李鑫鑫，劉洪光，龔 萍，侯夢杰

(石河子大學 水利建筑工程學院現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000)

0 引 言

膜下滴灌技術將覆膜栽培技術與滴灌技術相結(jié)合，具有保溫保墑、節(jié)水節(jié)肥、增產(chǎn)抑鹽、減少深層滲漏的優(yōu)點[1-4]，廣泛應用于西北干旱半干旱地區(qū)，至2017年已經(jīng)推廣應用333 萬hm2，成為世界最大的滴灌應用區(qū)域[5]。

隨著人工工資的普遍增加，棉花采摘成本大幅提升，為降低棉花管理成本，提高采摘效率和經(jīng)濟效益，機械化采摘成為必由之路。經(jīng)過大量生產(chǎn)實踐，在新疆生產(chǎn)建設兵團逐漸探索出了1膜2管6行，1膜3管6行，1膜3管5行等機采棉種植模式，替代以往的1膜1管2行，1膜1管4行，1膜2管4行模式，機械化采摘程度大幅提升。種植模式的創(chuàng)新帶來了優(yōu)勢，膜下土壤和膜間土壤中水分和鹽分的運動也因作物種植模式和滴頭布置的差別而發(fā)生改變，土壤水鹽平衡問題還需要進一步研究[6, 7]。不同種植模式下土壤水分分布直接影響鹽分遷移，探明不同種植模式下土壤水分分布規(guī)律，將為滴灌棉田水鹽平衡問題的研究提供良好基礎。

對滴灌棉田土壤水鹽運動規(guī)律有很多學者從灌溉制度，種植模式，數(shù)值模擬方面開展了研究。栗現(xiàn)文，黃曉敏等[8, 9]研究認為適宜土壤含水率上、下限差值形成的灌溉制度決定土壤水鹽運移分布及積累特征，土壤水鹽呈相反的分布規(guī)律，分別與距離滴灌帶的遠近呈負、正相關。王一民等[10]研究得出滴施水分可將土壤中鹽分淋洗至濕潤鋒邊緣，膜間積鹽現(xiàn)象明顯。楊昕馨等[11]研究得出種植模式影響土壤水分均勻度，1管2行優(yōu)于1管4行，灌水前后內(nèi)行與外行含水量差值小于1%，1管2行利于抑制鹽分對作物生長的脅迫，寧松瑞等[12]認為3管6行模式下根區(qū)土壤水鹽分布對棉花吸收利用水分最為有利。棉田土壤水鹽運移的研究大多以大田試驗實測為主，費時費力，已有研究表明以Hydrus軟件建立的數(shù)值模型研究土壤水鹽運動問題，計算結(jié)果及預測結(jié)果與實測數(shù)據(jù)均高度擬合，具有高參考價值，這為研究土壤水鹽運動問題開辟了新的思路[13-20]。本文以目前3種有代表性的種植模式為對象，控制灌溉制度，探明水分分布規(guī)律，同時進行數(shù)值模擬，指導膜下滴灌的灌溉管理，也為Hydrus應用于實際研究提供參考。

1 試驗區(qū)概況與試驗布置

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于石河子灌區(qū)，該灌區(qū)是瑪納斯河流域最大綠洲農(nóng)耕區(qū)，總面積1 326.15 km2，地處北疆準噶爾盆地邊緣，古爾班通古特沙漠交匯處，是新疆天山北坡經(jīng)濟帶中心，地理位置為東經(jīng)84°43′～86°35′，北緯43°21′～45°20′。灌區(qū)農(nóng)田與山丘沙漠相間分布，土壤質(zhì)地以壤土為主，平均海拔為 300～500 m，氣候條件干燥，冬夏時長，春秋時短，年均氣溫為7.5～8.2 ℃，日照2 318～2 732 h，無霜期147～191 d，年降水量為 180～270 mm，年蒸發(fā)量為1 000～1 500 mm[21]，干旱指數(shù)5.5，為典型內(nèi)陸干旱區(qū)。

