基于HYDRUS 模型全膜双垄沟模式下土壤水盐运移模拟

金 辉，郭军玲，查元源，杨治平

（1.山西省农业科学院农业资源与经济研究所，山西太原030006；2.土壤环境与养分资源山西省重点实验室，山西太原030031；3.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031；4.武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室，湖北武汉430072）

山西盐碱地面积30 万hm2，其中，大同盆地约占2/3，作为宝贵的后备土地资源，盐碱地的合理开发和利用在增加耕地面积、提高生产力、恢复退化生态环境方面具有重要意义[1-2]。在干旱少雨的自然条件下，土壤水分快速蒸发和盐分表层积聚成为盐碱地作物出苗与后期生长的制约因素[3]。近年来，干旱半干旱地区全膜双垄沟栽培技术以提高土壤温度[4-6]、节水集雨[7-8]、改善土壤水盐胁迫环境[9]、增产效果显著[10-11]而得到广泛应用。而在山西大同盆地因其气候干旱多风、地下水埋深较浅、地势低洼导致土壤盐碱化严重。显然，利用全膜双垄沟栽培技术以合理配置地区水资源，调控土壤盐分的时空分布是解决该地区土壤盐渍化严重、水资源匮乏的基础，这就需要研究大同盆地土壤水资源循环和盐分迁移的机制。

本研究为明确山西北部冷凉干旱地区盐碱土水盐运移规律，开展田间试验，运用HYDRUS 构建田间尺度二维土壤水盐运移模型，通过对不同种植模式（平作不覆膜、平作覆膜、起垄覆膜和全膜双垄沟）下的土壤水分的径向迁移和盐分的交换过程进行模拟预测，确定节水控盐的优化种植模式，为当地农业生产、水资源利用和土壤水盐调控提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

表1 土层0～60 cm 土壤理化性质

试验地位于山西省朔州市怀仁县毛皂镇，该地区春秋季干旱多风、夏季高温多雨、冬季寒冷干燥，年均气温7.3 ℃，年均日照时数2 800 h，年均降雨量315～159 mm，年均蒸发量1 500 mm，无霜期150 d。试验区土壤质地为砂质壤土，按盐碱土分类为苏打型盐碱土，主要土壤理化性质指标列于表1。

1.2 试验设计

本试验以饲草玉米（雅玉8 号）为研究对象，于2015 年5 月底播种，9 月底收获，播种密度为6.75 万株/hm2。试验共设置4 种种植模式：平作不覆膜、平作覆膜、起垄覆膜和全膜双垄沟，以裸地为空白对照。小区随机排列，面积72 m2（9 m×8 m）。其中，裸地为不施肥不种植作物；平作不覆膜为传统种植方式不使用地膜；平作覆膜为传统种植方式铺普通地膜；起垄覆膜为起垄30 cm，垄上铺膜；全膜双垄沟为起垄13 cm，田面全膜覆盖。试验用不锈钢土钻在各处理随机选点采集土样，以播种前（5 月28 日）采集土样测试结果为初始值，此后每15 d 取样一次，降雨后延迟2 d 取样，收获（10 月17 日）后最后一次取样，取样深度1 m，分0～10，10～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm 6 个层次，分别采用烘干法和电导法测定土壤含水率和电导率。

2 数学模型建立

2.1 基本方程

2.1.1 水分运动基本方程 土壤水分运动模型如下。

土壤水力函数按van Genuchten-Mualem 公式进行计算。

式中，θ 为土壤含水率（%）；D（θ）为扩散度；K（θ）为非饱和导水率（cm/d）；Ks为渗透系数（cm/d）；θe为土壤有效含水率（%）；θr为土壤残余含水率（%）；θs为土壤饱和含水率（%）；h 为土壤基质势（cm）；z 垂直坐标（从地面算起，向上为正，cm）；t 为时间（d）；α、m 和n 是经验拟合参数（或曲线性状参数），其中，m＝1-1/n，α 是与土壤物理性质有关的参数（cm-1）；l 为经验拟合参数，通常取平均值0.5。

