基于HYDRUS-2D模型的膜下滴灌暗管排水棉田土壤盐分变化

刘洪光，白振涛，李开明

（1. 石河子大学水利建筑工程学院，石河子 832000；2. 石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室，石河子 832000）

0 引言

新疆地区在大面积推广膜下滴灌技术之后，逐渐荒废了原有的排水渠，形成了“滴灌无排”的模式[1-2]。该模式短期内可以湿润根系层，使得根系层暂时脱盐，但长期会使新疆地区土壤次生盐渍化加剧[3-4]。刘新永等[5]研究发现，棉花生育期结束后，0～60 cm土层盐分都有增加，在膜间0～20 cm土层盐分强烈累积。牟洪臣等[6]研究发现小定额灌溉不会产生深层渗漏，盐分无法排除土体，大量的盐分会在深层聚集。弋鹏飞等[7]研究发现土壤盐分随膜下滴灌使用年限增长呈逐渐累积的趋势，且累积的盐分逐渐向地表迁移。膜下滴灌是局部灌溉，没有深层渗漏，也不具备排盐效果，使用膜下滴灌多年以后，盐分连年累积，产量明显下降，因此需要新的技术手段提高排盐效率。

滴灌淋洗配套排水措施是非常有效的盐碱地改良方法，排水措施主要有明沟排水、暗管排水和竖井排水等[8]，其中明沟排水和暗管排水最为常用。暗管排水与明沟排水相比，不仅具有占地少、零污染、寿命长等优点，而且满足农业机械化、集约化发展趋势，在新疆地区应用的前景广阔[9-10]。Talukolaee等[11]通过对伊朗北部1年生作物稻田多样化的研究，发现地下排水系统通过影响土壤的饱和导水率和有效孔隙率来影响土壤结构。徐友信等[12]在河北省沿海盐碱区附近的地下埋下暗管进行排水试验，结果表明，暗管排水能促进盐离子的浸出，埋设暗管区域的脱盐率高于非埋设区域。此外，暗管排水不仅能有效控制地下水位[13-14]，降低土壤盐分含量[15-16]，缓解沿海地区高水位引起的土壤盐渍化问题[17]，而且当排水暗管间距小于或等于12 m时也可以提高土壤强度[18]。Li等[19]通过大田试验及数值模拟研究干旱区膜下滴灌暗管排水土壤水盐运动变化及脱盐量，发现使用1 a后土壤表层脱盐明显，而农田整体脱盐不显著。

研究地区不同，地下水埋深、土壤类型、气候、地形、作物的种植模式等条件不同，需要的暗管铺方式、间距、深度以及淋洗压盐方案等指标也会有所差异。在干旱区利用暗管排水可以有效地降低土壤中的盐分，但是田间试验所需的面积大、投资费用高、施工量大。和田间试验相比，利用数值模拟来获取和验证这些信息将会更加便捷、有效。李显溦等[20]利用HYDRUS-2D软件对暗管排水的水盐运动参数进行了校验，结果表明模拟值与实测值吻合度较高，可以较好地描述暗管排水、排盐过程中的土壤水盐动态。李亮等[21]利用HYDRUS-2D模型对土壤水盐的迁移进行了模拟分析，结果表明模型对土壤含水率和含盐率运移的模拟具有较高精度，反映出盐分积聚和水分运移规律。莫彦等[22]基于HYDRUS-2D构建并验证了玉米地下滴灌开沟播种模型，确定了适宜于此种模式的滴灌带深埋、开沟深度、灌水量等技术参数。数值模拟技术不仅可以根据不同土壤类型和气象条件等，对土壤水盐运移进行模拟，研究土层内水盐的连续性变化规律，还可以预测未来土层内水盐的去向和动态变化。

