膜下滴灌棉花不同种植模式土壤水分分布规律研究与数值模拟

李鑫鑫，刘洪光，龚 萍，侯梦杰

(石河子大学 水利建筑工程学院现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000)

0 引 言

膜下滴灌技术将覆膜栽培技术与滴灌技术相结合，具有保温保墒、节水节肥、增产抑盐、减少深层渗漏的优点[1-4]，广泛应用于西北干旱半干旱地区，至2017年已经推广应用333 万hm2，成为世界最大的滴灌应用区域[5]。

随着人工工资的普遍增加，棉花采摘成本大幅提升，为降低棉花管理成本，提高采摘效率和经济效益，机械化采摘成为必由之路。经过大量生产实践，在新疆生产建设兵团逐渐探索出了1膜2管6行，1膜3管6行，1膜3管5行等机采棉种植模式，替代以往的1膜1管2行，1膜1管4行，1膜2管4行模式，机械化采摘程度大幅提升。种植模式的创新带来了优势，膜下土壤和膜间土壤中水分和盐分的运动也因作物种植模式和滴头布置的差别而发生改变，土壤水盐平衡问题还需要进一步研究[6, 7]。不同种植模式下土壤水分分布直接影响盐分迁移，探明不同种植模式下土壤水分分布规律，将为滴灌棉田水盐平衡问题的研究提供良好基础。

对滴灌棉田土壤水盐运动规律有很多学者从灌溉制度，种植模式，数值模拟方面开展了研究。栗现文，黄晓敏等[8, 9]研究认为适宜土壤含水率上、下限差值形成的灌溉制度决定土壤水盐运移分布及积累特征，土壤水盐呈相反的分布规律，分别与距离滴灌带的远近呈负、正相关。王一民等[10]研究得出滴施水分可将土壤中盐分淋洗至湿润锋边缘，膜间积盐现象明显。杨昕馨等[11]研究得出种植模式影响土壤水分均匀度，1管2行优于1管4行，灌水前后内行与外行含水量差值小于1%，1管2行利于抑制盐分对作物生长的胁迫，宁松瑞等[12]认为3管6行模式下根区土壤水盐分布对棉花吸收利用水分最为有利。棉田土壤水盐运移的研究大多以大田试验实测为主，费时费力，已有研究表明以Hydrus软件建立的数值模型研究土壤水盐运动问题，计算结果及预测结果与实测数据均高度拟合，具有高参考价值，这为研究土壤水盐运动问题开辟了新的思路[13-20]。本文以目前3种有代表性的种植模式为对象，控制灌溉制度，探明水分分布规律，同时进行数值模拟，指导膜下滴灌的灌溉管理，也为Hydrus应用于实际研究提供参考。

1 试验区概况与试验布置

1.1 试验区概况

试验区位于石河子灌区，该灌区是玛纳斯河流域最大绿洲农耕区，总面积1 326.15 km2，地处北疆准噶尔盆地边缘，古尔班通古特沙漠交汇处，是新疆天山北坡经济带中心，地理位置为东经84°43′～86°35′，北纬43°21′～45°20′。灌区农田与山丘沙漠相间分布，土壤质地以壤土为主，平均海拔为 300～500 m，气候条件干燥，冬夏时长，春秋时短，年均气温为7.5～8.2 ℃，日照2 318～2 732 h，无霜期147～191 d，年降水量为 180～270 mm，年蒸发量为1 000～1 500 mm[21]，干旱指数5.5，为典型内陆干旱区。

1.2 试验设计

2017年4月在石河子灌区146团选取1膜2管6行(Ⅰ)、1膜3管6行(Ⅱ)、1膜3管5行(Ⅲ)3块不同种植模式的棉田，经土壤颗粒分析，3块棉田土壤类型均为黏质壤土，种植模式见图1，品种为创杂100号，株距为10 cm。滴灌带采用新疆天业节水公司生产的单翼迷宫式滴灌带，直径16 mm，滴头间距为30 cm。于4月29日灌出苗水，灌溉水源为当地地下水，滴头流量为2.6 L/h，控制3块棉田灌水量均为1 275 m3/hm2。分别于4月27日(灌出苗水前2 d)和5月6日(灌出苗水后第7 d)对3块棉田定点取样，测定0～80 cm深度土层土壤含水率。1膜2管6行试验在水平方向设置了4个取土点(中间窄行、滴头处、膜边窄行、膜间)，1膜3管6行和1膜3管5行比1膜2管6行多铺设一条滴灌带，在40 cm间距滴灌带间增设取土点，即试验在水平方向设置了5个取土点(宽间距滴管带间、窄间距滴管带间、滴头处、窄行、膜间)；在每点垂直方向按照0～5、5～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～80 cm共计8个土层设置取土点，每个取土点设3个重复，实验结果以三次重复试验平均值进行分析。

图1 试验区棉田种植模式(单位：cm)

