Hydrus-2D模拟起垄覆膜处理对夏玉米生育期水量平衡的影响

2023-08-08付玉娟喻浩洋吴佳钰张旭东

农业工程学报 2023年10期

付玉娟，李尧，喻浩洋，吴佳钰，张旭东

（沈阳农业大学水利学院, 沈阳 110866）

0 引言

辽西北半干旱地区土壤类型以砂壤土为主，土壤贮水能力弱，水分利用效率远低于中国平均水平，缺水成为限制该地区农业发展和粮食安全的主要因素之一[1]。在节水灌溉理论大面积推广应用的背景下，地膜覆盖和起垄种植相结合的垄作覆膜技术由于其增温保墒、减少蒸发、提高产量等优点在辽西北半干旱区得到了大面积推广[2]。但覆膜和起垄改变了农田的自然下垫面，进而改变了降雨入渗和作物生育期水文循环过程。有研究认为受地区自然环境因素的影响，起垄和覆膜可能导致降雨后土壤水分入渗不均匀，影响作物根系吸水，覆膜还可能导致作物的耗水量增加，长期覆盖还会造成土壤退化[3-4]。在辽西北半干旱地区将地膜覆盖和起垄种植技术相结合能否在不影响作物生长的情况下降低整个生育期的农田耗水量还存在争议。因此在推进农业节水灌溉的过程中，摸清起垄覆膜后农田下垫面的降雨入渗特征，探究起垄和覆膜能否提高作物生育期水分的利用效率并减少农田耗水量，对全面评价节水灌溉技术，完善节水灌溉理论，都具有重要的现实意义[5-7]。

辽西北半干旱区的年降雨量少、蒸发速率快、土壤透水性强，极少产生地表径流。作物生育期的水量平衡主要由自然降雨、灌溉、深层渗漏、土壤蒸发以及作物消耗5部分组成，其中作物组织生长的需水量因小于总需水量的1%，可忽略不计，因此作物消耗的水分主要为蒸腾量[8]。目前关于作物生育期水量平衡的研究主要基于田间试验，如ZHANG等[9]通过滴灌和地膜覆盖相结合的田间试验分析了不同颜色地膜覆盖对中国华东和西北地区马铃薯生长的影响。CHEN等[10]通过测量播种前与收获后的土壤贮水量分析了不同耕作和秸秆还田方式对农田水分利用效率的影响。田间试验的测量方法和精度有限，对农田水量平衡中的一些组成部分如深层渗漏量、作物实际蒸腾量等难以准确测量[11]。此外，在面对多重因素共同作用时，田间试验所需的面积大，投资费用高，不利于对各种气候条件和耕作方式的农田水量平衡进行多因素、重复性、定量化的研究[12]。

随着土壤水分入渗方程的提出不断完善和计算机数值模拟技术的快速发展， Hydrus-2D模型被广泛应用于农田土壤水分运动模拟研究中。该模型有丰富的初始条件和边界条件可供选择，能够模拟不同情景下的田间水文循环过程，对田间试验难以测量的作物实际蒸散量和深层渗漏量等进行辅助计算[13-15]。TU等[16]应用Hydrus模型模拟了2010-2015年中国南方柑橘园土壤水分的动态，分析了导致柑橘园季节性缺水的原因，并给出果园水资源管理的合理建议。ER-RAKI等[17]通过对比摩洛哥半干旱地区不同灌溉方式下的田间蒸发蒸腾量以及土壤含水率的动态，证明了Hydrus模型的可靠性，并通过该模型对灌溉系统的深层渗漏损失进行了评估。目前已有学者针对不同的降雨量或灌溉制度对作物生育期水量平衡的影响进行分析，而在此基础上同时考虑耕作方式的改变对作物生育期水量平衡影响的研究相对较少。冯浩等[18]基于Hydrus-2D模型对黄土高原地区起垄覆膜条件下夏玉米的农田耗水过程分析，水量平衡的计算结果显示起垄覆膜可以使田间无效水分的损耗整体减少，增加农田水分利用效率，但文中并未对作物生育期中单次降雨后的土壤含水率分布和水分循环过程进行分析，也未在Hydrus-2D模型中改变覆膜宽度进而确定节水效果最佳的覆膜宽度，且黄土高原地区的土壤、作物类型以及气候特征与辽西北半干旱区存在较大差异，有必要针对辽西北半干旱区开展水量平衡规律研究。