为了解决“有灌无排，土体积盐”的问题，本研究选择地下水位季节性升高、土壤盐渍化严重的新疆塔城地区122团，通过2 a的持续监测，研究在膜下滴灌条件下，暗管排水对盐渍化棉田盐分运移产生的影响，并利用HYDRUS-2D模型对该盐碱地农田土壤盐分运移进行模拟，分析盐碱地棉花生育周期内和秋季返盐期间土壤盐分变化情况，进一步量化农田土体的脱盐情况，揭示暗管排水条件下膜下滴灌棉田土壤盐分变化规律，旨在为西北内陆干旱区暗管排盐技术和膜下滴灌的推广和应用提供理论支撑和科学指导。

1 试验材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆生产建设兵团农八师122团，地理坐标为44°37′～44°48′N，85°27′～85°41′E。试验区夏季炎热，冬季寒冷，极端最高气温达43.1 ℃，极端最低气温达-42.3 ℃，9、10月份降温迅速，昼夜温差大，光热资源丰富，年平均日照时数2861.6 h，年均降水量141.8 mm，年均潜在蒸发量1826.2 mm。试验区地势平坦，盐碱化现象严重，土壤质地基本属于砂壤土。试验区气候干燥和蒸发强烈，由于灌溉不当、排水不畅，引起地下水位上升，土壤母质和地下水中所含的盐分随着土壤中毛细水的上升而集聚在地表，导致该地区土壤次生盐渍化严重。试验区的土壤初始含盐量基本上在10 g/kg以上，按新疆盐碱土分类标准[23]，属于重度盐化土。

1.2 试验设计

在大田中埋设暗管，暗管内径为70 mm，埋深为2.2 m，间距为48 m，与地表平行。灌溉水取自玛纳斯河西岸大渠，试验区与大渠之间有一条隔水沟，其作用是降低地下水位，减缓大渠对试验区地下水位的影响，研究区运用暗管排水系统，暗管排出的水汇流到集水沟，研究区剖面图见图1。在研究区使用单翼迷宫型滴灌带进行滴灌，滴头流速为3.2 L/h，滴灌模式为一膜两管六行，地膜厚度为0.015 mm，宽度为2 m，膜间距为40 cm，如图2所示。本试验种植作物为棉花，品种为创杂100号，采用膜下滴灌，作物系数采用FAO-56建议的棉花标准作物系数，根据当地灌溉经验确定灌溉制度，如表1所示。第1年2013年4月15日播种，9月30日收获，第2年2014年4月10日播种，9月20日收获。

1.3 测试指标及方法

考虑灌溉周期与作物生育期，取样时间分别设定为2013年5月25日（苗期）、2013年7月20日（花期）、2013年9月30日（吐絮期）、2014年5月20日（苗期）、2014年7月25日（花期）和2014年9月20日（吐絮期）。为了研究排盐效果随距暗管距离的变化情况，在研究区棉田地块中间选取3个水平距离（分别为垂直于暗管上方8、16、24 m处）和10个土层深度（分别为0～20、20～40、40～60 、60～80、80～100、100～120、120～140、140～160、160～180和180～200 cm）设置取样点，为尽量消除试验误差，每个采样点设置3个重复，3个重复之间的水平距离为3 m，试验结束后取3组试验结果的平均值，取样点均在覆膜处。

将取回的土样按1∶5的土水比配置溶液，使用雷磁DDS-11A型数显电导率仪（上海仪电科学仪器股份有限公司）测定土壤样品浸提液的电导率EC（Electrical Conductivity，mS/cm），其中土壤浸提液电导率与土壤含盐量之间的关系为

