袁成福

(1.江西省水工程安全與資源高效利用工程研究中心,江西 南昌 330099;2.江西水利職業(yè)學院,江西 南昌 330013)

1 研究背景

石羊河流域地處我國西北干旱內(nèi)陸地區(qū)，該地區(qū)降水稀少、蒸發(fā)強烈，地表水資源極其短缺，但該地區(qū)埋藏在淺層地表以下的地下咸水資源儲量較大[1-2]。在淡水資源匱乏的干旱地區(qū)，開發(fā)利用地下咸水資源，采用咸水灌溉已經(jīng)成為解決干旱地區(qū)水資源短缺問題的重要措施之一[3-4]。大量研究表明，利用咸水灌溉能夠緩解土壤干旱，使部分耐鹽作物的產(chǎn)量接近利用淡水灌溉時的產(chǎn)量，與不灌溉相比能夠達到增產(chǎn)的目的[5-6]。但若咸水灌溉利用不當，也會造成土壤鹽分持續(xù)累積，改變土壤理化性質(zhì)，使土壤產(chǎn)生次生鹽堿化，威脅作物的生長[7]。如何科學合理、安全有效利用咸水資源進行灌溉一直是研究者所關注的核心問題。眾多研究者對咸水灌溉的研究，大多采用室內(nèi)和田間定位試驗的方法來分析咸水灌溉對土壤生態(tài)環(huán)境及作物生長的影響[8-10]。然而，由于咸水利用對土壤生態(tài)環(huán)境和作物生長的影響是一個長期的過程，而野外田間定位試驗受外界因素影響較大，長時間進行野外田間試驗耗費也大。在田間試驗基礎上，采用數(shù)學模型模擬和預測長期咸水灌溉對土壤生態(tài)環(huán)境和作物生長的影響，是較為有效和經(jīng)濟的研究方法[11-13]。其中國內(nèi)外廣泛采用SWAP模型來模擬干旱區(qū)或半干旱區(qū)下土壤水鹽運移規(guī)律及作物生長過程。SWAP模型是由土壤水分運移、溶質(zhì)運移、土壤蒸發(fā)、植物騰發(fā)、熱量傳輸和作物生長等6個模塊組成，是宏觀SPAC系統(tǒng)的集中體現(xiàn)，能夠較好地用來模擬田間尺度下土壤-植物-大氣環(huán)境中土壤水分運移、溶質(zhì)運移和作物生長，該模型在國內(nèi)外得到較廣泛的接受和認可。Kumar等[14]在印度新德里利用SWAP模型模擬了小麥不同咸水灌溉條件下根區(qū)土壤鹽分動態(tài)及小麥的相對產(chǎn)量，并預測了小麥長時期咸水灌溉下的相對產(chǎn)量。楊樹青等[15]在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)利用SWAP模型模擬了不同灌溉定額的微咸水灌溉對土壤鹽分累積效應以及作物產(chǎn)量的影響，并預測了長時期微咸水灌溉后土壤根系層鹽分分布與平衡。由于研究區(qū)地處西北干旱地區(qū)，地下水埋深較大，咸水灌溉后土壤水鹽運移是典型的垂直一維運動，且野外試驗是在田間尺度下進行的，能夠較好地滿足SWAP模型的環(huán)境條件。本研究在已經(jīng)進行為期1年野外田間試驗的基礎，為了探究較長時期采用咸水灌溉后土壤鹽分動態(tài)及春玉米產(chǎn)量情況，引進了SWAP模型來模擬研究區(qū)咸水灌溉下土壤鹽分動態(tài)及對春玉米產(chǎn)量的影響，探求較適宜研究區(qū)春玉米生長的灌溉水礦化度，所得結(jié)果可為研究區(qū)合理利用地下咸水資源提供理論依據(jù)。

2 田間試驗

田間試驗在甘肅省武威市的中國農(nóng)業(yè)大學石羊河試驗站進行，所在經(jīng)緯度為E102°52′、N37°52′，海拔為1 581 m。該研究區(qū)地處我國西北干旱內(nèi)陸區(qū)，降雨稀少，蒸發(fā)強烈，年均降雨量為164.4 mm，年均蒸發(fā)量為2 000 mm，地下水埋深為48 m。試驗在測坑中進行，試驗站共有12個測坑，每個測坑的面積為6.66 m2(3.33 m×2 m)，深度為3 m，每個測坑之間用混凝土分隔，可防止側(cè)滲。采用馬爾文MS2000激光粒度分析儀分析土壤顆粒組成，土壤容重和田間持水率采用環(huán)刀法測定，土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測定。測坑內(nèi)0～100 cm土層的土壤理化性質(zhì)如表1所示。

