杜一超，蔡耀輝，張林,3,，朱德蘭，張光弟，李玉鼎，賈毅男，吳勇

(1. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；4. 西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100；5. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；6. 全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，北京 100026)

葡萄在中國(guó)果樹(shù)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位，由于適應(yīng)性強(qiáng)、用途多、產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，與其他果樹(shù)相比，葡萄更易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化.寧夏賀蘭山東麓葡萄產(chǎn)區(qū)被認(rèn)為是中國(guó)釀酒葡萄生產(chǎn)最適宜的原料產(chǎn)區(qū)之一[1].陜西關(guān)中地區(qū)是中國(guó)鮮食葡萄的主要產(chǎn)區(qū)之一，種植面積大、產(chǎn)量高、品質(zhì)好.葡萄根系十分發(fā)達(dá)，由于目前常用的地表滴灌方式難以使土壤濕潤(rùn)區(qū)和根系相匹配，使得水肥利用率大幅下降，且易導(dǎo)致樹(shù)體越冬抗寒性能下降.

灌溉濕潤(rùn)區(qū)較深的地下滴灌可使葡萄根系吸收充足水分[2].地下滴灌相比于其他地面灌溉方式，可將水分和養(yǎng)分直接輸送到作物根區(qū)，提高節(jié)水效率，同時(shí)還具有增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)以及提高特殊生境樹(shù)體越冬性能的效果[3].目前地下滴灌研究?jī)?nèi)容主要集中在地下滴灌合理布設(shè)參數(shù)以及灌溉制度的確立、對(duì)土壤水鹽分布以及作物產(chǎn)量的影響等方面[4-5].與地面滴灌相比，地下滴灌可使葡萄產(chǎn)量提高9%～12%，水分利用效率提高9%～11%[6].盡管地下滴灌具有良好的節(jié)水增產(chǎn)能力，但其在葡萄灌溉中的大規(guī)模應(yīng)用仍存在一些不足，主要原因在于：葡萄根系在幼齡期和成齡期的分布有很大差異，而常規(guī)的地下滴灌難以適應(yīng)不同樹(shù)齡期的葡萄根系對(duì)于水分的需求.

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，一些研究者提出了一種新型的地下滴灌模式——分層地下滴灌系統(tǒng)，即在土層的不同深度分別埋設(shè)2條滴灌帶，通過(guò)改變2條滴灌帶間的水分分配來(lái)適應(yīng)不同生育期作物根系對(duì)于水肥的不同需求[7].但如何合理地確定分層地下滴灌滴頭的布設(shè)參數(shù)仍需要進(jìn)一步的探究.地下滴灌帶埋深的確定受到作物、土壤以及氣候特征的影響[8].數(shù)值模擬是了解灌溉過(guò)程中水分運(yùn)移的方法之一，HYDRUS-2D是一款用于模擬飽和-非飽和介質(zhì)中水、熱以及溶質(zhì)運(yùn)移的軟件，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用并且具有較高的準(zhǔn)確性[9].目前對(duì)于地下滴灌的數(shù)值模擬多集中在單點(diǎn)源條件下各技術(shù)要素對(duì)于濕潤(rùn)體特征以及水分分布的影響，分層地下滴灌作為一種新型地下滴灌模式，對(duì)其土壤水分運(yùn)動(dòng)的研究鮮見(jiàn)報(bào)道.

文中擬利用HYDRUS-2D軟件建立分層地下滴灌條件下土壤水分分布數(shù)值模型.在此基礎(chǔ)上，分析分層地下滴灌不同布設(shè)參數(shù)對(duì)于土壤水分分布的影響，同時(shí)進(jìn)行根系和水分匹配效果的評(píng)價(jià)，以期為分層地下滴灌在陜西關(guān)中及寧夏賀蘭山東麓葡萄產(chǎn)區(qū)的應(yīng)用提供技術(shù)參考.

