砂壤土夏玉米地下滴灌土壤水分和湿润峰运移模拟及设计参数优选

杨明达，张素瑜，杨慎骄，关小康，陈金平，李顺江，王同朝，邹国元

（1. 中国农业科学院 农田灌溉研究所，河南 新乡 453003；2. 河南商丘农田生态国家野外科学观测研究站，河南商丘 476000；3. 河南农业大学 农学院/河南粮食作物协同创新中心，河南 郑州 450046；4. 商丘市农林科学院，河南 商丘 476000；5. 北京市农林科学院 植物营养与资源研究所，北京 100097）

地下滴灌被认为是一种高效的节水灌溉技术之一，正在被广泛研究和应用于蔬菜、瓜果、棉花等经济作物[1-4]。但随着农业水资源匮乏日趋严峻，越来越多的研究者尝试将地下滴灌应用于粮食作物[5-8]。河南是我国粮食大省，但其农业用水存在较多问题，如地下水需求量逐年增加、地下水位下降严重、灌溉效率低下等[9]。发展高效节水灌溉技术（如地下滴灌）对缓解河南省农业用水危机具有重要现实意义。合理的地下滴灌系统设计能够有效提高滴灌系统的灌溉效率，从而最大限度地发挥地下滴灌这一新型灌溉技术的增产及节水作用[4]。地下滴灌属于局部灌溉，仅湿润部分土体，湿润体的大小、变化动态及内部土壤含水量对作物的生长和产量有重要影响[10-11]。因此，探究地下滴灌土壤水分运移及湿润土体特征对优化滴灌系统设计和田间水分管理有重要指导意义[12-13]。

滴灌带埋深和铺设间距是地下滴灌系统设计的2个最重要参数。埋深影响土壤水分的垂直移动距离；滴灌带铺设间距主要影响滴灌系统的灌溉均匀性，与作物的产量密切相关[12]。土壤水分和湿润峰运移变化特征是优化地下滴灌系统参数的重要依据，而土壤水分运移受多种因素影响，如土壤质地、作物根系特性等[14-15]。因此，优化滴灌系统参数需要大量的试验数据，并需对不同试验情况进行对比分析。然而，无论是室内模拟试验还是田间试验都较难实现。计算机模拟能够较好地克服这些缺陷，可在给定的初始及边界条件下，模拟不同因素及其组合对土壤水分含量的影响，并能给出点源周围形成的土壤湿润体位置及形状特征，从而为确定合理的滴灌系统参数提供更为有效可靠的理论支撑[16]。HYDRUS软件被广泛用于模拟水、热、溶质在多孔介质中的运移规律。众多学者已经将其应用于模拟地下滴灌土壤水分运移规律及优化滴灌系统 参 数 中[2-4，17-20]。黄 凯 等[2]通 过HYDRUS-3D 模 拟土壤湿润峰和土壤水分运移规律确定了广西赤红壤蔗区大田滴灌系统较为合理的滴灌系统参数；刘洪波等[20]首先用HYDRUS-2D 软件模拟无需耕作的苜蓿在不同毛管埋设深度及不同间距的水分入渗特征，并与大田试验结果进行对比分析，综合考量，认为埋深5 cm、毛管间距60 cm 是较为理想的地下滴灌系统设计参数；李显溦等[3]利用HYDRUS 软件对新疆地下滴灌棉田一次性滴灌带的埋深进行了优化，认为一次性滴灌带埋深为15 cm 时具有较好的根区淡化脱盐效果及单方水淡化脱盐效率。

玉米属于行播作物，相对于密植类作物来说，更有利于实施滴灌。目前，地下滴灌在玉米上有关系统设计参数及应用的研究主要集中在东北、西北等干旱区[5，21-22]，而在华北平原的应用研究还较少。在河南省主要的土壤质地中，砂土虽然透气性好，但易造成水肥流失[23]；黏土蓄水保肥能力较好，但透气性差[24]，既不耐旱也不耐涝，并且较大的土壤容重影响根系下扎[25]。华北平原夏玉米季生育中后期降雨量较高，若土壤黏性较重则更容易发生渍害。砂壤土结合了砂土和黏土的优点，具有土壤疏松肥沃、通气透水性和保水保肥性较好的特点[26]，且在河南省的分布区域较广。探究砂壤土土壤水分运移动态及湿润体变化特征，对优化砂壤土夏玉米地下滴灌系统设计参数及推广地下滴灌在河南省的应用具有重要意义。鉴于此，拟通过室内物理模拟和HYDRUS-2D 模型探究不同滴灌带埋深对土壤水分及湿润峰运移的影响，并结合田间夏玉米对比试验，确定砂壤土夏玉米较适宜的地下滴灌系统设计参数。