試驗根據(jù)石羊河流域上、中、下游及民勤湖區(qū)典型區(qū)域的地下水礦化度情況設置4個處理，分別為S0(灌溉水礦化度為0.71 mg/cm3，近似為淡水)、S3(灌溉水礦化度為3.0 mg/cm3)、S6(灌溉水礦化度為6.0 mg/cm3)和S9(灌溉水礦化度為9.0 mg/cm3)，其中灌溉水礦化度采用電導率儀測定，每個處理重復3次，共12個試驗小區(qū)，采用隨機排列方式布置。試驗所用淡水為當?shù)鼐趟鶕?jù)當?shù)氐叵滤瘜W組成，采用質(zhì)量比為2∶2∶1的NaCl、MgSO4和CaSO4混合地下水配制而成。試驗站具有管道供水到試驗地，利用水表精確控制每次灌溉的水量。試驗作物為當?shù)卮河衩?金穗1號)，于2011年4月22日播種，9月12日收獲，全生育期143 d。各處理灌溉水量參照當?shù)貙嶋H情況，在春玉米生育期內(nèi)共灌溉4次，灌水時間分別為6月6日、6月25日、7月16日、8月13日，灌溉制度見表2。其他各種農(nóng)藝措施均與當?shù)貙嶋H情況保持一致。

表1 試驗測坑內(nèi)土壤基本理化性質(zhì)

表2 各處理灌溉制度

試驗期間在春玉米播種前、每次灌溉前后和收獲后通過土鉆田間分層取土的方法獲取土樣，每個小區(qū)每次取1個取樣點，取土深度分別為0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm，采用烘干法測定土壤含水率；采用SG-3型電導率儀(SG3-ELK742)測定土壤飽和浸提液的電導率EC1∶5(單位為mS/m)，根據(jù)已有換算公式(S=0.0275EC1∶5+0.1366)將EC1∶5轉(zhuǎn)化為土壤含鹽量[16]。在春玉米出苗后每隔7～10 d獲取制種玉米不同生育期的株高、葉面積指數(shù)、根長分布等資料。土壤水分特征曲線參數(shù)采用高速離心機測定，VG (van Genuchten)模型水力特性參數(shù)利用RETC軟件擬合得到。飽和導水率采用滲透儀(TST-55，China)，按常水頭法測定值。春玉米成熟后每個小區(qū)單獨收割、脫粒、曬干后稱重得到每個處理的產(chǎn)量，然后再折算單位為kg/hm2的產(chǎn)量。氣象數(shù)據(jù)從試驗站安裝的自動氣象站采集獲取，春玉米生育階段內(nèi)的有效降雨量為110.0 mm。

3 數(shù)學模型及模型率定

3.1 SWAP模型簡介

SWAP模型是由荷蘭Wageningen大學開發(fā)的一種用于模擬農(nóng)田尺度下土壤水分、溶質(zhì)和熱量在SPAC系統(tǒng)中運移及作物生長過程的綜合模型。該模型在國內(nèi)外干旱地區(qū)或半干旱地區(qū)模擬土壤水鹽運移及作物生長方面得到了較廣泛的應用。該模型主要的計算原理公式如下：

土壤水分運動采用Richards方程：

(1)

式中：θ為體積含水率，cm3/cm3；K為土壤飽和導水率，cm/d；h為土壤水頭，cm；Z為垂向坐標，cm，向上為正；t為時間，d；C為容水度，cm-1；S為作物根系吸水項，cm3/(cm3·d)。

溶質(zhì)運移采用對流彌散方程：

(2)

式中：J為總?cè)苜|(zhì)通量濃度，g/(cm2·d)；q為在邊界處的垂向水流通量，cm/d；c為溶質(zhì)濃度，g/cm3;Ddif為溶質(zhì)擴散系數(shù)，cm2/d；Ddis為溶質(zhì)彌散系數(shù)，cm2/d；?c/?z為溶質(zhì)濃度梯度，g/cm4。

SWAP模型的模擬的作物生長過程是采用WOFOST作物生長模型，其中本研究采用簡單作物模型。簡單作物模型計算作物的實際產(chǎn)量與潛在產(chǎn)量的比值為相對產(chǎn)量，運用各生育階段相對產(chǎn)量連乘的數(shù)學模型表示整個生育階段的相對產(chǎn)量。其計算公式如下：

