秸秆排水体条件下微咸水灌溉土壤水盐运移模拟

史栩帆，张展羽,2，陆培榕，冯根祥，张泽民

(1.河海大学水利水电学院，南京 210098；2.南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室，南京 210098)

0　引　言

我国东部滨海地区分布着大约200 万hm2的盐碱地[1]，随着土地资源的供给压力不断增大，盐渍土的合理开发和利用具有重要意义。有学者研究发现，在合理的灌溉方式、农艺措施和改良技术下，利用微咸水灌溉，能够满足作物正常生长需求，达到节水增产、改良盐渍土的目的[2]。埋设隔离层是盐渍土改良的有效措施[3]。研究表明，在地表以下30 cm处覆盖秸秆可有效降低土壤水分蒸发，阻隔水盐上行[4]；Zribi等[5]研究表明秸秆覆盖降低了土壤盐分的表面聚集；赵永敢等[6]研究得到秸秆隔层和地膜覆盖可以有效抑制潜水蒸发和土壤返盐；Bhatt等[7]研究表明，秸秆覆盖深度和覆盖量对土壤保墒和抑制盐分会产生影响。众多国内外学者研究表明，采用数值模拟的方法可以有效地反映出土壤水盐的动态迁移特征[8-10]。张化等[11]利用HYDRUS-2D模型模拟与验证海冰水田间水盐运移规律，验证结果表明模型具有较好的可靠性。

秸秆隔层对于盐渍土虽具有一定的改良效果，但其在大田中的可行性不高。探究一种合理且操作简单的秸秆布设方式将有利于秸秆还田工作的进一步普及。本研究采用地埋秸秆体的方式，利用HYDRUS-2D模型研究不同灌溉水矿化度和不同地下水深度对江苏滨海地区盐渍土水盐运移的影响，探究地埋秸秆体的改良效果，以期为微咸水灌溉及盐渍土的开发利用提供依据和参考。

1　材料与方法

1.1　土柱试验

1.1.1试验区概况

试验设在河海大学南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室，多年平均降水量为1 021.3 mm，年平均蒸发量约为900 mm，年平均日照时间为2 212.8 h，年平均气温15.7 ℃。试验用土取自河海大学节水园区，土壤质地为壤质黏土，土壤容重为1.30 g/kg，饱和含水率为33.61%(质量含水率)，田间持水量为31.1%(质量含水率)，测其初始含盐量并按比例掺加NaCl模拟含盐量为5 g/kg的盐渍土。

1.1.2试验设计与布置

本试验所用有机玻璃土柱长、宽、高分别为40、40和120 cm。在土柱的两侧每隔10 cm开有口径为1 cm的测量孔，用于仪器探针的插入。土柱底部10 cm为隔水层，隔水层上部设一开有若干过水圆孔的隔板，填筑土壤时在隔板上方铺设0.5 cm厚无纺布来阻挡土颗粒进入水层。在土柱底部通过马氏瓶连接橡胶软管对底部水层持续供给含盐量为5 g/L水作为地下水，通过控制马氏瓶的高度来控制地下水位。试验土样按大田土壤容重分层填装压实。试验中使用干枯水稻秸秆，用双层无纺布将水稻秸秆外包成底面直径15 cm的圆柱体，并用细塑料绳捆绑定形，将其埋设在土表以下40 cm处正方形截面中间位置，土柱内除秸秆体区域外土质分布均匀。试验在室内进行，不接受降雨。试验装置见图1(a)。

1-填土线；2-排水管；3-秸秆体；4-测量孔；5-水层；6-地下水位线；7-马氏瓶图1　装置立面、剖面示意图(单位：cm)Fig.1 Equipment drawing of experiment

本试验共灌水4次，第一次灌水采用大水洗盐来降低土壤盐分含量，每个处理灌水量为125 mm，其余3次每个处理灌水量皆为62.5 mm，灌水间隔20 d。每个土柱种植一株夏玉米(苏玉29)，模拟行距40 cm，株距40 cm的大田环境，试验共开展两年，分别于2015年6月25日和2016年6月28日播种。试验选择淡水、3、5 g/L 3种灌水矿化度，60和80 cm两种地下水埋设深度，共6种处理，每种处理重复3次。具体处理方式见表1。