1 材料和方法

1.1 室内模拟试验

采用室内模拟研究，试验土壤取自河南农业大学 教 科 园 区 毛 庄 农 场 试 验 田（113°38′3″E，34°47′51″N）。土壤类型为潮土，质地为砂壤土，土质均匀，田间持水量（Field capacity，FC）为24.62%，容重为1.27 g/cm3。采用以色列Netafim 公司生产的滴灌带，毛管内径15.9 mm、滴孔直径0.31 mm、滴头距离40 cm。

模拟试验在有机玻璃箱（玻璃箱体内壁为粗糙面，以防止水分优先从箱壁流下；箱体的侧壁为可拆卸面，方便装卸土，箱体长、宽、高分别为80、60、100 cm，箱体内装入过2 mm 筛的风干土。装土时，每10 cm 为1 层，分层装入、镇压，以便达到土壤容重要求。在箱体侧面（长×高）距离箱体上沿20/40 cm 处开小口放入滴灌带，用于观测的滴头位置距离箱体侧面2 cm 左右（图1）。试验装置由水槽、水泵电机、压力罐、压力表等组成。通过压力罐和压力表保证滴头流量恒定。采用网状埋设Watchdog 水分传感器测定不同土层的土壤体积含水量：垂直于滴灌带方向距滴头水平距离为0、10、20、30 cm 及相应的距地表垂直距离为20、40、60、80、100 cm 处，共计4×5=20 个测定点位（Watchdog水分传感器布设面为abcd）。试验的设计及水分传感器的位置如图1所示。

图1 砂壤土地下滴灌室内模拟试验设计Fig.1 Design drawing of indoor simulation test of subsurface drip irrigation under sandy loam

滴灌带的埋深为20、40 cm，每个埋深均设置2次重复试验，取其平均值。试验过程中，滴头的压力维持在0.1 MPa，测得的滴头流量为1.15 L/h。由于箱体的侧面宽度为60 cm，因此，滴灌带在玻璃箱内有2个滴头。灌溉时间以土壤水分接近土壤表面又不产生深层渗漏为准（土壤水分向上能运移到距地表10 cm 内，向下能入渗到距地表80 cm，并且不超过100 cm 处）。滴灌带埋深20 cm 时设定灌溉时间为8 h，滴灌带埋深40 cm 时设定灌溉时间为11 h。滴灌过程中，每隔1 h在距滴头近的箱体侧面绘制出湿润峰的变化动态（试验观测面为ABCD）。

1.2 HYDRUS-2D模型模拟

1.2.1 数学模型 使用HYDRUS-2D模拟水流的入渗、运移和再分配。一般情况下，当将滴灌看作一个线源时，滴灌水流变化由三维问题变为二维问题。假定土壤为均质、各向同性的刚性多孔介质，不考虑气象和温度对水分运动的影响，则HYDRUS模型采用修正后的Richards 方程描述二维水流运动：

式中，θ为土壤体积含水量（cm3/cm3）；h为土壤负压水头（cm）；z为垂直方向距离（cm），取向下为正；x为水平方向距离（cm）；t为时间（h）；K（h）为土壤非饱和导水率（cm/h）；S（h）为土壤根系吸水速率（cm/d）。方程中的土壤水力特征参数采用VG 模型描述：

式（2）（3）（4）和（5）中，θr为残余含水率（cm3/cm3）；θs为饱和含水率（cm3/cm3）；Ks为饱和导水率（cm/h）；Se为有效饱和度；l为空隙弯曲度；α、n和m均为拟合经验参数。