(3)

式中：Ya,k為各生育階段作物實際產(chǎn)量,kg/hm2；Yp,k為各生育階段作物最大產(chǎn)量,kg/hm2；Ta,k、Tp,k分別為各生育階段實際蒸騰量和最大蒸騰量，cm；Ky,k為各生育階段產(chǎn)量反應系數(shù)；k為作物不同生育階段。

(4)

式中：Ya為整個生育階段累積作物實際產(chǎn)量,kg/hm2;Yp為整個生育期作物累積最大產(chǎn)量,kg/hm2;n為作物不同生育期階段的數(shù)量。

SWAP模型需要輸入氣象數(shù)據(jù)、灌溉資料、作物生長資料、土壤理化參數(shù)以及水力特性參數(shù)、初始和邊界條件、初始壓力水頭和溶質(zhì)濃度等資料。具體有關SWAP模型的詳細介紹參見SWAP模型理論用書[17]。模型模擬值與實測值吻合度采用均方誤差(RMSE)和平均相對誤差(MRE)2個指標進行評價。

3.2 SWAP模型率定與檢驗

應用研究區(qū)田間實測數(shù)據(jù)對SWAP模型進行率定和檢驗。S3處理為率定過程，S6和S9為檢驗過程。不同土層的土壤含水量的率定與檢驗結(jié)果如圖1所示。圖1顯示，土壤含水量的模擬與實測值吻合較好，模擬值較好地反映了實測值的變化趨勢。土壤含水量率定與檢驗過程中，RMSE值在0.05 cm3/cm3以下，MRE值在20%以下，符合誤差精度要求。率定后得到的VG模型水力特性參數(shù)見表3。

不同時期土壤含鹽量的率定與檢驗結(jié)果如圖2所示。S3處理為率定過程，S6和S9為檢驗過程。圖2顯示，土壤含鹽量的模擬值與實測值吻合較好，模擬值基本上反映了實測值的變化趨勢。土壤含鹽量率定與檢驗過程中，RMSE值均在4.5 mg/cm3以下，MRE值均在允許的誤差精度范圍25%之內(nèi)。率定后得到分子擴散系數(shù)為0.5 cm2/d，彌散度為10.0 cm。

圖1 不同土層深度土壤含水量的率定與檢驗

SWAP模型模擬得出的產(chǎn)量結(jié)果為相對產(chǎn)量，本研究假定2011年試驗S0處理得到的春玉米產(chǎn)量(10 572.72 kg/hm2)為最大實際產(chǎn)量，根據(jù)模擬的相對產(chǎn)量與最大實際產(chǎn)量之間的換算可得到各處理的模擬產(chǎn)量，春玉米產(chǎn)量的率定與檢驗結(jié)果如圖3所示。圖3顯示，春玉米產(chǎn)量模擬值略小于春玉米實測產(chǎn)量，這主要是由假定估算得到的誤差，但春玉米產(chǎn)量模擬值與春玉米實測產(chǎn)量基本一致。春玉米產(chǎn)量的率定與檢驗過程中，除了S6處理誤差較大外，其余處理的RMSE值均在2 200 kg/hm2以內(nèi)，MRE值均在允許的誤差精度范圍25%之內(nèi)。

上述對SWAP模型參數(shù)的率定和檢驗結(jié)果表明，經(jīng)過率定和檢驗參數(shù)后的SWAP模型可以用于研究區(qū)咸水灌溉下土壤鹽分動態(tài)和春玉米產(chǎn)量的模擬。

4 結(jié)果與分析

咸水灌溉對土壤水鹽運移及作物生長的影響是一個長期過程，利用率定與檢驗后的SWAP模型模擬較長時期咸水灌溉對土壤鹽分動態(tài)及春玉米產(chǎn)量的影響。在模擬過程中，氣象資料采用研究區(qū)2011-2015年期間的氣象數(shù)據(jù)，各處理的初始含水量、初始含鹽量和灌溉制度不變，以每一年末的土壤含水量和土壤含鹽量模擬結(jié)果作為下一年度的初始條件，將上述4種灌溉水礦化度的咸水灌溉連續(xù)運行5 a。圖4為這4種灌溉水礦化度的咸水灌溉模擬5 a內(nèi)0～100 cm土層土壤含鹽量動態(tài)變化規(guī)律。圖4顯示，模型運行5 a后S0、S3、S6和S9處理的土壤含鹽量分別為1.88、5.93、10.82 和15.88 mg/cm3，分別比試驗初始鹽分增加了1.34、2.77、4.33 和5.73 mg/cm3，呈現(xiàn)出土壤鹽分累積量隨著灌溉水礦化度的增加而逐漸增大的趨勢，這也說明了較長時期采用咸水灌溉會使土壤鹽分逐漸增加。礦化度為3.0 mg/cm3以下的微咸水灌溉在模擬期內(nèi)土壤鹽分累積量在2.8 mg/cm3以下，礦化度為6.0 mg/cm3以上的咸水灌溉在模擬期內(nèi)土壤鹽分累積量在4.0 mg/cm3以上，高礦化度的咸水長時期灌溉勢必會造成土壤鹽堿化。

