基于HYDRUS-1D模型的河套灌区典型夹砂层耕地水分利用分析

冯壮壮，史海滨，苗庆丰，孙 伟，刘美含，代丽萍

基于HYDRUS-1D模型的河套灌区典型夹砂层耕地水分利用分析

冯壮壮，史海滨※，苗庆丰，孙 伟，刘美含，代丽萍

（1. 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 10018；2. 高效节水技术装备与水土环境效应内蒙古自治区工程研究中心，呼和浩特 10018）

为研究夹砂层耕地水分利用规律，以河套灌区典型夹砂层土壤耕地为研究对象，利用在春玉米生育期田间监测数据，应用土壤水分运动数值模型，探究对夹砂层土壤田间蒸散发、作物耗水及深层土壤水分的补给与深层渗漏规律。选择2种土壤的夹砂层埋深梯度S1（40～95 cm）、S2（60～110 cm），设置了3个灌水水平W1（252.5 mm）、W2（315.85 mm）、W3（378.75 mm）开展田间试验，同不含夹砂层处理B作对照，并应用HYDRUS-1D模型模拟春玉米生育期田间蒸散发，土壤水分深层渗漏及地下水补给耕层水量与根系吸水量，与不含夹砂层处理对比分析夹砂层对田间水分利用影响。结果表明：随着砂层埋深增加，棵间蒸发损失减小，叶面蒸腾水量增加；不含夹砂层处理玉米田间毛管向上补给水量较浅埋砂层与深埋砂层处理分别大57.01%、118.53%，灌水量为315.85 mm时含夹砂层处理的土壤水分深层渗漏最小；玉米生育期内根系吸水量随砂层埋深的增加而减少，不含夹砂层处理根系吸水量最大。浅埋砂层与深埋砂层处理分别为蒸散量的55.51%、61.31%，不含夹砂层处理为66.69%；暂时性亏缺水量从大到小依次为：S2、S1、B，水分从大到小依次为：B、S2、S1。综合考虑夹砂层土壤水分迁移、作物水分利用规律，建议在夹砂层耕地春玉米灌溉根据砂层分布因地制宜定灌溉制度，当夹砂层埋深在40～110 cm范围时，推荐春玉米在生育期灌溉定额为315.85 mm。该研究结果可为河套灌区含有夹砂层农田灌溉制度的制定提供理论指导。

灌溉；土壤含水率；夹砂层土壤；土壤蒸散；地下水补给；深层渗漏；HYDRUS-1D模型

0 引 言

水资源短缺和土壤盐碱化已成为限制河套灌区灌溉农业可持续发展的重要问题[1]，准确评估灌区灌溉用水，对灌区农业生产与水资源优化利用意义重大[2]。关于非饱和带土壤中水分动态的研究，大多研究都集中于均质土壤。而自然界中土壤剖面并非呈现简单的均一分布，由于河流黏、砂交错，黄河灌淤等[3]形成复杂多变的层状土壤剖面结构[4]，土层夹砂结构成为河套灌区常见的一种土体构型[5]。已有研究表明，夹砂层与砂层粒径都会对土壤水分入渗速率、入渗量产生影响，砂层越接近地面或砂层粒径越大，越有利于土壤水分入渗[6]。砂层对水分蒸发的影响取决于砂层与土层导水率的大小，砂层对土壤表层盐分的抑制率大于土层[7-8]。

由于土壤、作物、气象、地下水、灌溉和管理的空间差异，水文过程变化复杂，农田试验耗时费力[9]，确定有效灌溉策略更为便捷的替代方法是对影响灌溉策略土壤水平衡与作物生产力进行建模[10]。HYDRUS-1D模型可以通过模拟多层变饱和土中的一维水运动对实际蒸散量和深层渗流进行预测，Zhou等[11]通过HYDRUS-1D对作物生长季内土壤水分蒸散量与深层渗漏量模拟结果表明田间蒸散与土壤水分深层渗漏是作物水分循环的主导过程，Hou等[1]应用HYDRUS-1D对海流图流域玉米水分利用模拟得出当地下水埋深超157 cm时，玉米就不能利用地下水进行蒸腾。目前，含夹砂层土壤的水分分布及运移规律的研究大多通过在室内土柱试验或者数值模拟进行，对于有实际作物种植和实际田间管理以及年内气候变化等条件耦合作用下的含夹砂层耕地研究较少。

本研究基于河套灌区典型夹砂层土壤田间观测数据，通过HYDRUS-1D软件对不同夹砂层分布下的玉米农田蒸散发、土壤水分深层渗漏与地下水补给、玉米根系吸水等过程进行数值模拟与分析，研究了典型夹砂层耕地间水分利用与转化规律，以期为当地进一步制定农田灌溉用水策略、有效提高灌溉水利用率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区设在内蒙古河套灌区中部巴彦淖尔市曙光试验站，位于东经107º13′23″，北纬40º43′26″。所在地区属温带大陆性干旱-半干旱气候区，气候干燥、降水稀少、蒸发强烈、冬季漫长寒冷。多年平均降水量为133.90 mm，多年平均气温为8.64 ℃，多年作物生育期平均气温为19.11 ℃。试验地土壤属于黄河灌淤土，具有典型夹砂结构，地下水平均埋深约为2.4～2.9 m，地下水矿化度为1.108 g/L。2020年试验区生育期内降雨量、潜在作物蒸散量、地下水埋深如图1所示。

