袁成福，馮紹元，霍再林，王慶明

(1. 揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009； 2. 江西水利職業(yè)學(xué)院，江西 南昌 330013； 3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)中國(guó)農(nóng)業(yè)水問(wèn)題研究中心，北京 100083； 4. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源所，北京 100038)

西北地區(qū)氣候干旱、生態(tài)環(huán)境脆弱，是中國(guó)水資源短缺最嚴(yán)重的地區(qū)之一.西北干旱區(qū)面積約為2.5×106km2，平均年降水量為230 mm，平均年蒸發(fā)量為平均降水量的8～10倍；西北干旱區(qū)水資源總量為1.979×1011m3，僅占全國(guó)的5.84%，可利用的水資源量約為1.364×1011m3，人均和地均水資源占有量約為全國(guó)平均水平的68%和27%[1].西北干旱地區(qū)第一用水大戶(hù)是農(nóng)業(yè)灌溉，農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的90%以上，遠(yuǎn)高于全國(guó)的70%[2].西北干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要開(kāi)采地下水進(jìn)行灌溉，由于長(zhǎng)時(shí)期過(guò)度開(kāi)采地下水，地下水礦化度逐年升高.為了使西北干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能夠穩(wěn)步發(fā)展，咸水灌溉和非充分灌溉逐漸成為西北干旱地區(qū)的重要灌溉模式，也是緩解淡水資源緊缺、維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑.國(guó)內(nèi)外研究者開(kāi)展了大量關(guān)于咸水非充分灌溉下土壤水分及鹽分運(yùn)移規(guī)律及其對(duì)作物生長(zhǎng)生理影響的研究[3-4].其中國(guó)內(nèi)外廣泛采用SWAP模型來(lái)研究干旱區(qū)或半干旱區(qū)農(nóng)田水鹽運(yùn)移規(guī)律、作物生長(zhǎng)、農(nóng)田節(jié)水減污、農(nóng)田排水及地下水控制等[5-6].黃翠華等[7]應(yīng)用SWAP模型模擬了民勤咸水灌溉條件下的土壤物理性質(zhì)和黃河蜜瓜的產(chǎn)量；馮紹元等[8]應(yīng)用SWAP模型對(duì)石羊河流域春小麥咸水非充分灌溉進(jìn)行了優(yōu)化，并提出了適宜該地區(qū)的春小麥灌溉方案.

目前在西北干旱區(qū)盡管已經(jīng)有對(duì)不同作物咸水灌溉管理的研究，但有關(guān)春玉米咸水非充分灌溉管理的研究較少.因此，在甘肅省石羊河流域開(kāi)展咸水非充分灌溉田間試驗(yàn)基礎(chǔ)上，文中應(yīng)用SWAP模型模擬不同灌溉模式下的土壤水鹽平衡、春玉米相對(duì)產(chǎn)量和相對(duì)水分利用效率，并模擬較長(zhǎng)時(shí)期土壤水鹽動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，所得研究結(jié)果擬用于指導(dǎo)研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐.

1 材料與方法

文中田間試驗(yàn)于2011年4—9月在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河試驗(yàn)站進(jìn)行(102°52′E，37°52′N(xiāo)，海拔1 581 m)，研究區(qū)降雨量稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，空氣干燥.研究區(qū)地下水位深度達(dá)40～50 m，多年平均降雨量為164.4 mm，多年平均蒸發(fā)量為2 000 mm.該地區(qū)作物種植主要以春玉米、制種玉米為主，是中國(guó)重要的玉米生產(chǎn)基地.咸水非充分灌溉試驗(yàn)在石羊河試驗(yàn)站內(nèi)的測(cè)坑進(jìn)行，試驗(yàn)站擁有測(cè)坑12個(gè)，每個(gè)測(cè)坑面積為6.66 m2，深度為3 m，測(cè)坑為有底測(cè)坑.測(cè)坑內(nèi)0～100 cm土層土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1，表中h為土層深度，φs,φf(shuō),φn分別為砂粒、粉粒和黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，wy為有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比，r為土壤容重，Φ為田間持水率.

表1 土壤理化性質(zhì)

試驗(yàn)灌溉定額設(shè)置2種水平：S(灌溉定額為1ETc)、D(灌溉定額為2ETc/3)，ETc為作物需水量，已有研究結(jié)果表明ETc累計(jì)值為510 mm[9]；灌溉水礦化度設(shè)置3種水平：F(地下水礦化度為0.71 g/L，可近似認(rèn)為是淡水)、3(灌溉水礦化度為3.00 g/L)、6(灌溉水礦化度為6.00 g/L).試驗(yàn)采用隨機(jī)方式布置，共設(shè)6個(gè)處理，分別為SF，S3，S6，DF，D3，D6，每個(gè)處理重復(fù)2次，共設(shè)置12個(gè)小區(qū)，每個(gè)測(cè)坑為1個(gè)小區(qū).