式中Q为土壤含盐量，g/kg；EC1:5为土壤浸提液的电导率，mS/cm。

土壤脱盐率[24]为土壤盐分初始值与土壤盐分终值的差值与土壤盐分初始值之比。

新疆冬季积雪于4月上旬融化，上层土壤基本处于饱和状态。根据布置在研究区南侧和北侧的观测井观测，研究区地下水位深度在灌溉季节（4—10月）的波动范围是1.75～2.10 m，非灌溉季节地下水位深度均在2.20 m以下，如表2所示。2013和2014年分别对暗管排水、观测井中地下水和西岸大渠中灌溉水取样各3次，每次取3瓶，每瓶500 mL，并采用烘干法测定矿化度，取平均值，其中地下水取样深度取决于地下水位高度。2013年4月15日播种后，采集各采样点的初始盐含量，为简化模型的初始条件，计算和测定各土层的平均含盐量和初始含水率（表 3）。建立HYDRUS-2D模型模拟棉花生育期的盐分迁移和秋季返盐期盐分迁移，盐分模拟值通过0～200 cm土层土壤剖面盐分实测值进行验证。

1.4 HYDRUS-2D模型基本方程原理

HYDRUS-2D[25]是用来模拟二维饱和-非饱和介质中水、热及溶质运移的软件，在软件中有不同的水分运动方程、植物根系作用方程、土壤介质的水力参数的数据库可供选择，符合本研究数值模拟参数选择要求。

表1 2013—2014年试验区灌溉制度 Table 1 Irrigation system of experiment area in 2013—2014

表3 各土层初始含盐量和初始含水率 Table 3 Initial salt content and water content of each soil layer

1.4.1 数学模型

1）土壤水分运动模型

膜下滴灌是点源入渗，暗管排水时土壤水盐运移属于三维运动入渗问题，但其运动模式可简化为二维问题来解决[26]。根据达西定律和质量守恒定律[27]，假定土壤均匀和各向同性，不考虑空气、温度及土壤水分滞后效应对土壤水分运动的影响，考虑作物根系吸水，此时土壤水分运动可用Richards方程[28]表示为

式中θ(h)为土壤体积含水率，cm3/cm3；h为压力水头，cm；K(h)为土壤非饱和导水率，cm/d；t为时间，d；x为横向坐标，z为垂向坐标，规定z向下为正；S(h)为源汇项，此处表示根系吸水率，即根系在单位时间内由单位体积土壤中所吸收水分的体积，cm3/(cm3·d)，其具体表示为[29]

式中Sp为α(h)=1时无水分胁迫周期内的吸水率，α(h)是植物根系吸水的无量纲响应函数[28-30]，定义为

式中h1为作物根系吸水厌氧基质势值，cm；h2为土壤初始基质势值，cm；h3为土壤末态基质势值，cm；h4为根系凋萎时土壤基质势值，cm。式（2）中涉及到θ(h)、h、K(h)三者之间的关系，模拟中采用van Genuchten-Mualem模型[30]拟合，即

式中Ks为土壤饱和导水率，cm/d；Se为相对饱和系数，无量纲；θr为土壤剩余体积含水率，cm3/cm3；θs为土壤饱和体积含水率，cm3/cm3；α、n、m均为土壤物理特性有关的拟合参数，α为经验参数，cm-1；n是曲线形状参数，n＞1；m=1−1/n；l为形状系数。

软件模拟的是膜下滴灌，棉花生育期降水量很小，故忽略降水对水盐盐分运移的影响。土壤容重采用环刀取原状土测定，根据在试验区内0～300 cm土层测得土壤中黏粒、粉粒和砂粒的平均含量，经RETC软件拟合，其土壤水力特性参数：土壤容重r取1.51 g/cm3，Ks取106.1 cm/d，θr取0.065 cm3/cm3，θs取0.41 cm3/cm3，α取0.075 cm-1，n取1.89，l取0.5。

2）土壤溶质运移模型

在研究中，使用土壤溶质穿透曲线来推导水动力弥散系数，它是反映溶质在非饱和土壤中运移的基本曲线。将风干土样装入土柱中，控制容重，用示踪剂连续恒定注入土壤中，然后根据示踪剂溶质在土壤中运移时通过某截面的相对浓度与时间或体积的关系绘制曲线。本试验使用氯化钠溶液作为示踪剂。为了获得实测值与模拟值之间的最佳拟合，在土壤穿透曲线的基础上对修正后的水动力弥散系数进行调整，得出修正后的水动力弥散系数，其中溶质运移参数纵向弥散度为21 cm，横向弥散度为4.5 cm。在均匀介质中，用可控的对流弥散方程模拟非反应离子运移[29]，其公式为