1.2 试验设计

供试作物为春玉米，品种为“西蒙3358”，采用宽窄行种植，宽窄行距分别为60、40 cm。试验田间管理参照当地农业生产方式进行。为研究土壤夹砂层分布对玉米田间土壤水分运移分布影响及玉米生长对不同夹砂层土壤水分的响应，参照当地的灌水设置了3个灌水水平W1（252.5 mm）、W2（315.85 mm）、W3（378.75 mm），两个夹砂层埋深梯度处理（S1、S2），砂层埋深较浅为S1（40～95 cm），砂层埋深较深为S2（60～110 cm），同时设置与夹砂层处理灌水相同的3个不含夹砂层的处理BW1、BW2、BW3。各处理灌水量及灌水时间详见表1。其中不同夹砂层处理与不含夹砂结构土壤处理均在试验区内选取，在试验布置前期，通过土钻钻孔法确定试验区砂层的空间分布，选定有代表性砂层分布的夹砂层耕地作为试验地布置试验，由表1知，夹砂层埋深与厚度存在由取样误差造成的差异，为减小取样误差对模拟的影响，在HYDRUS -1D模型中划分统一的砂层埋深与厚度（S1砂层埋深均设置为40 cm，厚度均设置为55 cm；S2砂层埋深均设置为60 cm，厚度均设置为50 cm）。每个处理小区面积为48 m2，长宽比为3∶1。试验在玉米生育期内进行，播种时间为2020年5月4日，收获时间为2020年9月25日。

1.3 观测内容与方法

1.3.1 气象与含水率、土壤基质势

气象数据通过试验站自动气象站（HOBO H21-001，Onset，USA）获取，包括最高气温、最低气温、相对湿度、风速、太阳辐射、气压、降水量等。地下水位由观测井观测。土壤体积含水率由TRIME-TDR 型时域反射仪（IMKO GmbH，Ettlingen，德国）测定。使用土壤张力计对土壤的基质势进行观测，负压计（张力计）在砂层的上下部分别埋设，张力计及TRIME管埋设如图2所示，典型夹砂层耕地土壤物理性质如表2所示。玉米生育期具体时段[12]如表3所示。

表1 不同处理的灌水日期及灌水量

表2 典型夹砂层土壤物理特性

表3 玉米生育期划分

1.3.2 玉米叶面积指数

玉米生育期内第20～30天记录玉米株高，分别测量叶片的长度与叶片的最宽宽度计算单株玉米总叶面积LA，计算公式[13]如下：

式中L为第片叶片的长度，cm；W为第片叶片的宽度，cm；为玉米株数；LA为单株玉米总叶面积，cm2；0.75为回归系数。

玉米叶面积指数计算公式为

式中LAI为叶面积指数；I为株距，cm；R为行距，cm。

1.3.3 棵间蒸发量

棵间土壤蒸发量通过布置在各处理的自制微型土壤蒸发桶测定。该装置由PVC管制成，分为内筒与外桶两个部分，管内径分别为110、125 mm。每日17时使用精度为0.01 g的电子秤称取蒸发桶质量，为保证准确性，除了灌水与降雨后换土外，保持每3 d换1次土的频率。

1.3.4 土壤水分特征曲线

土壤水分特征曲线由压力薄膜仪测定。首先将土样浸泡在蒸馏水中至饱和，称质量后放入1500F1型压力薄膜仪（1500F1 Extractor，SoilMoisture，美国）中，对土样施加一定的压力，迫使土壤水分渗出，达到平衡时，土壤基质势与所加压力值相等，测量此时土壤含水率，标定土壤的水分特征曲线。

1.4 数据处理

应用EXCEL2016软件进行数据整理，Origin2018软件对本文中的插图进行绘制，DPS（7.05）数据处理系统做显著性差异分析，HYDRUS-1D软件建立模型模拟。

1.5 HYDRUS-1D模型介绍

1.5.1 HYDRUS-1D水分运动方程

HYDRUS-1D模型[14-15]基于Richards方程，模拟多层变饱和土壤中的一维水分运动，用于预测深层渗漏、补给与蒸散量。其数学模型描述如下：

式中为体积含水率，cm3/cm3；为时间，d；为非饱和导水率，cm/d；为基质势，cm；为垂直坐标，cm（假设地表为0，向下为正）；()为根系吸水源汇项，cm/d。

1.5.2 根系吸水速率

采用Feddes模型计算根系吸水速率，计算公式[16]为

式中()为水分胁迫反应函数；()为标准化的根系吸水分布函数；p为作物潜在蒸腾速率，cm/d。

Feddes模型参数采用HYDRUS-1D模型系统所提供的参数[14]。根系吸水厌氧点土壤基质势P0为-10 cm，根系吸水最适点开始时土壤基质势P0pt为-25 cm，根系吸水最适点结束时土壤基质势P2H、P2L分别为-500、-500 cm，凋萎点对应土壤基质势P3为-24 000 cm，两个假设的潜在作物蒸腾速率r2H、r2L分别为0.5、0.1 cm/d。