1.1.3测定项目及方法

灌水后每隔10 d在土槽各取土孔处利用TDR-MUS盐分传感器(荷兰农业科学研究院)测量不同深度土层的电导率值和含水率，每次灌水前后1 d加测。通过经验公式[12]将电导率换算成土壤含盐量，g/kg。

表1　试验处理设计Tab.1 Experimental treatment design

1.2　数值模拟

HYDRUS-2D是由美国盐改中心研发的用于模拟水、热、溶质运移的二维有限元计算模型，能够较好地模拟水分、溶质与能量在土壤中的垂直分布、时空变化及运移规律。模型水分运动方程采用修正过的Richards方程，溶质运移采用对流弥散方程，方程求解采用Calerkin线性有限元法。土壤水盐模拟流程图如图2。

图2　土壤水盐模拟流程图Fig.2 Flow chart of simulating soil water flow and solute transport

1.2.1定解条件

选取垂直于秸秆体的土壤剖面作为计算区域，计算区域内土壤初始含水率和初始含盐量分布均匀，初始含水率为8.02%，初始含盐量为5 g/kg；将秸秆体视为特殊土质，初始含水率和初始含盐量均为0。上边界考虑灌溉和蒸发；左、右边界为对称边界，视为零通量边界；因地下水位在实验阶段保持恒定，故下边界为定水头边界，设置地下水深度和矿化度；秸秆体边界可视为渗透边界，当边界上节点含水量小于饱和含水量时为零通量边界；节点含水量达到饱和含水量时为定水头边界，溶质为自由出流边界。模拟区域示意图见图1(b)。

(1)

(2)

式中：h为负压水头，cm；h0(x,z)为土壤初始压力水头，cm；c为土壤溶质浓度，g/cm3；c0(x,z)为土壤初始含盐量；x，z为空间坐标，cm，以土壤纵剖面表层中点为原点，-20≤x≤20，向右为正，-100≤z≤0，向上为正；K(h)为非饱和土壤导水率，cm/d；ε为垂向水流交换强度，cm/d；Dij为饱和-非饱和土壤水动力弥散系数，cm2/d；qi为z方向上的达西流速，cm/d；L为 地下水埋深，cm；cL为地下水矿化度，g/L。

1.2.2单元划分

模拟区域宽度为40 cm，深度为100 cm，共剖分为2 255 个三角单元。观测重点为玉米根系主要分布区0～60 cm土层，观测点分别设置在0、10、20、30、40、50、60 cm深度。时间离散单位为d，模拟时间从2015年6月25日至10月23日，从2016年6月28日至2016年10月26日，总计240 d，最小时间步长为0.001 d。

2　结果与分析

2.1　模型率定和验证

2.1.1模型率定

本研究采用2015年夏玉米全生育期6个处理的土壤水盐数据对模型进行率定。通过比较玉米根系主要分布区(0～60 cm)土壤体积含水率及土壤含盐量的模拟值和实测值来调整土壤、秸秆体的水分、溶质运移参数和根系吸水参数，并采用均方根误差(RMSE)、纳什模型效率(NSE)、决定系数(R2) 3个指标综合评价模型的模拟精度。相关研究表明，在RMSE与实测值均值的比值在20%以内、NSE大于0.5、R2大于0.5时，认为模型达到率定要求[13]，本文以T1、T6两个处理为例进行说明。

表2为率定过程各处理土壤水盐模拟精度评价表。由表可知，除T6处理0～20 cm土层外，各土层土壤水盐模拟精度均满足要求，T6处理0～20 cm土层含盐量NSE较小，但该土层RMSE较小，R2大于0.6，认为其达到率定要求。率定后的土壤及秸秆体水力特性和溶质运移参数见表3。

表2　率定过程土壤水盐模拟精度评价表Tab.2 Goodness of fit test indicators relative to model calibration

表3　土壤-秸秆体水力特性和溶质运移参数率定值Tab.3 Hydraulic parameters and solute transport parameters of soil and straw piece