1 材料與方法

1.1 室內(nèi)土箱試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)裝置與土壤

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水研究院灌溉水力學(xué)大廳進(jìn)行.試驗(yàn)裝置分為供水裝置、測(cè)量裝置和土箱3個(gè)部分，如圖1所示.土箱由有機(jī)玻璃制成，尺寸為45 cm×45 cm×75 cm(長(zhǎng)×寬×高).入滲過(guò)程中土壤含水率的變化采用美國(guó)Decagon公司生產(chǎn)的EM50土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè).滴頭埋置在土箱一角，以模擬實(shí)際大田中1/4的土壤水分運(yùn)移情況，采用水箱供水，用水泵控制10 m恒壓水頭，滴灌帶選用以色列Netafim公司生產(chǎn)的PC16150FL地下滴灌帶，滴頭流量為1.0 L/h，灌水時(shí)長(zhǎng)3 h.

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖(單位：cm)

試驗(yàn)土壤分別取自陜西扶風(fēng)葡萄園區(qū)和寧夏賀蘭山東麓玉泉營(yíng)葡萄園區(qū)，經(jīng)自然風(fēng)干后碾壓、粉碎過(guò)2 mm篩后混合均勻制成試驗(yàn)土樣備用，土壤的顆粒組成由英國(guó)馬爾文儀器有限公司生產(chǎn)的馬爾文激光粒度分析儀MS2000測(cè)定；采用環(huán)刀法測(cè)定田間持水率.按美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤質(zhì)地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，陜西扶風(fēng)葡萄園區(qū)土壤屬于粉壤土，寧夏賀蘭山東麓玉泉營(yíng)葡萄產(chǎn)區(qū)土壤質(zhì)地為砂壤土.其物理特性如表1所示，其中ρb為土壤容重，θFC為田間持水量，σ為各粒徑d的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

表1 試驗(yàn)土壤的物理特性

1.1.2 測(cè)定方法與內(nèi)容

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3組不同的滴頭布設(shè)深度：① 15 cm和55 cm；② 25 cm和55 cm；③ 25 cm和45 cm.試驗(yàn)用土按設(shè)計(jì)容重1.35 g/cm3填入土箱，每層5 cm，層間打毛，土壤初始含水率為0.14 cm3/cm3，自然沉降24 h后開(kāi)始試驗(yàn).入滲開(kāi)始后，用秒表計(jì)時(shí)，并按照先密后疏的原則在土箱玻璃外壁描繪出不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的濕潤(rùn)鋒；采用EM50實(shí)時(shí)記錄土壤不同樣點(diǎn)含水率的變化情況.

1.2 HYDRUS數(shù)值模擬

1.2.1 數(shù)學(xué)模型建立

使用HYDRUS-2D軟件模擬分層地下滴灌的水分入滲，假設(shè)土壤是均勻且各向同性的，兩個(gè)滴頭看作是球形水源，入滲過(guò)程中的水運(yùn)動(dòng)可以簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱(chēng)入滲過(guò)程，該流動(dòng)方程用Richards方程描述[10]，由Glerkin有限網(wǎng)格法求解，即

(1)

式中：θ為體積含水率，cm3/cm3；t為入滲時(shí)間，min；r，z為徑向坐標(biāo)和垂向坐標(biāo)(向下為正)，cm；h為基質(zhì)勢(shì)，cm；K(h)為非飽和土壤導(dǎo)水率，cm/min.

土壤基質(zhì)勢(shì)h、非飽和土壤導(dǎo)水率K(h)和含水率的關(guān)系用Van Genuchten-Mualem模型描述[11]為

(2)

(3)

式中：θr，θs為殘余土壤含水率和飽和土壤含水率，cm3/cm3；Ks為土壤飽和導(dǎo)水率，cm/min；Se為相對(duì)飽和度；m，n，α為經(jīng)驗(yàn)擬合參數(shù)，其中m=1-1/n.

1.2.2 土壤水力特征參數(shù)反演

關(guān)中地區(qū)葡萄園土壤參數(shù)采用滴頭埋設(shè)深度15 cm和55 cm的實(shí)測(cè)含水率作為反演數(shù)據(jù)進(jìn)行推求.基于土壤顆粒分布和容重，采用HYDRUS-2D中Rosetta傳遞函數(shù)得到的土壤水力參數(shù)作為反演的初始值，將θr和θs作為已知值，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)中測(cè)得的土壤含水率對(duì)α，n和Ks這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行反演.

