毛 威，朱 焱，伍靖?jìng)?，楊金?

（武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072）

0 引 言

西北農(nóng)業(yè)灌區(qū)由于干旱的氣候條件與不合理的灌排措施而面臨土壤鹽漬化的威脅。為了控制土壤鹽分，灌區(qū)每年在作物收獲后采用較大的灌溉定額進(jìn)行灌溉壓鹽，以便淋洗累積在作物根系層的土壤鹽分。以內(nèi)蒙古河套灌區(qū)為例，現(xiàn)狀情況下河套灌區(qū)年均引黃水量約為47億m，其中約1/3的年引黃水量被用作秋灌淋鹽。隨著國(guó)家水資源“三條紅線”管理制度的實(shí)施，河套灌區(qū)未來(lái)的水資源供需矛盾將更加突出。秋灌作為現(xiàn)狀情況下水資源的重要消耗項(xiàng)，必將大幅削減。因此，探究以河套灌區(qū)為代表的西北干旱-半干旱灌區(qū)作物根系層的土壤鹽分積聚規(guī)律及淋洗特征，對(duì)灌區(qū)節(jié)水與灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前對(duì)農(nóng)業(yè)灌區(qū)土壤水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律已有大量研究，主要方法有田間試驗(yàn)研究、數(shù)值模型計(jì)算等。現(xiàn)階段土壤鹽分模擬與計(jì)算中廣泛采用的是對(duì)流彌散方程。該方程物理概念清晰，但該方程是在均質(zhì)情況下推導(dǎo)得到，無(wú)法解釋溶質(zhì)穿透曲線在非均質(zhì)情況下的早期穿透和拖尾等物理非平衡現(xiàn)象。在實(shí)際的淋洗試驗(yàn)中，大量水分淋洗之后的土壤仍然保持著一定量的土壤鹽分，而對(duì)流彌散方程難以描述此類(lèi)現(xiàn)象。從多孔介質(zhì)空間結(jié)構(gòu)分析，土壤孔隙可以分為有效孔隙與死端孔隙，有效孔隙連通性較好，水鹽運(yùn)移通暢，而死端孔隙中的水體及鹽分難以運(yùn)動(dòng)。因此在研究土壤鹽分淋洗的問(wèn)題時(shí)，將土壤視為均質(zhì)介質(zhì)的對(duì)流彌散方程容易高估鹽分淋洗效率。不同學(xué)者提出了眾多分區(qū)類(lèi)模型，以描述溶質(zhì)運(yùn)移的物理非平衡現(xiàn)象。有學(xué)者在總結(jié)了大量模型的實(shí)際應(yīng)用后指出，分區(qū)類(lèi)模型對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移實(shí)際問(wèn)題的應(yīng)用效果好于對(duì)流彌散方程。兩區(qū)模型將土壤水分劃分為可動(dòng)水體與不可動(dòng)水體，以可動(dòng)水體描述土壤有效孔隙中的水分及溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化運(yùn)動(dòng)，以不動(dòng)水體描述土壤死端孔隙中的溶質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程，因此可以有效地描述非均質(zhì)介質(zhì)中的溶質(zhì)運(yùn)移轉(zhuǎn)化問(wèn)題。相關(guān)試驗(yàn)及研究表明，自然狀態(tài)下土壤水體中0～80%的水分屬于不動(dòng)水體，且不動(dòng)水體對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移的影響顯著。然而在現(xiàn)階段水鹽運(yùn)移實(shí)際問(wèn)題的研究中，較少有研究考慮不動(dòng)水體的存在及其對(duì)水鹽運(yùn)移過(guò)程的影響。