为了探究起垄和覆膜处理对辽西北半干旱区夏玉米生育期水量平衡的影响，本文基于2017和2018年研究区试验站作物生育期土壤含水率的田间实测数据，建立不同起垄和覆膜条件下的Hydrus-2D模拟模型；选取典型水文年，模拟并分析夏玉米生育期中单次降雨以及整个生育期下垫面的水文循环过程，同时改变覆膜垄作下垫面的覆膜宽度，分析覆膜宽度对水量平衡各项指标的影响，以期完善地膜覆盖和起垄种植技术对农田水文数据影响的相关理论，为提高辽西北半干旱区水资源利用效率、促进农田生态可持续发展提供理论基础及技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在辽宁省朝阳市建平县节水灌溉试验站（119°18'E， 41°47'N，海拔512 m）进行。该站位于建平县中西部，老哈河东岸，属于温带大陆性季风气候。地区多年平均气温7.1 ℃，日照时数2 868～3 111 h，多年平均降水量为430～470 mm，主要集中在6-8月，多年平均实际蒸散量为1 800～2 100 mm，主要集中在4-6月。当地夏玉米生育期为4-8月，生育期多年平均降雨量为360 mm，实际蒸发量为670 mm。土壤类型以砂壤土为主，砂粒含量较高，粒间大孔隙数量多，持水性差。田间持水量为0.21 cm3/cm3，水分蒸发速率快，因此很少形成地表径流。试验站地下水埋深在3 m以下，潜水蒸发量可忽略不计。

1.2 大田试验与测量项目

于2017和2018年4-8月开展大田小区试验，试验小区3 m×50 m，四周设保护行。供试的玉米品种为辽单1 211，生育期阶段划分见表1。设置不覆膜平作（NL-NM）、不覆膜垄作（L-NM）、覆膜平作（NL-M）和覆膜垄作（L-M）4种下垫面处理，每种处理各3个重复。采取垄上覆膜，膜间种植，种植行距为40 cm，株距为30 cm，每667 m2种植4 000株玉米，垄沟和覆膜宽度均为60 cm，垄沟深度6 cm，地膜材料为聚乙烯透明塑料薄膜。由于在垂向剖面各作物两侧的降雨入渗过程相同，因此4种耕作处理均在作物单侧每隔20 cm埋设1根TRIMETDR测管，监测2017和2018年4月27日-8月31日0～120 cm土层深度降雨前1 d和降雨后1 、2 、3 和5 d不同剖面位置的土壤含水率变化，其中雨前1 d的监测时刻根据天气情况确定，雨后的含水率监测在每日08:00进行。当地施肥情况与农户保持一致，2017和2018年夏玉米生育期降雨总量分别为426和309 mm。各下垫面处理示意图如图1所示。

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

表1 试验区夏玉米生育期各阶段划分Table 1 Division of different stages of summer maize growth period in the experimental area

由于试验所在地降雨较少，为保证作物生长的需水量，在生育期内对作物进行补水灌溉，灌溉时间及灌溉量通过式（1）确定。

式中Q为单次灌溉量，mm；H为设计土壤灌溉深度，苗期-抽雄期为40 cm，灌溉-成熟期为60 cm；θup为土壤含水率上限，即田间持水量的100%，cm3/cm3；θlow为土壤含水率下限，即下降到田间持水量的70%后连续3 d仍无降雨时的土壤含水率，cm3/cm3；p为湿润面积百分比，本研究取0.6；ŋ为设备的应用效率（滴灌始终假定为95%）。

灌水方式为滴灌，2017年7月20日灌水20.21 mm，2018年7月6日和8月7日分别灌水17.68和24.63 mm。采用由新疆天业公司生产的内镶式薄壁滴灌带，管径16 mm，滴头流量1.38 L/h，滴头间距120 cm，滴头埋深8 cm滴头位置如图1所示。