1.2.2 初始和边界条件 HYDRUS-2D 使用

Galerkin 有限元方法来解控制水流运动方程。将距滴头近的观测面作为模拟区域，并且模拟区域为装入试验用土后玻璃箱的观测面对称50%的区域（土壤观测面右侧）。因此，除了左边界距左上角滴灌带的位置，有限元网格的边界为矩形（垂直方向100 cm、水平方向50 cm）。左边界上滴灌带被描绘为距土壤表面一定深度处半径为0.8 cm 的圆，因此，50%的水量被认为进入模拟区域。试验模拟时，初始条件为土壤剖面含水率的实测值（由埋在玻璃箱不同位置的Watchdog 水分传感器测得，平均含水量为0.15 cm3/cm3）。灌溉过程中，滴头边界为随时间变化的指定流量边界，流量通量（q）利用方程（6）计算得出。灌溉结束后，滴头边界变为零通量边界。除滴头外的左边界，在灌溉过程中和灌溉结束后均为零通量边界。由于有机玻璃箱试验过程中，土壤水分未能运移到右边界和底部边界，因此，均设置为零通量边界。试验过程中土壤表面由塑料薄膜覆盖防止水分蒸发，因此，上边界也为零通量边界。

1.2.3 模型参数率定 土壤的水分特征曲线参数θr、θs和Ks采用德国公司生产的Ku-pF 非饱和导水率测定系统进行测定。利用Rosetta 软件，根据土壤颗粒组成（美国农业部分类制）和容重，通过人工神经网络预测得出试验地各土层水分特征曲线初始参数α和n，采用滴灌带埋深为40 cm 室内模拟试验的实测数据（湿润峰运移距离和剖面土壤含水率）与模拟值进行对比分析，反复率定土壤水力特征曲线参数，最终得出合适的参数（表1）。玻璃箱内土壤取自大田耕层0～40 cm（土壤平均砂粒、粉粒、黏粒的比例分别为59.28%、27.90%、12.82%），经过晾晒后分层装进玻璃箱，因此，默认玻璃箱整个剖面的土壤质地及结构一致。

表1 VG模型的土壤水力参数Tab.1 Soil hydraulic parameters of the VG model

1.2.4 模型评价标准 为了检查HYDRUS-2D模型的性能，通过比较模拟与实测值，采用决定系数（R2）、模型效率（ME）和均方根偏差（RMSE）来定量评价HYDRUS 模型的模拟效果。R2、ME、RMSE用以下方程计算。

式（7）（8）和（9）中，n为总的观测个数；Csi为第i个观测点的模拟值；Cs为模拟值平均数；Coi为第i个观测点的实测值；Co为实测值平均数。R2、ME值越高，RMSE值越小，说明模拟效果越好。

1.3 田间试验验证

对优选的地下滴灌参数（埋深30 cm、铺设间距60 cm）进行田间验证，并与传统地表滴灌进行对比。试验在河南农业大学教科园区毛庄农场试验田进行。设置2 个处理：地下滴灌（Subsurface drip irrigation，SDI）和地表滴灌（Drip irrigation，DI）。2个处理滴灌带布设间距均为60 cm，SDI处理滴灌带埋深为30 cm，DI 处理滴灌带放置于地表。滴头流量为1.38 L/h，滴头间距为40 cm。小区面积为2.2 m×3.0 m=6.6 m2。处理重复4次，共计8个试验小区。

种植的作物为夏玉米，分别在2019年6月15日和9 月30 日播种和收获。于夏玉米的拔节期和抽雄期进行灌溉，2 个处理滴灌量相同，每次均为45 mm。在灌溉后用烘干法测定不同土层的土壤水分含量，取样深度为5、10、20、40、60、80、100 cm。在成熟期进行测产考种。

1.4 数据分析

使用Excel 2010、SigmaPlot 14 和Surfer 16 对数据进行处理分析和绘图，并用SAS V8.0 软件对田间数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 滴灌带埋深为20 cm时土壤水分的变化动态

2.1.1 灌溉过程中和灌溉结束后距滴头不同位置土层的土壤水分变化动态 图2—5 分别为滴头处和距滴头10、20、30 cm 处与滴灌带垂直方向上不同土层在灌溉中和灌溉结束后的土壤水分变化动态。在滴头处（图2），灌溉开始后，20 cm 土层土壤体积含水量迅速升高，2 h 后达到最大值并趋于稳定，至7 h 后土壤体积含水量表现出降低趋势；40 cm 土层土壤体积含水量则在灌溉5～6 h 迅速升高，6 h 之后土壤体积含水量上升速度减缓。

图2 滴头处与滴灌带垂直方向上不同土层在灌溉中（a）和灌溉结束后（b）的土壤体积含水量变化动态Fig.2 Dynamic of soil volumetric water content in different soil layers at the dripper with the vertical direction of drip irrigation belt during irrigation（a）and after irrigation（b）