本研究主要針對(duì)內(nèi)蒙古河套灌區(qū)土壤水鹽運(yùn)移的實(shí)際問(wèn)題。在已開(kāi)展研究中，筆者基于水鹽運(yùn)移的均衡原理與數(shù)值求解方法，考慮可動(dòng)-不動(dòng)水體假設(shè)，開(kāi)發(fā)了土壤水鹽運(yùn)移模型UBMOD。在對(duì)河套灌區(qū)土壤水鹽運(yùn)移實(shí)際問(wèn)題的分析中發(fā)現(xiàn)，考慮可動(dòng)-不動(dòng)水體假設(shè)時(shí)的模擬效果比不考慮可動(dòng)-不動(dòng)水體假設(shè)的對(duì)流彌散方程更好。本研究基于已開(kāi)發(fā)的數(shù)值模型，分析考慮可動(dòng)-不動(dòng)水體假設(shè)時(shí)河套灌區(qū)永聯(lián)試驗(yàn)區(qū)根系層鹽分累積與淋洗規(guī)律，并探究研究區(qū)現(xiàn)狀及未來(lái)可能的根系層鹽分累積與淋洗規(guī)律及適宜秋灌定額。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)說(shuō)明

永聯(lián)試驗(yàn)區(qū)位于河套灌區(qū)義長(zhǎng)灌域內(nèi)，屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市五原縣永利公社轄區(qū)（107°59′09″～108°01′51″E，41°00′50″～41°08′06″N），如圖1a所示。試驗(yàn)區(qū)南北狹長(zhǎng)約為12 km，東西寬約為3 km，控制面積29.75 km。試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)南高北低，海拔從西南面的1 028.9 m逐漸降至東北面的1 025.4 m。試驗(yàn)區(qū)南部為皂火干渠，區(qū)域內(nèi)灌溉引水量均由皂火干渠取水引入。試驗(yàn)區(qū)其余邊界則為排水溝。根據(jù)區(qū)域內(nèi)土地利用情況，可以劃分為3種土地利用類(lèi)型，分別為耕地、村莊和荒地，其空間位置分布如圖1a所示。試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造以沖湖積層和沖積層為主，是由湖沼河流相向黃河泛流相過(guò)渡的沉積物，主要巖性為黃色亞黏土與粉細(xì)砂互層，土質(zhì)變化復(fù)雜。

圖1 永聯(lián)試驗(yàn)區(qū)示意圖與監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂向土質(zhì)分布 Fig.1 Location of the Yonglian test area and the vertical distributions of soil texture at different monitoring points

永聯(lián)試驗(yàn)區(qū)屬于北溫帶干旱地區(qū)，年均降雨量173 mm，主要集中在7—9月，由20 cm蒸發(fā)皿實(shí)測(cè)得到的年均水面蒸發(fā)量為2 088 mm，約為降雨量的12倍，因而該地區(qū)的灌溉農(nóng)業(yè)非常依賴于地表引水。試驗(yàn)區(qū)冬季寒冷干旱，因而只在每年的5—9月種植一季作物，在10月進(jìn)行秋灌，其余月份則休耕。區(qū)內(nèi)主要種植作物有小麥、向日葵、玉米等。

試驗(yàn)區(qū)在2008年進(jìn)行了區(qū)域土壤水鹽運(yùn)移的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，共有13個(gè)土壤水分與鹽分監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其分布如圖1a所示。其中第1、2、3、5、6和13號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于耕地，4號(hào)和8號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于村莊，第7、9、10、11和12號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于荒地。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均進(jìn)行了詳細(xì)的土壤粒徑分析，依據(jù)國(guó)際土壤質(zhì)地分類(lèi)標(biāo)注的土壤質(zhì)地垂向分布情況見(jiàn)圖1b所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)土質(zhì)展現(xiàn)出強(qiáng)烈的非均質(zhì)性。各土質(zhì)所采用的土壤水力參數(shù)如表1所示，不同土質(zhì)的水力參數(shù)的取值是基于美國(guó)水土保持局土壤參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)獲得，田間持水率（θ）基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲得。在該年的5—11月，每月對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采樣3次進(jìn)行土壤水分的觀測(cè)。對(duì)于鹽分而言，一共有3次監(jiān)測(cè)，分別是在4月26日，7月26日和10月6日，分別對(duì)應(yīng)作物種植前、作物生育期和作物收獲后的土壤鹽分狀況。土壤水鹽監(jiān)測(cè)點(diǎn)在垂直方向上近地表處取樣較密集，取樣深度分別為0～20、>20～40、>40～60、>60～80、>80～120和>120～160 cm，所有監(jiān)測(cè)結(jié)果均為2次重復(fù)的平均值。2019年，監(jiān)測(cè)點(diǎn)13于9月和11月開(kāi)展了秋澆期間土壤水鹽情況監(jiān)測(cè)。永聯(lián)試驗(yàn)區(qū)的氣象數(shù)據(jù)由附近的五原氣象站獲得，灌溉數(shù)據(jù)由灌區(qū)管理機(jī)構(gòu)提供。

