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摘 要：土壤水盐运移机理是改良盐碱化土壤和防止土壤次生盐渍化的理论基础，也是盐碱化研究的核心问题，对于解决土壤盐碱化具有重要意义。为探究引黄河水灌溉对盐碱地的影响，选取邢家渡灌区为研究区域，运用HYDRUS模型模擬了邢家渡灌区玉米生育期内不同灌水定额下土壤的水盐运移过程。结果表明：该模型可以较好地模拟该灌区的土壤水盐运移过程，为灌区制定适宜的灌水定额提供理论依据和参考。
关键词：HYDRUS模型;灌水定额;全盐量;水盐运移;邢家渡灌区
中图分类号：S156.4+3;TV882.1 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.032
Abstract：The study on the mechanism of soil water and salt migration is the theoretical basis for improving salinized soil and preventing secondary salinized soil. It is also the core issue in the study of salinization， which is of great significance to the solution of soil salinization. In order to study the effect of irrigation with water from the Yellow River on saline-alkali soil， the soil water and salt transport process under different irrigation quotas in the growing period of maize in Xingjiadu irrigation area was simulated by HYDRUS model. The results show that the model can well simulate the soil water and salt transport process in the irrigation area， and provide theoretical basis and reference for formulating appropriate irrigation quota in the irrigation area.
Key words： HYDRUS model; irrigation quota; total salt content; water and salt migration; Xingjiadu irrigation area
在世界人口增长、全球耕地资源日益减少的大背景下，土壤盐碱化已成为制约农业可持续发展的一大瓶颈[1]。土壤水盐运移机理是改良盐碱化土壤和防止土壤次生盐渍化的理论基础，也是盐碱化研究的核心问题[2]。土壤水盐运移模型可以模拟土壤水盐运移过程，揭示土壤水盐动态变化规律并进行预报[3]，因此被广泛应用于土壤水盐运移机理研究[4-6]。目前使用较多的模型主要有对流-弥散模型（CDE）[7]、SWAP模型[8]、HYDRUS模型[9]、PROFLOW模型等[10]。其中HYDRUS模型能够较好地模拟水分、溶质与能量在土壤中的分布以及时空变化和运移规律，得到国内外广大学者的应用 [11-12]。Silva等[13]曾在实验室条件下利用HYDRUS模型对两种盐渍土（Ultisol，Oxisol）中的水和钾元素进行了模拟，通过与实测数据的对比，发现HYDRUS-1D模型可以较好地模拟土壤中钾离子的运移，可用于指导土壤农药和化肥的施用;郝远远等[14]以内蒙古河套地区为研究对象，根据气象、土壤、作物、灌溉等因子的空间分布特征进行均质单元划分，建立了基于一维农业水文模型 HYDRUS-EPIC 的灌区尺度分布式模型，然后通过实际观测数据对模型进行率定和验证，结果表明模型精度较好，可以准确反映研究区域的土壤水盐变化过程。