1.5.3 叶面蒸腾与土壤蒸发计算

参考作物蒸散量ET0由FAO推荐的Penman-Monteith公式[17]计算，由于玉米覆盖土壤表面，因此被划分为潜在蒸发量p（mm）与潜在蒸腾量p（mm）。公式如下：

式中为冠层辐射消光系数，本文取0.463[18]；ETc为作物实际蒸散发，mm；c为作物系数，不同生育期取值分别为：苗期至拔节期0.7、拔节期至灌浆期1.2、灌浆期至成熟期0.6[17]。

1.5.4 模型参数率定与检验

模拟范围为耕层深度，为地面以下120 cm，垂向离散为121个节点，离散单元为cm，时间离散单元为d。模拟时段为玉米作物生育期（5月4日—9月25日），共145 d。对土层与砂层的土壤水力参数进行了校准和验证，如表4所示。

通过决定系数（2）、均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）和纳什效率系数（Nash-Sutcliffe Efficiency coefficient，NSE）对模型模拟效果进行评价，其中NSE越接近1，表示模型模拟精度越高。

表4 不同处理下各土层土壤水力特征参数

注：r为土壤残余含水率，s为土壤饱和含水率，cm3·cm-3；、、为相对经验参数，一般为0.5；s为饱和导水率，cm·d-1。

Note:ris residual water content andsis saturated water content, cm3·cm-3;,, andare relative empirical parameters, andis generally 0.5;sis saturated hydraulic conductivity, cm·d-1.

1.6 亏缺水量与水分生产力

受玉米生育期内气温变化与土壤质地影响[19]，试验区玉米在生育期内不同处理的蒸腾量大于根系吸水量，产生了不同程度的暂时性水分亏缺。暂时性水分亏缺会造成玉米叶片暂时性萎蔫，在玉米关键生育期内出现水分亏缺还会影响玉米籽粒的形成与生长发育。暂时性水分亏缺水量计算公式为

式中WD为暂时性亏缺水量，mm；为根系吸水量，mm。

玉米水分生产力公式[20]为

式中w为水分生产力，kg/(hm2·mm)；Yield为玉米产量，kg/hm2；为灌溉水量，mm；为降雨量，mm。

2 结果与分析

2.1 水力参数的率定与验证

使用2020年6月7日—9月16日测量的土壤含水率对模型水力参数进行了率定，选取其中S1W2处理水分率定过程绘图，利用均方根误差RMSE和决定系数2、纳什效率系数NSE评估模型精度。土壤含水率模拟值与观测值的精度验证如图3所示。利用具有代表性的4组实测土壤基质势与土壤水分特征曲线对模型生育期土壤水分模拟进行间接验证[21]，见图4和图5。结果表明模型模拟精度较高，土壤含水率模型计算值与实测值的决定系数2、NSE值均约为0.9，RMSE均较小，土壤基质势与土壤水分特征曲线模拟值2均在0.7以上，表明HYDRUS-1D模拟含有夹砂层土壤水分运动有较好的适用性。同时，由于夹砂层土壤结构较为复杂，当土壤含水率较小时，TRIME管与土壤接触不紧密，造成测得如图3所示土壤含水率为0的情况出现[22]，率定后的土壤水力参数如表4所示。

2.2 玉米农田蒸散量变化规律

通过HYDRUS-1D模拟得出，玉米田间叶面蒸腾与棵间蒸发速率随玉米生长发育与田间微气候改变，最大蒸腾蒸散速率都发生在灌浆期间，玉米生育期棵间蒸发a与p分布如图6所示，最大土壤蒸发速率在玉米苗期与拔节期之间，是因为苗期与拔节期玉米的株高与叶面积较小，使得地表植被覆盖率较小，玉米株高叶面积如图7所示，在玉米拔节期前，砂层深埋（S2）处理的叶面积指数较砂层浅埋（S1）处理更大，不含砂层（B）处理与S2处理的叶面积指数较为接近。如图8所示，在3个灌水水平W1、W2、W3条件下，玉米全生育期内，S2处理较S1处理的ETp分别增加8.74%、8.97%、7.29%，p减小14.76%、8.59%、19.06%，a分别减小8.30%、8.32%、16.93%，p分别增加了13.40%、12.36%、2.24%，B处理较S1处理p分别减小35.99%、56.55%、6.37%，p分别增加24.32%、10.19%、2.48%。随着灌水量的增加，各夹砂层处理p均减小，p均增加，而不含夹砂层处理在不同灌水量下p与p变化较小，没有表现出明显增减趋势。不同处理ETP和p均表现为B处理最大，S2处理次之，S1处理最小，p则呈现出相反的规律，其中S2处理较S1处理棵间土壤蒸发损失水量减小13.60%。结果显示，土壤质地与灌水量共同对田间蒸散发变化与分配产生影响[23]，随灌水量增加，田间ETp总体增大，向p分配更多，而当砂层浅埋时玉米蒸腾水分利用少，蒸发损失多。