注：θr为残余含水率；θs为饱和含水率；Ks为饱和导水率；α、n、l为决定土壤水分特征曲线的形状参数；DL为纵向弥散度；DT为横向弥散度。

2.1.2模型验证

采用2016年夏玉米全生育期土壤水盐数据对模型进行验证。图3为夏玉米全生育期内土壤水分、土壤盐分模拟值与实测值比较，可以看出数据点基本处与1∶1线附近，模拟值与实测值可拟合为线性相关关系，斜率分别为0.941 8和0.897 7。土壤水分模拟值和实测值的RMSE和NSE分别为0.05 cm3/cm3和0.66，R2大于0.8。土壤盐分模拟值和实测值的RMSE小于0.4 g/kg，NSE大于0.6，R2大于0.7。统计结果表明土壤水分、盐分模拟值与实测值的相关性达到了显著水平，率定后的模型可以用于实际模拟。

图3　验证期土壤含水率、含盐量实测值与模拟值Fig.3 Comparison of simulated and measured soil water content and soil solute concentration relative to model validation

2.2　模型应用

利用率定和验证后的模型，模拟地埋秸秆体条件下0～200 cm土层土壤水盐动态，重点分析不同条件对玉米根系主要分布区0～60 cm土层平均土壤含水率和含盐量的影响。设置6种地下水深度和3种灌溉水矿化度的组合试验模拟，地下水深度分别为另60、80、100、120、150和200 cm，灌溉水矿化度为淡水，3和5 g/L，地下水矿化度为5 g/L。考虑到滨海盐渍土地下水位一般在1.5 m左右，故另设置3组不埋设秸秆，地下水位为150 cm，灌溉水矿化度分别为淡水(C1)、3 g/L(C2)、5 g/L(C3)，共21个处理。

图4(a)为在灌溉水矿化度为3 g/L条件下，不同处理土壤水分在全生育期的变化情况。各处理体积含水率均表现为灌水后含水率显著增加，后因蒸发和根系吸水含水率降低。当地下水位为60 cm时，第一次灌水灌后1 d到灌后20 d土壤体积含水率从0.371 cm3/cm3降低到0.331 cm3/cm3，降幅为10.8%；当地下水位为200 cm时，土壤体积含水率降幅为34.4%，变化范围更大。这主要是因为随着地下水位的增加，因毛管作用补给上层土壤水分的能力减弱，灌后20 d含水率降低明显。

当地下水位为150 cm时，C2处理在4次灌水后1 d土壤含水率均值为0.347 cm3/cm3，而埋设有秸秆体的处理灌后1 d土壤含水率均值为0.332 cm3/cm3，较C2降低4.3%，灌后20 d土壤含水率亦有相同的大小关系，即埋设秸秆体的处理小于C2[图4(a)]。这是因为灌溉后无秸秆体的处理无法及时将抬升的地下水排出，导致土壤含水率较高[14];同时，秸秆体破坏了原有土壤毛管连续性[6]，减少了非饱和土壤水向上运移,而秸秆体以下土壤水分的蒸发受到抑制；0～40 cm土壤水分补给的减少量小于40～60 cm土壤水分的增加量，所以整体呈现含水率降低的现象。在灌溉水矿化度为淡水、3和5 g/L时，埋设秸秆体的处理较不埋设秸秆处理，全生育期土壤平均含水率分别降低7.4%、7.5%和7.1%[图5(a)]。

图4　全生育期不同处理土壤水盐变化情况Fig.4 Changes in soil moisture and soil salinity during whole growth period

图4(b)给出了灌溉水矿化度为3g/L条件下，不同地下水深度对土壤盐分的影响。可以看出，60 cm地下水位下土壤盐分最高，200 cm地下水位下土壤盐分最低，即不同处理同期土壤含盐量随着地下水深度的增加逐渐减小。每次灌后1 d，各处理土壤含盐量均明显下降，说明灌溉水可对地下水位上层土壤盐分起到淋洗作用。地下水位60、120、200 cm处理，灌后1 d到灌后20 d土壤含盐量分别增加了0.88、0.50和0.41 g/kg，地下水埋深越深，蒸发过程中土壤返盐的强度就越弱。