表1 各土質(zhì)土壤水力參數(shù) Table 1 Soil hydraulic parameters with different soil textures

1.2 UBMOD水鹽均衡模型

UBMOD模型基于傳統(tǒng)水鹽均衡模型，結(jié)合統(tǒng)計(jì)方法與數(shù)值方法構(gòu)造得到。相比于求解Richards方程的數(shù)值模型，UBMOD模型具有更好的計(jì)算效率與模型穩(wěn)定性，對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程的描述僅需4個(gè)穩(wěn)定易獲取的土壤物理參數(shù)，且對(duì)時(shí)空計(jì)算步長(zhǎng)沒(méi)有嚴(yán)格的要求，適合于模擬農(nóng)田水鹽運(yùn)移的實(shí)際問(wèn)題。UBMOD代碼網(wǎng)址為https://github.com/Weiwei-Mao/UBMOD_S。

在水分運(yùn)動(dòng)模塊中，UBMOD模型綜合考慮了影響土壤水分運(yùn)動(dòng)的重力勢(shì)、源匯項(xiàng)等外力和基質(zhì)勢(shì)的影響。將研究區(qū)域進(jìn)行垂向離散，在一個(gè)計(jì)算時(shí)間步中，可以將水分運(yùn)動(dòng)劃分為4步，即入滲水的分配、重力勢(shì)作用下的土壤水分運(yùn)動(dòng)、蒸散發(fā)等源匯作用下的土壤水分運(yùn)動(dòng)和基質(zhì)勢(shì)作用下的土壤水分運(yùn)動(dòng)。當(dāng)存在水分入滲時(shí)，入滲水從上到下依次按照飽和含水率對(duì)各分層進(jìn)行填充，對(duì)特定土層，其填充水量為

式中為單位面積的該層土壤所分配的水量，m；是該層土壤的厚度，m；是該土壤的含水率，m/m；是該土壤的飽和含水率，m/m；是單位面積的入滲水的總量，m；是在入滲過(guò)程中已經(jīng)分配過(guò)的入滲水量，m。

非飽和帶土壤水分的運(yùn)動(dòng)由以下控制方程描述：

基于可動(dòng)-不可動(dòng)水體假設(shè)，構(gòu)建溶質(zhì)運(yùn)移模塊。在可動(dòng)水體部分，考慮溶質(zhì)運(yùn)移的對(duì)流運(yùn)動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)等源匯項(xiàng)、一階質(zhì)量交換運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，在不動(dòng)水體部分僅考慮溶質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)等源匯項(xiàng)和一階質(zhì)量交換運(yùn)動(dòng)。

可動(dòng)水體部分存在水分的運(yùn)移，溶質(zhì)隨之發(fā)生對(duì)流運(yùn)動(dòng)，其控制方程為

式中是土壤中可動(dòng)水體含量，m/m；為可動(dòng)水體的濃度，kg/m；為可動(dòng)水體的平均孔隙流速，m/s，其與土體中水分通量的關(guān)系為

可由水分模型求得，m/s。

溶質(zhì)運(yùn)移方程中包含多種源匯項(xiàng)與物理化學(xué)反應(yīng)的影響，可動(dòng)水體與不動(dòng)水體的控制方程分別為

式中是土壤中不可動(dòng)水體含量，m/m，=-；為不動(dòng)水體含水量占總含水量的比例，=/；為不可動(dòng)水體的濃度，kg/m；和分別為可動(dòng)水體部分和不可動(dòng)水體部分土壤的干密度，kg/m；和分別為可動(dòng)水體部分和不可動(dòng)水體部分吸附在土壤顆粒上的固體溶質(zhì)濃度；和分別為可動(dòng)水體部分和不可動(dòng)水體部分液體的一階反應(yīng)速率系數(shù)，s；和分別為可動(dòng)水體部分和不可動(dòng)水體部分固體的一階反應(yīng)速率系數(shù)，s；和分別為可動(dòng)水體部分和不可動(dòng)水體部分液體的零階反應(yīng)速率常數(shù)，kg/(m·s)；和分別為可動(dòng)水體部分和不可動(dòng)水體部分固體的零階反應(yīng)速率常數(shù)，s；為結(jié)晶態(tài)鹽分溶解速率，s；為該鹽溶解平衡時(shí)的濃度（或溶解度），kg/m。零階和一階速率常數(shù)表示一系列的反應(yīng)與轉(zhuǎn)化過(guò)程，包括生物降解、揮發(fā)、析出與放射性衰減等。