式中c为溶质浓度，g/cm3；qi为入渗率，cm/d；Dij为弥散系数，cm2/d；下标i，j表示x，z轴坐标；Cs为汇项盐分含量，g/L。

3）根系吸水模型

盐度胁迫响应函数采用乘法模型中的阈值模型，并在HYDRUS数据库中选择与棉花相对应的阈值和斜率值。棉花根系吸水参数取值情况：土体空隙被水完全充满时对应的负压值（P0）取-10 cm；土壤毛管上升水达到最大量时对应的负压值（Popt）取-25 cm；土壤毛管水因地表蒸发和作物吸收发生断裂时对应的极限高负压值（P2H）取-200 cm；土壤毛管水因地表蒸发和作物吸收发生断裂时对应的极限低负压值（P2L）取-600 cm；作物产生永久凋萎时对应的负压值（P3）取-14000 cm；最大根系深度取60 cm；最大根系深度取25 cm；最小渗透压头（盐度阈值）值取15.4 cm，高于该值时根系水分的吸收不会降低；斜率取2.6，为确定分根曲线的斜率，盐度每增加1个单位，其吸水量就下降到阈值以下。

采用修正的Feddes模型[31]，公式如下：

式中α(h, hφ,x,z)为土壤水盐胁迫函数；hφ为渗透压力，cm；b(x, z)为根系分布函数，cm-2；St为与蒸腾关联的地表长度，cm；Tp为潜在蒸发速率，cm/d。

4）参考作物蒸发蒸腾量

参考作物蒸发蒸腾量按照Penman-Monteith公式[19]计算，数据来源为当地气象站的气象数据，计算结果如图3所示。潜在蒸发量和潜在蒸腾量计算公式[19]为

式中ETp为潜在蒸发蒸腾速率，cm/d；Kc为棉花的作物系数；ET0为参考作物蒸发蒸腾量，cm/d；Ep为潜在蒸发速率，cm/d；Tp为潜在蒸腾速率，cm/d；Δ为饱和水汽压温度曲线上的斜率，kPa/℃；Rn为净太阳辐射，MJ/m2；L为水汽化的潜热，MJ/kg；γ为湿度常数，kPa/℃；LAI为叶面积指数。

1.4.2 初始条件

以2根暗管中心线为轴，左右呈现对称，为了减少模型运算可以简化模型，将试验区域以2根暗管中心线进行划分，对其左侧进行模拟，模拟区域以及边界条件见图4。模拟计算区域为长（水平方向）2470 cm、宽（垂直方向）300 cm的矩形。模型模拟地下0～200 cm深度范围土壤盐分变化特征，按照土壤初始含盐量和初始含水率进行分层。模拟时间从2013年4月20日至2014年12月1日，共建立4个数值模型，分别模拟2013和2014年的灌溉期（2013年4月20日—2013年9月30日、2014年4月20日—2014年9月20日）和秋季返盐期（2013年10月1日—2014年4月9日、2014年9月21日—2014年12月1日），模拟时长共计590 d，前1个阶段的模拟结果按节点逐个赋值为下1个阶段的初始输入条件，采用变时间步长剖分方式，根据收敛迭代次数调整时间步长[32]。模拟结束，将4次模拟的数据整合在一起来分析灌溉期和秋季返盐期的盐分变化规律。