春玉米灌溉制度如表2所示,表中c為咸水礦化度，q為灌水定額，Q為灌溉定額.咸水是根據(jù)當(dāng)?shù)氐叵滤瘜W(xué)組成，采用質(zhì)量比為2∶2∶1的NaCl、MgSO4和CaSO4混合地下水，并用大水桶配制而成.利用管道對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行灌溉.2011年供試作物是當(dāng)?shù)卮河衩?品種為“金穗1號(hào)”)，于4月22日播種，9月12日收獲，全生育期144 d.通過(guò)土鉆獲取田間土樣，分別為[0,10],(10,20], (20,40], (40,60], (60,80],(80,100] cm，取土?xí)r間是每次灌溉前后和春玉米播種前及收獲后.采用烘干法測(cè)定土壤含水率；采用電導(dǎo)率儀SG-3型電導(dǎo)率儀(SG3-ELK742)測(cè)定土壤飽和浸提液的電導(dǎo)率EC1∶5，并根據(jù)已有換算公式(S=0.027 5EC1∶5+0.136 6)將EC1∶5轉(zhuǎn)化為土壤含鹽量S[10].春玉米出苗后利用鋼卷尺測(cè)定春玉米的株高和葉面積.土壤水分特征曲線(xiàn)參數(shù)采用高速離心機(jī)測(cè)定，利用VG模型進(jìn)行擬合，飽和導(dǎo)水率采用滲透儀進(jìn)行測(cè)定.春玉米收獲時(shí)進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，春玉米生育期內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)由試驗(yàn)站的氣象站得到，2011年春玉米生育期內(nèi)的降雨量為110 mm.

表2 春玉米灌溉制度

2 SWAP模型率定與驗(yàn)證

2.1 土壤水分模塊的率定與驗(yàn)證

土壤水力特性參數(shù)率定結(jié)果見(jiàn)表3，表中θr為殘余含水率；θs為飽和含水率；Ks為飽和導(dǎo)水率；α,n,λ為曲線(xiàn)現(xiàn)狀系數(shù).以處理D3為例，利用(10,20],(20,40],(60,80] cm土層含水率的實(shí)測(cè)值對(duì)SWAP模型進(jìn)行率定，利用處理D6相應(yīng)土層的含水率實(shí)測(cè)值對(duì)SWAP模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)圖1,2，圖中θ為土壤體積含水率，j為播種后天數(shù).由圖可知，含水率模擬值和實(shí)測(cè)值吻合較好，模擬值較好地反映了實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì).土壤水分率定和驗(yàn)證過(guò)程中，RMSE在0.05 cm3/cm3以下，MRE均低于25%，R2在0.66以上，判定指標(biāo)在合理的誤差范圍之內(nèi)，模擬結(jié)果可行.

表3 土壤水力特性參數(shù)的率定值

Tab.3 Calibrated soil hydraulic parameters

h/cmθr/(cm3·cm-3)θs/(cm3·cm-3)Ks/(cm·d-1)αnλ[0,20]0.0120.35105.500.1261.3170.5(20,40]0.0120.3645.200.3531.2650.5(40,100]0.0140.4024.960.1511.3180.5

圖1 模型率定時(shí)不同土層土壤水分的模擬值與實(shí)測(cè)值(以處理D3為例)

圖2 模型驗(yàn)證時(shí)不同土層土壤水分的模擬值與實(shí)測(cè)值(以處理D6為例)

2.2 土壤鹽分模塊的率定與驗(yàn)證

圖3為模型率定時(shí)春玉米不同時(shí)期土壤含鹽量S模擬值與實(shí)測(cè)值的比較.圖4為模型驗(yàn)證時(shí)相應(yīng)時(shí)期土壤含鹽量模擬值與實(shí)測(cè)值的比較.由圖3,4可以看出，不同時(shí)期的土壤含鹽量的模擬值基本上反映了實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì).春玉米不同時(shí)期RMSE均低于4.0 mg/cm3，MRE均低于25%，R2在0.72以上，判定指標(biāo)均在合理的誤差范圍之內(nèi).溶質(zhì)運(yùn)移模塊率定得到的分子擴(kuò)散系數(shù)為0.5 cm2/d，彌散度為8.5 cm，說(shuō)明模擬結(jié)果可行.

