东北寒区黑土稻田土壤水分剖面二维运动规律研究

杨 霞，邵东国，徐保利

（武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072）

1 研究背景

水稻作为黑龙江省主要高产作物，是全省粮食稳定与安全的重要保障基础。随着水资源短缺，季节性干旱频繁发生等问题出现，用水矛盾逐渐突出，农业用水形式严峻。水稻作为耗水大户，用水量占农业总用水量的65%以上，因此，尽可能挖掘稻田节水潜力，是降低农业用水总量，提高灌溉用水效率的有效途径[1］。稻田土壤水分状况直接影响水稻作物生长发育与产量形成，探究土壤水分运动规律，明确稻田渗漏来源和损失对实现水资源高效利用具有重要意义[2-3］。

多年来，相关学者通过开展田间原位试验监测各水分要素变化情况，分析稻田耕作层、犁底层的入渗性能，同时探讨了不同灌溉方式、土壤耕作年限等对土壤水分运动参数、稻田垂直渗漏以及作物产量等的影响[4-7］。由于田间试验存在试验周期长，监测困难，试验条件难以控制等问题，室内土柱模拟试验逐渐发展和完善，为研究土壤水分运动规律提供了有效方法：Jahanshir等[8］基于Green-Ampt方法确定了定水头入渗条件下分层土壤的水力特性参数，分析了不同质地土层的组合形式差异对土柱入渗性能的影响；雷廷武等[9］设计一套能够连续测量土壤水分入渗的测试装置，可连续观测土壤耕作层与犁底层水分入渗速率随时间变化规律。也有较多针对于土壤不同分层厚度、分层数量及灌溉水层条件下的土壤水分运动特征的研究[10-12］。地下水位对土壤上升毛管水运动影响也是研究土壤水分运动的一个重要部分[13］。随着计算机技术的发展，数学模拟模型如HYDRUS、SWAP、SWMS等也开始较广泛地应用于该领域，为监测土壤水分动态变化，探明水分运动路径，研究水量平衡关系提供技术支持[14-17］。

但现有研究大多集中于稻田非饱和土壤的一维运动，对稻田土壤水分的二维运动过程及定量估算分层土壤渗漏量的研究较少，尤其是针对东北寒区黑土稻田研究不多。稻田土壤在干湿交替状况下，容易形成结构性裂缝[18］。黑土区稻田土壤分层明显，结构差异较大：耕作层黑土土壤黏重，往往呈现出土壤持水性强，含水率高的状态；耕作层以下存在约15 cm的犁底层，其密实结构抑制土壤水分的下渗；犁底层以下底土层为质地松软的黄土土壤，透水性强。层间结构差异能够有效抑制水分垂直渗漏，但会同时促进水分沿疏松多孔的土层以及相邻两层之间的结构性孔隙侧向渗流至田块外部排水沟，形成水分流失。同时，持水性较差的底土层也会加剧土壤深层渗漏。因此，有必要对黑土区稻田分层土壤水分剖面二维运动规律尤其是水分侧向渗流进行深入探究。HYDRUS-2D模型是用来模拟水分及溶质二维运动过程，目前主要集中于研究田间沟灌、地下灌溉条件下的水分运动规律等，也有学者用以模拟渠道渗漏、溶质运移等方面[19-21］。模型是否能够用以模拟东北黑土区稻田水分运动特性，还有待检验。

本文通过设计室内二维垂直入渗与侧渗装置，增加柱壁侧渗孔，分层收集侧渗水量，开展控制地表灌溉水层与地下水水位条件下的东北黑土区稻田分层土壤与均质土壤水分二维运动试验，基于HYDRUS-2D软件反演土壤水分运动参数，建立稻田分层与均质土壤水分二维运动模型；探讨分层与均质土柱入渗速率、侧渗速率、垂直渗漏速率随时间变化规律以及各土柱水量平衡关系；模拟不同情景下土壤侧向渗漏，揭示稻田灌溉水层深度、犁底层厚度及地下水位对侧渗输出的影响规律。

2 试验设计与方法

2.1 试验装置设计室内试验装置分别由圆柱形有机玻璃柱、自动控制供排水装置以及马氏瓶实现土壤水分运动过程、恒定地下水位条件和地表灌溉水层深度控制功能，如图1所示。