1）水分运动初始条件

式中θ′(x, z,0)为土壤初始含水率，cm3/cm3；X为暗管到模型右边界间距，cm；Z为地面到模型下边界的距离，cm。

图4为研究区模型边界示意图。灌溉期模型土壤初始边界条件为：模型的上边界条件由膜下滴灌覆膜区、滴头区和膜间裸地组成，覆膜区为零通量边界；膜间裸地为大气边界；在二维垂直水流运动下，滴头流量造成的通量变化可视为变通量边界；暗管管壁有微孔，表面并包裹有滤料和土工织布，可视为渗流面边界；左、右边界为零通量边界；研究区模型下边界远低于地下水位，研究区地下水稳定，视为模型下边界与地下水基本不发生水量交换和溶质运移，下边界可视为零通量边界。

秋季返盐期模型土壤初始边界条件为：模型的上边界条件为大气边界，降水量和灌水量设为0，在裸土条件下进行模拟；其余边界条件同灌溉期模型边界条件。在膜下和膜间分别设置观测点，用土壤盐分平均值的变化来表示整个模拟区总盐分的变化。

2）溶质运移初始条件

式中C0为土壤初始含盐量，g/kg。

溶质运移边界条件与水分运动边界条件相对应，滴头处、暗管边壁处同为第三类边界条件。

1.4.3 模型检验

利用SPSS软件对重复取样实测值进行最小显著性差异方法（Least Significant Difference，LSD）分析，利用均方根误差（Root Mean Squared Error，RMSE）和纳什效率系数（Nash-Sutcliffe Efficiency Coefficient，NSE）验证模拟结果的可靠性[33]，RMSE越接近0，NSE越接近1，表示模拟值与实测值差异越小，两者吻合越好。

2 结果与分析

2.1 土壤盐分实测数据分析

利用最小显著性差异方法计算得到的重复取样的样本数据P值均大于0.05，说明土壤的实测值均无显著性差异，一致性较好。由图5可知，2014年根系层土壤含盐量降低到11 g/kg左右，与初始含盐量相比显著下降，出苗率明显提高。与初始盐含量相比，在0～80 cm的深度范围内，土壤盐分下降明显，随着土壤深度的增加，土壤盐分含量减少的速率呈逐渐下降的趋势，在100～120 cm的深度范围内，随着土壤深度的增加，土壤含盐量呈现相反的变化规律。土壤盐分含量峰值伴随棉花生育期过程逐渐向下迁移，最终从100～120 cm的土层深度迁移至140～160 cm的土层深度。这表明，盐分随着灌溉水向下运移，上层土壤盐分不断被淋洗，上层土壤处于脱盐状态，并在下层土壤一定深度处聚集。

暗管排水水样平均矿化度为90.6 g/L，观测井中地下水和西岸大渠中灌溉水的水样矿化度分别为10.3和0.96 g/L，均远低于暗管排出水样的含盐量，这说明暗管排出的盐分绝大部分来自于土体。灌溉期灌水后地下水位上升至暗管以上，灌溉水与地下水在暗管上方形成汇流流入暗管，上层淋洗到下层的盐分也随之排出暗管，说明膜下滴灌与暗管排水对盐碱化土壤的改良具有良好的协同作用。

2.2 HYDRUS-2D模型验证结果分析

图6为0～200 cm深度范围距离暗管不同间距处各剖面土壤盐分模拟值与实测值的对比情况，由图6可知，在0～40 cm土层范围内，土壤盐分模拟值大多数略小于实测值，尤其在图6a的模拟结果对比中尤为明显。这可能是由于土壤上表层电导率受实际外界因素影响明显，而模型构建过程中的边界情况与实际边界情况存在细微差异，实际情况中的蒸发蒸腾等边界条件比模型中所构建的要复杂，这些差异对土壤电导率会产生一定影响。

在140～200 cm土层范围内，土壤盐分模拟值大多数略大于实测值，尤其在图6d和图6h的模拟结果对比中尤为明显。这可能是因为土壤溶质运移过程本身比较复杂，溶质运移参数与仪器所测电导率的精确程度都会带来实测值与模拟误差。但是从RMSE和NSE值总体来看，模拟值与实测值两者差异不大且变化趋势一致，吻合性较好。