水平向不動(dòng)水體與可動(dòng)水體之間溶質(zhì)的交換作用，不可動(dòng)區(qū)域的溶質(zhì)僅以擴(kuò)散形式與可動(dòng)區(qū)域發(fā)生質(zhì)量交換，且假設(shè)質(zhì)量交換速率與兩區(qū)的溶質(zhì)濃度成正比，其控制方程如下：

式中為質(zhì)量交換系數(shù)，s。

之后，計(jì)算可動(dòng)水體的垂向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，其控制方程為，

式中為可動(dòng)水體的彌散系數(shù)張量，在垂向一維情況下僅考慮其垂向分量，m/s。

1.3 模型率定與驗(yàn)證

對(duì)每種土地利用類(lèi)型，各選擇兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定，而采用剩余監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。需要率定的參數(shù)有土壤鹽分運(yùn)移的縱向彌散度（）、不動(dòng)水體含量（）和一階質(zhì)量交換系數(shù)（）。

采用相對(duì)誤差（Mean Relative Error，MRE）和均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）判斷模型擬合結(jié)果，其計(jì)算公式如下：

式中Y為參照值或?qū)崪y(cè)值，y為模型模擬值，為樣本數(shù)量。 采用鹽分存儲(chǔ)指數(shù)（Soil Storage Index，SSI）量化根系層鹽分的變化。鹽分存儲(chǔ)指數(shù)是鹽分儲(chǔ)存變化量與初始存儲(chǔ)量的比值，其計(jì)算公式為

式中和分別為根系層在研究初期與末期所含鹽分量，kg。SSI為正值表示土壤鹽分增加，根系層處于積鹽狀態(tài)；SSI為負(fù)值表示土壤鹽分減小，根系層處于脫鹽狀態(tài)。

1.4 情景設(shè)置說(shuō)明

以0～50 cm土層作為根系層，根據(jù)文獻(xiàn)資料，河套灌區(qū)根系層土壤鹽分小于2 g/kg時(shí)為非鹽堿化土壤，基本滿足絕大部分作物生長(zhǎng)發(fā)育的需求；當(dāng)根系層土壤鹽分在2～3 g/kg之間時(shí)，為輕度鹽漬化土壤，會(huì)影響作物生長(zhǎng)發(fā)育；當(dāng)根系層土壤鹽分大于3 g/kg時(shí)，對(duì)大部分作物生長(zhǎng)發(fā)育均有嚴(yán)重的影響。因此，本研究將根系層鹽分的淋洗標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置是：秋灌過(guò)后根系層土壤鹽分控制在2 g/kg以下。設(shè)置不同水文年型、不同生育期灌溉定額、不同灌溉水礦化度，探討其對(duì)根系層秋灌淋鹽的影響。

不同水文年情景：2008年降雨量較大，為典型的豐水年。采用Pearson-Ⅲ型曲線對(duì)五原氣象站58a的實(shí)測(cè)降雨資料進(jìn)行排頻分析，并取25%、50%和75%保證率的年型作為豐水年、平水年和枯水年的代表，其各自對(duì)應(yīng)的降雨量分別為209、162和125 mm。研究區(qū)在作物生育期的灌溉量采用2000—2013年的均值，因而取生育期灌溉量238 mm。秋灌定額設(shè)為60、80、100、120、140 mm，結(jié)合3種水文年型，共15種情景。

不同生育期灌溉定額情景：選擇水文年型為平水年，生育期灌溉定額設(shè)為178、208、238、268、298 mm，并秋灌定額設(shè)為60、80、100、120、140 mm，結(jié)合5種生育期灌溉定額設(shè)置，共25種情景。