圖3 模型率定時(shí)不同時(shí)間土壤含鹽量的模擬值與實(shí)測(cè)值(以處理D3為例)

圖4 模型驗(yàn)證時(shí)不同時(shí)間土壤含鹽量的模擬值與實(shí)測(cè)值(以處理D6為例)

2.3 作物生長(zhǎng)模塊的率定與驗(yàn)證

圖5為模型率定與驗(yàn)證時(shí)春玉米產(chǎn)量y實(shí)測(cè)值與模擬值的比較，其中以充分灌溉處理產(chǎn)量作率定過(guò)程，以非充分灌溉處理產(chǎn)量作為驗(yàn)證過(guò)程.

圖5 模型率定與驗(yàn)證時(shí)春玉米產(chǎn)量的實(shí)測(cè)值與模擬值

Fig.5 Simulated and measured spring maize yield values in calibration and validation

由圖5可以看出，產(chǎn)量模擬值與產(chǎn)量實(shí)測(cè)值基本一致，且模擬產(chǎn)量的變化規(guī)律與實(shí)測(cè)產(chǎn)量的變化規(guī)律基本相同，即淡水灌溉處理產(chǎn)量高于咸水灌溉處理，灌溉水量越大，產(chǎn)量越高.模型率定與驗(yàn)證時(shí)春玉米產(chǎn)量的均方誤差RMSE在900 kg/hm2以?xún)?nèi)，相對(duì)誤差MRE均低于10%，在合理的誤差范圍之內(nèi)，說(shuō)明模擬結(jié)果可行.

3 春玉米咸水非充分灌溉制度優(yōu)化

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和當(dāng)?shù)氐墓喔冉?jīng)驗(yàn)，春玉米生育期一般灌4次水.灌溉日期從出苗后約30 d開(kāi)始，每25 d灌溉1次，分別擬定4次灌溉時(shí)間為6月1日、6月25日、7月20日和8月4日，分別處于春玉米的拔節(jié)-孕穗期、孕穗-抽雄期、抽雄-灌漿期和灌漿-成熟期.灌溉水平分別擬定為充分灌溉處理的40%,60%,80%和100%，即灌溉水平分別為204, 306, 408, 510 mm，根據(jù)每個(gè)生育階段按照氣象數(shù)據(jù)計(jì)算得到的灌溉水量占生育期內(nèi)總需水量的比例分配，確定不同灌溉水平下各生育期的灌水定額.灌溉水礦化度c設(shè)為0.71, 3.00, 6.00 g/L.按照上述灌溉水平和灌溉水礦化度進(jìn)行組合，組合方案共有12種，如表4所示.利用率定和驗(yàn)證后的SWAP模型分別對(duì)這12種灌溉方案的土壤水分平衡、鹽分平衡、相對(duì)產(chǎn)量yr和相對(duì)水分利用效率WUEr進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如表5所示，表中i為灌溉水分量，p為降雨量，li為葉面截留量，cw為土壤水分變化量，bf為底部通量，ET為騰發(fā)量，fi為灌溉帶入量，ls為土體增加量.

由表5可知，0.71 g/L和3.00 g/L咸水灌溉條件下，隨著灌溉定額的增加，土壤水分消耗量、0～100 cm土層底部的水分與鹽分通量、騰發(fā)量、春玉米相對(duì)產(chǎn)量和相對(duì)水分利用效率呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，土體鹽分累積量呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì).以相對(duì)水分利用效率最高，灌溉水量、底部水分通量與土體鹽分增加量較少為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行灌溉制度的優(yōu)選，可知0.71 g/L的淡水灌溉條件下灌溉方案3為較適宜的灌水方式，灌溉定額為408 mm，底部通量為-50.6 mm，相對(duì)產(chǎn)量為71%，相對(duì)水分利用效率為0.131，土體鹽分累積量為-25.13 mg/cm2；3.00 g/L的咸水灌溉條件下灌溉方案7為較適宜的灌水方式，灌溉定額為408 mm，底部通量為-73.4 mm，相對(duì)產(chǎn)量為64 %，相對(duì)水分利用效率為0.148，土體鹽分累積量為46.91 mg/cm2.上述2種灌溉方案能夠達(dá)到節(jié)約灌溉用水、提高作物產(chǎn)量和減少土體鹽分累積量的目的.6.00 g/L咸水灌溉條件下，各灌溉方案春玉米的相對(duì)產(chǎn)量較低，相對(duì)產(chǎn)量?jī)H在40%～60%，土體鹽分累積量達(dá)80～95 mg/cm2，土體鹽分積鹽量較大，灌溉水礦化度為6.00 g/L的咸水不宜用于灌溉.