1.3 Hydrus-2D建模

1.3.1 模型方程

作为模拟二维饱和-非饱和土壤水、热、溶质运移的数值模拟模型，Hydrus-2D可模拟降雨渗入土壤剖面的二维水分运动过程[19-20]。本文应用Hydrus-2D模型模拟田间不同耕作方式夏玉米生育期的每日土壤蒸发、作物蒸腾、土壤含水率以及深层渗漏量。

1）水流运动控制方程

覆膜起垄条件下的土壤水分运动可视为二维入渗过程，水流控制方程选用Richards方程，采用Galerkin有限元方法求解[21]，计算式如下：

式中θ是土壤体积含水率，cm3/cm3；h是压力水头，cm；K(h)是导水率，cm/d；t为模拟时间，d；x和z是水平和垂直坐标，cm，S(h)为根系吸水项，指单位时间单位体积土壤中根系吸水率，d-1。

2）土壤水分特征曲线模型

土壤水分特征曲线模型采用van Genuchten模型[22]，计算式如下：

式中Ks为土壤饱和导水率，cm/d；θr为土壤残余体积含水率，cm3/cm3；θs为土壤饱和体积含水率，cm3/cm3；Se为相对饱和系数；α、n、m均为土壤物理特性有关的拟合参数；l为孔隙关联度参数，取0.5。

3）根系吸水模型

根系吸水模型选用Feddes模型[23]，计算式如下：

式中S(h)为根系吸水速率，cm3/cm3；a(h)为水分胁迫响应函数；b(x,z)为根系吸水分配密度函数；Tr为潜在腾发速率，cm/d；St为与作物蒸腾过程有关的土壤表面宽度，cm；h1是根系吸水厌氧点压力水头，cm；h2是根系吸水最适的压力水头，cm；h3是根系吸水结束的压力水头，cm；h4是根系吸水萎靡点压力水头，cm。根系吸水参数值参考WESSELING等[24]，直接在Hydrus-2D中选定。

4）蒸发蒸腾量计算

Hydrus-2D模型需要通过输入潜在蒸散量来完成作物-土壤水分的交换运移过程，并通过运算将潜在蒸散量转化成实际的蒸散量。采用单作物系数法计算潜在蒸散量，在试验区附近气象站气象数据基础上，根据Penman-Monteith公式计算出参考作物蒸发蒸腾量，然后根据单作物系数法计算出潜在作物蒸发蒸腾量，再根据Beer定律分离出潜在蒸发量和潜在蒸腾量[25]。

参考作物蒸发蒸腾量计算式如下：

式中ET0为参考作物蒸发蒸腾量，mm；Rn为净辐射量，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)，由于本研究计算为日尺度，所以取值为0；μ2为2 m高处的风速，m/s；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；△为饱和水汽压与温度曲线的斜率，kPa/℃；γ为干湿表常数，kPa/℃；T为海温度，℃。