2.3 土壤水分深层渗漏与补给

利用HYDRUS-1D模拟土壤水分通量，通过试验观测的土壤体积含水率与土壤深度的乘积可得到当前土层深度的土壤贮水量，结果见图9。通过分析主要根系层分布深度（0～40 cm）与耕层底部120 cm处土壤水分通量，探讨不同夹砂层分布与不同灌水量处理下的主要根系区、耕层水分补给与深层渗漏规律。当上层土壤含水率较小时，由于水势差驱动，深层土壤水分通过上升毛管水运动，会向上层土壤补给[24]，当灌水或者降雨的水量超过土层所能持蓄的最大水量时[25-26]，会导致土壤水分向深层渗漏。

在40和120 cm深度处，砂层浅埋（S1）处理玉米生育期土壤水分向上层平均累积补给水量分别为206.23和150.73 mm，砂层深埋（S2）处理分别为142.60和108.30 mm，两个夹砂层处理的平均累积深层渗漏水量分别为331.19、164.18与214.73、117.96 mm。与S1处理相比，不含夹砂层（B）处理在40和120 cm深度处土壤水分向补给量分别增加36.38%、57.01%，较S2分别增加97.23%、118.53%，深层渗漏量较S1分别增加0.17%、60.64%，较S2分别增加80.45%、123.58%。

在不同生育期，含夹砂层处理与不含夹砂层处理在主要根系区和120 cm深度处的土壤水分深层渗漏量相差较大，渗漏量从大到小依次为B、S1、S2。40与120 cm深度处的土壤水分通过毛管作用向上补给主要在玉米拔节期开始增大，不含夹砂层处理向上层补给水量较大。主要根系区与120 cm土层深度处土壤水分深层渗漏与毛管上升补给各处理各生育期均随灌水量增加而增大，S1处理下120 cm深度处W1、W2、W3渗漏量分别为灌溉水量的34.91%、28.56%、43.97%，S2处理分别为23.10%、16.66%、36.62%，B处理分别为13.32%、66.04%、85.77%。随灌水量增大含夹砂层处理向主要根系层补给水量较为稳定，无增加趋势，而不含夹砂层处理随灌水量增加主要根系层补给水量增加明显，BW2与BW3较BW1分别增加27.5%、109.52%。由于砂层与土层对土壤水分的持蓄能力不同，含夹砂层处理土层在玉米苗期的土壤贮水量较不含夹砂层处理小，各处理生育期初期土壤贮水量如图9所示。不含夹砂层处理在相同灌水下更易造成的土壤水分深层渗漏损失，砂层埋深较大时，砂层以上土层较厚，土壤贮水量较大，表层土壤含水率较高，土壤负压较低，使深层土壤水分通过毛管作用向上补给较少，同时在灌水后向砂层以下深层渗漏较少。

2.4 玉米根系吸水量变化

利用HYDRUS-1D模拟玉米生育期各处理根系吸水量，结果如图10所示。两个砂层埋深（S1、S2）处理与不含夹砂层（B）处理，玉米不同生育期的根系吸水量从大到小排序均为：灌浆期、灌浆期-成熟期、抽雄期、拔节期、苗期。随着砂层埋深增加，作物根系受土壤水分胁迫减弱，S2处理玉米根系吸水量较S1处理在玉米抽雄期、灌浆期、灌浆-成熟期分别增大5.95%、3.12%、2.87%，B处理较S1处理根系吸水量分别增加5.70%、5.59%、10.28%，表明不含夹砂层处理较含夹砂层处理在3个需水量较大的生育期根系吸水胁迫更小，全生育期砂层浅埋与深埋处理根系吸水量分别为潜在蒸散量的55.51%、61.31%，B处理为66.69%。含夹砂层处理在不同灌水量下的根系吸水量无明显变化，表明在夹砂层埋深不同时，土壤质地是影响玉米根系吸水量的主要因素。

2.5 夹砂层埋深对玉米暂时性水分亏缺影响

利用HYDRUS-1D模拟的作物蒸腾量与根系吸水量计算暂时性水分亏缺量，利用实测产量数据与降雨量和灌溉量数据计算水分生产力，结果见图11。由图7可知，灌浆期玉米叶面积指数显著大于其他生育期（<0.05），不同处理灌浆期叶面积指数平均为5.51，表明该时期玉米叶片对地表遮盖率较高，需水主要以蒸腾为主。由图 11可知，各处理的暂时性水分亏缺都在玉米抽雄期或灌浆期开始出现，由于玉米灌浆期是玉米籽粒形成期，是其生长的关键时期[27]，灌浆期间作物耗水量较多[28]，无效的蒸腾水量过多会使玉米叶片暂时萎蔫与减产[29]。砂层浅埋时，灌浆期3个灌水水平W1、W2、W3处理下的暂时水分亏缺量分别为121.88、27.95、76.05 mm，砂层深埋时分别为149.38、100.20、19.52 mm，不含夹砂层处理分别为72.20、58.23、6.04 mm，砂层深埋处理暂时性亏缺水量较砂层浅埋时更大，而在整个生育期内不含夹砂层处理的暂时性水分亏缺量较小，对玉米生长造成影响较小[30]。随灌水量增大水分生产力减小，S1处理灌水量W2与W3较W1分别减小23.75%、38.56%，S2处理为20.17%、44.62%，B处理为9.06%、32.05%，在相同灌水处理下，砂层深埋时，土壤水分生产力与不含夹砂层时相近。