图1 室内二维试验装置示意图（单位：cm）

有机玻璃柱分为外柱和内柱，内柱中装填土壤，其柱壁打设侧渗孔（孔径及孔间距均为2 mm），观测土壤水分侧渗输出，涉及耕作层15 cm土壤，犁底层土壤以及底土层20 cm土壤，均匀分布在距离玻璃内柱顶部25 cm以下50 cm高度上。为实现分层（表1）收集侧渗水，在相邻两层土壤的有机玻璃内柱衔接处，安装环形有机玻璃侧渗槽，通过外接水管，收集各层侧渗水量，最下层侧渗水量则由内外柱之间形成的环形区域承接并排出收集。每日收集两次侧渗水，并称量记录。在土柱每层土壤中部同一平面位置分别布设土壤水分探头与土壤负压探头，连接外部数据采集器，实现土壤含水率与负压数据动态采集与自动储存，水分探头试验前与烘干法测定的含水率对比校正。有机玻璃土柱下部设有10 cm高度的供水室，保证地下水均匀上升至设定水位高度，供水室顶部侧面开小孔连接软管排除内部空气。土壤填充高度为90 cm，整个有机玻璃柱高度为120 cm。

2.2 供试土壤与试验方法试验土壤来自黑龙江省庆安灌溉试验站稻田。根据现场实地观测稻田土壤剖面，发现0～20 cm耕作层土壤主要为质地黏重的黑土，其下约15 cm土壤呈黑黄色，质地坚硬，为犁底层；犁底层以下土壤主要为黄土，结构均匀，土质较松软，砂粒含量明显增加，为底土层。本地区稻田土壤基本理化性质平均值为：有机质含量4.14 g/kg，pH值6.40，全氮15.06 g/kg，全磷15.23 g/kg，全钾20.11 g/kg，碱解氮154.36 mg/kg，有效磷25.33 mg/kg和速效钾157.25 mg/kg。

设计分层土柱和均质土柱两种类型开展室内稻土二维运动试验，相互对照分析。室内分层土柱按照稻田实际分层顺序与土层厚度装填，均质土柱由各层土壤按比例混合。试验测定分层土壤与均质土壤各层物理性质见表1。

表1 室内土柱土壤基本物理特性参数

试验按照如下步骤进行：（1）将供试土壤风干后磨细过2 mm筛，并按照设计容重要求及分层情况（图1）每次5 cm高度装填进有机玻璃柱，并在指定土层位置安装土壤水分探头并连接数据采集器；（2）连接自动供排水装置对土柱进行地下水供应并控制其埋深为60 cm（即30 cm水位条件），同时记录毛管水上升湿润峰，当供排水装置记录的供水量在一定时间不发生改变时，则表明达到设定的地下水水位条件；（3）连接马氏瓶进行地表恒定水层（5 cm）入渗试验，并记录马氏瓶内水量的变化情况；（4）当土柱内各土层含水率均达到饱和并持续一段时间后，试验结束。

3 基于HYDRUS-2D的土壤水分运动模型

3.1 模型构建将稻田土壤水分运动简化为二维运动，模型利用Richards方程计算土壤水分二维入渗过程[22］：

式中：C为容水度，cm；h为土壤压力水头，cm；t为时间，h；x，z为水平向/垂向坐标，cm；K（h）为非饱和导水率，cm/min。选用HYDRUS提供的van Genuchten-Mualem公式计算土壤水力特性参数[23］：

式中：Ks为土壤饱和导水率，cm/d；Se为土壤相对饱和度；qr为土壤凋萎含水率，cm3/cm3；qs为土壤饱和含水率，cm3/cm3；m、n、α、l均为拟合参数，l取0.5。

本次研究主要考虑土壤水分沿图1中x轴水平侧向以及沿z轴垂直运动特性，同一层土壤忽略其各向异性和土壤水力特性参数的非均匀性，因此建立与土柱对应二维矩形模拟区域，宽度28 cm，高度90 cm，所建立模拟区域坐标原点o、x轴及z轴选取如图1所示。模拟区域内观测点设置在土柱内土壤水分探头对应位置处。试验过程中土柱上部加盖可移动柱盖，试验时间较短，忽略水量蒸发损失。模型模拟的初始状态为地下水位达到恒定，毛管水保持上升稳定状态，此时土壤田面无压力水头，试验前根据土柱各层负压传感器测得土壤初始负压水头值作为模型初始条件，两负压传感器之间土壤区域采用线性插值得到负压水头值[24-25］。设定模拟区域上边界为定压力水头（5 cm）边界；下边界为恒定地下水位（30 cm水头）边界；左右分布侧渗孔的边界为侧渗面边界；其余均为零通量边界。HYDRUS软件采用有限元法将模拟区域离散成网格进行求解，网格尺寸均设定为0.5 cm。