距滴头10 cm处（图3），灌溉开始后，20 cm土层土壤体积含水量迅速升高，1 h 后土壤体积含水量逐步稳定；40 cm 土层在灌溉5～8 h 时，土壤体积含水量增加速度表现为慢—快—慢的趋势，并且在7 h 后土壤体积含水量大于20 cm 土层。灌溉结束后（图2b、图3b），滴头处、距滴头10 cm处，20、40 cm土层土壤体积含水量均表现为降低趋势。

图3 距滴头10 cm处与滴灌带垂直方向上不同土层在灌溉中（a）和灌溉结束后（b）的土壤体积含水量变化动态Fig.3 Dynamic of soil volumetric water content in different soil layers apart from the dripper 10 cm with the vertical direction of drip irrigation belt during irrigation（a）and after irrigation（b）

距滴头20 cm处（图4），灌溉开始后，20 cm土层土壤体积含水量在灌溉4 h 后迅速升高，6 h 后达到最大值并维持稳定；40 cm 土层土壤体积含水量在灌溉过程中没有发生变化。灌溉结束后，20 cm 土层土壤体积含水量表现出降低趋势，但40 cm 土层土壤体积含水量缓慢升高。

图4 距滴头20 cm处与滴灌带垂直方向上不同土层在灌溉中（a）和灌溉结束后（b）的土壤体积含水量变化动态Fig.4 Dynamic of soil volumetric water content in different soil layers apart from the dripper 20 cm with the vertical direction of drip irrigation belt during irrigation（a）and after irrigation（b）

距滴头30 cm 处，灌溉过程中各土层土壤体积含水量均没有发生变化，灌溉结束后（图5），20 cm土层土壤体积含水量表现出小幅度的升高趋势。

图5 距滴头30 cm处与滴灌带垂直方向上不同土层在灌溉结束后的土壤体积含水量变化动态Fig.5 Dynamic of soil volumetric water content in different soil layers apart from the dripper 30 cm with the vertical direction of drip irrigation belt after irrigation

另外，在距滴头不同的位置，60、80 cm 土层土壤体积含水量在灌溉过程中和灌溉结束后均保持不变。由此可见，滴灌带埋深为20 cm，单滴头流量为9.2 L时，土壤水分下渗的最大深度小于60 cm，并且在水平方向上距滴灌带较远处，水分只能湿润20 cm左右的土层。

2.1.2 灌溉过程中和灌溉结束后湿润峰的运移动态 从图6 可以看出，灌溉1 h 时，湿润峰垂直上移的距离和垂直下移的距离基本一致，但从灌溉2 h后，湿润峰垂直下移的距离要高于垂直上移距离。灌溉2 h 后湿润峰水平右移和左移的距离基本一致，这从另一个方面说明，试验土壤均质，紧实度一致，符合试验要求。

图6 灌溉中（a）和灌溉结束后（b）湿润峰的变化动态Fig.6 Dynamic of wetting front during irrigation（a）and after irrigation（b）

灌溉过程中，湿润峰水平运移的平均距离为24.55 cm，垂直上移和垂直下移的距离分别为20.00 cm、24.50 cm（灌溉6 h）。灌溉过程中不同方向湿润峰的运移速度随着灌溉时间的增加逐渐降低（图7），灌溉1 h 后运移速度迅速降低，灌溉4 h后，运移速度平稳伴有小幅度的降低，湿润峰水平运移速度为3.07 cm/h，垂直下移速度为3.06 cm/h。灌溉4 h 后，湿润峰垂直下移速度要快于水平运移速度。灌溉结束3 d 后，水平运移的平均距离为34.25 cm，垂直运移的距离为33.10 cm。

图7 灌溉过程中湿润峰的运移速度Fig.7 Moving speed of wetting front during irrigation

2.2 HYDRUS-2D模型模拟结果

2.2.1 模型验证 本研究用滴灌带埋深为20 cm 的实测数据（不同土层的土壤体积含水量和整体湿润峰变化）来评价模拟效果。由于滴灌带埋深为20 cm 时，20、40 cm 土壤体积含水量变化较大，而60、80 cm 土层基本无变化，因此，用20、40 cm 土壤体积含水量的实测数据进行统计参数的计算。