潜在蒸发蒸腾量计算式如下：

式中ET为潜在蒸发蒸腾量，mm；KC为综合作物系数，采用FAO-56（联合国粮农组织）的推荐值。

Beer定律计算潜在蒸腾量公式：

式中TP为潜在蒸腾量，mm；K为消光系数无量纲，玉米一般取值0.4；L为叶面积指数无量纲。

实际蒸腾量计算式如下：

式中Tα为实际蒸腾量，mm/d；Ω为根系分布区面积，cm2；α’为水分胁迫因子；w为土壤水势，cm；wφ为渗压水头，cm；b为根系分布函数。

实际蒸发量在表层土壤负压水头下降到临界值之前等于潜在蒸发量，在表层土壤负压水头达到临界值之后，上边界变为定水头边界并根据达西公式计算土壤蒸发量[26]。

1.3.2 几何区域及边界条件

建立与田间试验相同初始条件的Hydrus-2D模型，如图2。各模型的垂向边界没有水分的水平运移，故几何区域两侧设置为零通量边界。土壤表层覆膜部分由于膜的不透水性设置为零通量边界；未覆膜区域有降雨和蒸发过程，设置为大气边界。试验站当地地下水埋深常年在3 m以下且土壤透水性强，所以模型的底部设置为自由排水边界。当对农田进行滴灌时，滴头处设置为变水头边界。在软件中的可视化窗口可以调整模型的垄沟形状以及覆膜宽度。需要注意的是当改变覆膜宽度时，膜上降雨会汇集到未覆膜区域，因此土壤表层大气边界所对应的降雨量也应增加相应的倍数，使各下垫面的整体降雨量均相同。模型中0～40 cm处由于土壤含水率变化幅度较大，有限元网格直径为3 mm，＞40～90 cm土层土壤含水率变化较小，有限元网格直径为5 mm。在各模型竖直方向10～60 cm深度每隔10 cm设置一行观测点，水平方向每隔30 cm设置一列观测点。

图2 模拟区域及边界条件示意图Fig.2 Schematic diagram of simulation area and boundary conditions

1.3.3 参数率定及验证

通过剖面法取得原状土样，用烘干法测得土壤的饱和含水率。利用离心机测定不同含水率所对应的压力水头值，进而借助RETC软件拟合得到各层土壤在van Genuchten(VG)模型中的水分特征参数。将实测土壤水分特征参数作为初始值输入到Hydrus-2D模型中进行参数率定，率定后各层土壤的特征参数见表2。

表2 率定后的土壤特征参数Table 2 Soil characteristic parameters after calibration

根据田间试验监测的各处理不同剖面的土壤含水率数据和模型模拟结果，利用决定系数（R2）以及均方根误差（SRMSE）对模型的模拟精度进行评价，计算式见文献[27]。其中SRMSE的值越接近0，R2的值越接近1，证明模型的模拟精度越高。

1.3.4 模型模拟

根据建平县试验站2000-2022年的年降雨量数据，选择降雨频率为25%、50%和75%的丰、平、枯3个典型年，分别为2008、2014和2001年。根据前述4种下垫面处理的Hydrus-2D模型，模拟各典型年不同处理的土壤含水率变化过程。其中，根据模拟计算的NL-NM处理生育期计划湿润层的土壤含水率情况，按式（1）确定灌溉日期及灌水量。各典型年的降雨量及灌溉情况见表3。

表3 各典型年灌溉方案制定Table 3 Formulation of irrigation schemes for each typical year

在确定灌溉方案后，建立各典型年全生育期的Hydrus-2D模型，并结合各下垫面处理的节水效果以及当地实际生产情况，对L-M处理设置50、60、70、80 cm 4种覆膜宽度，模拟得到夏玉米在自然降雨条件下的生育期水文循环过程，绘制夏玉米生育期每日的土壤含水率空间分布图、蒸散量和深层渗漏量，通过式（13）和式（14）计算各模型的农田耗水量和农田贮水量。

式中QC为农田耗水量，mm；Eα为实际蒸发量，mm；Dα为实际深层渗漏量，mm；QS为农田贮水量增加量，mm；Pr为降雨量，mm；I为灌溉量，mm。

1.4 统计分析

大田试验中的测量数据用3组重复试验的平均值表示。Hydrus-2D模型输出的结果均在Matlab 2021a中进行处理计算，数据的统计分析采用SPSS 22.0软件。应用单因素方差分析测试各下垫面处理方式下蒸发、蒸腾、深层渗漏和农田含水率之间的显著性差异，当P值小于0.05时，认为非常显著，当P值小于0.01时，认为极显著。使用Origin 2018绘图。

2 结果与分析

2.1 模型验证

为了验证建立的Hydrus-2D模型可靠性，将2017年实测土壤含水率数据代入模型中进行土壤水分特征参数的率定，用2018年实测土壤含水率数据进行模型的验证，得出2017和2018年各下垫面处理土壤含水率的模拟值与实测值间的决定系数以及均方根误差，结果见表4。表4中4种下垫面处理实测值和模拟值的R2均在0.87及以上，SRMSE在0.01 cm3/cm3以下，总体拟合效果较好。在各下垫面处理中随机选取了2017年NL-NM和2018年L-M下垫面10、20、40、60 cm土层深度的实测值与模拟值展示动态，如图3所示。图3表明生育期内各土层深度的实测值和模拟值的一致性高，Hydrus-2D模型对各种耕作方式降雨后土壤含水率的动态变化过程模拟效果均较好，可以用来开展本文相关试验的模拟分析。

