农田水盐运移与作物生长对亏水滴灌的响应和模拟研究

2021-02-01薄丽媛毛晓敏

农业机械学报 2021年1期

薄丽媛赵引毛晓敏陈帅

(1.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；2.农业农村部作物高效用水武威科学观测实验站，武威 733000)

0 引言

农业生态水文模型是改善水资源短缺现状和确保作物产量的重要工具[1-2]。石羊河位于祁连山北麓，是甘肃省河西地区重要的水源。石羊河流域内农田灌溉用水量占供水量的86.4%，灌溉水利用率在 54.3%～56.4%之间[3]。水资源的严重匮乏、农业生产用水严重挤占生态用水致使流域内生态环境恶化，造成地下水位下降、沙尘暴活动频繁、绿洲萎缩等。石羊河流域是制种玉米的重要生产基地，确保制种玉米产量对维持我国粮食安全具有重要意义[4]。在有限的水资源条件下，通过合理的农艺措施实现农业持续的高产、优质和高效发展，已成为石羊河流域农业发展面临的最为突出的问题。

农作物的灌溉制度是为了满足作物生长耗水需求、保证产量而制定的适时的灌水方案[5]。大量研究表明[6-7]，适量减少灌溉定额可以节约水资源、提高作物水分利用效率。但也有研究表明，随着水分亏缺程度的加剧，作物的产量和作物水分利用效率呈下降趋势[8-10]。因此，选择合适的灌水制度对保证产量和有效提高灌水效率至关重要[4,11-14]。除此之外，根区土壤盐分状况也会对作物产量造成影响[15]。目前已有许多滴灌条件下水分亏缺对土壤水盐运移影响的研究成果。王峰等[16]认为，中定额灌溉是实现抑盐、控水、高产、高效的适宜棉花灌溉制度。部分学者认为，滴灌技术使用初期，农田土壤含盐量明显下降，随后缓慢下降，直至稳定在某一范围内[17-18]。也有学者认为，农田土壤含盐量下降是短期监测的结果，进行多年滴灌的耕地，其土壤各层盐分变化仍需进一步研究[19-20]。

农业系统模型EPIC、APSIM、WOFOST和DSSAT等被广泛使用[21-24]，蒸发蒸腾过程中的水分流失会改变土壤剖面中的水分分布，并进一步影响盐分运移。同时，土壤含水率和含盐量是控制作物根系吸水并影响作物生长和产量的两个重要因素[25-26]。作物生长与土壤水盐动态之间存在强烈的相互作用。因此，研究作物生长过程中常规灌溉与节水灌溉对农田土壤水盐运移的影响尤为重要。

本课题组开发了层状土壤中水分-溶质运移和作物生长的耦合模型(Layered soil water-solute transport and crop growth model，LAWSTAC)，该模型提供了8种不同的导水率半节点平均方法来克服土壤层状结构产生的数值问题，并已在西北旱区春小麦生产中验证了适用性[1]。尽管模型需要较少的作物数据输入，但仍需在不同水分条件和作物种类下进行验证。因此，本研究以西北旱区制种玉米田间试验观测数据为基础，验证LAWSTAC模型对模拟不同灌溉水平下土壤水盐运移与制种玉米生长的适用性，以便更好地了解农业生态水文过程，为农业科学管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2018年4—9月在农业农村部作物高效用水武威科学观测实验站进行。玉米品种为制种玉米TRF2018，由当地种子公司提供。母本统一于2018年4月19日播种，父本分两批播种，分别于2018年4月26日和5月2日播种。南北向种植，行距40 cm，株距25 cm。采用滴灌灌溉方式，“一带双行”，滴灌带间距80 cm，滴头间距30 cm，滴头流量2.5 L/h。施肥按照当地经验，即播前施375 kg/hm2的磷酸二铵和375 kg/hm2的氮磷钾复合肥作为基肥，拔节期分3次施525 kg/hm2的尿素。设置3种水分处理：W100、W70、W40，分别为灌溉需水量的100%、70%、40%。

1.2 测定项目与方法

1.2.1土壤含水率与含盐量

利用TRIME-TDR型时域反射仪测定试验田土壤体积含水率，每个小区埋设3根TRIME管。每7 d测1次，灌水前后、降雨后各加测1次，测点垂向间距20 cm，测定深度0～160 cm。其中W100处理由于TRIME管埋设问题，实测数据存在误差，采用土钻取土干燥法对存在误差的数据进行修正。