表1 试验区土壤基本物理性质

2 结果与分析

选择作物生育期内灌出苗水前2 d和灌后第7 d两个时间节点，分析比较不同种植模式土壤水分分布规律，结果见图2。

图2 不同种植模式灌水前后土壤含水率变化

1膜2管6行种植模式下，垂直方向上，灌水前0～80 cm土层内，土壤含水率先增大后减小，20 cm深度土壤含水量最大，达到14%，因为研究区冬季降雪，春季融化，在播种前土壤有一定的储水量，但是因入渗深度不大，同时由于春季蒸发影响，表层土壤水分蒸发较大，形成了灌头水前的土壤水分分布特征。灌水7 d后，膜下部分的土壤水分分布呈现上层大，下层小，膜间部分先增大后减小，上层土壤含水量除膜间部分都在15%～20%之间。水平方向来看，灌水后，各取样点平均含水率表现为，滴头处(14.10%)>中间窄行(13.59%)>膜边窄行(13.21%)>膜间(11.30%)，即离滴头越近灌水后土壤含水率越高，同时膜间灌水前后土壤平均含水率变幅较小为2.30%，中间窄行，滴头处，膜边窄行变幅较大分别为3.62%，4.46%，3.50%。说明苗期棉花根系吸水对土壤含水量影响不大。

1膜3管6行种植模式下，垂直方向上，灌水前0～80 cm土层内，土壤水分分布与1膜2管6行有所不同，土壤整体含水量分布均匀且平均含水量较大，可能是田间环境复杂，冬季降雪时风速等因素影响了积雪分布，使此区域雪量较大，进而影响田间的含水量和融水入渗深度。灌水7 d后，膜下部分的土壤水分分布呈现上层和下层大，中间土层小，膜间部分先增大后减小又增大，上层土壤含水量除膜间部分外都在20%～23%之间。具体来看每个取样点的平均含水率为窄行(20.94%)>窄间距滴灌带间(20.91%)>宽间距滴灌带间(20.64%)>滴头处(20.53%)>膜间(18.02%)，可以看出除膜外裸地外，膜内的土壤含水率分布均匀。因为此地块土壤的初始含水量较大，且棉花处于苗期，根系吸水对土壤含水量影响很小，所以在灌水后每个取样点的平均含水率相对灌水前变幅较大。而膜外裸地部分因蒸发作用强烈，在灌水7 d后土壤的平均含水率低于灌水前。

1膜3管5行种植模式下，垂直方向上，灌水前0～80 cm土层内，土壤含水率呈现递增趋势，80 cm深度土壤含水量最大，达到17%。灌水7 d后，膜下部分的土壤含水量先减小后增大，上层下层土壤含水量在15%～20%之间，中间土层约30～40 cm深度土壤含水量最小，在15%～17%之间。膜外裸地部分土壤含水量呈递增趋势。水平方向上，灌水后靠近滴头的位置土壤含水量偏大，具体表现为窄间距滴灌带间(18.07%)>滴头处(17.77%)>宽间距滴灌带间(16.14%)>窄行(16.08%)>膜间(14.87%)，同样因作物苗期根系吸水作用弱，且试验地初始含水量偏高，所以每个取样点在灌水后平均含水率变幅都较大，其中膜外裸地部分因蒸发强烈，灌水7 d后土壤含水量低于灌前。

3 土壤水分运动数值模拟

Hydrus-2D用来模拟饱和-非饱和土壤水、热、盐运移，该模型可灵活处理各类水流边界，包括定水头和变水头边界、给定流量边界、渗水边界、大气边界以及排水沟等(表2)。在此将研究对象简化为剖面二维饱和-非饱和水流运移问题。用修改过的 Richards 方程[20]作为二维入渗水流控制方程，以描述土壤水分运动。

3.1 模拟结果

如表3、图3模拟结果定性展示了3种种植模式的水分运动情况，灌水当天，随水分滴施，除膜间以外,3种种植模式0～50 cm土层内，土壤含水率大，50～80 cm土层内含水率逐渐下降。因模型边界条件与实际大田环境相比更加理想，符合理论状态下的均质连续假设，所以土壤含水率变化呈现出均匀递减的趋势。灌水7 d后，1膜2管6行种植模式在20～30 cm土层内土壤含水率存在峰值，40～80 cm土层内土壤含水率随土层深度增加而减小至60～80 cm土层范围内降至最低。1膜3管6行种植模式下，0～20 cm土层内土壤含水率高，在20～30 cm处存在峰值，30～50 cm土层深度内，土壤含水率略微下降，50～80 cm土层深度内又有回升趋势。1膜3管5行种植模式各取样点不同土层含水率都有所上升，但整体维持在一个固定值左右。整体来看模拟结果，1膜3管6行与1膜3管5行水分均匀度都优于1膜2管6行，但1膜3管6行与1膜3管5行相比，1膜3管6行膜间土壤水分小，说明该模式保持水分不流向膜间的能力较强，且同种布管方式与同样覆膜宽度情况下，1膜3管6行比1膜3管5行多种植一行作物，经济效益也更好。3种种植模式模型模拟结果与实测数据相比，趋于一致，具有较强相关性。为进一步验证模型，重点分析了3种种植模式灌水7 d后滴头处与膜间的实测值和模拟值相关性。