土壤水力特性参数的准确性对于反映实际土壤水分运动过程具有重要意义[24］。利用HYDRUS自带的Rosetta模块通过输入表1中土壤质地及容重参数预测土壤水力学参数，模拟各土柱土壤水分运动，模拟得到土壤含水率及负压值与实测值吻合度不理想（平均相对误差达到15%）。为进一步优化参数，调用模型中Inverse Solution子模块利用试验时段各层土壤含水率实测数据反演求得主要土壤水力学参数（饱和水力传导度Ks、拟合参数α、n），得出的分层土壤与均质土壤的水力学特性参数见表1。

3.2 模型参数反演效果验证由表1中列出的反演后土壤水力学参数值可知，参数α在反演前后变化不大；n和Ks值变化较明显，n值影响土壤水分特征曲线的形状，Ks值影响土壤性质及渗透能力，因此对n和Ks值的准确预测能更真实反映稻田土壤水力特征与水分运动过程[25］；耕作层和犁底层反演后Ks值变小，底土层与均质土柱Ks值变大，说明利用Rosetta模块预测值较大的估计了耕作层与犁底层土壤的渗透能力，反之低估了较疏松土层的渗透性。利用反演后的土壤水力特性参数建立水分运动模型模拟分层与均质土柱各观测点土壤含水率，得到的模拟值与实测值对比如图2所示。同时，利用统计参数相对均方差RE计算土柱土壤含水率及入渗速率、侧渗速率、垂直渗漏速率模拟值和实测值的拟合效果，RE计算表达式为：

式中：n为模拟和实测数据数目；Oi、Pi分别为i时刻观测值和模拟值；RE的理想值为0。计算结果见表2。

由图2可看出，含水率数据点集中在y=x线附近，模拟与实测数据较一致。根据表2中统计参数计算结果，由于装置试验未收集到分层土壤犁底层侧渗水与垂直渗漏水（渗漏量并未达到自动供排水设置的收集下限，无法记录），因此没有进行统计参数计算。另外，均质土壤土柱侧渗速率的分析基于整个侧渗面进行。

图2 各观测点土壤含水率对比

表2 土壤含水率及入渗速率、侧渗速率、垂直渗漏速率模拟效果统计参数RE

从表2中RE的计算结果可以看出，分层土壤与均质土壤含水率模拟误差较小，侧渗速率的模拟误差较大，由于稻田土壤水分水平侧向运动受到垂直方向和水平方向的双向压力差作用，因此其侧向运动过程较复杂，模拟精度还有待于进一步提高。

4 结果分析与讨论

4.1 不同土壤类型二维运动速率分析

4.1.1 土壤水分入渗速率分析 由图3可知，分层土柱与均质土柱入渗速率变化规律比较一致：前期入渗速率较大，之后在很短时间内迅速降低并达到稳定。均质土壤达到稳定的时间较短，稳定后分层土柱与均质土柱入渗速率分别为0.056和0.609 cm/h。均质土柱土质结构均匀，当土壤达到饱和后，易形成连续入渗通道，渗透性强，入渗速率曲线可能形成陡降趋势，同时增大了稳定入渗速率值；分层土柱各层土壤层间结构差异形成了一定的减渗性[26］，且耕作层土壤为质地黏重，结构密实的黑土，能够有效抑制水分入渗。

图3 分层与均质土柱土壤水分入渗速率变化

结合图3和表2结果，模拟效果总体比较理想，基于Inverse Solution模块反演的土壤水动力学参数建立的HYDRUS土壤水分二维运动模型模拟准确度较高，结果能够描述土壤水分二维运动过程。

4.1.2 土壤水分水平侧渗速率分析 对于分层土柱（图4（a）），试验过程中没有收集到犁底层侧渗水量，模型中该值也显示为零，说明15 cm的犁底层是稻田密实土层，能够有效阻止水分发生侧渗。上层耕作层在试验进行将近20 h后开始发生侧渗，侧渗速率逐渐升高至下层开始发生侧渗时达到稳定，稳定后的侧渗速率较小，为0.007 cm/h。相反，犁底层以下的黄土层（底土层）表现出相对较大的侧渗速率，实际的确在该层产生了较大的侧渗水量，其侧渗速率变化呈现上下波动，但是基本稳定在0.023 cm/h附近。均质土柱（图4（b））的侧渗速率较大，前期速率值下降快，之后侧渗范围内土柱达到饱和之后，曲线也出现了陡降趋势，侧渗速率逐渐保持稳定，稳定后的侧渗速率为0.081 cm/h。均质土柱土壤结构均匀，可能存在连贯的水平渗流通道[27］，容易发生侧渗。该结果说明土壤分层特征在一定程度上为侧渗提供了流通的通道，但均质土柱的侧渗速率明显大于分层土柱各层侧渗速率，表明土壤本身的渗透性能对侧渗过程的影响是很大的。