3 讨 论

夹砂层对土壤水分蒸发的影响主要体现为砂层对土壤水分垂向迁移的阻碍作用[8]，同时在不同处理下玉米叶面积指数差异明显，地表覆盖率差异显著，影响叶面蒸腾与棵间土壤蒸发之间的分配。随着砂层埋深增大土壤蒸发量减少，田间蒸散量与玉米蒸腾量均增大，由于S2叶面积指数较S1处理大，使得在玉米生育期内表层土壤水分蒸发较小，各处理除玉米抽雄期的蒸发量最小（累计为12.26 mm）外，蒸发量在其他各生育期与各处理之间无明显变化，玉米叶片p在各生育期之间随时间变化明显，同时随着砂层埋深增加，玉米p增大，S2的玉米叶片p较S1处理大8.41%。

玉米叶片通过蒸腾作用消耗根系吸收的水分，玉米根系吸水在不同砂层埋深表现出的根系吸水量差异明显，相同土壤质地下不同灌水处理之间的根系吸水量并不明显，与吴元芝等[31]的研究结果一致，相较于其他因素，土壤质地对根系吸水的影响最大。主要根系层的土壤水分通量与研究区域底部土壤水分通量分别反映砂层对砂层上下土层的土壤水分运移的影响。玉米生育期内随着砂层厚度减小，土壤水分向根系层补给增大，不含夹砂层土壤处理对根系吸水胁迫最小。史文娟等[8,32]的研究表明，砂层对其以下土层毛管水运动没有影响，当毛管水上升到土砂界面时其上升速度开始减小，且砂层层位越高，土壤水分在砂层以上上升速度越小。反之随着砂层埋深减小砂层以上土层在灌水后，上层土壤水分向下层渗漏速率增加，同时由于砂层的持水量较土层持水量更小，故在灌水后浅埋砂层的砂层以上土层土壤水分向下渗漏速度与渗漏量均大于砂层深埋的处理。通过比较相同夹砂层埋深与不同灌水量处理下的根系层土壤水分渗漏与补给得出：随着灌水量增加，土壤水分向根系层补给与渗漏同时增大，但是当灌水量超过土层所能储蓄的最大水量水分会通过砂层向下渗漏损失造成水分的浪费[33]，其次由于砂层含水量较小，造成由于负压引起的不导水孔隙形成，夹砂层会阻碍土壤水分渗漏与土壤毛管水分上升的水分补给。综合考虑土壤水分渗漏损失与土壤水分生产力，将灌水量控制在W2（315.85 mm）水平，既可以增大土壤水分向根系层的补给量的同时减小水分的渗漏损失。

由于夹砂层浅埋处理玉米叶面积较小使玉米蒸腾量较小[34]，致使砂层深埋处理玉米水分亏缺量较砂层浅埋时大。不含夹砂层土壤暂时性水分亏缺量远小于含夹砂层处理。

综上，含有夹砂层耕地土壤水分运移规律与普通耕地差异较大。同时，由于确定各土层土壤质地时，土钻钻孔取样深度存在一定的试验误差，导致实际农田砂层分布与模型中输入的砂层分布的几何信息之间存在一定的差异。本研究仍需要进一步改进，比如用寻找更加简单精确的方式确定耕地各土层的土壤质地与空间分布的方法，进一步改进模型，考虑夹砂层结构对玉米生长的影响机制等。在农业水资源紧张，要求高效灌溉的背景下，灌水应结合灌区特殊土壤条件，对灌区的灌溉制度与灌溉策略进一步优化。

4 结 论

本文利用HYDRUS-1D模型模拟了河套灌区典型土壤下土壤水分运动，模拟研究了不同砂层埋深下玉米农田蒸散量变化规律、土壤水分补给与渗漏过程、根系吸水与水分亏缺变化规律。得出如下结论：

1）较不含夹砂层处理，含夹砂层的玉米田间土壤水分蒸发损失大，叶面蒸腾耗水分配较少。随着夹砂层埋深增加，玉米棵间土壤蒸发减小，分配至叶面蒸腾耗水增加，在此研究中砂层深埋较砂层浅埋处理棵间土壤蒸发损失水量减小13.60%。

2）随夹砂层埋深减小，主要根系层贮水量减小，土壤水分深层渗漏量减小，砂层以上土层向上补给水量减小。不含夹砂层处理较浅埋砂层与深埋砂层处理田间土壤贮水量更大，使玉米生育期内120 cm深度处渗漏量更多，但由于不受砂层阻水作用影响，不含夹砂层处理玉米田间毛管向上补给水量较浅埋砂层与深埋砂层处理分别大57.01%、118.53%。随灌水量增加不含砂层处理田间土壤水分深层渗漏与补给均增加，灌水量为315.85 mm时含夹砂层处理的土壤水分深层渗漏最小。

3）玉米生育期内根系吸水量随砂层埋深的增加而增大，不含夹砂层处理根系吸水受到水分胁迫最小，根系吸水量最大。砂层浅埋与砂层深埋处理根系吸水量分别为潜在蒸散量的55.51%、61.31%，不含夹砂层处理为66.69%。

4）砂层深埋处理在玉米生育期暂时性亏缺水量最大，水分生产力从大到小排序为：不含砂层处理、砂层深埋、砂层浅埋。当灌水量为315.85 mm时，土壤水分生产力减少最小。

[1] Hou L, Zhou Y, Bao H, et al. Simulation of maize (L.) water use with the HYDRUS-1D model in the semi-arid Hailiutu River catchment, Northwest China[J]. Hydrological Sciences Journal, 2017, 62(1): 1-11.