表2 水分模拟边界条件设定表

表3 土壤水分运动参数

3.2 滴头和膜间含水率模拟结果验证

误差分析判断标准是：均方根差RMSE越小,表明模拟结果越接近于实测值；相对平均绝对误差RMAE的范围在0～1之间,分别表示预测值与实测值之间“最优”到“最差”的吻合；相关系数r的取值范围在-1～1之间,相关系数的绝对值越接近于1，表明预测值与实测值高度相关,越接近于0，表明相关程度越弱(表4)。

表4 灌水7 d后土壤含水率实测值与模拟值误差分析表

图3 不同种植模式水分运动模拟结果

图4 灌水7 d后土壤含水率实测值与模拟值对比图

4 讨 论

综合三种种植模式，灌水前0～80 cm土层内，因为各种因素影响，冬季田间积雪分布不均匀，积雪融化时入渗深度也受之影响，所以3种种植模式在灌水前有不同的土壤水分分布特征，具体表现为1膜2管6行土壤含水量先增大后减小，1膜3管6行土壤含水量分布均匀，1膜3管5行含水量持续增大。灌水7 d后，3种种植模式土壤含水量都有所增加，均表现出离滴头越近土壤含水量越高的趋势，这与栗现文[8]等得出的结论相当，膜下部分土壤在0～20 cm土层处有最大含水率，1膜2管6行，1膜3管5行在15%～20%之间，1膜3管6行在20%～25%之间。因作物苗期根系吸水作用弱，所以3种种植模式在灌水后土壤平均含水量变幅都较大，但是1膜3管6行和1膜3管5行的变幅又低于1膜2管6行，这是因为1膜3管6行和1膜3管5行的试验地土壤初始含水量较大造成的。膜外裸地部分在春季蒸发强烈，土壤水分蒸发损失很大，所以灌水7 d后土壤含水量低于灌前。杨昕馨[11]研究得出种植模式会影响土壤水分均匀度，1膜1管2行优于1膜1管4行，本文中1膜3管6行种植模式在某种程度亦可以认为是1管控制2行作物，从水分条件及保墒性来看，1膜3管6行种植模式和1膜2管6行，1膜3管5行种植模式相比，灌前土壤水分分布最均匀，灌后土壤水分变幅适中，与1膜3管5行相当，保墒性好，这与宁松瑞[12]得出的1膜3管6行模式下根区土壤水分分布对棉花吸收利用水分最为有利的结论相同，再从经济效益考虑，1膜3管6行与1膜3管5行覆膜宽度与布管方式相同的情况下，多种植一行作物将明显提高经济效益，所以综合考虑，选择1膜3管6行种植模式对土壤保墒，提高产量，增加收益都有积极的影响。

滴头处和膜间土壤含水率模拟值和实测值的变化规律一致，总体接近(图4)。虎胆·吐马尔白[18]研究得出土壤表层和深层的土壤含水率模拟值与实测值均存在不同程度的偏差，而中间层土壤含水率模拟值较接近实测值，本文中1膜2管6行滴头处0～30 cm土层实测值小于模拟值，40～80 cm土层实测值大于模拟值，膜间0～80 cm土层实测值大都大于模拟值。1膜3管6行，1膜3管5行的滴头处和膜间模拟结果表明，0～80 cm土层模拟值都稍大于实测值。和已有研究结论存在差异的原因是模型中的边界条件设置，参数的选择有不同，且与当地实际情况相比也存在差异，蒸发量亦存在一定误差。不过总体来说，已有研究和本文在进行数值模拟时，模拟环境都符合理论状态下的均质连续假设，土壤含水率的模拟值与实测值拟合度较好，误差分析均在理想范围内，证明Hydrus-2D模型可以很好模拟滴灌棉田土壤水分在空间上的分布，能为膜下滴灌棉花机械化种植生产提供技术支持。但在模拟过程中土壤蒸发参数、土壤水分运移参数的选取非常重要，如果能获得更为精确的参数，考虑根系吸水等更多因素影响，模拟结果将会更加准确。

5 结 论

(1)灌水后1膜3管6行土壤水分条件优于1膜2管6行，1膜3管5行，保墒性最好，经济效益也最高。

(2)Hydrus-2D模型模拟值与实测值吻合较好，变化趋势一致，可以较好地模拟土壤水分运动，能为膜下滴灌棉花机械化种植生产提供技术支持。当模型参数设定、初始条件、边界条件设置更加合理时，模拟结果可以达到更加理想的状态。