图4 分层与均质土柱土壤水分侧渗速率变化

4.1.3 土壤水分垂直渗漏速率分析 实测垂直渗漏量来源于自动供排水装置记录的排出水量，模拟值为试验期间模拟区域下边界输出水量。前文提到，分层土柱试验期间未记录到垂直渗漏数据，表明该值非常小，低于自动供排水装置记录下限值，模型模拟值很小，稳定后的分层土壤垂直渗漏速率为0.029 cm/h，如图5所示。分层土壤的耕作层中下部与犁底层均发挥了抑制水分垂直入渗的作用，同时可能促进了水分沿层间的水平运动[15］，且垂直方向由于土壤分层，可能在层间产生部分滞留空气影响水分垂直入渗。因此，大部分渗漏水由水平侧渗输出，或进入下层并由下层侧渗输出，真正垂直渗漏至地下水的部分较少。这部分将在下文水平衡关系中用具体数据进一步分析。均质土柱垂直方向无分层，水分流通性较好，其垂直渗漏大于分层土柱，均质土壤垂直渗漏速率为0.086 cm/h，但低于侧渗速率。

图5 分层与均质土柱土壤水分垂直渗漏速率变化

4.2 不同土壤类型水量平衡分析表3、表4分析了分层土柱与均质土柱的水平衡关系。土壤输入水量为累积入渗量，包括上边界灌水及地下水上升补给。累积入渗量一部分用以满足土壤自身储水，另一部分通过土壤输出，主要为侧向渗漏和垂向渗漏。分层土柱达到饱和历时较长，饱和期间伴随着侧向渗漏，而均质土柱很快达到饱和，饱和之后开始发生渗漏。

由表3、表4可知，分层土柱与均质土柱达到饱和入渗分别历时54 h、3 h，两土柱在此过程中均有大约20%的入渗水量由地下水上升补给，主要补给底土层，期间无垂向渗漏产生，各土层土壤储水量由初始含水率决定，累积入渗量主要贡献给土壤储水。前期入渗至饱和阶段分层土柱（表3）侧向渗漏占有比例较小，为10.2%，35 cm以下土层的侧向渗漏是整个土柱侧向渗漏的主要途径；均质土柱（表4）入渗水量基本全部补给土壤储水。

当土柱达到饱和后，两土柱上边界灌水和地下水基本不再补给土壤储水，此时上边界灌水通过侧向渗漏和垂向渗漏输出，均质土柱累积入渗水量明显大于分层土柱。分层土柱达到饱和后垂向渗漏占27.55%，其余均由侧向渗漏排出，主要为底土层侧渗，耕作层侧渗比例小，犁底层无侧渗输出，表明稻田土壤根系层以及密实土层以下土壤是产生渗漏的主要途径；均质土柱稳定入渗过程中累积入渗量显著大于分层土柱，且侧渗量占有较大比例（83.85%），主要以土柱上部和下部土壤侧渗为主，中间部分侧渗量较少，表明均质土柱侧渗现象大多产生于靠近地下水的下层土壤部分，中层很少，上层由于灌水原因也会占有一定比例。以上分析表明东北寒区黑土稻田土壤渗漏大多以侧向渗漏为主，靠近地下水的底土层是侧渗的主要途径，同时水量损失差异与土壤分层结构密切相关，均质土壤持水能力差，易形成渗漏损失。

表3 分层土柱水量平衡关系

表4 均质土柱水量平衡关系

4.3 不同控制条件对分层土壤侧渗输出的影响分析

4.3.1 模拟情景设计 根据上述分析，稻田侧渗是主要渗漏形式。因此本节选取影响侧渗的几个因素，利用验证后的稻田土壤水分二维运动模型模拟不同条件下土壤侧向渗漏量，分析不同条件对土壤侧渗输出的影响规律。结合上述分析结果及相关研究[16，28］，选定稻田田面灌溉水层、犁底层厚度、地下水水位作为控制条件，选取相应数据变化梯度进行模拟，设置情景如表5所示。