1.2 試驗設計

2017年4月在石河子灌區(qū)146團選取1膜2管6行(Ⅰ)、1膜3管6行(Ⅱ)、1膜3管5行(Ⅲ)3塊不同種植模式的棉田，經(jīng)土壤顆粒分析，3塊棉田土壤類型均為黏質(zhì)壤土，種植模式見圖1，品種為創(chuàng)雜100號，株距為10 cm。滴灌帶采用新疆天業(yè)節(jié)水公司生產(chǎn)的單翼迷宮式滴灌帶，直徑16 mm，滴頭間距為30 cm。于4月29日灌出苗水，灌溉水源為當?shù)氐叵滤?，滴頭流量為2.6 L/h，控制3塊棉田灌水量均為1 275 m3/hm2。分別于4月27日(灌出苗水前2 d)和5月6日(灌出苗水后第7 d)對3塊棉田定點取樣，測定0～80 cm深度土層土壤含水率。1膜2管6行試驗在水平方向設置了4個取土點(中間窄行、滴頭處、膜邊窄行、膜間)，1膜3管6行和1膜3管5行比1膜2管6行多鋪設一條滴灌帶，在40 cm間距滴灌帶間增設取土點，即試驗在水平方向設置了5個取土點(寬間距滴管帶間、窄間距滴管帶間、滴頭處、窄行、膜間)；在每點垂直方向按照0～5、5～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～80 cm共計8個土層設置取土點，每個取土點設3個重復，實驗結(jié)果以三次重復試驗平均值進行分析。

圖1 試驗區(qū)棉田種植模式(單位：cm)

表1 試驗區(qū)土壤基本物理性質(zhì)

2 結(jié)果與分析

選擇作物生育期內(nèi)灌出苗水前2 d和灌后第7 d兩個時間節(jié)點，分析比較不同種植模式土壤水分分布規(guī)律，結(jié)果見圖2。

圖2 不同種植模式灌水前后土壤含水率變化

1膜2管6行種植模式下，垂直方向上，灌水前0～80 cm土層內(nèi)，土壤含水率先增大后減小，20 cm深度土壤含水量最大，達到14%，因為研究區(qū)冬季降雪，春季融化，在播種前土壤有一定的儲水量，但是因入滲深度不大，同時由于春季蒸發(fā)影響，表層土壤水分蒸發(fā)較大，形成了灌頭水前的土壤水分分布特征。灌水7 d后，膜下部分的土壤水分分布呈現(xiàn)上層大，下層小，膜間部分先增大后減小，上層土壤含水量除膜間部分都在15%～20%之間。水平方向來看，灌水后，各取樣點平均含水率表現(xiàn)為，滴頭處(14.10%)>中間窄行(13.59%)>膜邊窄行(13.21%)>膜間(11.30%)，即離滴頭越近灌水后土壤含水率越高，同時膜間灌水前后土壤平均含水率變幅較小為2.30%，中間窄行，滴頭處，膜邊窄行變幅較大分別為3.62%，4.46%，3.50%。說明苗期棉花根系吸水對土壤含水量影響不大。

1膜3管6行種植模式下，垂直方向上，灌水前0～80 cm土層內(nèi)，土壤水分分布與1膜2管6行有所不同，土壤整體含水量分布均勻且平均含水量較大，可能是田間環(huán)境復雜，冬季降雪時風速等因素影響了積雪分布，使此區(qū)域雪量較大，進而影響田間的含水量和融水入滲深度。灌水7 d后，膜下部分的土壤水分分布呈現(xiàn)上層和下層大，中間土層小，膜間部分先增大后減小又增大，上層土壤含水量除膜間部分外都在20%～23%之間。具體來看每個取樣點的平均含水率為窄行(20.94%)>窄間距滴灌帶間(20.91%)>寬間距滴灌帶間(20.64%)>滴頭處(20.53%)>膜間(18.02%)，可以看出除膜外裸地外，膜內(nèi)的土壤含水率分布均勻。因為此地塊土壤的初始含水量較大，且棉花處于苗期，根系吸水對土壤含水量影響很小，所以在灌水后每個取樣點的平均含水率相對灌水前變幅較大。而膜外裸地部分因蒸發(fā)作用強烈，在灌水7 d后土壤的平均含水率低于灌水前。