對(duì)于灌溉水礦化度，以上情景中均采用引黃水進(jìn)行灌溉，灌溉水礦化度較小（0.65 g/L）。河套灌區(qū)地下水礦化度多年平均值為4.08 g/L，其中43%～49%區(qū)域的地下水礦化度小于3.0 g/L。礦化度小于2 g/L的地下水水源滿足公認(rèn)的農(nóng)業(yè)灌溉用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而只要滿足作物對(duì)水分的需求并控制鹽分危害，利用微咸水（2～3 g/L）進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉也能獲得高產(chǎn)。因此在未來(lái)引黃水量減小的背景下，有可能混合礦化度較高的地下水與引黃水進(jìn)行灌溉。設(shè)置不同的灌溉水礦化度濃度，分別為1.0 、1.5、2.0、2.5和3.0 g/L。選擇水文年型為平水年，生育期灌溉定額為238 mm，秋灌期灌溉定額同樣設(shè)置5種不同的情況，共25種情景進(jìn)行模擬計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型率定和驗(yàn)證結(jié)果

各觀測(cè)點(diǎn)在時(shí)間上平均的率定與驗(yàn)證的水分及鹽分MRE和RMSE見(jiàn)表2所示，鹽分剖面在2008年10月6日的對(duì)比如圖2所示。

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)率定及驗(yàn)證結(jié)果 Table 2 Calibration and validation results at monitoring points

圖2 10月6日土壤鹽分模擬值與實(shí)測(cè)值 Fig.2 Observed and simulated soil salt content on October 6

由圖2可知，模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近。在率定情況下，耕地、村莊和荒地的剖面平均含水率MRE均小于20%，RMSE值小于0.06 m/m，剖面平均全鹽量的MRE小于30%，RMSE小于0.23 g/kg?；谄拭娴哪M結(jié)果，率定得不動(dòng)水體含量為0.2，縱向彌散度為0.4 m，一階質(zhì)量交換系數(shù)為0.001 d。在驗(yàn)證情況下，耕地、村莊和荒地的剖面平均含水率MRE均小于30%，RMSE值小于0.07 m/m，剖面平均全鹽量的MRE小于25%，RMSE小于0.17 g/kg?？梢?jiàn)，模型可以模擬試驗(yàn)區(qū)土壤水鹽運(yùn)移的實(shí)際情況。需要說(shuō)明的是，圖2顯示的鹽分剖面在垂向上存在鋸齒狀的突變，主要由垂向復(fù)雜的土質(zhì)分層所導(dǎo)致。此外，土壤水鹽的部分模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值有一定差距，如8號(hào)點(diǎn)的表層結(jié)果，12號(hào)點(diǎn)的深層結(jié)果等。產(chǎn)生該結(jié)果的原因有，土壤具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性與空間變異性，使得模型模擬難以刻畫(huà)所有水鹽運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)。此外，位于村莊、荒地的監(jiān)測(cè)點(diǎn)（4號(hào)和8號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于村莊，第7、9、10、11和12號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于荒地）處于道路、房屋附近，受人為活動(dòng)的干擾較大。

此外，采用2019年第13號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)秋灌期間的實(shí)測(cè)土壤水鹽結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證模型的模擬效果。以9月15日采樣結(jié)果作為初始值，11月18日土壤含水率與全鹽量的模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比情況如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，模型模擬的土壤含水率與實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近，剖面含水率MRE為9.4%，RMSE值為0.10 m/m，剖面全鹽量的MRE為11.8%，RMSE為0.13 g/kg。綜上，模型能可靠地模擬試驗(yàn)區(qū)土壤水鹽運(yùn)移的實(shí)際情況。

圖3 2019年13號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)秋灌結(jié)束后土壤水鹽模擬值與實(shí)測(cè)值 Fig.3 Observed and simulated soil water content and salt content in the No.13 measuring point after autumn irrigation in 2009