表5 三种控制条件情景设置情况

4.3.2 模拟结果分析 引入“单宽侧渗量”，即沿土层单位高度输出的侧向渗漏水流量，由于土柱被简化二维，因此这里称为“单宽”，以此分析不同控制条件变化对土壤水分侧渗输出的影响。

由图6可知，灌溉水层、犁底层厚度以及地下水水位的变化对犁底层的单宽侧渗输出无明显影响，由于耕作层为结构密实的黑土层，底土层为质地松软的黄土层，当水分通过阻水能力较强的黑土层后，上下之间压力差作用增强了水分通过中层垂直补给下层的能力，因此，中层基本无侧渗水量。灌溉水层的增加对耕作层影响最大，当灌溉水层增加至20 mm时，耕作层开始产生侧渗，水层每增加10 mm，平均增幅达到117.79%，并且增幅以较大的增长速度（177.12%）增加；对底土层影响较小，增幅为2.71%，但较浅的灌溉水层依然促进了底土层的侧渗。表明控制灌溉水层深度，能够有效降低稻田耕作层土壤的侧渗输出，水层在增加至30 mm以上时侧渗增加明显，因此将灌溉水层控制在30 mm左右既能不显著增加侧渗损失又能一定程度保证作物需水。

图6 不同控制条件变化对土壤单宽侧渗量影响

犁底层厚度的增加对耕作层单宽侧渗量影响很小，主要影响底土层的侧渗输出，犁底层厚度每增加5 cm，底土层单宽侧渗量平均增加38.39%，涨幅增长速度约达到12%，进一步说明了犁底层厚度的增加发挥了更强的阻水作用，促进浅层地下水对吸水性较强的底土层的补给作用，一定程度贡献了单宽侧渗量。

当地下水水位小于1 m时，耕作层单宽侧渗量的降幅为11.08%，底土层侧渗输出量最大；当地下水水位大于1 m后，耕作层单宽侧渗量的平均降幅降低为2.62%，底土层单宽侧渗量为零。说明底土层对地下水水位变化更加敏感，同时地下水水位的变化对总体侧渗量产生了很大的影响。将地下水水位控制在1 m左右，能够较好地控制侧渗输出水量，同时也能保持一定的地下水上升补给。

5 结论

利用HYDRUS-2D中Inverse Solution子模块反演所得土壤水力特性参数，分别建立分层与均质土壤水分二维运动模型，结果表明土壤含水率及入渗速率等实测值与模拟值基本一致，反演所得参数较合理，总体模拟效果较理想。

开展分层土壤与均质土壤入渗试验，在有机玻璃柱柱壁设置侧渗孔，实现分层收集土壤侧渗水量，并分析二维运动速率。结果表明当入渗稳定后，分层土柱的入渗速率、侧渗速率及垂直渗漏速率均小于均质土柱，说明土壤分层结构是影响水分运动速率的主要因素。且分层土柱不同层侧渗速率不同，底土层侧渗速率大于耕作层，犁底层未观测到侧渗输出；分层土柱垂直渗漏速率非常小，表明了稻田耕作层黑土结构与犁底层能够有效抑制水分下渗。

分析水量平衡关系，分层土柱与均质土柱均有超过20%的土壤储水来自于地下水补给，当分层土壤与均质土壤达到稳定入渗状态后，侧向渗漏水量分别占总入渗水量的72.45%和83.85%，说明土壤本身的性质对毛管力作用及侧渗输出影响较大。分层土壤发生侧渗的主要部位是底土层，其侧渗量占总侧渗量的87.54%，均质土壤侧渗现象大多产生于近地下水的底层土壤部分，中层很少，上层也占有一定的比例。

探究三种因素对分层土壤侧渗的影响，灌溉水层的增加增大了耕作层与底土层单宽侧渗量。当水层增加至30 mm时，耕作层与底土层单宽侧渗量涨幅加快，说明灌溉水层维持在30 mm以下可以有效降低土壤侧渗输出；犁底层厚度增加增强了阻水作用，进一步促进底土层对地下水吸收，从而引起底土层更大的单宽侧渗量，因此，犁底层应保持适宜厚度（10～15 cm）有利于减少水分渗漏同时增强土壤通透性。地下水位埋深在1 m上下有明显的差异，当埋深小于1 m时，耕作层与底土层侧渗量较大，前者小于后者；当埋深大于1 m时，土壤侧渗输出显著降低，尤其是底土层降低明显。说明地下水水位埋深在1 m左右，能够较好地控制侧渗输出水量，同时能保持一定的地下水上升补给。