图3 4种耕作方式不同土深（d）处土壤含水率模拟值与实测值对比Fig.3 Comparison between simulated and measured values of soil water content at different soil depths （d）under four tillage methods

表4 2017和2018年各处理实测值与模拟值的决定系数和均方根误差Table 4 Coefficient of determination（R2）and root mean square error（SRMSE）of measured and simulated values for each treatment in 2017 and 2018

2.2 基于Hydraus-2D的模拟结果分析

2.2.1 降雨后土壤含水率空间分布

为了研究起垄和覆膜处理对单次降雨入渗过程的影响，以降雨前、后5 d内均未发生重复降雨的2018年7月8日降雨量45 mm为例，导出Hydrus-2D模型模拟结果中4种下垫面处理雨前和雨后1、3、5 d的有限元网格结点土壤含水率数值，绘制土壤含水率空间分布图，见图4。

图4 4种下垫面处理雨后1、3、5 d土壤含水率空间分布Fig.4 Spatial distribution of soil water content after rainfall 1、3、5 days for four types of underlying surfaces

由图4可知，起垄或覆膜处理下垫面的土壤含水率均高于NL-NM处理。与NL-NM处理相比，L-NM处理降雨后1 d的土壤水分增加效果最明显，土壤平均含水率增加2.44%，L-M处理对降雨后3 和5 d的土壤水分增加效果最明显，土壤平均含水率分别增加2.23%和2.57%。与NL-NM处理相比，其余3个处理的深层土壤含水率增加更快，其中L-M处理在雨后1 d时深层土壤含水率就已经高于0.20 cm3/cm3。对比4种下垫面浅层土壤水平方向上的土壤含水率可知，降雨后1 d，NL-M和L-M处理的膜间水分含量小于NL-NM处理，但由于覆膜处理能减少下垫面的水分蒸发，且起垄和覆膜处理均有较强的集雨能力，使沟中或膜间的表层土壤含水率较高，进而增加浅层土壤中水分在水平方向的运移能力，在降雨3 d后，各下垫面的土壤水分在水平方向上呈均匀分布。在降雨5 d后NL-M和L-M处理的膜间水分含量已经明显高于NL-NM处理。可见起垄和覆膜处理可以增加降雨后土壤中的水分含量以及垂向的入渗速率，并且不会由于地膜的不透水性和下垫面形状的改变造成入渗稳定后土壤中水分分布的不均匀。

2.2.2 蒸发蒸腾和深层渗漏

1）蒸发和蒸腾速率

为了探究不同水文年夏玉米生育期的蒸散量以及在起垄和覆膜处理后蒸发和蒸腾速率的变化特征和起垄和覆膜处理对农田耗水结构的影响，导出了Hydrus-2D模型模拟结果中4种下垫面处理的边界通量数值，应用SPSS软件对各下垫面的日蒸发、蒸腾速率进行了方差分析，并分别绘制了各典型年夏玉米生育期每日蒸发和蒸腾速率变化的折线图，见图5。

图5 不同水文年夏玉米生育期蒸发和蒸腾速率Fig.5 Evaporation and transpiration rate of summer maize during growth period in different hydrological years

