史栩帆，張展羽,2，陸培榕，馮根祥，張澤民

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；2.南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098)

0　引　言

我國(guó)東部濱海地區(qū)分布著大約200 萬(wàn)hm2的鹽堿地[1]，隨著土地資源的供給壓力不斷增大，鹽漬土的合理開(kāi)發(fā)和利用具有重要意義。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在合理的灌溉方式、農(nóng)藝措施和改良技術(shù)下，利用微咸水灌溉，能夠滿足作物正常生長(zhǎng)需求，達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)、改良鹽漬土的目的[2]。埋設(shè)隔離層是鹽漬土改良的有效措施[3]。研究表明，在地表以下30 cm處覆蓋秸稈可有效降低土壤水分蒸發(fā)，阻隔水鹽上行[4]；Zribi等[5]研究表明秸稈覆蓋降低了土壤鹽分的表面聚集；趙永敢等[6]研究得到秸稈隔層和地膜覆蓋可以有效抑制潛水蒸發(fā)和土壤返鹽；Bhatt等[7]研究表明，秸稈覆蓋深度和覆蓋量對(duì)土壤保墑和抑制鹽分會(huì)產(chǎn)生影響。眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明，采用數(shù)值模擬的方法可以有效地反映出土壤水鹽的動(dòng)態(tài)遷移特征[8-10]。張化等[11]利用HYDRUS-2D模型模擬與驗(yàn)證海冰水田間水鹽運(yùn)移規(guī)律，驗(yàn)證結(jié)果表明模型具有較好的可靠性。

秸稈隔層對(duì)于鹽漬土雖具有一定的改良效果，但其在大田中的可行性不高。探究一種合理且操作簡(jiǎn)單的秸稈布設(shè)方式將有利于秸稈還田工作的進(jìn)一步普及。本研究采用地埋秸稈體的方式，利用HYDRUS-2D模型研究不同灌溉水礦化度和不同地下水深度對(duì)江蘇濱海地區(qū)鹽漬土水鹽運(yùn)移的影響，探究地埋秸稈體的改良效果，以期為微咸水灌溉及鹽漬土的開(kāi)發(fā)利用提供依據(jù)和參考。

1　材料與方法

1.1　土柱試驗(yàn)

1.1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，多年平均降水量為1 021.3 mm，年平均蒸發(fā)量約為900 mm，年平均日照時(shí)間為2 212.8 h，年平均氣溫15.7 ℃。試驗(yàn)用土取自河海大學(xué)節(jié)水園區(qū)，土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土，土壤容重為1.30 g/kg，飽和含水率為33.61%(質(zhì)量含水率)，田間持水量為31.1%(質(zhì)量含水率)，測(cè)其初始含鹽量并按比例摻加NaCl模擬含鹽量為5 g/kg的鹽漬土。

1.1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與布置

本試驗(yàn)所用有機(jī)玻璃土柱長(zhǎng)、寬、高分別為40、40和120 cm。在土柱的兩側(cè)每隔10 cm開(kāi)有口徑為1 cm的測(cè)量孔，用于儀器探針的插入。土柱底部10 cm為隔水層，隔水層上部設(shè)一開(kāi)有若干過(guò)水圓孔的隔板，填筑土壤時(shí)在隔板上方鋪設(shè)0.5 cm厚無(wú)紡布來(lái)阻擋土顆粒進(jìn)入水層。在土柱底部通過(guò)馬氏瓶連接橡膠軟管對(duì)底部水層持續(xù)供給含鹽量為5 g/L水作為地下水，通過(guò)控制馬氏瓶的高度來(lái)控制地下水位。試驗(yàn)土樣按大田土壤容重分層填裝壓實(shí)。試驗(yàn)中使用干枯水稻秸稈，用雙層無(wú)紡布將水稻秸稈外包成底面直徑15 cm的圓柱體，并用細(xì)塑料繩捆綁定形，將其埋設(shè)在土表以下40 cm處正方形截面中間位置，土柱內(nèi)除秸稈體區(qū)域外土質(zhì)分布均勻。試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，不接受降雨。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1(a)。