制种玉米播种前、收获后和灌水前后进行取土，取土深度为地下0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm，共6层，每个小区取3个重复；将土样风干、碾碎和过筛(1 mm)，采用1∶5的土水比配制成土壤浸提液，利用FE38型电导率仪测定其电导率，转换为含盐量[27]，公式为

S=0.027 5EC1∶5+0.136 6

(1)

式中S——含盐量，g/kg

EC1∶5——电导率，mS/m

脱盐率、积盐率与土壤盐分浓度计算公式分别为

(2)

(3)

(4)

式中 ΔSd——脱盐率，%

ΔSa——积盐率，%

Sc——土壤盐分质量浓度，g/L

S0、S1——时段初、时段末土壤含盐量，g/kg

ρ——土壤干容重，g/cm3

θ——土壤体积含水率，cm3/cm3

1.2.2制种玉米生长发育指标及观测方法

叶面积指数：叶面积采用卷尺测量，在每个小区随机选取5株，在不影响其生长的情况下标记，5月22日开始，7 d一周期，叶面积指数计算公式[28]为

(5)

式中LAI——叶面积指数，cm2/cm2

L——叶片长度，cm

W——叶片最大宽度，cm

β——折减系数

A——单个植株所占地表面积，cm2

地上生物量：从5月30日(苗期)开始，每个试验小区随机选取3株制种玉米，取地上部分，将茎、叶、果等分解后，采用干燥法获取其地上生物量，计算公式为

(6)

式中B——地上生物量，t/hm2

J——玉米茎干质量，g

Y——玉米叶干质量，g

Q——玉米叶鞘干质量，g

G——玉米果实干质量，g

1.2.3作物耗水量和水分利用效率

灌溉需水量计算公式为

I=ETm-P

(7)

其中

ETm=KcET0

(8)

式中I——灌溉需水量，mm

ETm——潜在作物腾发量，mm

ET0——参考作物腾发量，mm

P——有效降雨量(降雨量大于5 mm)，mm

Kc——作物系数

其中ET0利用联合国粮农组织(FAO)推荐的公式计算[29]，Kc参考姜雪连[30]的研究成果。

制种玉米生育期耗水量由水量平衡公式计算，即

ETc=P+ΔI-ΔW±q-R

(9)

其中

ΔW=W1-W0

(10)

式中ETc——时段内作物耗水量，mm

ΔI——时段内灌水量，mm

ΔW——时段内土壤湿润层内储水量变化量(时段内水量增加时,ΔW>0)，mm

q——地下水补给量和深层渗漏量，根据当地实际情况，地下水埋深较深(大于30 m)，根据灌溉制度，灌水次数多，单次灌水量较少，所以深层渗漏可以忽略，mm

R——地表径流量，根据实地观测，在作物播种至收获期间，不存在地表径流，所以该项取为零，mm

W0、W1——时段初、时段末土壤湿润层内储水量，mm

1.3 土壤水盐运移与作物生长耦合模型

1.3.1LAWSTAC模型

采用本课题组开发的LAWSTAC模型，该模型是以土壤水、盐动态迁移的Richards方程、对流弥散方程和作物生长基本原理为基础，利用有限差分方法，动态模拟层状土壤中水分和溶质迁移与作物生长相耦合的农业生态水文模型[1]。水分运动是盐分运移的主要驱动力，在根系吸水情况下，溶质势的再分布也会影响水分运动，同时，土壤中水盐浓度也会对作物根系吸水和生长产生胁迫，影响作物生长过程中的蒸散发、生物量的形成、干物质分配等，最终影响产量。在实现模型耦合方面，作物生长模块和水盐运移模块互为反馈，水盐运移影响根区水盐分布，影响作物根系吸水和蒸腾，从而影响作物生长和产量。而作物蒸腾及根系发育和冠层叶面积的增长，反过来成为地面和根区的水分运动的汇项，影响水盐运移与分布。由此实现了作物生长模块和土壤水盐运移模块的耦合。