在150 cm地下水位下，地埋秸秆体处理灌后1 d土壤含盐量均值较无秸秆处理降低了0.37 g/kg,降幅为16.6%；灌后20 d土壤含盐量均值较无秸秆处理降低了17.0%。这是由于入渗过程秸秆体延长了入渗水在秸秆体以上土层的停蓄时间[15]，土壤中可溶性盐得以充分溶解，提高了淋盐效果。蒸发阶段，土壤盐分随水分向上运移，秸秆体削弱了对上层土壤水分的补给作用，向上运移的盐分也相应减少。在灌溉水矿化为淡水、3和5 g/L时，埋设秸秆体的处理较不埋设秸秆处理，全生育期土壤平均含盐量分别降低11.9%、17.4%和20.2%[图5(b)]。

图5　不同灌溉水矿化度和地下水深度对土壤水盐的影响Fig.5 Changes in soil moisture and soil salinity with different concentration of the irrigation water and groundwater depth

图5(a)反映了地下水深度和灌溉水矿化度对全生育期0～60 cm土层含水率均值的影响。可以看出，在同一灌溉水矿化度下，随着地下水深度的增加，土壤含水率呈减小趋势。同一地下水深度下，不同灌溉水矿化度对土壤水分的影响表现为：5 g/L>3g/L>淡水。原因可能是微咸水灌溉改变土壤结构，增加了土壤持水能力；同时灌溉水带入的盐分影响了作物吸收土壤水分的能力，即微咸水灌溉引起土壤盐分浓度增大，降低了土壤水分的溶质势，使作物吸水困难；灌溉水矿化度越高，上述影响越明显[16]。在同一灌溉水矿化度下，土壤盐分均值随地下水深度的增加而减小，且减小速度逐渐下降[图5(b)]；在3 g/L的灌溉水矿化度下，当地下水深度从60 cm增加到120 cm时，土壤含盐量从3.11 g/kg降低到2.35 g/kg，降幅为24.4%；当地下水深度从120 cm增加到200 cm时，土壤含盐量仅降低0.3 g/kg，降幅为12.8%。

由图5(a)可知，在本试验灌水和地下水埋深条件下，0～60 cm土层不同处理土壤含水率保持在田间持水率的65%～91%，均保持在玉米生长所需水分范围内，能够满足作物正常需水要求。土壤含盐量对作物产量有极大的影响。已有的研究表明夏玉米在ECe达到5.9 dS/m(换算为土壤含盐量约为2.55 g/kg[12，17])时，其产量减少50%[17]。为保证玉米产量保持较高水平，全生育期土壤含盐量均值应严格控制在2.55 g/kg以下。由图5(b)可知，在淡水灌溉时，地下水深度应控制在80 cm以下；在灌溉水矿化度为3 g/L时，地下水深度应不低于120 cm；当灌溉水矿化度为5 g/L时，地下水深度应控制在200 cm以下。

3　结　论

(1)本文利用HYDRUS-2D模型对地埋秸秆体条件下的滨海盐渍土水盐动态进行模拟，结果显示0～60 cm各土层土壤含水率RMSE均值为0.025 cm3/cm3，NSE均值为0.66，R2均值为0.80；土壤含盐量RMSE均值为036 g/kg，NSE均值为0.58，R2均值为0.73。土壤含水率和含盐量模拟值与实测值之间具有较好的一致性。

(2)秸秆体可以有效降低0～60 cm土层土壤含水率和含盐量。在150 cm地下水位下，灌溉水矿化为淡水、3和5 g/L时，埋设秸秆体的处理较不埋设秸秆体处理，0～60 cm土层土壤平均含水量分别降低7.4%、7.5%和7.1%，土壤平均含盐量分别降低11.9%、17.4%和20.2%。

(3)在地埋秸秆体条件下，土壤水分和土壤盐分随灌溉水矿化度的增加而增加，随地下水深度的增加而减小。为控制土壤盐分小于2.55 g/kg，玉米减产小于50%，在淡水灌溉时，地下水深度应大于80 cm；灌溉水矿化度为3 g/L时，地下水深度应大于120 cm；灌溉水矿化度为5 g/L时，地下水深度应控制在200 cm以下。

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