图8和图9分别为滴头处、距滴头10 cm 处与滴灌带垂直方向上，20、40 cm 土层土壤体积含水量模拟值和实测值的变化动态；图10为湿润峰垂直下移（图10a、10b）、水平运移（图10c、10d）和垂直上移（图10e）模拟值和实测值的变化动态。从模拟效果评价指标来看（表2），20、40 cm 土层土壤体积含水 量的模拟值与实测值之间的R2为0.98～0.99，模型的ME为0.90～0.93，RMSE为0.029～0.032 cm3/cm3；湿润峰移动距离模拟值与实测值之间的R2为0.96～0.99，模 型 的ME为0.91～0.96，RMSE为0.690～2.170 cm。模型评价参数R2、ME均在0.90 及以上，RMSE的值较低，说明在本研究条件下，模拟结果能够反映出土壤水分和湿润峰的运移动态。

图8 滴头处与滴灌带垂直方向上20、40 cm土层在灌溉中（a）和灌溉结束后（b）土壤体积含水量实测值和模拟值的对比Fig.8 Comparison of measured and simulated soil volumetric water content in 20 and 40 cm soil layers at the dripper with the vertical direction of drip irrigation belt during irrigation（a）and after irrigation（b）

图9 距滴头10 cm处与滴灌带垂直方向上20、40 cm土层在灌溉中（a）和灌溉结束后（b）土壤体积含水量实测值和模拟值的对比Fig.9 Comparison of measured and simulated soil volumetric water content in 20 and 40 cm soil layers apart from the dripper 10 cm with the vertical direction of drip irrigation belt during irrigation（a）and after irrigation（b）

图10 灌溉中（a、c、e）和灌溉结束后（b、d）湿润峰运移实测值和模拟值的对比Fig.10 Comparison of measured and simulated wetting front migration during irrigation（a，c，e）and after irrigation（b，d）

表2 模型评价的统计参数Tab.2 Statistical parameters of model evaluation

2.2.2 HYDRUS-2D 模拟滴灌带埋深30 cm 时湿润峰的变化动态 由于模型模拟的效果较好，因此，用模型模拟滴灌带埋深为30 cm 的土壤水分及湿润峰变化。研究的目的主要是通过预测湿润峰动态变化来优选适宜的滴灌带设计参数，从而为大田生产提供参考。为此，本研究将HYDRUS-2D 模型中加入根系吸水项模拟不同滴灌带埋深下土壤水分和湿润峰变化动态，使其更接近于野外大田。根系吸水项S 采用Feddes 模型[27]，根系吸水响应参数使用软件预设的经验参数：

S（x，z，h）=a（x，z，h）b（x，z）TpL（10）

式中，a（x，z，h）为根系吸水的水应力响应函数，无量纲；b（x，z）为根系吸水分布函数（L/d）；Tp为作物潜在蒸腾速率（cm/d）；L为根区分布最大宽度（cm）。根据田间观察和参阅相关文献[28]，本研究中根系分布最大宽度L取40 cm，最大根深取100 cm。

土壤的初始体积水分含量设置为0.15 cm3/cm3，灌溉时间为10 h，滴头流量为1.15 L/h（和滴灌带埋深20 cm 时的滴头流量一致）。由于本研究的主要目的是确定地下滴灌系统合理的设计参数（埋深及铺设间距），因此，本研究仅对模型模拟的湿润峰运移动态进行分析。

由图11可以看出，湿润峰垂直下移的距离大于水平移动，而水平移动的距离大于垂直上移，并且随着灌溉时间的增加，差距越来越大。灌溉结束后，湿润峰垂直下移、水平移动和垂直上移的距离分别为25.87、24.79、22.03 cm。灌溉结束后3 d，湿润峰垂直下移和水平移动距离分别为39.32、37.35 cm。图12为灌溉结束后土壤水分平衡1 d（a）和3 d（b）不同土层的土壤水分分布。可以看出，在水分平衡1 d 后湿润峰基本接近表层。水分平衡3 d 后，较湿润土体（＞75% FC）的土层为距地表5～55 cm处。

图11 灌溉中（a）和灌溉结束后（b）湿润峰的变化动态模拟Fig.11 Simulation of the dynamics of wetting front during irrigation（a）and after irrigation（b）

图12 灌溉结束后土壤水分平衡1 d（a）和3 d（b）不同土层的土壤水分分布模拟Fig.12 Simulation of the soil water distribution in different soil layers at 1 d（a）and 3 d（b）after water balance