1.3.2LAWSTAC模型主要修正参数

采用W100、W70和W40处理对LAWSTAC模型在模拟石羊河流域土壤水盐运移与制种玉米生长的适用性进行分析。考虑设置的3个灌溉水平，选取W100、W40处理对LAWSTAC模型进行率定，以W70处理进行验证模型。模型输入数据包括：气象数据、土壤参数、作物生长参数、田间管理数据及模型运行初始及边界条件。在参数调整过程中，根据参数参考取值[22]与实际情况校正模型中的参数，部分参数值如表1所示。

表1 LAWSTAC模型作物参数Tab.1 Main crop parameters in LAWSTAC model

1.3.3LAWSTAC模型验证与评价方法

通过比较不同灌溉水平下土壤贮水量、土壤盐分浓度、制种玉米的LAI和地上生物量等参数的模拟值与实测值，来评价模型模拟效果。为了定量描述LAWSTAC模型的可靠性，采用模拟值与实测值之间的均方根误差(RMSE)和决定系数(R2)作为模型评价指标。其中RMSE越小，R2越接近1，说明模拟值的变化趋势与实测值的吻合程度更高。

2 结果与分析

2.1 土壤水分试验结果与模拟

2.1.1水分亏缺条件下根系层水量均衡分析

图1为不同灌溉水平处理下制种玉米不同生育期根区土壤水量，其中，0～160 cm土层贮水量变化量大于零表示土壤水分减少(被消耗)，小于零表示土壤水分增加。在播种后进入苗期之前有一次较大的灌水，这是为保证出苗率，对各处理灌溉了3次出苗水(灌溉量依次为30、30、20 mm)，不同处理各次灌溉量均相同。此阶段农田水分输入主要来源于农业灌溉，由于该阶段作物需水量较小，大部分灌溉水以土壤水的形式存储于土壤中。制种玉米拔节期到抽穗期结束期间，作物生长迅速，此阶段需要大量水分，其水分主要来源于灌溉、降雨以及部分土壤水分，充分灌溉(W100)下，作物长势与蒸散发旺盛，土壤贮水量减少以弥补作物耗水需求。由于亏水灌溉下的作物长势较差，蒸散发明显减小，作物耗水量小，又因降雨灌溉，所以土壤贮水量有少量增加的趋势。制种玉米灌浆期，降雨量为80.8 mm，亏水灌溉下的作物出现旱后复水效应，复水后，作物根系活力、作物生长速率等表现出补偿生长效应[31]，所以后期亏水灌溉的作物耗水量较大(灌浆期W100、W70、W40作物耗水量分别为107、114、120 mm)。制种玉米成熟期，由于降雨量减小且无农业灌溉水，0～160 cm土层水分对作物耗水的供给量有所增加，超过了降雨与灌溉量，说明土壤水分对作物耗水的补给作用不可忽视，特别是在作物生长后期，土壤水分供给对维持作物的正常耗水起到重要作用。

2.1.2全生育期0～80 cm土层贮水量率定与验证

图2为不同灌溉水平下全生育期制种玉米0～80 cm土层贮水量的模拟值与实测值的比较结果。0～80 cm土层贮水量模拟值与实测值的变化趋势基本吻合，在灌溉或者降雨之后，贮水量增加，随后缓慢减少。各处理R2在0.41～0.61之间，RMSE在12～21 mm之间，表明LAWSTAC在模拟制种玉米0～80 cm贮水量上拟合效果较好。

2.2 土壤盐分试验结果与模拟

2.2.1单次灌水前后土壤剖面盐分变化

土壤水分是土壤盐分运移的重要载体，土壤中盐分随着土壤水分的运动而迁移，在灌水过程中，盐分随灌溉水以下渗为主，在作物蒸腾和棵间蒸发下，随土壤水分再分布盐分可能滞留根区或向上运移。图3为不同灌溉水平下各生育期单次灌水前后土壤剖面盐分变化。图3a、3b、3c、3e、3i、3k、3l中，0～20 cm土层灌溉后脱盐，其余处理灌溉后积盐。表2(表中数值小于零表示脱盐，数值大于零表示积盐)为不同灌溉水平下各生育期灌水前后0～20 cm土层脱盐率与积盐率的定量分析，与图3一一对应。由表2可知，在不同处理下，灌水后表层(0～20 cm)土壤含盐量都有所降低，灌浆期不明显。生育期末脱盐率依次为49%、49%、25%。灌水量与脱盐率的关系不明显，可能是因为在获取其含盐量时，采用选点取土测土壤溶液电导率的方法，无法获得灌水前后土壤含盐量的连续变化。除此之外，虽然选择在垂直滴灌带方向0、10、20 cm处取土取均值，但是滴头的位置对盐分的累积也有较大影响。