[2] Zhou Y, Wenninger J, Yang Z, et al. Groundwater-surface water interactions, vegetation dependencies and implications for water resources management in the semi-arid Hailiutu River catchment, China-synthesis[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 2013, 17(7): 2435-2447.

[3] 邹宇锋，蔡焕杰，张体彬，等. 河套灌区不同灌溉方式春玉米耗水特性与经济效益分析[J]. 农业机械学报，2020，51(9)：237-248.

Zou Yufeng, Cai Huanjie, Zhang Tibin, et al. Analysis of water consumption characteristics and economic benefit of spring maize under different irrigation methods in Hetao Irrigation Area[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(9): 237-248. (in Chinese with English abstract)

[4] 刘文光，贾生海，范严伟，等. 夹砂层土壤膜孔灌水分入渗规律数值模拟与试验验证[J]. 水资源与水工程学报，2018，29(4)：243-248.

Liu Wenguang, Jia Shenghai, Fan Yanwei, et al. Numerical simulation and experimental validation of sand-layered soil water infiltration under film hole irrigation[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2018, 29(4): 243-248. (in Chinese with English abstract)

[5] 范严伟，赵文举，王昱，等. 夹砂层土壤Green-Ampt入渗模型的改进与验证[J]. 农业工程学报，2015，31(5)：93-99.

Fan Yanwei, Zhao Wenju, Wang Yu, et al. Improvement and verification of Green-Ampt infiltration model in sandy soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(5): 93-99. (in Chinese with English abstract)

[6] 邱玥，魏新平，廖华胜，等. 夹砂层土壤水分入渗试验研究[J]. 水资源与水工程学报，2009, 20(1)：120-123.

Qiu Yue, Wei Xinping, Liao Huasheng, et al. Experimental study on soil water infiltration in sand layer[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2009, 20(1): 120-123. (in Chinese with English abstract)

[7] 史文娟，沈冰，汪志荣，等. 夹砂层状土壤潜水蒸发特性及计算模型[J]. 农业工程学报，2007(2)：17-20.

Shi Wenjuan, Shen Bing, Wang Zhirong, et al. Water evaporation characteristics and calculation model of sand layered soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007(2): 17-20. (in Chinese with English abstract)

[8] 史文娟，沈冰，汪志荣，等. 蒸发条件下浅层地下水埋深夹砂层土壤水盐运移特性研究[J]. 农业工程学报，2005，21(9)：23-26.

Shi Wenjuan, Shen Bing, Wang Zhirong, et al. Study on the characteristics of soil water and salt transport in shallow groundwater under evaporation conditions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2005, 21(9): 23-26. (in Chinese with English abstract)

[9] Jiang Y, Xu X, Huang Q Z, et al. Assessment of irrigation performance and water productivity in irrigated areas of the middle Heihe River basin using a distributed agro-hydrological model[J]. Agricultural Water Management, 2015, 147: 67-81.

[10] Xi B, Bloomberg M, Watt M S, et al. Modeling growth response to soil water availability simulated by HYDRUS for a mature triploidplantation located on the North China Plain[J]. Agricultural Water Management, 2016, 176: 243-254.

[11] Zhou H, Zhao W Z. Modeling soil water balance and irrigation strategies in a flood-irrigated wheat-maize rotation system. A case in dry climate, China[J]. Agricultural Water Management, 2019, 221: 286-302.

[12] 赵引，毛晓敏，段萌. 覆膜和灌水量对农田水热动态和制种玉米生长的影响[J].农业机械学报，2018，49(8)：275-284.

Zhao Yin, Mao Xiaomin, Duan Meng. Effects of film mulching and irrigation amount on farmland water and heat dynamics and seed maize growth[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural, 2018, 49(8): 275-284.(in Chinese with English abstract)

[13] Liu H J, Yu L P, Yu L, et al. Responses of winter wheat (L.) evapotranspiration and yield to sprinkler irrigation regimes[J]. Agricultural Water Management, 2011, 98(4): 483-492.

[14] Jirka-Simunek J, Šejna M, Saito H, et al. The Hydrus-1D software package for simulating the movement of water, heat, and multiple solutes in variably saturated media (version 4.17)[EB/OL]. (2013-01)[2021-04]. https://www.researchgate. net/publication/311992347_The_Hydrus-1D_Software_Package_for_Simulating_the_Movement_of_Water_Heat_and_Multiple_Solutes_in_Variably_Saturated_Media_Version_417_HYDRUS_Software_Series_3_Department_of_Environmental_Sciences_Univ

[15] Jirka-Simunek J, van Genuchten M T. Modeling nonequilibrium flow and transport processes using HYDRUS[J]. Vadose Zone Journal, 2008, 7(2): 782-797.

[16] Feddes R A . Simulation of field water use and crop yield[J]. Soil Science, 1978, 129(3):193.