1-填土線；2-排水管；3-秸稈體；4-測(cè)量孔；5-水層；6-地下水位線；7-馬氏瓶圖1　裝置立面、剖面示意圖(單位：cm)Fig.1 Equipment drawing of experiment

本試驗(yàn)共灌水4次，第一次灌水采用大水洗鹽來(lái)降低土壤鹽分含量，每個(gè)處理灌水量為125 mm，其余3次每個(gè)處理灌水量皆為62.5 mm，灌水間隔20 d。每個(gè)土柱種植一株夏玉米(蘇玉29)，模擬行距40 cm，株距40 cm的大田環(huán)境，試驗(yàn)共開(kāi)展兩年，分別于2015年6月25日和2016年6月28日播種。試驗(yàn)選擇淡水、3、5 g/L 3種灌水礦化度，60和80 cm兩種地下水埋設(shè)深度，共6種處理，每種處理重復(fù)3次。具體處理方式見(jiàn)表1。

1.1.3測(cè)定項(xiàng)目及方法

灌水后每隔10 d在土槽各取土孔處利用TDR-MUS鹽分傳感器(荷蘭農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院)測(cè)量不同深度土層的電導(dǎo)率值和含水率，每次灌水前后1 d加測(cè)。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式[12]將電導(dǎo)率換算成土壤含鹽量，g/kg。

表1　試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)Tab.1 Experimental treatment design

1.2　數(shù)值模擬

HYDRUS-2D是由美國(guó)鹽改中心研發(fā)的用于模擬水、熱、溶質(zhì)運(yùn)移的二維有限元計(jì)算模型，能夠較好地模擬水分、溶質(zhì)與能量在土壤中的垂直分布、時(shí)空變化及運(yùn)移規(guī)律。模型水分運(yùn)動(dòng)方程采用修正過(guò)的Richards方程，溶質(zhì)運(yùn)移采用對(duì)流彌散方程，方程求解采用Calerkin線性有限元法。土壤水鹽模擬流程圖如圖2。

圖2　土壤水鹽模擬流程圖Fig.2 Flow chart of simulating soil water flow and solute transport

1.2.1定解條件

選取垂直于秸稈體的土壤剖面作為計(jì)算區(qū)域，計(jì)算區(qū)域內(nèi)土壤初始含水率和初始含鹽量分布均勻，初始含水率為8.02%，初始含鹽量為5 g/kg；將秸稈體視為特殊土質(zhì)，初始含水率和初始含鹽量均為0。上邊界考慮灌溉和蒸發(fā)；左、右邊界為對(duì)稱邊界，視為零通量邊界；因地下水位在實(shí)驗(yàn)階段保持恒定，故下邊界為定水頭邊界，設(shè)置地下水深度和礦化度；秸稈體邊界可視為滲透邊界，當(dāng)邊界上節(jié)點(diǎn)含水量小于飽和含水量時(shí)為零通量邊界；節(jié)點(diǎn)含水量達(dá)到飽和含水量時(shí)為定水頭邊界，溶質(zhì)為自由出流邊界。模擬區(qū)域示意圖見(jiàn)圖1(b)。

(1)

(2)

式中：h為負(fù)壓水頭，cm；h0(x,z)為土壤初始?jí)毫λ^，cm；c為土壤溶質(zhì)濃度，g/cm3；c0(x,z)為土壤初始含鹽量；x，z為空間坐標(biāo)，cm，以土壤縱剖面表層中點(diǎn)為原點(diǎn)，-20≤x≤20，向右為正，-100≤z≤0，向上為正；K(h)為非飽和土壤導(dǎo)水率，cm/d；ε為垂向水流交換強(qiáng)度，cm/d；Dij為飽和-非飽和土壤水動(dòng)力彌散系數(shù)，cm2/d；qi為z方向上的達(dá)西流速，cm/d；L為 地下水埋深，cm；cL為地下水礦化度，g/L。