通过分析不同水文年的气象数据可知，2001和2014年作物生育期的参考作物蒸发蒸腾总量明显高于2008年，其中2014年最高，为672.05 mm，2001和2008年分别为625.63和554.76 mm。图5中，作物生育期的蒸发速率呈现首尾高中间低的变化规律，各水平年不同处理中，苗期和成熟期的平均蒸发速率分别为1.42和1.15 mm/d，在拔节期开始至灌浆期结束的平均蒸发速率为0.62 mm/d。蒸腾速率呈现先增加后减少的变化规律，在拔节期开始至灌浆期结束的平均蒸腾速率为3.20 mm/d，苗期和成熟期的平均蒸腾速率分别为0.85和0.62 mm/d。通过对比相同下垫面处理方式在3个典型年日蒸发和蒸腾速率的平均值发现，起垄后作物的日蒸发速率和蒸腾速率与不起垄差异不显著（P＞0.05）。覆膜后作物的日蒸发速率减少0.39 mm，日蒸腾速率增加0.27 mm，数据变化极其显著（P<0.01）。与起垄相比，覆膜对蒸发、蒸腾速率的影响更为显著。比较覆膜对3个典型年蒸发、蒸腾速率的影响可知，在蒸散量较多的2001和2014年，覆膜后日蒸发速率的减少量超过0.5 mm，而蒸散量较少的2008年，日蒸发速率的减少量仅为0.26 mm。覆膜后2014年的日均蒸腾速率增加幅度最大，为0.30 mm，2008年的增加幅度最小，为0.26 mm。可见，蒸散能力越强的年份，覆膜后蒸散发速率的变化幅度越大。

2）深层渗漏速率

为了分析起垄和覆膜处理对夏玉米生育期深层渗漏速率的影响，各典型年4种下垫面深层渗漏速率变化见图6。

图6 不同水文年夏玉米生育期深层渗漏速率Fig.6 Deep drainage rate of summer maize during growth period in different hydrological years

在降雨或灌溉后土壤水分含量超过农田下垫面的最大储水量时，会发生深层渗漏。本研究中当土壤含水率达到田间持水率则停止灌溉，因此灌溉不会导致深层渗漏量的明显增加，降雨成为本研究中影响深层渗漏的主要因素。从图6可知，2001年的平均日渗漏速率较2008年增加0.13 mm，降雨量越多的年份作物在生育期内发生深层渗漏的频率和日深层渗漏速率越高，且起垄和覆膜处理对深层渗漏速率的影响均不显著（P＞0.05）。通过对比降雨量和深层渗漏速率可知，当发生多日连续降雨，土壤中含水率持续较高时，覆膜对深层渗漏速率有抑制作用，但当出现单次40 mm以上降雨量的大雨时，覆膜后的深层渗漏速率反而更高。

2.3 作物生育期水量平衡

各典型年4种下垫面作物生育期的水量平衡结果如表5所示。对比各下垫面的累积蒸发和蒸腾量可知，起垄处理对作物生育期累积蒸发量和蒸腾量的影响较小；覆膜处理能够大幅减少作物生育期的蒸发量并增加蒸腾量。对比各下垫面处理方式3个典型年的各项水量平衡数据平均值可知，覆膜后的下垫面累积蒸发量减少52.24 mm，累积蒸腾量增加31.84 mm，此外，覆膜处理对2001和2014年累积蒸发量的减少效果更明显，对2014年累积蒸腾量的增加效果更明显。生育期的累积深层渗漏量的变化主要受降雨的影响，降雨量越充足的年份累积深层渗漏量越多。覆膜处理能够使各典型年下垫面的深层渗漏量平均减少5.35 mm，而起垄处理对深层渗漏量基本没有影响。综上，覆膜能够减少作物生育期的蒸发量和深层渗漏量，增加蒸腾量（减少的蒸发量大于增加的蒸腾量）进而减少作物生育期的农田耗水量，使覆膜后各典型年的平均农田耗水量减少25.74 mm，是改变各典型年作物生育期耗水量的最主要因素。此外，在覆膜的同时进行起垄处理，能够进一步减少8.16 mm的农田耗水量。

表5 不同水文年夏玉米生育期水量平衡Table 5 Water balance in summer maize growth period in different hydrological yearsmm

与起垄相比，覆膜处理对作物生育期水量平衡各指标的影响更为明显。为了分析覆膜宽度对各水量平衡项的影响，根据4种下垫面处理的节水效果以及当地的种植习惯，依据所建立的Hydrus-2D模型，模拟分析各典型年L-M处理在覆膜宽度分别为50、60、70、80 cm条件下的夏玉米生育期水量平衡情况，结果见表6。

表6 不同覆膜宽度L-M下垫面夏玉米生育期农田水量平衡Table 6 Water balance in field of L-M underlying surface in summer maize growth period under different plastic width