寧夏地區(qū)其土壤水分特征參數(shù)采用Rosetta傳遞函數(shù)由容重和顆粒分布直接得出，具體如表2所示.

表2 土壤水力特征參數(shù)值

1.2.3 初始和邊界條件

模型模擬區(qū)域如圖2所示，模擬區(qū)域?qū)挾萀x=45 cm，深度Lz=80 cm，滴灌帶滴頭用弧線段BCD和EFG表示，滴頭半徑r=1 cm.模擬區(qū)域使用三角形單元進(jìn)行劃分，滴頭處進(jìn)行加密處理.文中假定當(dāng)土壤含水率降低至60%田間持水率(60%θFC)時(shí)開(kāi)始灌水，故對(duì)于關(guān)中地區(qū)粉壤土初始含水率設(shè)置為0.14 cm3/cm3，對(duì)于寧夏淡灰鈣土，初始含水率設(shè)置為0.11 cm3/cm3.

圖2 模型模擬區(qū)域示意圖

模擬區(qū)域上邊界AN為大氣邊界，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際，關(guān)中地區(qū)水分蒸發(fā)強(qiáng)度取2.7×10-4cm/min，寧夏地區(qū)水分蒸發(fā)強(qiáng)度取4.2×10-4cm/min.滴灌帶滴頭(弧線段BCD和EFG)設(shè)為變流量邊界，水流通量q按照滴頭流量除以滴頭接觸面積計(jì)算[12].當(dāng)?shù)晤^流量為1 L/h時(shí)，其通量為1.33 cm/min，當(dāng)?shù)晤^流量為2 L/h時(shí)，其通量為2.65 cm/min，模擬區(qū)域中AB，DE，GH以及MN段都設(shè)置為零通量邊界，HM段設(shè)為自由排水邊界，粉壤土質(zhì)下模擬總時(shí)長(zhǎng)36 h、砂壤土模擬總時(shí)長(zhǎng)24 h.

1.2.4 模擬處理

文中主要的研究目的是探究分層地下滴灌在關(guān)中及寧夏地區(qū)葡萄園的合理布設(shè)深度，結(jié)合成齡葡萄的根系分布，設(shè)置了17種處理如表3所示，表中H為滴頭埋深，Hq為淺層滴頭埋深，Hs為深層滴頭埋深，Q為滴頭流量，T為灌水時(shí)長(zhǎng)，θ0為初始含水率.因關(guān)中地區(qū)葡萄根系相對(duì)較淺，設(shè)置3組單層地下滴灌處理作為對(duì)照.其中T1，T2為驗(yàn)證處理，M1-M6為粉壤土下分層地下滴灌處理，C1-C3為粉壤土單點(diǎn)源地下滴灌處理，N1-N6為砂壤土下分層地下滴灌處理.

表3 數(shù)值模擬的不同處理

1.3 根系與水分匹配評(píng)價(jià)

文中提出“根水匹配度”這一量值，代表灌水后形成的濕潤(rùn)體分布與葡萄果樹(shù)根系分布在0～80 cm土層的匹配程度，用y表示，計(jì)算公式為

(4)

式中：f(l)，g(l)分別為濕潤(rùn)體和葡萄根系在0～80 cm土層的概率密度分布函數(shù).y值越大，說(shuō)明灌水形成濕潤(rùn)體在0～80 cm土層與果樹(shù)根系的匹配度越高.

1.4 誤差分析

采用均方根誤差RMSE、平均絕對(duì)誤差MAE和納什效率系數(shù)NSE對(duì)可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算公式為

(5)

(6)

(7)

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值模擬驗(yàn)證結(jié)果

模擬得到的含水率數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證如圖3所示.結(jié)果表明：2種工況下含水率的模擬值與實(shí)測(cè)值的RMSE值和MAE值小于0.03 cm3/cm3，NSE均大于0.9.反演得到的土壤水力參數(shù)具有較高的可靠性.因此，采用HYDRUS-2D可以較好地模擬分層地下滴灌條件下滴頭埋深對(duì)土壤水分運(yùn)移的影響.