1.2.2單元?jiǎng)澐?/p>

模擬區(qū)域?qū)挾葹?0 cm，深度為100 cm，共剖分為2 255 個(gè)三角單元。觀測(cè)重點(diǎn)為玉米根系主要分布區(qū)0～60 cm土層，觀測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置在0、10、20、30、40、50、60 cm深度。時(shí)間離散單位為d，模擬時(shí)間從2015年6月25日至10月23日，從2016年6月28日至2016年10月26日，總計(jì)240 d，最小時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 d。

2　結(jié)果與分析

2.1　模型率定和驗(yàn)證

2.1.1模型率定

本研究采用2015年夏玉米全生育期6個(gè)處理的土壤水鹽數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定。通過(guò)比較玉米根系主要分布區(qū)(0～60 cm)土壤體積含水率及土壤含鹽量的模擬值和實(shí)測(cè)值來(lái)調(diào)整土壤、秸稈體的水分、溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)和根系吸水參數(shù)，并采用均方根誤差(RMSE)、納什模型效率(NSE)、決定系數(shù)(R2) 3個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)模型的模擬精度。相關(guān)研究表明，在RMSE與實(shí)測(cè)值均值的比值在20%以內(nèi)、NSE大于0.5、R2大于0.5時(shí)，認(rèn)為模型達(dá)到率定要求[13]，本文以T1、T6兩個(gè)處理為例進(jìn)行說(shuō)明。

表2為率定過(guò)程各處理土壤水鹽模擬精度評(píng)價(jià)表。由表可知，除T6處理0～20 cm土層外，各土層土壤水鹽模擬精度均滿足要求，T6處理0～20 cm土層含鹽量NSE較小，但該土層RMSE較小，R2大于0.6，認(rèn)為其達(dá)到率定要求。率定后的土壤及秸稈體水力特性和溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)見(jiàn)表3。

表2　率定過(guò)程土壤水鹽模擬精度評(píng)價(jià)表Tab.2 Goodness of fit test indicators relative to model calibration

表3　土壤-秸稈體水力特性和溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)率定值Tab.3 Hydraulic parameters and solute transport parameters of soil and straw piece

注：θr為殘余含水率；θs為飽和含水率；Ks為飽和導(dǎo)水率；α、n、l為決定土壤水分特征曲線的形狀參數(shù)；DL為縱向彌散度；DT為橫向彌散度。

2.1.2模型驗(yàn)證

采用2016年夏玉米全生育期土壤水鹽數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。圖3為夏玉米全生育期內(nèi)土壤水分、土壤鹽分模擬值與實(shí)測(cè)值比較，可以看出數(shù)據(jù)點(diǎn)基本處與1∶1線附近，模擬值與實(shí)測(cè)值可擬合為線性相關(guān)關(guān)系，斜率分別為0.941 8和0.897 7。土壤水分模擬值和實(shí)測(cè)值的RMSE和NSE分別為0.05 cm3/cm3和0.66，R2大于0.8。土壤鹽分模擬值和實(shí)測(cè)值的RMSE小于0.4 g/kg，NSE大于0.6，R2大于0.7。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明土壤水分、鹽分模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性達(dá)到了顯著水平，率定后的模型可以用于實(shí)際模擬。

圖3　驗(yàn)證期土壤含水率、含鹽量實(shí)測(cè)值與模擬值Fig.3 Comparison of simulated and measured soil water content and soil solute concentration relative to model validation

2.2　模型應(yīng)用

利用率定和驗(yàn)證后的模型，模擬地埋秸稈體條件下0～200 cm土層土壤水鹽動(dòng)態(tài)，重點(diǎn)分析不同條件對(duì)玉米根系主要分布區(qū)0～60 cm土層平均土壤含水率和含鹽量的影響。設(shè)置6種地下水深度和3種灌溉水礦化度的組合試驗(yàn)?zāi)M，地下水深度分別為另60、80、100、120、150和200 cm，灌溉水礦化度為淡水，3和5 g/L，地下水礦化度為5 g/L。考慮到濱海鹽漬土地下水位一般在1.5 m左右，故另設(shè)置3組不埋設(shè)秸稈，地下水位為150 cm，灌溉水礦化度分別為淡水(C1)、3 g/L(C2)、5 g/L(C3)，共21個(gè)處理。