模拟效果较好，进一步模拟滴灌带埋深20、40 cm时水分变化动态。

2.2.3 HYDRUS-2D 模拟滴灌带埋深20、40 cm 土壤水分分布 在HYDRUS-2D模型中加入根系吸水项模拟滴灌带埋深20、40 cm 的土壤水分变化动态，土壤的初始体积水分含量均设置为0.15 cm3/cm3，灌溉时间分别为8、11 h，滴头流量均为1.15 L/h。图13为HYDRUS-2D 模型模拟水分平衡后（灌溉结束后3 d）滴灌带埋深20、40 cm 的土壤水分变化动态。滴灌带埋深为20 cm 时（图13a），土壤水分能上移至地表，下渗到60 cm处，但60 cm土层土壤体积水分含量较低；水分可以侧渗到滴灌带30 cm 处，但距滴灌带20～30 cm 处，土壤体积含水量很低。滴灌带埋深为40 cm 时（图13b），土壤水分可以上移到距地表10 cm 处，下渗到距地表90 cm 处，侧渗到距滴灌带30 cm处；较湿润土体（＞75%FC）距地表30～75 cm处。

图13 滴灌带埋深分别为20 cm（a）和40 cm（b）时水分平衡后不同土层的土壤水分分布模拟Fig.13 Simulation of the soil water distribution in different soil layers after water balance when the buried depth of drip irrigation belt is 20 cm（a）and 40 cm（b）respectively.

2.3 田间试验验证结果

0～60 cm 土层是夏玉米根系的主要分布区域。使土壤湿润体与作物主要根系分布层相一致，一方面能够促进根系对土壤水分的充分吸收，促进作物生长；另一方面能够提高灌溉系统效率。模型模拟结果表明，不同情景下，水分的侧渗范围距滴灌带的水平距离均超过30 cm。由此可知，理论上夏玉米地下滴灌系统适宜的埋深和铺设间距分别为30、60 cm。为此，对理论上优选的夏玉米地下滴灌系统参数进行田间验证，并与传统地表滴灌进行对比分析，探究不同滴灌带埋深对夏玉米土壤水分和产量的影响。

滴灌后（拔节期，滴灌后第2 天）不同滴灌处理对土壤水分影响显著（图14）。在表层0～20 cm 土层，SDI 处理的土壤体积含水量显著低于DI 处理。而在较深40～80 cm 土层，SDI 处理的土壤体积含水量显著高于DI 处理。SDI 处理0～100 cm 土层的平均土壤体积含水量比DI 处理提高3.7%。可以看出，SDI 处理较湿润土体位于土壤中下层（20～60 cm），这有利于根系对水分的充分吸收和利用。

图14 灌溉结束后SDI和DI处理不同土层的土壤体积含水量Fig.14 Soil volumetric water content of different soil layers under SDI and DI treatments after irrigation

SDI 处理的产量和穗粒数分别比DI 处理显著增加8.6%、5.3%（表3）。并且SDI 处理显著降低夏玉米的穗位高，这有利于增强其抗倒伏性。

表3 不同滴灌方式对夏玉米产量的影响Tab.3 Effect of different drip irrigation methods on summer maize yield

