率的模拟值与实测值有很好相关性且无显著差异，表明各个参数值可靠，模型模拟情况良好，能够应用于不同土质下水盐运移研究。

表3 HYDRUS-1D模型模拟精度评价

3 结果与分析

解放闸灌域主要有4种不同土质土壤，分别为壤土、黏壤土、粉砂质黏壤土、壤质黏土，利用模型模拟土层为0～20 cm，各个土层土质相同。模拟时段为玉米的生长时期(2005年6月20日至2005年8月28日)，一共70 d。采用变时间步长剖分方式，据收敛迭代次数调整时间步长。设定初始时间步长为0.1 d，最小步长为0.1 d，最大步长为10 d。土壤含水量容许偏差为0.000 5，压力水头容许偏差为1 cm。根据解放闸灌域玉米灌溉制度(表4)，利用验证的水盐运移模型，对不同土质的水盐运移进行模拟，并进行对比分析。

表4 解放闸灌域玉米灌溉制度调查表

3.1 不同土质土壤含水率比较分析

图4给出了不同土质条件下各土层体积含水量的变化情况。由图4可知，0～10与10～20 cm土壤体积含水量变化基本一致，10～20 cm含水量变化相对稳定，10～20 cm土壤含水量高于0～10 cm，两个土层土壤体积含水量差异明显。每个灌水时期内各土层土壤体积含水量随着灌水而增加，且增加趋势随着灌水定额减小而降低。从不同土质来看，壤土0～10 cm的平均土壤体积含水量约为19.9%，10～20 cm为35.1%；黏壤土0～10 cm的平均土壤体积含水量约为20.2%，10～20 cm为35.3%；粉砂质黏壤土0～10 cm的平均土壤体积含水量约为21.7%，10～20 cm为36.7%；壤质黏土0～10 cm的平均土壤体积含水量约为20.5%，10～20 cm为35.7%。其中，粉砂质黏壤土土壤体积含水量最高。

图4 基于不同土质模拟各土层含水率变化

3.2 不同土质土壤含盐量比较分析

图5给出了不同土质条件下各土层电导率EC值的变化情况。由图5可知，0～10与10～20 cm土壤含盐量变化基本一致，0～10 cm土壤含盐量高于10～20 cm。每个灌水时期内各土层含盐量随着灌水而下降，且下降趋势随着灌水定额减小而降低。在玉米生育末期，盐分基本都有所积累，其中，壤土和黏壤土盐分积累量最多，这说明壤土和黏壤土土质最为接近，壤质黏土盐分累积量虽不突出，与壤土和黏壤土也较为接近，而粉砂质黏壤土含盐量呈下降趋势，这说明粉砂质黏壤土与其他土壤土质差别较大。在壤土中，0～10 cm含盐量变化比10～20 cm含盐量变化明显。灌水定额越大，粉砂质黏壤土与壤质黏土中的盐分随着水分运动表现的降低效果明显，这说明在增加一定灌水定额的情况下，粉砂质黏壤土与壤质黏土土壤更利于玉米生育。

图5 基于不同土质模拟各土层电导率(EC)变化

4 讨 论

在玉米拔节时期，灌水定额为1 050 m3/hm2，壤土、粉砂质黏壤土、壤质黏土中含水量都有所上升，壤土含水量更早达到饱和，而黏壤土由于土质的原因含水量下降；孕穗时期，灌水定额为900 m3/hm2，粉砂质黏壤土含水量持续小幅上升，壤土与黏壤土含水量变化稳定，壤质黏土含水量大幅下降，这说明壤质黏土含水量已达饱和；抽雄时期，灌水定额仍为900 m3/hm2，但粉砂质黏壤土含水量下降，壤土、粉砂质黏壤土、壤质黏土中含水量有所上升；灌浆时期，灌水定额为750 m3/hm2，4种土壤含水量大致呈现下降趋势，壤土体积含水量最少，这说明壤土透水性最好。总体来看，0～10 cm土壤含水量整体高于10～20 cm土壤含水量，0～10与10～20 cm土层土壤含水量变化规律基本一致，且相对稳定；随着灌水定额减少，各层土壤含水量都有减少趋势。

各个时期土壤含盐量变化由电导率变化来反映。土壤各土层电导率与土壤含水量变化趋势相反，壤土各土层电导率先下降，后上升，再减少后升高，呈现波段式变化，体现了灌溉积盐的过程；粉砂质黏壤土各土层电导率也是先下降，后上升，再减少后升高，但变化周期长，体现了不同土质对土壤含盐量的影响；黏壤土含盐量的变化与其他土壤有所不同，但也明显体现了积盐特征。在作物生长时期，壤土、黏壤土、壤质黏土在0～10 cm土层积盐明显，壤土、黏壤土在10～20 cm土层积盐显著。粉砂质黏壤土在各土层含盐量都有减少趋势。灌水定额越大，粉砂质黏壤土、壤质黏土各土层含盐量减少趋势明显。

5 结 语

应用HYDRUS-1D模型对玉米田间土壤剖面水盐运移规律进行模拟分析，经过试验实测数据对比，该模型能够较好地模拟水盐在土壤中随时间变化的趋势，可以运用于模拟灌区土壤水盐运移规律研究。

(1)在玉米的全生育期内，不同土质下0～10与10～20 cm土壤体积含水量变化基本一致，且土壤含水量随着灌水定额的增大而增大。从不同土质来看，壤土、黏壤土、壤质黏土0～10 cm的平均土壤体积含水量约为20%，10～20 cm为35%；粉砂质黏壤土0～10 cm的平均土壤体积含水量约为21.7%，10～20 cm为36.7%。同等条件下粉砂质黏壤土含水量高于其他3种土质的含水量。

(2)不同土质和灌水定额对土壤累积含盐量影响显著，随着灌水定额的增大土壤盐分减小的趋势增大。灌水定额越大，粉砂质黏壤土与壤质黏土中的盐分随着水分运动表现的降低效果明显，这说明在增加一定灌水定额的情况下，粉砂质黏壤土与壤质黏土土壤更利于玉米生育。