圖4(a)為在灌溉水礦化度為3 g/L條件下，不同處理土壤水分在全生育期的變化情況。各處理體積含水率均表現(xiàn)為灌水后含水率顯著增加，后因蒸發(fā)和根系吸水含水率降低。當(dāng)?shù)叵滤粸?0 cm時(shí)，第一次灌水灌后1 d到灌后20 d土壤體積含水率從0.371 cm3/cm3降低到0.331 cm3/cm3，降幅為10.8%；當(dāng)?shù)叵滤粸?00 cm時(shí)，土壤體積含水率降幅為34.4%，變化范圍更大。這主要是因?yàn)殡S著地下水位的增加，因毛管作用補(bǔ)給上層土壤水分的能力減弱，灌后20 d含水率降低明顯。

當(dāng)?shù)叵滤粸?50 cm時(shí)，C2處理在4次灌水后1 d土壤含水率均值為0.347 cm3/cm3，而埋設(shè)有秸稈體的處理灌后1 d土壤含水率均值為0.332 cm3/cm3，較C2降低4.3%，灌后20 d土壤含水率亦有相同的大小關(guān)系，即埋設(shè)秸稈體的處理小于C2[圖4(a)]。這是因?yàn)楣喔群鬅o(wú)秸稈體的處理無(wú)法及時(shí)將抬升的地下水排出，導(dǎo)致土壤含水率較高[14];同時(shí)，秸稈體破壞了原有土壤毛管連續(xù)性[6]，減少了非飽和土壤水向上運(yùn)移,而秸稈體以下土壤水分的蒸發(fā)受到抑制；0～40 cm土壤水分補(bǔ)給的減少量小于40～60 cm土壤水分的增加量，所以整體呈現(xiàn)含水率降低的現(xiàn)象。在灌溉水礦化度為淡水、3和5 g/L時(shí)，埋設(shè)秸稈體的處理較不埋設(shè)秸稈處理，全生育期土壤平均含水率分別降低7.4%、7.5%和7.1%[圖5(a)]。

圖4　全生育期不同處理土壤水鹽變化情況Fig.4 Changes in soil moisture and soil salinity during whole growth period

圖4(b)給出了灌溉水礦化度為3g/L條件下，不同地下水深度對(duì)土壤鹽分的影響?？梢钥闯觯?0 cm地下水位下土壤鹽分最高，200 cm地下水位下土壤鹽分最低，即不同處理同期土壤含鹽量隨著地下水深度的增加逐漸減小。每次灌后1 d，各處理土壤含鹽量均明顯下降，說(shuō)明灌溉水可對(duì)地下水位上層土壤鹽分起到淋洗作用。地下水位60、120、200 cm處理，灌后1 d到灌后20 d土壤含鹽量分別增加了0.88、0.50和0.41 g/kg，地下水埋深越深，蒸發(fā)過(guò)程中土壤返鹽的強(qiáng)度就越弱。

在150 cm地下水位下，地埋秸稈體處理灌后1 d土壤含鹽量均值較無(wú)秸稈處理降低了0.37 g/kg,降幅為16.6%；灌后20 d土壤含鹽量均值較無(wú)秸稈處理降低了17.0%。這是由于入滲過(guò)程秸稈體延長(zhǎng)了入滲水在秸稈體以上土層的停蓄時(shí)間[15]，土壤中可溶性鹽得以充分溶解，提高了淋鹽效果。蒸發(fā)階段，土壤鹽分隨水分向上運(yùn)移，秸稈體削弱了對(duì)上層土壤水分的補(bǔ)給作用，向上運(yùn)移的鹽分也相應(yīng)減少。在灌溉水礦化為淡水、3和5 g/L時(shí)，埋設(shè)秸稈體的處理較不埋設(shè)秸稈處理，全生育期土壤平均含鹽量分別降低11.9%、17.4%和20.2%[圖5(b)]。