1膜3管5行種植模式下，垂直方向上，灌水前0～80 cm土層內(nèi)，土壤含水率呈現(xiàn)遞增趨勢，80 cm深度土壤含水量最大，達到17%。灌水7 d后，膜下部分的土壤含水量先減小后增大，上層下層土壤含水量在15%～20%之間，中間土層約30～40 cm深度土壤含水量最小，在15%～17%之間。膜外裸地部分土壤含水量呈遞增趨勢。水平方向上，灌水后靠近滴頭的位置土壤含水量偏大，具體表現(xiàn)為窄間距滴灌帶間(18.07%)>滴頭處(17.77%)>寬間距滴灌帶間(16.14%)>窄行(16.08%)>膜間(14.87%)，同樣因作物苗期根系吸水作用弱，且試驗地初始含水量偏高，所以每個取樣點在灌水后平均含水率變幅都較大，其中膜外裸地部分因蒸發(fā)強烈，灌水7 d后土壤含水量低于灌前。

3 土壤水分運動數(shù)值模擬

Hydrus-2D用來模擬飽和-非飽和土壤水、熱、鹽運移，該模型可靈活處理各類水流邊界，包括定水頭和變水頭邊界、給定流量邊界、滲水邊界、大氣邊界以及排水溝等(表2)。在此將研究對象簡化為剖面二維飽和-非飽和水流運移問題。用修改過的 Richards 方程[20]作為二維入滲水流控制方程，以描述土壤水分運動。

3.1 模擬結(jié)果

如表3、圖3模擬結(jié)果定性展示了3種種植模式的水分運動情況，灌水當天，隨水分滴施，除膜間以外,3種種植模式0～50 cm土層內(nèi)，土壤含水率大，50～80 cm土層內(nèi)含水率逐漸下降。因模型邊界條件與實際大田環(huán)境相比更加理想，符合理論狀態(tài)下的均質(zhì)連續(xù)假設，所以土壤含水率變化呈現(xiàn)出均勻遞減的趨勢。灌水7 d后，1膜2管6行種植模式在20～30 cm土層內(nèi)土壤含水率存在峰值，40～80 cm土層內(nèi)土壤含水率隨土層深度增加而減小至60～80 cm土層范圍內(nèi)降至最低。1膜3管6行種植模式下，0～20 cm土層內(nèi)土壤含水率高，在20～30 cm處存在峰值，30～50 cm土層深度內(nèi)，土壤含水率略微下降，50～80 cm土層深度內(nèi)又有回升趨勢。1膜3管5行種植模式各取樣點不同土層含水率都有所上升，但整體維持在一個固定值左右。整體來看模擬結(jié)果，1膜3管6行與1膜3管5行水分均勻度都優(yōu)于1膜2管6行，但1膜3管6行與1膜3管5行相比，1膜3管6行膜間土壤水分小，說明該模式保持水分不流向膜間的能力較強，且同種布管方式與同樣覆膜寬度情況下，1膜3管6行比1膜3管5行多種植一行作物，經(jīng)濟效益也更好。3種種植模式模型模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)相比，趨于一致，具有較強相關性。為進一步驗證模型，重點分析了3種種植模式灌水7 d后滴頭處與膜間的實測值和模擬值相關性。

表2 水分模擬邊界條件設定表

表3 土壤水分運動參數(shù)

3.2 滴頭和膜間含水率模擬結(jié)果驗證

誤差分析判斷標準是：均方根差RMSE越小,表明模擬結(jié)果越接近于實測值；相對平均絕對誤差RMAE的范圍在0～1之間,分別表示預測值與實測值之間“最優(yōu)”到“最差”的吻合；相關系數(shù)r的取值范圍在-1～1之間,相關系數(shù)的絕對值越接近于1，表明預測值與實測值高度相關,越接近于0，表明相關程度越弱(表4)。