圖3 驗(yàn)證工況下模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

2.2 不同布設(shè)參數(shù)下的土壤水分分布

灌水開(kāi)始后，灌溉水經(jīng)由滴頭入滲至土壤，灌水完成并經(jīng)過(guò)再分布后，水分在各個(gè)方向的運(yùn)移基本停止，水分分布達(dá)到穩(wěn)定.對(duì)于砂壤土而言，由于持水能力較差，水分?jǐn)U散速度快，相同時(shí)間內(nèi)形成濕潤(rùn)體體積略大于粉壤土，但濕潤(rùn)體內(nèi)部水分的分布規(guī)律與粉壤土類(lèi)似，在此只以粉壤土為例進(jìn)行介紹.圖4為分層地下滴灌條件下粉壤土中不同滴頭布設(shè)參數(shù)的水分分布情況，圖中φ為水勢(shì)梯度.將入滲過(guò)程分為2個(gè)階段，在濕潤(rùn)體發(fā)生交匯前，水分入滲規(guī)律與單點(diǎn)源地下滴灌土壤水分入滲相似；交匯發(fā)生后，濕潤(rùn)體合二為一，交匯處含水率并未因濕潤(rùn)體的交匯而增大，反而與濕潤(rùn)體輪廓邊緣處的含水率沒(méi)有明顯差別，這是因?yàn)楸M管濕潤(rùn)體的交匯使得交匯處含水量增加，但由于交匯處與周?chē)寥来嬖谳^大的水勢(shì)梯度，促使水分很快借助土壤吸力繼續(xù)運(yùn)移.對(duì)比處理M1,M2和處理M3，隨著2組滴頭間距的增大，完成濕潤(rùn)體交匯所需的時(shí)間越長(zhǎng)，分別為60，150，270 min.

圖4 粉壤土中不同滴頭布設(shè)下的土壤水分分布

再分布結(jié)束后，對(duì)粉壤土和砂壤土這2種土質(zhì)不同滴頭布設(shè)參數(shù)下濕潤(rùn)體內(nèi)部水分分布進(jìn)行分析和計(jì)算，各含水率區(qū)間內(nèi)濕潤(rùn)體體積與濕潤(rùn)體總體積的比值ξ如圖5所示.結(jié)合李波等[13]研究所得結(jié)論，將濕潤(rùn)體內(nèi)含水率處于60%θFC～85%θFC的水分區(qū)間視為分層地下滴灌葡萄水分管理的最佳土壤含水率區(qū)間.結(jié)合圖5可知，濕潤(rùn)體內(nèi)部處于最佳含水率區(qū)間60%θFC～85%θFC內(nèi)的土壤體積隨分層地下滴灌2組滴頭埋深間距的增大而增大，相較于粉壤土，這一趨勢(shì)在砂壤土中更加明顯.因此，從提高土壤水分有效性的角度出發(fā)，可以適當(dāng)增大2組滴頭埋設(shè)的間距.

圖5 再分布結(jié)束后濕潤(rùn)體內(nèi)水分分布

表4為不同處理灌溉水對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)損失E、深層滲漏S和總損失C，表中Em,Sm和Cm為對(duì)應(yīng)的水分損失量，Er,Sr和Cr為對(duì)應(yīng)水分損失量占總灌水量的比值.對(duì)于粉壤土和砂壤土，不同處理下水分的蒸發(fā)損失E均隨著淺層滴頭埋深的增大而減小.以粉壤土為例，對(duì)比處理M1和處理M4，當(dāng)淺層滴頭埋深增加10 cm時(shí)，蒸發(fā)損失率Er降低了2.03%，深層滴頭對(duì)于水分蒸發(fā)損失的影響較小，土壤水分蒸發(fā)的快慢和多少主要取決于0～5 cm土層的水分含量[14]，分析處理M1和處理M4的水分入滲過(guò)程，對(duì)于處理M1，在灌水進(jìn)行到20 min時(shí)，表層5 cm處含水率已經(jīng)開(kāi)始增加，而處理M4中灌水進(jìn)行150 min后才出現(xiàn)增加.當(dāng)灌水結(jié)束后，處理M1土壤表層5 cm處含水率已經(jīng)達(dá)到0.43 cm3/cm3，高于處理M4中的0.35 cm3/cm3.深層滴頭埋深影響土壤水分的深層滲漏過(guò)程，對(duì)比處理M1,M2和M3，當(dāng)深層滴頭埋深從45 cm增加到65 cm時(shí)，滲漏損失率Sr從0.03%增加至2.14%.