本文以邢家渡灌区为研究区域，利用饱和-非饱和土壤水分及溶质运移理论，建立适用于模拟灌区土壤水盐运移过程的模型，并利用田间试验和室内试验获取的数据对模型进行参数率定和验证，应用验证后的模型模拟不同灌水定额下邢家渡灌区玉米生育期内土壤水盐运移过程，并针对灌区不同降雨条件进行灌溉预报，研究成果将为黄河下游引黄灌区制定适宜的灌水定额提供理论依据与参考。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
邢家渡灌区位于黄河下游，地处山东省济南市，多年平均降水量和水面蒸发量分别为573.2、1 117.0 mm，降水集中于夏季和秋初。灌区兴建于1973年，1974年开始发挥灌溉效益。灌区运行前，盐碱地分布广，潜水位高，矿化度大，土体含盐量高，土壤养分含量较低。根据调查，含盐量最高达1.4%左右，土壤中大量的可溶性盐分对作物的生长产生不良的影响。邢家渡灌区运行后，对于灌区土壤起到了一定的改良作用，但是目前灌区内农田土壤盐碱化仍然较为严重，是当地农业进一步发展的主要制约因素之一。
1.2 数据来源
1.2.1 试验地与灌水定额的选择
在黄河下游左岸的山东省济南市邢家渡引黄灌区济阳农场内选择4块试验地，为确保试验地之间互不干扰，在每块试验地之间设置50 cm的间距。
邢家渡灌区主要种植玉米、小麦等大田作物，田间灌水方式以传统的漫灌为主。选取玉米为代表性作物，根据《山东省主要作物灌溉定额》（GB 5084—2005）规定的济阳地区农田毛灌溉定额，综合考虑《农田灌溉规范》规定的北方旱作物种植用水上限、下限和当地灌溉经验，570 m3/hm2的灌水定额能够满足玉米生长需要，但为了满足既能节水又能控盐的综合目标，分别选择570、780、990、1 200 m3/hm2 4种不同灌水定额（对应4个观测区块A、B、C、D）进行灌溉取样试验，每个区块均灌溉3次（栽种前一次，栽种后2次），具体灌溉时间根据土壤墒情确定。 1.2.2 数据获取
在每个试验地块内均匀设置3个取样点，考虑玉米的主体根系分布在 0～40 cm 土层中，随着玉米的发育，后期深层根量增加[15]，因此在土样采集时，取深度为1 m的圆柱土，将之分为5层，每层20 cm。
试验观测在玉米的生育周期即2017年3—9月进行。对于地下水和灌溉水共取样8次，取样时间分别为3月15日、3月26日、4月3日、5月13日、5月20日、6月27日、7月4日、9月19日;对于土壤共取样6次，为播种前到生育期结束，与后6次取水样时间一致。
通过现场观测、取样，对样品进行室内试验，得到地下水埋深、土壤质地、含盐量和含水率数据如下。
（1）地下水埋深。选取分布在农场不同种植区域的地下水观测井的观测数据，并综合分析其他观测井数据。地下水埋深情况见表1。
根据检验结果，土壤全盐量配对T检验的显著性水平值均大于0.05，说明土壤全盐量的模拟值与实测值均无显著差异，模拟效果可以接受，参数较为可靠，可实际应用。
2 土壤水盐模拟与结果分析
2.1 模拟过程
应用检验后的模型，对不同灌水定额下土壤水盐在玉米整个生育期内的变化过程进行模拟，模拟时段为2017年5月14日至9月19日，共计3 096 h。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。设定初始时间步长为0.024 h，最小步长为0.000 24 h，最大步长为120 h，土壤含水量容许偏差为0.001，压力水头容许偏差为1 cm，最小时间步长乘法因数为1.3，最大时间步长乘法因数为0.7。不同灌水定额下土壤含盐量的模拟结果见图1～图4。
2.2 结果分析
从玉米整个生育期内不同灌水定额下土壤含盐量变化过程可以得出以下结果。
（1）土壤全盐量变化过程。在玉米整个生育期内，土壤含盐量共经历了5次急剧下降的过程，其中：第一次和第三次是灌溉所致，其余三次是降雨引起的。受降雨或灌溉时间、降雨量大小等因素影响，土壤含盐量变化幅度不同。
在作物栽种50 h之后的第一次灌溉，使得上层土壤含盐量明显下降，最大降幅发生在990 m3/hm2灌水定额下的深度40～60 mm土层，为0.2%（2 g/kg）;深度80～100 mm土層的含盐量没有降低，反而有所上升。
第一次和第二次灌溉期间，蒸发导致土壤含盐量呈现上升趋势。在玉米栽种后的500～600 h期间，降雨导致土壤盐分有一次波动，但降雨量较小，只对表层土壤影响较大，导致0～40 mm深度土壤含盐量下降明显，从40 mm深度往下，土壤含盐量无明显变化。
第二次灌溉后600 h（即玉米栽种后1 500 h），试验地发生一次较大强度降雨，持续5 d，总降雨量达到94.7 mm，使得该时间段内土壤含盐量持续下降。其中第二天和第四天降雨量较大，土壤含盐量降幅明显。此后汛期来临，降雨较为频繁，同时气温较高，导致土壤含盐量上下波动，但整体仍然呈现降低趋势。