3 结论与讨论

3.1 讨论

由于土壤水分运动受非饱和土水力学参数的影响，因此不同土壤类型适宜的地下滴灌参数不同。本研究在砂壤土条件下，通过室内模拟试验并结合HYDRUS-2D模型探究不同滴灌带埋深土壤水分及湿润峰的运移规律，从而优化滴灌系统设计参数。将滴灌带埋深为20 cm 试验的实测数据与HYDRUS-2D 的模拟数据进行对比分析发现，土壤水分变化动态和湿润峰运移动态的实测值和模拟值具有很好的一致性。这说明HYDRUS-2D可以很好地模拟地下滴灌土壤水分及湿润峰的运移规律，与前人的研究结果一致[2，4，16-19]。为了使HYDRUS-2D软件建立的模型模拟结果可以指导大田生产，本研究将HYDRUS-2D模型中加入根系吸水项模拟不同滴灌带埋深对土壤水分和湿润峰运移的影响。模拟结果表明，滴灌带埋深为20 cm 时，土壤水分垂直运移范围为0～60 cm，土壤水分能侧渗到30 cm处；滴灌带埋深为30 cm 时，较湿润土体在5～55 cm（＞75%FC），土壤水分侧渗到30 cm 处；滴灌带埋深为40 cm 时，较湿润土体在30～75 cm，土壤水分侧渗30 cm 处。使滴灌湿润体与作物主要根系分布区域相匹配是实现滴灌系统优化运行及系统效益最大化的关键[29]。夏玉米根系虽然可以下扎到2 m 深，但主要根系分布在表土层（0～60 cm）。根据华北平原的气候特征，夏玉米容易发生初夏旱和卡脖旱[30]，因此，土壤的湿润范围距地表更近时有利于根系吸收水分及作物生长。另外，夏玉米播种前一般需旋耕或隔年深耕（深松），因此，滴灌带埋深不宜过浅。综上，滴灌带埋深为30 cm 时，既能使土体的湿润范围与夏玉米的主要根系分布层相匹配，又可以避免耕作对滴灌带造成损害，是较为适宜的埋深。MO等[5对东北夏玉米的研究得出了相似的结论，认为玉米地下滴灌带适宜埋深为30～35 cm。由于不同埋深下土壤水分都能侧渗到30 cm，因此，铺设间距为60 cm 时可以确保滴灌系统较好的灌溉均匀性。系统设计参数与生产实际相适应更有利于滴灌的推广应用。夏玉米通常的种植行距为60 cm[31-32]，因此，滴灌带铺设间距为60 cm 可以与夏玉米行距相匹配，有利于作物更充分、有效地吸收利用灌溉水。对于夏玉米地下滴灌的研究，众多研究者均将滴灌带的布设间距与玉米的行距设置为一致[33-34]。埋深和铺设间距分别设为30、60 cm，这一方面不影响土壤耕作，另一方面可以最大程度使土壤较湿润体与夏玉米主要根系分布区域相配，有利于作物对土壤水分的吸收，提高滴灌系统效率。

田间试验是检验地下滴灌系统设计参数是否合理的重要依据。本研究用优化的滴灌系统设计参数进行田间试验后得出，在灌溉量为45 mm 时（本研究中，HYDRUS-2D模拟滴灌带埋深为30 cm，灌溉时间为10 h 时，折算的灌溉量为47 mm），地下滴灌土壤水分较高的土体介于20～60 cm。与地表滴灌相比，地下滴灌显著增加中下层土壤体积含水量。中下层土壤较高的土壤水分可以为作物根系提供稳定、优越的生长环境，并且能够促进深层根系的生长及对深层水分的利用，从而促进作物生长[8]。最终，地下滴灌夏玉米的产量比地表滴灌显著增加8.6%。这说明本研究得出的滴灌带埋深为30 cm 和布设间距为60 cm 是砂壤土夏玉米较适宜的地下滴灌系统设计参数。河南省耕作区主要的土壤质地除了砂壤土，还有中壤土、黏壤土、黏土等，因此，以后的研究有必要结合HYDRUS 模型探究河南省其他不同土壤质地土壤水分及湿润峰运移规律，从而优化各土壤质地下夏玉米地下滴灌系统的设计参数，以期为更广泛的推广应用地下滴灌技术提供参考依据。

3.2 结论

（1）有机玻璃箱室内模拟结果表明，滴灌带埋深为20 cm 时，湿润峰水平运移速度为3.07 cm/h，垂直下移速度为3.06 cm/h，但在灌溉4 h 后，湿润峰垂直下移速度要高于水平运移的速度。在灌溉6 h后，土壤水分上移至地表。

（2）通过滴灌带埋深为20 cm 的实测数据对HYDRUS-2D 模型进行评价。结果表明，模拟值和实测值的R2、ME均在0.90 及以上，RMSE较低，说明HYDRUS-2D 能够很好地模拟地下滴灌土壤水分和湿润峰变化规律。

（3）HYDRUS-2D 中加入根系吸水项的模拟结果表明，滴灌带埋深为20 cm 时，土壤水分垂直运移的主要范围为0～60 cm 土层；滴灌带埋深为30 cm，水分平衡后，较湿润（含水量＞75% FC）的土体范围为距地表5～55 cm；滴灌带埋深为40 cm 时，水分平衡后，较湿润（含水量＞75% FC）土体的范围为距地表30～75 cm。

（4）田间试验结果表明，与传统地表滴灌相比，地下滴灌（埋深30 cm、铺设间距60 cm）能够增加中下层土壤水分含量，夏玉米的产量显著增加8.6%。