干旱区不同地下水位对棉花膜下滴灌灌溉制度的响应研究

魏光辉

(新疆塔里木河流域管理局， 新疆 库尔勒 841000)

干旱区不同地下水位对棉花膜下滴灌灌溉制度的响应研究

魏光辉

(新疆塔里木河流域管理局， 新疆 库尔勒 841000)

地下水埋深对作物灌溉制度的制定及土壤次生盐碱化的防治具有重要影响。为研究不同地下水位对棉花膜下滴灌灌溉制度的影响，本文以新疆孔雀河流域为研究区，利用HYDRUS-2D软件对不同地下水位下的土壤含水率动态进行模拟，结果表明：地下水埋深为1m时，地下水对土壤水的补给作用较强，灌溉定额3000m3/hm2较为适宜；地下水埋深为2.0m时，灌溉定额4500m3/hm2较为适宜，此时棉花基本不受水分胁迫；地下水埋深为3m时，地下水对土壤水已无补给作用，灌溉定额5550m3/hm2较为合适，此时水分胁迫时间累计14d。研究结果为指导当地水资源开发利用及棉花种植业提供了重要参考。

干旱区； 棉花； 灌溉制度； 研究

新疆孔雀河流域地处塔里木盆地北缘，气候干旱少雨，棉花是该地区种植的主要经济作物。由于孔雀河流域水资源相对匮乏，故开展棉花节水灌溉制度研究对于区域水资源的合理开发利用、提高农业水资源利用效率及灌区水资源规划具有重要意义。

目前，国内外关于不同作物灌溉制度的研究方法总体来讲，大致可归纳为以下两类：第一类为大田试验法，例如，孙雪梅[1]等采用自动称重式蒸渗仪研究了玉米喷灌灌溉制度，研究发现适度减少喷灌灌水定额，可减少作物腾发量，提高水分利用效率，且作物不减产；陶君[2]等对辣椒微咸水膜下滴灌灌溉制度进行了研究，发现利用矿化度为1.60g/L的咸淡水混合灌溉模式，作物产量较高、品质较好；王峰[3]等采用主成分法研究了温室番茄的亏缺灌溉制度，发现在作物开花和果实膨大期适当减少灌水量，可使果实品质最优，经济效益较好，此时节约灌水56mm。第二类为数学模型法，例如，王文佳[4]等利用DSSAT作物模型研究了不同水文年冬小麦灌溉制度；汤广民[5]采用动态规划方法对淮北平原主要农作物在不同水文年的灌溉制度进行了优化；冯绍元[6]等以石羊河流域春小麦咸水非充分灌溉制度为例，利用SWAP模型对不同水文年与灌水方案下的土壤水盐、作物产量和水分利用效率进行了模拟研究。尽管如此，上述研究均未考虑地下水对作物灌溉制度的影响。

由于在不同地下水位，土壤水与地下水的相互作用程度不尽相同，导致作物所需灌溉水量也各不相同[7]。通过制定科学合理的灌溉制度，发挥地下水对土壤水的调节作用及作物自身在不同生育阶段的耐旱性，可提高水分利用效率并实现作物稳产丰产。鉴于此，本文以当地棉花种植中普遍采用的灌溉定额4500m3/hm2为标准，利用HYDRUS-2D软件对研究区不同地下水位(1m、2m与3m)土壤含水率动态变化开展数值模拟，以期为区域水资源的开发利用与棉花种植业发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

田间试验地理位置为东经86°12′、北纬41°36′，研究区位于孔雀河流域的库尔勒市西尼尔镇，属暖温带大陆性荒漠气候，年均气温11.50℃，降水量55.60mm，蒸发量2750mm，日照时数3036.20h，无霜期191天。

研究区土壤质地为砂壤土，肥力较差。地下水平均埋深1.2～2m，棉花种植模式采用“一膜一管四行”(见图1)，棉花品种为当地普遍种植的新陆中21号，全生育期134天。棉花播种时间为4月中旬，6月中旬开始灌溉，灌溉水源为孔雀河地表水，河水矿化度为0.90g/L，灌溉方式为滴灌，滴头设计流量为3.20L/h，设计工作压力0.01MPa。

图1 棉花种植模式(单位：cm)

1.2 棉花灌溉制度

根据研究区调查结果，选取当地普遍采用的灌溉定额4500m3/hm2，灌溉制度见表1。

表1 棉花生育期灌概制度

1.3 作物腾发量确定

根据当地实测气象资料，利用Penman-Monteith公式计算ET0日值。此外，结合实测土壤蒸发量，确定棉花生育期内(6月10日—9月7日)腾发量变化值(见表2)。