2.1.2 溶质运移基本方程 试验以土壤可溶性盐为研究对象，以土壤电导率为模拟指标，运用多孔介质溶质运移理论，建立饱和-非饱和土壤溶质运移数学模型。

式中，D 为水动力弥散系数（cm2/d）；s 为被吸附的固相质量分数（%）；c 为溶质质量浓度（g/cm3）；ρ0为水密度（g/cm3）；q 为土体中水的流速（cm3/s）；ρb为土壤溶液盐分密度（g/cm3）；λ1，λ2为经验常数，与土壤质地和结构有关。

2.2 初始条件与边界条件

土壤剖面长度Z 为100 cm，土壤水分运动的初始条件和边界条件如下。

初始条件：θ（z，0）＝θ0（z）（Z≤z≤0）

上边界：θ（0，t）＝θs（z＝0）

下边界：θ（Z，t）=θ0（t）

土壤溶质运动的初始条件和边界条件如下。

初始条件：c（z，0）＝c0（z）（t＝0，Z≤z≤0）

下边界：c（Z，t）＝cb（t）

式中，θ0为土壤初始含水率（%）；θs为土壤饱和含水率（%）；qs为地表水分通量（cm/d）；c0为剖面初始土壤水矿化度；cs为上边界流量的矿化度（g/cm3）；cb为下边界潜水矿化度（g/cm3）。

2.3 气象条件

降雨、蒸发、大气湿度、温度以及相关气象数据采用田间微型气象站采集的方式获取实测数据。2015 年玉米生育期降雨量193 mm，主要分布在6 月、7 月和9 月份，最高气温平均为25.7 ℃，最低气温平均为10.7 ℃，平均气温18.2 ℃（图1）。收获期降雨量少、平均气温较低，降雨和蒸发量均较小。

3 数值模拟与参数识别

3.1 HYDRUS 软件介绍

HYDRUS 软件是美国农业部国家盐渍土改良中心盐土实验室开发的基于Windows 环境，运用土壤物理环境参数模拟变饱和孔隙介质中水流、热和溶质运移的有限元计算机模型[12]，用数值法求解变饱和水流的Richard 方程和热量、溶质运移的对流-弥散方程[13]。根据实测的非稳定流或稳定流以及运移数据，进行土壤动力学、热量、溶质运移以及反应参数的逆向预测。

3.2 模型模拟

模型以地下0～100 cm 范围土壤为模拟对象，根据采集土样层次分6 层，模拟周期为2015 年5 月28 日至10 月17 日，共计143 d，时间离散采用变时间步长剖分方式，根据收敛情况及迭代次数来调整时间步长。初始时间步长、最小步长和最大步长分别为0.001，0.000 01，1 d；土壤含水量容许偏差为0.005 g/g，压力水头偏差为0.5 cm。土壤水流模型采用单孔隙van Genuchten-Mualem 模型，忽略水分滞后效应，利用模型反演确定土壤水盐运动参数。水流模拟与盐分模拟上边界条件设定为开放大气边界，水流模拟过程采用实测土壤初始含水率、电导率作为初始条件。

3.3 模型参数

土壤水力参数确定，首先在HYDRUS 内置Rosetta 神经网络模型中运用土壤颗粒组成及容重参数，参考HYDRUS 土壤水力参数数据库和相关文献，确定模型土壤水力参数初始值，结合初始条件、边界条件等参数对试验地土壤水盐运移进行运算，最终根据可接受结果确定晋北盐碱地土壤水力特征参数。校正后土壤水力特征参数列于表2。

表2 土壤水力特征参数

3.4 模型验证与效果评价

以2015 年生育期土壤含水率和土壤电导率（EC）实测值对模型进行验证，如图2，3 所示，运用相关系数和标准差（SD），来定量表示模拟结果与实测值的相关性和模拟精度。