[17] Allan R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop Evapotranspiration-Guidelines for Computing Crop Water Requirements[M]. Rome: FAO, 1998.

[18] Wang Z K, Zhao X N, Wu P T, et al. Radiation interception and utilization by wheat/maize strip intercropping systems[J]. Agricultural & Forest Meteorology, 2015, 204: 58-66.

[19] 闫世程，张富仓，吴悠，等. 滴灌夏玉米土壤水分与蒸散量SIMDualKc模型估算[J]. 农业工程学报，2017，33(16)：152-160. Yan Shicheng, Zhang Fucang, Wu You, et al. Soil moisture and evapotranspiration in summer maize under drip irrigation based on SimDUALC[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 152-160. (in Chinese with English abstract)

[20] Li D. Quantifying water use and groundwater recharge under flood irrigation in an arid oasis of northwestern China[J]. Agricultural Water Management, 2020, 240: 106326.

[21] Min L, Shen Y, Pei H. Estimating groundwater recharge using deep vadose zone data under typical irrigated cropland in the piedmont region of the North China Plain[J]. Journal of Hydrology, 2015, 527: 305-315.

[22] 李子忠，郑茹梅，龚元石，等. 时域反射仪对水分非均匀分布土壤含水率的测定[J]. 农业工程学报，2010，26(11)：19-23.

Li Zizhong, Zheng Rumei, Gong Yuanshi, et al. Determination of soil moisture content by time-domain reflectometry[J]. Transactions of the Chinese society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(11): 19-23.(in Chinese with English abstract)

[23] 王文焰，张建丰，汪志荣，等. 砂层在黄土中的阻水性及减渗性的研究[J]. 农业工程学报，1995，11(1)：104-110.

Wang Wenyan, Zhang Jianfeng, Wang Zhirong, et al. Study on water resistance and permeability reduction of sand layer in loess[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 1995, 11(1): 104-110. (in Chinese with English abstract)

[24] 钟韵，费良军，傅渝亮，等. 多因素影响下土壤上升毛管水运动特性HYDRUS模拟及验证[J]. 农业工程学报，2018，34(5)：83-89.

Zhong Yun, Fei Liangjun, Fu Yuliang, et al. Hydrus simulation and validation of movement characteristics of soil rising capillary water under multi-factor influence[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(5): 83-89. (in Chinese with English abstract)

[25] 王全九，汪志荣，张建丰，等. 层状土入渗机制与数学模型[J]. 水利学报，1998(Supp. 1)：77-80. Wang Quanjiu, Wang Zhirong, Zhang Jianfeng, et al. Infiltration mechanism of layered soil and its simulation model[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1998(Supp. 1): 77-80. (in Chinese with English abstract)

[26] 王文焰，王全九，沈冰，等. 甘肃秦王川地区双层土壤结构的入渗特性[J]. 土壤侵蚀与水土保持学报，1998(2)：37-41.

Wang Wenyan, Wang Quanjiu, Shen Bing, et al. Infiltration characteristics of soil with double-layer structure in Qinwangchuan Area of Gansu Province[J]. Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation, 1998(2): 37-41. (in Chinese with English abstract)

[27] 王雪，马铁民，杨涛，等. 基于近红外光谱的灌浆期玉米籽粒水分小样本定量分析[J]. 农业工程学报，2018，34(13)：203-210. Wang Xue, Ma Tiemin, Yang Tao, et al. Moisture quantitative analysis with small sample set of maize grain in filling stage based on near infrared spectroscopy[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 203-210. (in Chinese with English abstract)

[28] 彭霄，蒲甜，杨峰，等. 灌水时间和灌水比例对单套作玉米产量及水分利用效率的影响[J]. 中国农业科学，2019，52(21)：3763-3772.

Peng Xiao, Pu Tian, Yang Feng, et al. Effects of irrigation time and proportion on yield and water use efficiency of single intercropping maize[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(21): 3763-3772. (in Chinese with English abstract)

[29] 米娜，蔡福，张玉书，等. 不同生育期持续干旱对玉米的影响及其与减产率的定量关系[J]. 应用生态学报，2017，28(5)：1563-1570.

Mi Na, Cai Fu, Zhang Yushu, et al. Effects of drought on maize yield at different growth stages and quantitative relationship with yield reduction[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2017, 28(5): 1563-1570. (in Chinese with English abstract)

[30] 漆栋良，胡田田，宋雪. 交替隔沟灌溉制度对制种玉米耗水规律和产量的影响[J]. 农业工程学报，2019，35(14)：64-70.

Qi Dongliang, Hu Tiantian, Song Xue. Effects of alternate furrow irrigation system on water consumption and yield of seed maize[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 64-70. (in Chinese with English abstract)

[31] 吴元芝，黄明斌. 基于Hydrus-1D模型的玉米根系吸水影响因素分析[J]. 农业工程学报，2011, 27(Supp.2)：66-73. Wu Yuanzhi, Huang Mingbin. Analysis of influencing factors of water uptake by maize roots based on Hydrus-1D model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(Supp.2): 66-73. (in Chinese with English abstract)

[32] 王丁，费良军. 层状土壤上升毛管水运移特性试验研究[J]. 地下水，2009，31(1)：35-37，66.