由表6可知，随着覆膜宽度的增加，各典型年的蒸发量均逐渐下降，各典型年的覆膜宽度每增加10 cm，蒸发量平均下降12.12 mm，其中2014年蒸发量在覆膜宽度为50和80 cm时相差42.23 mm，下降幅度最大。对于蒸腾量，随着覆膜宽度的增加，2008和2001年的蒸腾量均逐渐增加，但不同覆膜宽度间蒸腾量的差异并不大。对于深层渗漏，当2008枯水年的覆膜宽度从50 cm增加到60 cm时，深层渗漏量减少0.70 mm，之后随着覆膜宽度的增加逐渐上升，平水年和丰水年的渗漏量均随覆膜宽度的增加而上升。综上，各典型年中随着覆膜宽度的增加，作物生育期减少的蒸发量均大于增加的蒸腾量和耗水量，农田耗水量逐渐减少，其中枯水年减少13.11 mm，平水年减少18.47 mm，丰水年减少23.17 mm。除平水年和枯水年膜宽50 cm的下垫面农田贮水量为负值以外，L-M下垫面的其他模拟方案农田贮水量均为正值，不会造成作物生育期土壤水分的流失。

3 讨论

3.1 模型有效性

Hydrus模型作为一种结合土壤水分、溶质和热运移计算的数学模型，被广泛应用于节水灌溉的研究领域。降雨后的部分水分会被作物截流，截流的水量也会随着作物的生长而变化，但目前模型中暂无作物截流与作物生长模块，因此可能会使模拟的结果产生误差。起垄覆膜能够减小土壤表面蒸发、提高土壤温度、控制微生物活性进而为作物提供适宜的水热条件，加速作物生长，因此本文在计算作物的潜在蒸发蒸腾量时对4种农田下垫面均采用相同的作物系数可能会使结果存在误差，在实际生产中起垄和覆膜后的下垫面在拔节期开始-灌浆期结束的日蒸腾速率可能均大于与之对照的裸地平作处理。本文模型中的模拟值与实测值的R2均在0.87以上，SRMSE在0.01 cm3/cm3以下，证明了本文建立的Hydrus-2D模型对4种下垫面生育期水分的动态变化拟合效果较好，但在今后的研究中还应考虑覆膜和起垄对作物生长的促进作用，增加对不同耕作方式下作物系数的研究，进一步提高模型的模拟精度。

3.2 水量平衡

作物根系的密度以及根系周围的土壤含水率是影响作物根系吸水进而影响蒸腾作用的主要因素，而由于覆膜和起垄的集雨作用会改变农田下垫面的降雨入渗过程，因此了解4种下垫面处理在降雨后1～5 d的土壤含水率动态对于摸清各农田下垫面降雨后的水分入渗过程以及水分分布情况非常重要。模拟结果显示，起垄和覆膜都有集雨的作用，能够显著增加降雨后膜间或垄沟内的土壤含水率，并加速水分的垂向入渗速率[28]。由于地膜覆盖阻断了土壤和大气间的水量交换，因此雨后1 d的NLM和L-M处理膜间水分含量小于NL-NM处理，但地膜的不透水性能够减少蒸发，在降雨5 d后NL-M和L-M处理的膜间水分含量已经明显高于NL-NM处理，并不会由于起垄和覆膜导致土层中水分分布不均匀进而减少作物根系周围的水分分布。