在0～80 cm深度范围内，随着生育期的推进，土壤盐分含量明显下降；80～200 cm深度范围内，随着土层深度的增加，土壤盐分含量的总体呈下降趋势，但由于初始含盐量的影响，最终形成上层和下层土壤含盐量较少，中间含盐量较大的分布情况。这是因为灌水后土壤上层的盐分会随着水流运动向下迁移，随着土壤深度的增加盐分运移对土壤含盐量变化的影响程度会变小。土壤盐分含量峰值伴随灌溉时间的增加逐渐向下迁移，从100～120 cm的土层深度迁移至140～160 cm的土层深度，模拟值与实测值吻合度较好。

在水平方向上，距离暗管越远，土壤脱盐率越小，不同距离的含盐量模拟精度的均方根误差RMSE和纳什效率系数NSE范围分别为0.39～1.26 g/kg和0.66～0.97，个别模拟值变异程度较大，其他模拟结果的变异程度不是很大，说明各个距离的土壤盐分实测值与模拟值差异不大，模型在模拟土壤的盐分分布时具有较高的精度，参数较可靠，满足模拟精度要求。模拟值与实测值拟合结果较为理想，较好地反映出了土壤盐分在试验期内的变化规律，模拟结果可靠。

3 模型应用

应用经过实测值与模拟值修正参数后的膜下滴灌棉田暗管排盐模型分别对2013和2014年的灌溉期和秋季返盐期土壤盐分运移进行更长时间序列的模拟计算，共进行4个阶段为期590 d的模拟，以研究土壤盐分随时间的连续动态变化。

3.1 0～80 cm土层土壤含盐量分析

图7是在模拟区以膜下为取样点表示距离暗管不同位置处0～80 cm土层内盐分含量变化曲线。由图7可知，2013和2014年棉花生育期内根系层盐分含量呈下降趋势，脱盐量随土层深度的增加而减小。与初始含盐量相比，2013和2014年棉花生育期末表层0 cm处盐分分别平均下降了66.66%和69.41%，20 cm处盐分分别平均下降了50.85%和64.31%，40 cm处盐分分别平均下降了42.31%和59.60%，60 cm处盐分分别平均下降了26.52%和47.96%，80 cm处盐分分别平均下降了7.13%和28.24%，0～80 cm土层膜下平均脱盐率分别达到了41.11%和55.56%。灌水间歇期在蒸发、施肥及根系吸水作用影响下，上层土壤盐分有小幅波动上移变化特点，但由于地膜覆盖盐分随水分上移受到抑制，土壤水分仅在膜间裸地一定范围内向上运动强烈，盐分随水分进入根区总量相对有限，因此在整个生育期灌溉制度周期性灌水作用下，土壤盐分总量呈降低趋势。

9月下旬灌水停止，去除地膜后，在蒸发作用下盐分逐渐由深层向上不断迁移一部分，使得土壤表层0～20 cm土层内盐分含量迅速上升，40～80 cm土层内盐分没有明显变化（从图7中的第160天到第220天和第530天到第590天）。距暗管16和24 m处的0 cm表层土壤盐分增加量明显高于8 m处；距24 m处的20 cm土层土壤盐分增加量明显高于8 m和16 m处。与距暗管8 m和16 m处0～20 cm土层土壤盐分升高情况相比，24 m（两暗管中间位置）处明显高于前二者，这可能是由于距暗管较远，脱盐效果有所减弱，该处土壤中的盐分含量较高，在蒸发的作用下，盐分向表层运移与聚集。