表2 棉花生育期耗水量动态

1.4 模拟情景假设

考虑到地下水与土壤水的相互影响，在利用HYDRUS-2D软件模拟棉花生育期土壤含水率动态变化过程时，形成表3所列设计方案

表3 设计方案

1.5 模拟结果评价

以棉花窄行中间位置30cm深度的土壤含水率(以下简称关键点含水率)为依据进行判别，由于该处棉花根系密度最大，并处于内、外2行棉花根系吸水交汇区，因此选择该处的土壤含水率值作为判断棉花缺水与否的标准。棉花适宜的土壤含水量下限见表4。

表4 不同生育期土壤含水量下限适宜值

对模拟结果中关键点含水率大于上限(田间持水率22.20%)或小于下限(见表4)时的持续时间进行统计得到总的时间(d)，并以此作为表3中各方案优劣的评价标准。

2 模拟模型

为简化模型计算，在保证精度前提下，将滴灌灌水过程概化为线源入渗过程。将三维土壤水分运动过程概化为二维流，利用HYDRUS-2D软件模拟，模拟时段为6月10日—9月7日。

2.1 模型选取

HYDRUS-2D模型在模拟土壤含水率动态变化时通常采用Van Genuchten方程求解特征曲线等参数。

(1)

(2)

(3)

(4)

以上式中θ——土壤含水率，cm3/cm3；

θs——饱和含水率，cm3/cm3；

θr——残余含水率，cm3/cm3；

h——土壤水势，cm；

α——进气值倒数；

n——孔径指数；

m——方程参数；

l——经验系数，一般取0.5；

K——非饱和导水率，cm/d；

Se——有效含水率，cm3/cm3。

本文利用张力计法对研究区土壤水分特征脱湿曲线进行测定，采用RETC拟合Van Genuchten方程的水分特征曲线参数，根据实测土壤饱和导水率，计算得到饱和含水率θs为0.32cm3/cm3、残余含水率θr为0.05cm3/cm3、α为0.03cm、n为1.45、饱和导水率Ks为2.50m/d、土壤田间持水量为0.22cm3/cm3。

假设土壤为均质多孔介质，不考虑气体及热量对土壤水运动的影响，将土壤水概化为垂向的一维运动，土壤水分运动模拟采用改进Richards方程。

2.2 模型初始及边界条件

棉花播种后至苗水灌溉前(4月15日—6月9日)，棉苗主要消耗前期的土壤储存水分，可视为定水位下自由蒸发与排泄的剖面土壤含水率消退过程，并以此作为HYDRUS-2D软件进行土壤含水率动态模拟的初始含水率。此外，考虑到土壤含水率的无后效性，可忽略不计土壤初始含水率误差对模型后续模拟精度的影响。

由于研究区土质为砂壤土，土壤渗砂透性较强，故上边界为通量已知的第二类边界。在模拟期内(6月10日—9月7日)输入逐日灌水量、ET0等上边界通量值，下边界设为定水位埋深(分别为1m、2m与3m)，模拟不同地下水位对土壤含水率的动态响应。

3 结果分析

以当地普遍采用的灌溉定额4500m3/hm2为标准，结合表1中的棉花灌溉制度，利用HYDRUS-2D软件对不同地下水位(1m、2m与3m)下土壤含水率的动态变化进行模拟与修正。

3.1 地下水埋深1m

当地下水埋深为1m时，利用表1中的不同生育阶段灌溉定额分配比例，将灌水量输入HYDRUS-2D模型，得到此时的关键点土壤含水率动态变化(见图2)。

图2 处理1土壤含水率变化

由图2可知，在生育期内，处理1的土壤含水率在适宜含水率的上限波动。特别是灌水后，土壤含水率明显大于上限值，表明土壤含水率受到了地下水的强烈顶托补给。此时棉花虽未受到水分胁迫，但由于土壤含水率较高，土壤无效耗水增大(主要是灌溉水深层渗漏与土壤水蒸发强烈)。此外，由于棉花根系始终处于高含水率状态，将对根系呼吸产生极为不利影响。因此，当地下水埋深为1m时，处理1的灌溉定额明显偏大，此时采用试算法对处理1的灌溉定额进行修正(灌溉制度仍然采用表1数据)，最终得到棉花在地下水埋深为1m时的适宜灌溉定额为3000m3/hm2，此时关键点土壤含水率的动态变化见图3。

图3 处理1优化后土壤含水率变化

由图3可知，在整个生育期内，土壤含水率始终维持在棉花根系生长的适宜区间内，根系不仅未受到水分胁迫，而且满足根系呼吸要求。因此，当地下水埋深为1m时，灌溉定额为3000m3/hm2是合适的。

3.2 地下水埋深2m

当地下水埋深为2m时，利用表1中的不同生育阶段灌溉定额分配比例，将灌水量输入HYDRUS-2D模型，对棉花根系土壤含水率进行模拟，结果见图4。

图4 处理2土壤含水率变化

由图4可知，与处理1相比，地下水埋深增加后，处理2在部分时段的土壤含水率低于作物正常生长所要求的下限值(即棉花出现水分胁迫现象)，累计时间为12天，这将造成棉花的轻度减产。