摸清作物生育期的农田蒸散发量是研究作物需水变化以及农田水转化的关键，但该过程并不单纯与降雨量相关，同时还受作物特征、气象环境以及农田管理措施等多因素的影响[29]。本研究中平水年的作物生育期参考作物蒸发蒸腾量最多，枯水年最少。与覆膜相比，起垄处理对土壤蒸发和作物蒸腾的影响并不明显。前人在甘肃石羊河试验站的砂壤土下垫面进行作物生育期水量平衡研究时发现，覆膜处理能够减少蒸发量，增加蒸腾量，使作物生育期内累积蒸发蒸腾量之和减少10%～16%[30]，这与本研究中覆膜处理能够减少作物生育期52.24 mm蒸发量并增加31.84 mm蒸腾量的结果类似。此外，本研究还发现蒸散能力最强的2014年在覆膜后蒸散量的变化幅度均最大，并且随着覆膜宽度的增加，蒸散量的变化幅度也最大。LI等[31]研究覆膜处理对陕西合阳试验站的粉壤土下垫面玉米生育期耗水量影响时得出覆膜处理反而会增加蒸发蒸腾量的结论。可见覆膜处理对蒸发和蒸腾的影响还与试验区的气候以及当地的土壤类型等因素均有关，当试验区为孔隙度大透水性强的砂壤土时，覆膜处理能够大幅降低下垫面的蒸发能力，使减小的蒸发量大于增加的蒸腾量，进而减少作物对水分的消耗，但当试验区为孔隙度小透水性较差的粉壤土时，土壤持水能力较强，水分不易被蒸发，覆膜处理降低蒸发的效果减弱，反而会造成累积蒸发蒸腾量的增加。

农田下垫面深层渗漏量受降雨和灌溉的影响最为显著[32]。由于本研究制定的灌溉方案仅能够使浅层土壤达到田间持水率，并不会造成深层渗漏速率的快速增加，因此降雨成为发生深层渗漏的主要来源。HE等[33]在研究中发现，当单次降雨量较大的降雨时更容易发生深层渗漏，LAI等[34]通过CART分析得出降雨前期土壤含水率对深层渗漏的贡献度最大，当土壤初始含水率较高时雨后的深层渗漏量较大，而多日连续降雨是造成土壤含水率变高的最主要原因。本研究发现作物生育期深层渗漏的发生时机与上述两学者的研究类似，均由单次强降雨或多日连续降雨导致。此外，由于覆膜和起垄均有集雨作用，砂壤土的空隙大，入渗能力强，在遇到单次强降雨时水分不能及时在水平方向入渗均匀，因此起垄和覆膜会增加单次强降雨后农田下垫面的深层渗漏速率；但在遇到多日连续降雨时，水分能够入渗均匀且覆膜能够提高作物的根系吸水能力，覆膜反而能降低农田下垫面的深层渗漏速率。由于试验区各典型年在作物生育期中发生强降雨的频率均不高，因此覆膜能够减少作物生育期深层渗漏量，且覆膜越宽减少的深层渗漏量越多。

冯浩等[18]通过对比裸地平作和起垄覆膜夏玉米生育期的耗水量，发现起垄覆膜种植在2014和2015年能明显减少农田耗水量，提高农田对水分的利用效率。这与本研究中覆膜能够使各典型年平均农田耗水量减少25.74 mm，在覆膜的同时进行起垄处理，能进一步减少8.16 mm农田耗水量的结果基本一致。本试验区具有降雨量少且土壤保水能力差的特点，在降雨不充沛的平水年和枯水年会使作物生育期农田贮水量下降，导致土壤中水分含量不足。起垄覆膜处理能够增加土壤中水分含量，覆膜宽度不小于60 cm的L-M处理农田贮水量均为正值，且在平水年和枯水年中，覆膜越宽L-M处理的农田耗水量越少，贮水量越多，农田贮水量的增加有利于作物根系对肥料的吸收，加速土壤中有机物的分解以及养分的转化，进而在研究区形成节水高产的良性循环。

LIAO等[35]还在研究中发现当降雨强度较大时，由于雨滴的撞击造成土壤压实，容易增加表层土壤的容重并减少土壤的孔隙度，削弱土壤的水分入渗能力，在覆盖秸秆或园艺织物后，可以在土壤表面形成一层保护膜，减少雨滴的影响。因此，在今后的研究中还应考虑覆膜后对于研究区砂壤土表层容重和孔隙度的影响，对不同下垫面处理生育期前后的土壤容重和孔隙度进行测量和对比。此外，ZHANG等[9]在研究中发现不同地膜颜色也会通过影响浅层土壤的温度进而影响下垫面的水分的利用效率，同时覆膜还有促进作物生长以及增加产量的作用。因此在今后的研究中，还应考虑适合本研究区的地膜颜色以及覆膜后对作物生长和产量的影响，进而得到既能减少农田耗水量，又能促进作物生长、提高产量的起垄覆膜种植方式。