圖5　不同灌溉水礦化度和地下水深度對(duì)土壤水鹽的影響Fig.5 Changes in soil moisture and soil salinity with different concentration of the irrigation water and groundwater depth

圖5(a)反映了地下水深度和灌溉水礦化度對(duì)全生育期0～60 cm土層含水率均值的影響?？梢钥闯?，在同一灌溉水礦化度下，隨著地下水深度的增加，土壤含水率呈減小趨勢(shì)。同一地下水深度下，不同灌溉水礦化度對(duì)土壤水分的影響表現(xiàn)為：5 g/L>3g/L>淡水。原因可能是微咸水灌溉改變土壤結(jié)構(gòu)，增加了土壤持水能力；同時(shí)灌溉水帶入的鹽分影響了作物吸收土壤水分的能力，即微咸水灌溉引起土壤鹽分濃度增大，降低了土壤水分的溶質(zhì)勢(shì)，使作物吸水困難；灌溉水礦化度越高，上述影響越明顯[16]。在同一灌溉水礦化度下，土壤鹽分均值隨地下水深度的增加而減小，且減小速度逐漸下降[圖5(b)]；在3 g/L的灌溉水礦化度下，當(dāng)?shù)叵滤疃葟?0 cm增加到120 cm時(shí)，土壤含鹽量從3.11 g/kg降低到2.35 g/kg，降幅為24.4%；當(dāng)?shù)叵滤疃葟?20 cm增加到200 cm時(shí)，土壤含鹽量?jī)H降低0.3 g/kg，降幅為12.8%。

由圖5(a)可知，在本試驗(yàn)灌水和地下水埋深條件下，0～60 cm土層不同處理土壤含水率保持在田間持水率的65%～91%，均保持在玉米生長(zhǎng)所需水分范圍內(nèi)，能夠滿足作物正常需水要求。土壤含鹽量對(duì)作物產(chǎn)量有極大的影響。已有的研究表明夏玉米在ECe達(dá)到5.9 dS/m(換算為土壤含鹽量約為2.55 g/kg[12，17])時(shí)，其產(chǎn)量減少50%[17]。為保證玉米產(chǎn)量保持較高水平，全生育期土壤含鹽量均值應(yīng)嚴(yán)格控制在2.55 g/kg以下。由圖5(b)可知，在淡水灌溉時(shí)，地下水深度應(yīng)控制在80 cm以下；在灌溉水礦化度為3 g/L時(shí)，地下水深度應(yīng)不低于120 cm；當(dāng)灌溉水礦化度為5 g/L時(shí)，地下水深度應(yīng)控制在200 cm以下。

3　結(jié)　論

(1)本文利用HYDRUS-2D模型對(duì)地埋秸稈體條件下的濱海鹽漬土水鹽動(dòng)態(tài)進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示0～60 cm各土層土壤含水率RMSE均值為0.025 cm3/cm3，NSE均值為0.66，R2均值為0.80；土壤含鹽量RMSE均值為036 g/kg，NSE均值為0.58，R2均值為0.73。土壤含水率和含鹽量模擬值與實(shí)測(cè)值之間具有較好的一致性。

(2)秸稈體可以有效降低0～60 cm土層土壤含水率和含鹽量。在150 cm地下水位下，灌溉水礦化為淡水、3和5 g/L時(shí)，埋設(shè)秸稈體的處理較不埋設(shè)秸稈體處理，0～60 cm土層土壤平均含水量分別降低7.4%、7.5%和7.1%，土壤平均含鹽量分別降低11.9%、17.4%和20.2%。

(3)在地埋秸稈體條件下，土壤水分和土壤鹽分隨灌溉水礦化度的增加而增加，隨地下水深度的增加而減小。為控制土壤鹽分小于2.55 g/kg，玉米減產(chǎn)小于50%，在淡水灌溉時(shí)，地下水深度應(yīng)大于80 cm；灌溉水礦化度為3 g/L時(shí)，地下水深度應(yīng)大于120 cm；灌溉水礦化度為5 g/L時(shí)，地下水深度應(yīng)控制在200 cm以下。

□

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