圖5為4種灌溉水礦化度的咸水灌溉模擬5 a內(nèi)春玉米產(chǎn)量的變化規(guī)律。圖5顯示，隨著模型運行年數(shù)的增加，春玉米產(chǎn)量呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢，模型運行5 a后S0、S3、S6和S9處理的產(chǎn)量分別為7718.09、6343.63、4757.72和3171.82 kg/hm2，分別比第1年模擬的產(chǎn)量減少了634.36、740.09、105.73和211.45 kg/hm2，這說明隨著咸水灌溉的長時期使用，由于土壤鹽分逐漸增加，改變土壤環(huán)境，會影響作物的生長，使作物造成不同程度的減產(chǎn)。不同灌水礦化度處理的春玉米產(chǎn)量隨著灌水礦化度的增加，呈現(xiàn)出逐漸減少的規(guī)律，在模擬期內(nèi)，礦化度為3.0 mg/cm3的微咸水灌溉比淡水灌溉減產(chǎn)了15.2%～19.2%，礦化度為6.0 mg/cm3和9.0 mg/cm3咸水灌溉的減產(chǎn)幅度分別為38.3%～44.5%和57.5～63.2%，可見，高灌水礦化度的咸水較長時期利用對春玉米產(chǎn)量影響較大，礦化度在3.0 mg/cm3以下的微咸水較長時期利用春玉米的減產(chǎn)幅度在20%以內(nèi)。綜上所述，在研究區(qū)較長時期采用灌溉水礦化度為3.0 mg/cm3以下的微咸水灌溉，土壤鹽分累積量在2.8 mg/cm3以下，春玉米的減產(chǎn)幅度在20%以內(nèi)，可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐。

表3 率定與檢驗后的VG模型水力特性參數(shù)

圖2 土壤含鹽量的率定與檢驗曲線

圖3 春玉米產(chǎn)量的率定與檢驗

圖4 較長時期土壤鹽分動態(tài)模擬

圖5 咸水灌溉春玉米產(chǎn)量變化規(guī)律

5 結(jié) 論

本研究根據(jù)石羊河流域春玉米咸水灌溉田間試驗觀測資料對SWAP模型參數(shù)進行了率定和檢驗，并利用率定參數(shù)后的SWAP模型模擬了較長時期咸水灌溉對土壤鹽分動態(tài)及春玉米產(chǎn)量的影響，得到的主要結(jié)論如下：

(1)SWAP模型參數(shù)的率定和檢驗結(jié)果表明：實測土壤含水量、土壤含鹽量和春玉米產(chǎn)量與模型模擬值吻合較好，均方誤差(RMSE)和平均相對誤差(MRE)均在允許的誤差范圍之內(nèi)，率定參數(shù)后的SWAP模型可用于研究區(qū)咸水灌溉下的土壤鹽分動態(tài)及春玉米產(chǎn)量的模擬。

(2)較長時期土壤鹽分及春玉米產(chǎn)量模擬結(jié)果表明：在模擬期內(nèi)，礦化度在3.0 mg/cm3以下的微咸水灌溉土壤鹽分累積量在2.8 mg/cm3以下，礦化度在6.0 mg/cm3以上的咸水灌溉土壤鹽分累積量在4.0 mg/cm3以上；與淡水灌溉相比，礦化度在3.0 mg/cm3以下的微咸水灌溉春玉米的減產(chǎn)幅度在20%以內(nèi)，礦化度在6.0 mg/cm3以上的咸水灌溉春玉米減產(chǎn)幅度在38%以上。因此，在研究區(qū)可以較長時期利用灌水礦化度低于3.0 mg/cm3的微咸水進行灌溉，土壤積鹽量較少，對春玉米產(chǎn)量影響較小，可以達到合理利用地下咸水資源的目的。