式中，Yi为样本实测值；Yj为样本模拟值；n 为样本数。

通过2015 年土壤含水率和电导率的模拟值与实测值的对比，其相关系数和SD 值如表3 所示，其相关性均在0.6 以上，说明各处理模拟结果与实测值具有较好的相关性，土壤含水率的SD 值在2.4%～4.7%，电导率的SD 值在0.15～0.29 mS/cm，说明模拟生育期土壤含水率和电导率与实测值拟合较好，模型对田间状况模拟合理可靠，可以接受。

表3 模拟值与实测值的相关系数和SD

4 结果与分析

利用率定的模型参数分别对2015 年5 月28 日至10 月17 日不同模式下各层土壤含水率和土壤电导率进行模拟。

4.1 不同种植模式对土壤含水率的影响

从图4～9 可以看出，在玉米整个生育期内，不同种植模式的土壤含水率变化趋势基本一致，但从整体表现来看，对土壤含水率影响较大的是地膜覆盖的3 种模式（全膜双垄沟、起垄覆膜和平作覆膜），其中以全膜双垄沟效果最佳。从不同土壤深度来看，表层土壤含水率受降雨、蒸发影响较大，深层土壤受到影响逐渐减弱。60～100 cm 土层土壤含水率基本保持稳定，受外来因素影响较小。

4.2 不同种植模式对土壤盐分的影响

由图10～13 可知，不同种植模式下土壤电导率变化趋势相似，但对表层盐分积累的影响效果差异显著，表层土壤盐分积累受降雨和蒸发影响较大，播种前期降雨量小，气温较低，蒸发量相对较小，盐分积累量较小。播种40 d 后进入夏季，降雨量有所增加，但夏季风大、高温导致蒸发量增加，整体表现出盐分表层积聚，此时采用地膜覆盖和垄沟种植的全膜双垄沟模式较其他处理表现出更好的抑盐效果；播种后100 d 进入秋季，平均气温显著下降，地表蒸发量降低，由于降雨的淋洗作用，土壤表层盐分下降明显。从土层深度来看，0～40 cm 土层受到外界条件影响表现出强烈的波动性，40～100 cm 土层土壤电导率变化则相对趋于平缓。

5 结论与讨论

利用HYDRUS 模型对不同种植模式下土壤剖面水盐垂向分布和时空变异规律进行模拟，经过田间试验数据验证，土壤含水率和电导率模拟结果与实测数据具有较好的相关性，这与余根坚等[14]、李亮等[15]、潘延鑫等[16]研究结果一致，模拟动态变化趋势具有较好的精度，可用于模拟盐碱地土壤水盐运移规律。

玉米生育期内，不同种植模式下土壤含水率均处于较低水平，但具有相似的变化趋势，0～40 cm土壤含水率波动剧烈，60～100 cm 土壤含水率随时间的推移和土层深度的增加而增加的趋势减缓，这与赵辉等[17]、孙杨等[18]、孙玉莲等[4]全膜双垄沟模式可增加土壤水分的研究结果一致；全膜双垄沟模式较其他模式相比，因地膜覆盖、地面起垄和垄沟种植的技术措施，使土壤保水效果优于其他处理。

土壤电导率受气象条件影响较大，0～40 cm 土壤电导率波动大、含盐量高，40～100 cm 土层土壤含盐量低，受气象条件影响小，电导率起伏不大。与其他模式比较，全膜双垄沟模式土壤电导率较其他处理处于较低水平，整体表现出良好的抑盐效果，这与孙杨等[19]、王成宝等[20]在盐碱地上的研究一致，全膜覆盖具有较好的脱盐效果。

试验结果表明，全膜双垄沟模式可有效提高土壤含水率，通过抑制土壤表面蒸发，降低盐分表层聚集，是干旱少雨的盐碱地区土壤水盐调控的重要技术，适宜于区域应用和推广。

全膜双垄沟模式在冷凉干旱的晋北地区盐碱地上的应用，可有效提高土壤水分，抑制盐分上移，在玉米种植过程中起到很好的保水脱盐效果；HYDRUS 精确地模拟了全膜双垄沟模式下土壤水盐时空分布，能够为晋北地区盐碱土壤水盐管理提供科学依据。