表2 不同灌溉水平下各生育期灌水前后0～20 cm土层脱盐率与积盐率的定量分析Tab.2 Quantitative analysis of desalination and salt accumulation in 0～20 cm soil layer before and after irrigation at various irrigation levels under different growth stages %

2.2.2全生育期土壤剖面盐分分布

图4为不同灌水量对土壤剖面含盐量的影响，分别选取5月8日(苗期)、6月10日(拔节期)和9月21日(收获期)作为生育前期、中期和末期。随着生育期的推进，0～20 cm土层剖面含盐量处于脱盐状态，20～100 cm土层处于积盐状态，充分灌溉W100处理尤为明显，W100处理的脱盐率与积盐率分别为49%和59.2%，W70处理的脱盐率与积盐率分别为49%和18.9%，W40处理的脱盐率与积盐率分别为25%和-14.3%(负值表示脱盐)，如图4所示。充分灌溉处理的脱盐率与积盐率大于严重亏缺灌溉处理，原因是W100的灌水量较大，对盐分有一定的淋洗作用。所以，盐分随水分运动向下迁移，经过全生育期灌水后，灌水量越大，深层积盐越明显，浅层脱盐也越明显，严重亏缺灌溉或是灌水量无法满足作物正常生长发育耗水时，其深层积盐效果不明显。

2.2.3全生育期0～80 cm土层土壤盐分质量浓度率定与验证

图5为不同灌溉水平下全生育期制种玉米0～80 cm土层土壤盐分质量浓度的模拟值与实测值的比较结果(土壤盐分质量浓度均为0～80 cm共5个土层的算术平均值)。0～80 cm土层土壤盐分质量浓度模拟值与实测值的变化趋势基本吻合，各处理R2在0.53～0.60之间，RMSE在1.37～2.56 g/L之间，总的来说，LAWSTAC模型在模拟制种玉米0～80 cm土层土壤盐分质量浓度时灌水较为充分的W100、W70拟合效果更好，重度亏水的W40模拟效果一般。土壤特性在不同空间位置上存在明显差异，具有空间变异性[32]，土壤盐分的空间变异受灌溉、施肥等随机因素和土壤母质、地形等非人为的结构性因素的共同影响[33-34]。其中W40是重度亏水的处理，土壤含水率较低，不仅导致实测土壤含水率空间变异大，相应的盐分空间变异更大，而模型反映的是较为理想的平均情况，所以重度亏水的W40模拟结果与实测值存在的误差偏大。这与HAO等[35]的研究结果相似，其根据葡萄园土壤含水率空间分布的监测分析表明，土壤水分在较低的情况下具有更强的空间变异性。所以后续应继续开展试验，分析不同灌水处理下土壤水盐的空间变异性，并与数值模拟结果开展对比研究。

2.3 作物生长试验结果与模拟

不同灌溉水平下的制种玉米叶面积指数随生育期的推进呈相同的变化趋势，如图6所示。播种后至拔节期快速增大，抽穗期增速减小并趋于稳定，进入灌浆期后，根部叶片脱落，叶面积指数逐渐下降。灌水量越大，制种玉米长势越好，叶面积指数越大，与株高变化呈现相同规律，峰值出现在W100(4.51)，较其他处理分别提高36.7%和37.7%。整体上看，各处理的决定系数R2均为0.99，RMSE为0.20～0.87 cm2/cm2，模型对不同灌溉水平下的制种玉米生长模拟效果无明显差异。

图7为制种玉米地上生物量的模拟结果，各处理R2均为0.99，RMSE在1.62～3.57 t/hm2之间，其中灌水量较充分的W100、W70的模拟效果较优，而重度亏水的W40模拟效果较差。在不同处理下，制种玉米地上生物量累积规律基本相同，地上生物量的累积量与灌水量呈正相关关系，随水分亏缺程度的增大逐渐减小。不同灌溉水平下，最终地上生物量分别为24.25、20.80、15.41 t/hm2。W100处理的地上生物量较其他处理分别提高16.6%和57.3%。其中W40处理在整个生育期地上生物量的累积最少，主要可能是水分亏缺程度较大，导致制种玉米生育前期无法达到其生长所需水分，抑制其生长。