3.2 0～80 cm土层膜下和膜间整体脱盐率分析

分别在数值模型区域的膜下和膜间设置取样点，取各层土壤盐分的平均值，计算0～80 cm土层范围内距离暗管0～8、8～16、16～24 m的土体（膜下和膜间）平均含盐量和土体脱盐率（与初始含盐量相比），见表4和表5。由表5可知，在0～80 cm土层范围内，2013年吐絮期土体脱盐率分别为15.70%、13.83%、12.62%；冻土形成前土体脱盐率分别为8.90%、4.71%、3.03%；2014年吐絮期土体脱盐率分别为22.41%、16.88%、14.35%；冻土形成土体脱盐率分别为16.81%、8.37%、5.27%。与初始含盐量相比，2013和2014年棉花生育期末膜下及膜间0～80 cm土层整体平均脱盐率分别达到了14.05%和17.88%，秋季返盐后脱盐率分别达到了5.55%和10.15%，秋季返盐明显。在棉花生育期内，0～80 cm深度范围内随着灌溉次数的增加，土壤盐分向下淋洗，土体盐分逐渐降低，土体脱盐率是逐渐减少的，前期脱盐的速率远大于后期，随着距暗管距离的增加，土体脱盐率有减小的趋势。这说明脱盐主要发生在灌水洗盐阶段，且距暗管的距离越近脱盐效果越好。秋季返盐阶段，0～80 cm深度范围内土体盐分逐渐增加，0～8 m土体盐分增加的程度小于8～16 m和16～24 m土体盐分增加的程度。

表4 模拟区0～80 cm和0～200 cm土层平均含盐量 Table 4 Average salt content of 0-80 cm and 0-200 cm soil layers in simulation area

3.3 0～200 cm土层整体脱盐率分析

由表5可知，经过秋季返盐阶段后，土体含盐量仍然表现呈减少趋势，暗管发挥出了排盐的效果。2013年冻土形成前（11月27日）与初始含盐量相比，0～200 cm深度范围内土体脱盐率分别为2.97%、2.44%、2.32%（0～8、8～16、16～24 m）。2014年冻土形成前（11月28日）与初始含盐量相比，土体脱盐率分别为5.71%、4.64%、4.52%（0～8、8～16、16～24 m）。0～8 m土体内脱盐率显著高于8～16 m和16～24 m土体，三者间差异均达到显著水平。与初始含盐量相比，2013和2014年棉花生育期末0～200 cm深度范围内整体平均脱盐率分别达到了2.26%和4.85%，秋季返盐后0～200 cm深度范围内土体平均脱盐率分别为2.58%和4.96%。

表5 模拟区0～80和0～200 cm土层平均脱盐率 Table 5 Average desalination rate of 0-80 and 0-200 cm soil layer in simulation area

4 讨论

潘延鑫等[34-38]进行盐碱地膜下滴灌研究时发现，当灌水定额足够大时，由于上层土壤盐分随着灌溉水向下迁移，在土壤湿润锋处的含盐量增大的同时，上层土壤含盐量也在减小。本试验研究结果表明，在棉花的生育期内，灌水后上层盐分会向下迁移，伴随着棉花生育期的过程，土壤盐分含量峰值也逐渐向下迁移，最终由100～120 cm迁移到140～160 cm土层深度内。这是因为覆膜抑制了蒸发，农田土壤水分向上运动由原来的棵间蒸发和植株蒸腾2个渠道变成了植株蒸腾单一渠道，因此水分向上运动的趋势大大减少。Li等[39-40]在进行月季的滴灌试验以及滨海盐渍化土壤滴灌试验研究时发现，土壤盐分在生育期阶段盐分降低，但是后期返盐明显。这与本研究结果类似，但不同之处在于，本试验研究结果表明，在灌水结束去除地膜后，土壤表层0～20 cm土层内盐分含量迅速上升，40～80 cm土层内盐分没有明显变化，下层土壤盐分未向上明显迁移。这是因为虽然研究区地处蒸发强烈的西北干旱区，土壤盐分易向土体表面聚集，但排水系统的存在使农田水分向下运动有了通道，且暗管排水控制地下水位，根系层土壤未受到地下水顶托作用，所以农田水分整体运动的趋势是向下的，下层盐分向上运动受到抑制。