結(jié)合表4可以看出，相對(duì)于粉壤土，砂壤土的深層滲漏占據(jù)了水分綜合損失中的主要部分，這是由于砂壤土中土壤顆粒間孔隙越大，對(duì)于水分的吸附力降低，導(dǎo)致單位勢(shì)梯度下的水分通量增大[15].對(duì)于關(guān)中地區(qū)粉壤土，當(dāng)?shù)晤^埋深為25 cm和45 cm時(shí)，水分總損失最??；對(duì)于砂壤土而言，滴頭埋深為15 cm和45 cm時(shí)，水分綜合損失最小，可以較好地避免水分的無(wú)效消耗.

表4 不同處理下土壤水分的蒸發(fā)、深層滲漏以及綜合損失

2.3 根系匹配效果評(píng)價(jià)

提高土壤濕潤(rùn)體與根系的匹配程度對(duì)于滴灌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行以及提升經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義.文中采用的根系數(shù)據(jù)均來(lái)源于文獻(xiàn)[16-17].關(guān)中地區(qū)和寧夏賀蘭山東麓玉泉營(yíng)產(chǎn)區(qū)成齡葡萄果樹(shù)應(yīng)用分層地下滴灌的根系匹配效果如圖6所示.

圖6 不同地區(qū)不同滴頭布設(shè)深度下的根水匹配度

對(duì)于關(guān)中地區(qū)而言，葡萄根系主要集中在0～40 cm的土層，占80 cm土層內(nèi)根系總量的88.7%，當(dāng)采用分層地下滴灌且滴頭埋設(shè)分別為15 cm和45 cm時(shí)y值達(dá)到最大值1.70，且y值隨著2條滴灌帶埋深的增加而減小.而當(dāng)采用單層地下滴灌，滴頭埋深分別為10,20,30 cm時(shí)，y值則分別達(dá)到10.00，4.35和2.08.故對(duì)于根系分布較淺的關(guān)中葡萄產(chǎn)區(qū)，使用單層地下滴灌且滴頭埋深為10 cm時(shí)濕潤(rùn)體與根系的匹配效果最佳.相較于關(guān)中地區(qū)，寧夏賀蘭山東麓玉泉營(yíng)產(chǎn)區(qū)葡萄根系在0～80 cm內(nèi)均有分布，且集中在0～60 cm土層中.結(jié)合圖6可知，對(duì)于寧夏賀蘭山地區(qū)，當(dāng)?shù)晤^布設(shè)深度為15 cm和45 cm時(shí)，濕潤(rùn)體與葡萄根系在土層中分布最為接近，匹配效果最佳.

3 結(jié) 論

1) 對(duì)分層地下滴灌不同滴頭布設(shè)深度在2種土壤的土壤水分運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明：滴頭的布設(shè)深度直接影響了土壤水分分布.土壤水分再分布完成后，2種土質(zhì)下濕潤(rùn)體內(nèi)部處于最佳含水率區(qū)間的土壤體積隨2組滴頭間距的增加而增大.不同處理下水分的蒸發(fā)損失隨淺層滴頭埋深的減小而增大，而水分的深層滲漏則主要受深層滴頭埋深的影響.因此，可適當(dāng)?shù)卣{(diào)整分層地下滴灌滴頭的布設(shè)參數(shù)以避免水分的無(wú)效消耗.

2) 從提高水分利用效率的角度出發(fā)，綜合考慮減小水分無(wú)效損失、提高濕潤(rùn)體對(duì)根系的匹配效果，建議關(guān)中地區(qū)葡萄應(yīng)用單層地下滴灌且埋深為20 cm為宜；寧夏賀蘭山東麓玉泉營(yíng)葡萄產(chǎn)區(qū)應(yīng)用分層地下滴灌且最佳布設(shè)深度為15 cm和45 cm.