Wang Ding, Fei Liangjun. Experimental study on water transport characteristics of rising capillary in layered soil[J]. Groundwater, 2009, 31(1): 35-37, 66. (in Chinese with English abstract)

[33] 冯浩，王杰，王乃江，等. 起垄覆膜条件下夏玉米农田耗水过程分析[J]. 农业机械学报，2018，49(9)：205-213. Feng Hao, Wang Jie, Wang Naijiang, et al. Analysis of water consumption in summer maize field under planting pattern of ridge-furrow with plastic film mulching[J]. Journal of Agricultural Machinery, 2018, 49(9): 205-213. (in Chinese with English abstract)

[34] 李瑞平，赵靖丹，史海滨，等. 内蒙古通辽膜下滴灌玉米棵间蒸发量SIMDual_Kc模型模拟[J]. 农业工程学报，2018，34(3)：127-134.

Li Ruiping, Zhao Jingdan, Shi Haibin, et al. SIMDual_Kc model for inter-plant evaporation of maize under mulch drip irrigation in Tongliao, Inner Mongolia[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(3): 127-134. (in Chinese with English abstract)

Water use analysis of cultivated land with typical sand layers in Hetao Irrigation District of Inner Mongolia using HYDRUS-1D model

Feng Zhuangzhuang, Shi Haibin※, Miao Qingfeng, Sun Wei, Liu Meihan, Dai Liping

(1.,,010018,; 2.010018,)

Extensive sand layers are widely distributed over the impact plain of the Yellow River, particularly for Hetao Irrigation Areas in Inner Mongolia of western China. The migration of water and salt under the soil sand layer has posed a great influence on soil water utilization, soil salinization control, and crop growth. In this study, a numerical model of soil water movement was proposed to investigate the field evapotranspiration, crop water consumption, water supply, and deep soil water leakage in the sand layer using the data of field monitoring and laboratory experiments during the growth period of spring maize. Taking the cultivated land of the typical sand layer in the Hetao Irrigation Area as the research object and planting crop as spring corn, two gradients of buried depth were selected: S1 (40-95 cm) and S2 (60-110 cm) of the sand layer in the soils. Three irrigation levels were also set to carry out the field experiment, and then to compare with BWI without sand layer, including W1 (252.5 mm), W2 (315.85 mm), and W3 (378.75 mm). A HYDRUS-1D model was selected to simulate the field evapotranspiration during the growth period of spring maize, deep seepage of soil water, groundwater recharge, and root water absorption. In addition, the temporary water deficit and water productivity were calculated during the whole growth period. Water use in the cultivated land with sand layer was then compared with that without sand layer. The results showed that the soil evaporation loss between grains decreased, whereas, the leaf transpiration water increased, with the increase of buried depth of the sand layer. Specifically, the soil layer above the sand layer was thicker, the soil water storage was larger, the surface soil moisture content was higher, and the soil negative pressure was lower when the buried depth of the sand layer was larger. As such, the deep soil water was less replenished upward through the capillary action. At the same time, there was less leakage to the deep layer below the sand layer after irrigation. Furthermore, the upstream water supply of maize in the field without sand layer increased by 57.01% and 118.53%, respectively, compared with the treatment of shallow (40-95 cm), and deep sand layer (60-110 cm). More importantly, the deep-water leakage of soil under the treatment of sand layer was the least, when the irrigation amount was 315.85mm. Correspondingly, the water absorption of maize roots decreased with the increase in the buried depth of the sand layer, where the largest was found without sand layer during the growth period. Specifically, the shallow (40-95 cm) and deep sand layer (60-110 cm) treatment were 55.51% and 61.31% of evapotranspiration, respectively, whereas, the treatment without sand layer was 66.69%. The irrigation system can be determined for spring maize in the sand layer, according to the sand layer distribution and local conditions. Particularly, the recommended irrigation quota of spring corn can be 315.85 mm during the growth period, when the sand layer was similar to the S1WI and S2WI treatment. The recommendation can be attributed to avoiding the leakage loss of irrigation water in the deep soil water of the farmland with the sand layer. The findings can also provide important theoretical guidance for the formulation of a farmland irrigation system with the sand layer in the Hetao Irrigation District.

irrigation; soil water content; sand-layered soil; soil transpiration; groundwater recharge; deep seepage; HYDRUS-1D model

冯壮壮，史海滨，苗庆丰，等. 基于HYDRUS-1D模型的河套灌区典型夹砂层耕地水分利用分析[J]. 农业工程学报，2021，37(18)：90-99.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.011 http://www.tcsae.org

Feng Zhuangzhuang, Shi Haibin, Miao Qingfeng, et al. Water use analysis of cultivated land with typical sand layers in Hetao Irrigation District of Inner Mongolia using HYDRUS-1D model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(18): 90-99. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.011 http://www.tcsae.org

2021-05-15

2021-08-18

国家自然科学基金项目（51769024）；国家基金重点项目（51539005）

冯壮壮，研究方向为节水灌溉理论与新技术。Email：1445820101@qq.com

史海滨，博士，教授，研究方向为节水灌溉理论与新技术。Email：shi_haibin@sohu.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.18.011

S274

A

1002-6819(2021)-18-0090-10