采用暗管排水的措施可以有效控制地下水位，排走土体盐分。张金龙等[41]通过漫灌淋洗暗管排水表明，暗管埋深1.2 m处，淋洗43d后0～30 cm土层脱盐率在74.8%～95.4%之间。Wang等[42]基于不同暗管埋深和管径进行田间灌溉排水试验，结果表明暗管0.6 m埋深脱盐效果优于1.0、1.4 m埋深，平均脱盐率达到了57.04%。与以上研究有所差异，本试验研究结果表明，2013和2014年棉花生育期与2013年初始含盐量相比，在0～80 cm土层范围内，膜下平均脱盐率分别达到了41.11%和55.56%，膜下及膜间整体平均脱盐率分别达到了14.05%和17.88%，一方面是因为研究土层深度不同，土壤脱盐率会随着土层深度的增加而降低，说明土壤盐分在向下运移；另一方面是因为暗管埋深不同，暗管浅埋会增加暗管以上土层的脱盐效率，但盐分并未完全被暗管排走，更大一部分被淋洗至暗管以下土层。另外，暗管间距、暗管埋深型和作物种植模式等指标[13,43-44]也会影响各土层的脱盐率。

不同区域土壤脱盐率与距暗管的距离成负相关。距暗管越近，排盐速率越快，距暗管越远，排盐速率相对减慢[45-46]。本试验研究结果表明，距离暗管0～8 m土壤平均脱盐率显著高于8～16 m和16～24 m土壤平均脱盐率，但后两者的差别较小，形成了距暗管近的区域盐分少，距暗管远的区域盐分多的状况。但依据溶质运移规律及盐分平衡原理，农田中的盐分会随着时间的推移由盐分多的区域向盐分少的区域运移，从而形成了土壤盐分整体下降、根系层盐分下降更加明显的结果。2013和2014年秋季返盐后与2013年初始含盐量相比，0～80 cm土体盐分分别平均下降了5.55%和10.15%，0～200 cm深度范围内土体盐分分别平均下降了2.58%和4.96%，这进一步说明了灌水后大部分盐分被淋洗到土壤下层，一部分滞留在土壤中，一部分溶解于地下水被暗管排走，但长期使用该模式土体含盐量将会持续降低[47]。

5 结论

基于HYDRUS-2D模型建立了暗管排水条件下膜下滴灌棉田土壤盐分变化的数学模型，比较了HYDRUS-2D模拟结果和试验数据，利用统计分析指标均方根误差RMSE和纳什效率系数NSE验证了数值模拟方法的可靠性。在此基础上，对0～80 cm土层内盐分随时间的变化、根系层土壤脱盐率以及0～200 cm土层脱盐率进行模拟分析。得出以下结论：

1）膜下滴灌技术与暗管排水相结合，使土壤根系层脱盐效果显著。利用HYDRUS软件得到的模拟值与实测值吻合度较高，含盐量均方根误差RMSE和纳什效率系数NSE范围分别为0.39～1.26 g/kg和0.66～0.97，均在可接受范围内。

2）暗管排水和膜下滴灌条件下，2013和2014年棉花生育期末与2013年初始含盐量相比，根系层土壤脱盐明显。在膜下，0～80 cm土层平均脱盐率分别达到了41.11%和55.56%；膜下及膜间，0～80 cm土层平均脱盐率分别达到了14.05%和17.88%。

3）2013和2014年秋季返盐后土壤含盐量与2013年初始含盐量相比，0～80 cm土体盐分分别平均下降了5.55%和10.15%；0～200 cm土体盐分分别平均下降了2.58%和4.96%，说明暗管控制条件下，使用滴灌淋洗和暗管排盐的模式，土体内的盐分总量呈现降低趋势。