表4 灌水7 d后土壤含水率實測值與模擬值誤差分析表

圖3 不同種植模式水分運動模擬結(jié)果

圖4 灌水7 d后土壤含水率實測值與模擬值對比圖

4 討 論

綜合三種種植模式，灌水前0～80 cm土層內(nèi)，因為各種因素影響，冬季田間積雪分布不均勻，積雪融化時入滲深度也受之影響，所以3種種植模式在灌水前有不同的土壤水分分布特征，具體表現(xiàn)為1膜2管6行土壤含水量先增大后減小，1膜3管6行土壤含水量分布均勻，1膜3管5行含水量持續(xù)增大。灌水7 d后，3種種植模式土壤含水量都有所增加，均表現(xiàn)出離滴頭越近土壤含水量越高的趨勢，這與栗現(xiàn)文[8]等得出的結(jié)論相當，膜下部分土壤在0～20 cm土層處有最大含水率，1膜2管6行，1膜3管5行在15%～20%之間，1膜3管6行在20%～25%之間。因作物苗期根系吸水作用弱，所以3種種植模式在灌水后土壤平均含水量變幅都較大，但是1膜3管6行和1膜3管5行的變幅又低于1膜2管6行，這是因為1膜3管6行和1膜3管5行的試驗地土壤初始含水量較大造成的。膜外裸地部分在春季蒸發(fā)強烈，土壤水分蒸發(fā)損失很大，所以灌水7 d后土壤含水量低于灌前。楊昕馨[11]研究得出種植模式會影響土壤水分均勻度，1膜1管2行優(yōu)于1膜1管4行，本文中1膜3管6行種植模式在某種程度亦可以認為是1管控制2行作物，從水分條件及保墑性來看，1膜3管6行種植模式和1膜2管6行，1膜3管5行種植模式相比，灌前土壤水分分布最均勻，灌后土壤水分變幅適中，與1膜3管5行相當，保墑性好，這與寧松瑞[12]得出的1膜3管6行模式下根區(qū)土壤水分分布對棉花吸收利用水分最為有利的結(jié)論相同，再從經(jīng)濟效益考慮，1膜3管6行與1膜3管5行覆膜寬度與布管方式相同的情況下，多種植一行作物將明顯提高經(jīng)濟效益，所以綜合考慮，選擇1膜3管6行種植模式對土壤保墑，提高產(chǎn)量，增加收益都有積極的影響。

滴頭處和膜間土壤含水率模擬值和實測值的變化規(guī)律一致，總體接近(圖4)。虎膽·吐馬爾白[18]研究得出土壤表層和深層的土壤含水率模擬值與實測值均存在不同程度的偏差，而中間層土壤含水率模擬值較接近實測值，本文中1膜2管6行滴頭處0～30 cm土層實測值小于模擬值，40～80 cm土層實測值大于模擬值，膜間0～80 cm土層實測值大都大于模擬值。1膜3管6行，1膜3管5行的滴頭處和膜間模擬結(jié)果表明，0～80 cm土層模擬值都稍大于實測值。和已有研究結(jié)論存在差異的原因是模型中的邊界條件設置，參數(shù)的選擇有不同，且與當?shù)貙嶋H情況相比也存在差異，蒸發(fā)量亦存在一定誤差。不過總體來說，已有研究和本文在進行數(shù)值模擬時，模擬環(huán)境都符合理論狀態(tài)下的均質(zhì)連續(xù)假設，土壤含水率的模擬值與實測值擬合度較好，誤差分析均在理想范圍內(nèi)，證明Hydrus-2D模型可以很好模擬滴灌棉田土壤水分在空間上的分布，能為膜下滴灌棉花機械化種植生產(chǎn)提供技術支持。但在模擬過程中土壤蒸發(fā)參數(shù)、土壤水分運移參數(shù)的選取非常重要，如果能獲得更為精確的參數(shù)，考慮根系吸水等更多因素影響，模擬結(jié)果將會更加準確。

5 結(jié) 論

(1)灌水后1膜3管6行土壤水分條件優(yōu)于1膜2管6行，1膜3管5行，保墑性最好，經(jīng)濟效益也最高。

(2)Hydrus-2D模型模擬值與實測值吻合較好，變化趨勢一致，可以較好地模擬土壤水分運動，能為膜下滴灌棉花機械化種植生產(chǎn)提供技術支持。當模型參數(shù)設定、初始條件、邊界條件設置更加合理時，模擬結(jié)果可以達到更加理想的狀態(tài)。