2.2 耕地土壤鹽分運(yùn)移規(guī)律分析

基于實(shí)測(cè)值計(jì)算2008年各監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均的根系層土壤鹽分和含水率，其動(dòng)態(tài)變化和剖面分布如圖4。由圖4a可知，年內(nèi)耕地根系層的鹽分變化情況大致分為2個(gè)階段：作物生育期和秋灌期。在作物生育期，當(dāng)不存在灌溉或降雨時(shí)，可能由于作物蒸騰與土壤蒸發(fā)的作用，根系層鹽分緩慢增加。當(dāng)存在灌溉或降雨時(shí)，在入滲水分的淋洗作用下，根系層鹽分下降。8月16日出現(xiàn)了極端降雨，單日降雨量高達(dá)64 mm，導(dǎo)致了根系層鹽分含量的顯著下降。根系層總體含鹽量下降了0.18 g/kg，SSI為-6.3%。到作物生育期末（9月30日），SSI為5.3%。從土壤鹽分剖面分布來(lái)看，從初始時(shí)刻到秋灌前的作物生育階段，距地表50和100 cm處的土壤含鹽量顯著增加。總體而言，根系層鹽分在作物生育期稍有增加。10月和11月主要為秋灌淋鹽過(guò)程。秋灌總的灌溉量為140 mm，然而由于灌溉量比較集中，土壤鹽分淋洗較為充分，根系層總體含鹽量下降了約0.58 g/kg，SSI為-21.1%。秋灌前后，剖面表層60 cm的土壤鹽分顯著下降，土壤鹽分主要被淋洗至100 cm及以下的深層土壤中，秋灌期洗鹽效果明顯。

圖4 根系層土壤鹽分及土壤含水率變化 Fig.4 Variation of soil salt content and water content in root zone

8月16日極端降雨天降雨量為64 mm，雨水的鹽分濃度為0，秋灌總灌溉量為140 mm，鹽分濃度為0.65 g/L。然而對(duì)于根系層而言，8月16日極端降雨情況下，根系層SSI僅為-6.3%，而秋灌期SSI為-21.1%。極端降雨與秋灌前后土壤剖面含水率對(duì)比如圖4c所示。極端降雨在短時(shí)間內(nèi)有大量水分入滲進(jìn)入土壤，使得表層土壤的含水率急劇變大。但是降雨量的大部分均留存在0～70 cm的表層土壤中填補(bǔ)水分虧缺，深層入滲水量較小。與之相對(duì)應(yīng)，秋灌水量充足且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，使得剖面整體含水率都有顯著的增大，可以充分填補(bǔ)非飽和帶的水分虧缺，且尚有剩余水量持續(xù)下滲，因而可以將大量根系層鹽分淋洗至深層土壤甚至地下水中，取得顯著的鹽分淋洗效果。因而，對(duì)于本研究區(qū)而言，秋灌是作物根系層鹽分淋洗最直接有效的方式。

2.3 模型模擬適宜秋灌定額

不論枯水年、平水年或是豐水年，在作物生長(zhǎng)季，由于較大的土壤蒸發(fā)和作物蒸騰量，使得根系層土壤鹽分在生育期具有逐漸累積的趨勢(shì)，因此一定需要秋灌淋洗土壤鹽分。不同水文年型對(duì)根系層淋鹽過(guò)程影響明顯（圖5）。不同水文年型不同秋灌定額下的SSI見(jiàn)表3。

圖5 不同水文年型根系層土壤鹽分淋洗情況 Fig.5 Soil salt leaching results in root zone of different hydrogeological years

由表3可知，當(dāng)秋灌定額為60～140 mm時(shí)，在枯水年不同情景的SSI值為-10.3%～5.7%，在平水年不同情景的SSI值為-12.7%～3.4%，在豐水年不同情景的SSI值為-17.0%～4.0%。可見(jiàn)，秋灌定額相同時(shí)，降雨越多，秋灌期土壤鹽分淋洗越充分。究其原因，生育期降雨量并未引入更多的鹽分，而較大的降雨量會(huì)使得土壤鹽分累積在根系層較深的位置，秋灌更容易淋洗。總體而言，當(dāng)水文年型相同時(shí)，隨著秋灌定額的增大，根系層在秋灌作用下的脫鹽程度變大。但在不同的水文年型當(dāng)秋灌定額相對(duì)較小時(shí)，隨著秋灌定額的增加，也可能會(huì)出現(xiàn)SSI上升，根系層土壤鹽分淋洗效果變差的情況。如表3中，當(dāng)秋灌定額由60 mm增加至80 mm時(shí)，SSI值從2.6%變?yōu)?.7%，即根系層鹽分淋洗的效果反而變差。而進(jìn)一步增大到100 mm及更大的秋灌定額后，根系層鹽分淋洗效果會(huì)隨著淋洗水量的增大而越來(lái)越好。可能因?yàn)榍锕嘀案祵哟嬖谳^大的水分虧缺，當(dāng)秋灌定額較小時(shí)，秋灌引起的深層滲漏水量較小，而該水量帶離根系層的土壤鹽分量小于秋灌定額本身所含有的鹽分量，因而造成了根系層土壤鹽分不降反升。