表4 擬定春玉米各種灌溉方案組合

表5 模擬春玉米不同灌溉方案的水分和鹽分平衡計(jì)算結(jié)果

4 較長(zhǎng)時(shí)期水鹽動(dòng)態(tài)變化規(guī)律模擬

以?xún)?yōu)選的灌溉方案3，7為例，進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)期土壤水鹽動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的模擬.假設(shè)每年11月20日進(jìn)行冬灌，冬灌采用0.71 g/L的地下水，冬灌定額為120 mm，將上述2種方案連續(xù)計(jì)算5 a.圖6為土壤含水率模擬結(jié)果.這2種方案不同年份相同土層土壤含水率變化規(guī)律相似，相同年份隨著土層深度的增加，土壤含水率逐漸增大.方案7中40～60 cm和60～80 cm 土層含水率略高于方案3相應(yīng)土層的含水率，這主要是咸水灌溉存在鹽分脅迫，鹽分脅迫會(huì)抑制作物根系吸水.圖7為土壤含鹽量模擬結(jié)果.這2種方案不同年份相同土層土壤含鹽量變化規(guī)律相似，1 a中土壤含鹽量最大值出現(xiàn)在春玉米收獲后，土壤含鹽量最小值出現(xiàn)在冬灌后，冬灌后土壤含水率增大，可以使土壤含鹽量在下一年的播種前和春玉米生長(zhǎng)前期保持在較低的水平，有利于春玉米出苗和早期的生長(zhǎng).方案3各土層土壤含鹽量隨著灌溉時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤含鹽量在前1～3 a呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)， 3 a后土壤含鹽量保持平穩(wěn)；方案7各土層土壤含鹽量隨著灌溉時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤含鹽量保持平穩(wěn).方案3土壤鹽分主要累積在40～80 cm土層，而方案7土壤鹽分主要累積在10～40 cm土層.此外，長(zhǎng)時(shí)期利用咸水灌溉后需要進(jìn)行冬灌，冬灌具有儲(chǔ)水保墑和淋洗鹽分的重要作用，能夠使土壤鹽分保持相對(duì)穩(wěn)定.

圖6 模擬較長(zhǎng)時(shí)期土壤水分動(dòng)態(tài)變化

Fig.6 Long-term simulation of soil water content dynamic changes

圖7 模擬較長(zhǎng)時(shí)期土壤含鹽量動(dòng)態(tài)變化

Fig.7 Long-term simulation of soil salt content dynamic changes

5 結(jié) 論

1) 對(duì)SWAP模型水分模塊、溶質(zhì)運(yùn)移模塊和作物生長(zhǎng)模塊進(jìn)行了率定和驗(yàn)證，土壤水分、鹽分和春玉米產(chǎn)量的模擬值與實(shí)測(cè)值吻合度較好.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，擬定了不同的灌溉方案，模擬了不同灌溉方案下的土壤水鹽平衡和春玉米相對(duì)產(chǎn)量和相對(duì)水分利用效率，得到了不同灌溉水礦化度下的最優(yōu)灌溉制度：0.71 g/L淡水和3.00 g/L微咸水灌溉條件下春玉米最優(yōu)灌溉定額均為408 mm，生育期內(nèi)各灌水4次.

2) 較長(zhǎng)時(shí)期土壤水鹽動(dòng)態(tài)變化模擬結(jié)果表明：在最優(yōu)灌溉定額下，0.71 g/L和3.00 g/L的水隨著灌溉時(shí)間的增長(zhǎng)，土壤含水率保持平穩(wěn)，且隨著土層深度的增加，土壤含水率逐漸增大；在冬灌條件下，隨著灌溉時(shí)間的增長(zhǎng)，土壤含鹽量保持平穩(wěn)，0.71 g/L的淡水灌溉土壤鹽分主要累積在40～80 cm土層，3.00 g/L的微咸水灌溉土壤鹽分主要累積在10～40 cm土層.采用礦化度為0.71 g/L和3.00 g/L的灌溉水持續(xù)灌溉5 a，在配合每年冬灌措施下，0～100 cm土層土壤鹽分不會(huì)產(chǎn)生大量累積，不會(huì)引起土壤次生鹽漬化.