通过分析土壤含水率的动态变化，在保持灌溉定额不变及保证棉花不受水分胁迫的情况下，调整生育期内各阶段灌水量，经优化后的灌溉定额模比系数(灌水定额)见表5，根据表5再次对处理2的土壤含水率进行模拟，结果见图5。

表5 膜下滴灌棉花灌概制度(优化后)

图5 处理2优化后土壤含水率变化

由图5可知，通过对灌溉制度的优化，棉花受水分胁迫时间减少到2天，且在不连续的2次灌水周期内，较优化前减少了10天，这表明通过调整生育期内各阶段灌水量，可起到调控棉花受水分胁迫的时间，进而达到提高水分利用效率与实现棉花稳产的目的。

3.3 地下水埋深3m

当地下水埋深为3m时，利用表1中的不同生育阶段灌溉定额分配比例，将灌水量输入HYDRUS-2D模型，对土壤含水率进行模拟(见图6)。由图6可知，在棉花生育期内，关键点土壤含水率低于棉花正常生长所要求的下限值(即受到水分胁迫)的时间累计达到37天，表明棉花受到中度水分胁迫，会造成一定的减产。

通过分析生育期内棉花耗水过程，发现即便对处理3的灌溉制度进行优化，优化后的水分胁迫时间仍然高达33天(中度水分胁迫)，故此时依然采用试算法对处理3的灌溉定额进行修正(灌溉制度仍然采用表1数据)，最终得到地下水埋深为3m时的适宜灌溉定额为5550m3/hm2，此时作物的土壤含水率动态变化见图7。

图6 处理3土壤含水率变化

图7 处理3优化后土壤含水率变化

由图7可知，通过增加灌溉定额，棉花受水分胁迫的时间累计为14天，较处理3减少23天，尽管该灌溉定额无法从根本上避免水分胁迫的产生，但却有利于激发作物本身的耐旱性与抗逆性，从而实现棉花稳产丰产。

4 结 语

本文以新疆孔雀河流域为研究区，以当地广泛种植的棉花这种经济作物为研究对象，以当地普遍采用的灌溉定额4500m3/hm2为标准，利用HYDRUS-2D软件对不同地下水位下的棉花灌溉制度进行研究，结果表明：

a.当地下水埋深为1m时，地下水对土壤水的补给较强，灌溉定额4500m3/hm2偏大，此时土壤无效耗水量增大，棉花根系始终处于高含水率状态，不利于根系呼吸。通过修正，得到此时适宜的灌溉定额为3000m3/hm2。

b.当地下水埋深为2m时，地下水对土壤水的补给作用减弱，灌溉定额4500m3/hm2较为适宜，通过对现有灌溉制度优化，棉花受水分胁迫时间减少到2d，可以达到提高水分利用效率与实现棉花稳产的目的。

c.当地下水埋深为3m时，地下水对土壤水已基本无补给作用，灌溉定额4500m3/hm2会造成棉花中度的水分胁迫(累计37d)。通过试算法，得到该地下水位时的适宜灌溉定额为5550m3/hm2，水分胁迫时间累计14d，较处理3减少23d。

d.本文中土壤含水率动态变化值为HYDRUS-2D软件模拟值，这种单纯的土壤根域水分调控模式还应当与实际生产中作物生长性状、产量等评价指标相联系，以使研究结果更具有可操作性与实际指导意义。

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[6] 王文佳,冯浩,宋献方.基于DSSAT模型陕西杨凌不同降水年型冬小麦灌溉制度研究[J].干旱地区农业研究,2013,31(4):1-10.

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Research on the influence of different ground water levels on the irrigation system of drip irrigation under cotton film in arid areas

WEI Guanghui

(XinjiangTarimRiverBasinAdministration,Korla841000,China)

Ground water burial depth has important influence on crop irrigation system formulation and soil secondary salinization prevention. In the paper, Xinjiang Kongque River Basin is regarded as a study area in order to study the influence of different ground water levels on irrigation system of irrigation urder cotton film. HYDRUS-2D software is utilized for stimulating soil water content rate dynamically under different ground water levels. Results show that ground water has stronger supplementing role on soil water when ground water burial depth is 1m, and the irrigation quota of 3000m3/hm2is relatively appropriate. When the ground water burial depth is 2.0m, the irrigation quota of 4500m3/hm2is more appropriate, cotton is not threatened by water basically under this condition. When the ground water burial depth is 3m, ground water has no supplementing role to soil water, and irrigation quota of 5550m3/hm2is relatively appropriate, and water threatening time has been 14d cumulatively till present. The research results provide important reference for guiding local water resources development and utilization as well as cotton planting industry.

arid areas; cotton; irrigation system; research

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.01.019

TV52

A

2096-0131(2017)01- 0064- 06