表3 不同情景下秋灌前后根系層鹽分存儲(chǔ)指數(shù) Table 3 Soil Storage Index (SSI) values of the root zone before and after the autumn irrigation for different scenarios %

生育期不同灌溉定額與秋灌定額情景下根系層土壤鹽分變化和SSI值如圖6所示和表3所示。當(dāng)灌溉定額為298 mm時(shí)，秋灌定額從140 mm減小至60 mm時(shí)，不同情景的SSI值為-16.8%～3.7%；當(dāng)灌溉定額為268 mm時(shí)，秋灌定額從140 mm減小至60 mm時(shí)，不同情景的SSI值為-14.8%～4.3%；當(dāng)灌溉定額為238 mm時(shí)，秋灌定額從140 mm減小至60 mm時(shí)，不同情景的SSI值為-12.7%～3.4%；當(dāng)灌溉定額為208 mm時(shí)，秋灌定額從140 mm減小至60 mm時(shí)，不同情景的SSI值為-10.9%～5.1%；當(dāng)灌溉定額為178 mm時(shí)，秋灌定額從140 mm減小至60 mm時(shí)，不同情景的SSI值為-9.9%～5.8%。可以發(fā)現(xiàn)，生育期灌溉定額的影響較為復(fù)雜。較大的生育期灌溉水量引入了更多的鹽分，因而在生育期末，根系層所含有的鹽分量也較大。如圖6所示，因趨勢(shì)一致，238 mm時(shí)圖省略，當(dāng)灌溉定額為298 mm時(shí)，生育期結(jié)束時(shí)根系層全鹽量為2.28 g/kg，而當(dāng)灌溉定額為178 mm時(shí)，生育期結(jié)束時(shí)根系層全鹽量為2.11 g/kg。因此對(duì)于生育期灌溉定額較大的情景，其秋灌所需淋洗的土壤鹽分更多。在該算例中，同樣出現(xiàn)了當(dāng)秋灌定額增大，根系層鹽分淋洗效果變差的情況，如圖 6a所示。此外，對(duì)比不同情景可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)秋灌定額大于100 mm時(shí)，不同灌溉定額情景下的作物根系層淋鹽結(jié)果非常接近?？赡苤饕且?yàn)殡m然生育期灌溉定額較大時(shí)，根系層所含土壤鹽分更多，但是生育期較大的灌溉定額也將整個(gè)根系層鹽分沖洗至根系層下部，因而更利于淋洗。

圖6 不同灌溉定額根系層土壤鹽分淋洗情況 Fig.6 Soil salt leaching results in root zone of different irrigation quota

不同灌溉水礦化度與秋灌定額條件下根系層土壤鹽分變化情況如圖7所示。當(dāng)灌溉水礦化度為1.0 g/L時(shí)，秋灌定額從140 mm減小至60 mm時(shí)，不同情景的SSI值為-15.5%～6.8%；當(dāng)灌溉水礦化度為1.5 g/L時(shí)，秋灌定額從140 mm減小至60 mm時(shí)，不同情景的SSI值為-14.2%～8.0%；當(dāng)灌溉水礦化度為2.0 g/L時(shí)，秋灌定額從140 mm減小至60 mm時(shí)，不同情景的SSI值為-13.0%～9.0%；當(dāng)灌溉水礦化度為2.5 g/L時(shí)，秋灌定額從140 mm減小至60 mm時(shí)，不同情景的SSI值為-12.0%～10.0%；當(dāng)灌溉水礦化度為3.0 g/L時(shí)，秋灌定額從140 mm減小至60 mm時(shí)，不同情景的SSI值為-11.1%～10.8%。相同秋灌定額情況下，灌溉水礦化度與SSI呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，灌溉水礦化度每升高1 g/L時(shí)，SSI平均增加0.02。隨著灌溉水礦化度的增大，通過(guò)灌溉引入的鹽分越來(lái)越多，秋灌淋洗效果變差。當(dāng)灌溉水礦化度為1.5 g/L，秋灌定額為120 mm時(shí)，秋灌結(jié)束后根系層全鹽勉強(qiáng)可以達(dá)到2.03 g/L。當(dāng)灌溉水礦化度大于等于2.0 g/L時(shí)，秋灌定額為140 mm亦不足以將土壤根系層鹽分淋洗至2 g/L之下。

圖7 不同灌溉水礦化度根系層土壤鹽分淋洗情況 Fig.7 Soil salt leaching results in root zone of different salt concentration of irrigation water

本文研究表明，對(duì)于作物生育期降雨較大的豐水年，采用100 mm的秋灌定額即可將根系層鹽分淋洗至2 g/kg左右，對(duì)于平水年，則需要120 mm的秋灌定額方可將根系層鹽分淋洗至2 g/kg，而對(duì)于枯水年，則需要140 mm的秋灌定額?？梢?jiàn)，不同水文年型對(duì)秋灌淋洗作用影響較大。為了保證秋灌對(duì)根系層鹽分淋洗的效果，在考慮不同水文年型的情況下建議本試驗(yàn)區(qū)多年秋灌淋鹽的平均水量定額采用120 mm。

在不同生育期灌溉定額情景下，秋灌定額為120 mm時(shí)可以將根系層鹽分淋洗至2 g/kg以下，滿足根系層鹽分淋洗的要求。

在不同的灌溉水礦化度情景下，當(dāng)秋灌定額為120 mm時(shí)，需要控制灌溉水礦化度小于1.5 g/L，才可達(dá)到根系層鹽分淋洗要求。

綜上，不同水文年型、灌溉水礦化度對(duì)秋灌定額的影響較大，而不同生育期灌溉定額對(duì)鹽分淋洗所需秋灌定額的影響較小?？傮w而言，當(dāng)秋灌定額為120 mm，灌溉水礦化度小于1.5 g/L時(shí)，可以滿足根系層的淋鹽要求。

3 結(jié) 論

本文基于田間土壤強(qiáng)烈非均質(zhì)的實(shí)際情況，采用考慮可動(dòng)-不動(dòng)水體假設(shè)構(gòu)建的UBMOD模型，根據(jù)河套灌區(qū)永聯(lián)試驗(yàn)區(qū)實(shí)測(cè)土壤鹽分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了率定和驗(yàn)證，分析了不同水文年型、不同灌溉定額、不同灌溉水礦化度與不同秋灌定額條件下永聯(lián)試驗(yàn)區(qū)根系層土壤鹽分累積與淋洗規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1）2008年的作物生育期根系層鹽分處于累積狀態(tài)，鹽分存儲(chǔ)指數(shù)變化為5.3%，秋灌根系層鹽分淋洗較為徹底，鹽分存儲(chǔ)指數(shù)變化為-21.1%。秋灌淋鹽效果明顯，土壤鹽分主要被淋洗至100 cm至以下的深層土壤。

2）秋灌定額與根系層鹽分淋洗程度呈非線性關(guān)系。在秋灌定額大于100 mm時(shí)隨著秋灌定額的增加，根系層鹽分淋洗程度變大。但是當(dāng)秋灌定額小于100 mm時(shí)，可能出現(xiàn)隨著秋灌定額的增大而根系層鹽分淋洗程度變差的情況。水文年型、灌溉水礦化度對(duì)根系層鹽分淋洗所需秋灌定額的影響較大。

3）綜合考慮水文年型、生育期灌溉定額和灌溉水礦化度，當(dāng)秋灌定額大于等于120 mm，灌溉水礦化度小于1.5 g/L時(shí)，可以通過(guò)秋灌將永聯(lián)試驗(yàn)區(qū)耕地根系層土壤鹽分淋洗至2 g/kg以下。