（2）不同灌水定额土壤含盐量变化过程。不同灌水定额下土壤含盐量变化趋势基本一致，每次灌溉后含盐量急剧下降，之后随着时间推移，土壤盐分逐渐增加。将初始土壤含盐量与玉米成熟后土壤含盐量进行比较，可以发现：不同灌水定额下土壤含盐量都明显减少，其中灌水定额为990 m3/hm2时土壤含盐量减幅最大，不同土层减小了37%～70%，灌水定额为1 200 m3/hm2时减幅最小，不同土层减幅范围为5%～63%。
对比不同灌水定额下土壤含盐量变化过程发现：随着灌水定额从570 m3/hm2增加到990 m3/hm2，土壤含盐量逐渐降低，而当灌水定额从990 m3/hm2增加到1 200 m3/hm2时，土壤含盐量趋于平稳，某些时候甚至有所上升。其原因是土壤盐分不仅随着水分入渗向下运移（洗盐），同时蒸发导致土壤盐分会随着水分向上运动。灌水定额过大，可以达到洗盐效果，但是土壤水分过多，蒸散发作用强烈，盐分随着水分向上运动又会重新使得盐分聚集到土壤上层。
（3）相同灌水定额下不同深度土层含盐量变化过程。相同灌水定额下不同深度土壤含盐量变化趋势基本一致;主要不同点表现在各土层初始含盐量不同，受灌溉影响程度不同，导致各土层盐分变化幅度有明显差异。相同灌水定额下，表层土壤含盐量变化幅度最大，土层越深，变化幅度越小。
综上所述，从节水控盐的标准衡量，灌水定额在780～990 m3/hm2范围内较为适宜。在该范围内灌水定额越大，越有利于控盐;灌水定额越小，越有利于节水，可以结合实际情况进行具体确定。
3 结 论
（1）利用HYDRUS模型对不同灌水定额下土壤全盐量变化过程进行了模拟，并利用田间试验实测数据进行了验证。结果表明，模型能够较好地模拟玉米整个生育期内土壤全盐量运移过程，模拟精度较好。
（2）灌溉对不同深度土层含盐量影响不同，表层土壤（0～20 cm）全盐量受灌溉影响较大，随着土层深度增加，受降雨和灌溉的影响越来越小。
（3）引黄灌溉对于改良邢家渡灌区土壤盐碱化有明显作用，但是灌溉定额过大和过小都不利于降低灌区土壤盐分，从节水控盐的标准衡量，邢家渡引黄灌区种植玉米的适宜灌水定额为780～990 m3/hm2。
参考文献：
[1] 潘延鑫，罗纨，贾忠华，等. 基于HYDRUS 模型的盐碱地土壤水盐运移模拟[J]. 干旱地区农业研究，2017，35（1）：135-142.
[2] 王遵亲. 中国盐渍土[M]. 北京： 科学出版社，1993：1-566.
[3] 解雪峰，濮励杰，朱明，等. 土壤水盐运移模型研究进展及展望[J]. 地理科学，2016，36（10）：1565-1572. [4] 李广辉，魏世强.土壤溶质运移特性研究进展[J]. 土壤通报，2003，34（6）：576-578.
[5] 郭瑞，冯起，司建华，等. 土壤水盐运移模型研究进展[J].冰川冻土，2008，30（3）：527-534.
[6] 杨金忠， 叶自桐. 野外非饱和土壤水流运动速度的空间变异性及其对溶质运移的影响[J].水科学进展，1994， 5（1）：9-17.
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[8] VAN Dam J C， HUYGEN J， WESSELING J G， et al. Theory of SWAP Version 2.0， Simulation of Water Flow， Solute Transport and Plant Growth in the Soil-Water-Atmosphere-Plant Environment[R]. Wageningen：Wageningen Agricultural University and DLO Win and Staring Centre， 1997： 19-114.
[9] CREVOISIER D，POPOVA Z . Assessment and Simulation of Water and Nitrogen Transfer Under Furrow Irrigation[J].Agricultural Water Management，2008，95：354-356.
[10] DAGAN G， BRESLER E.Solute Dispersion in Unsaturated Heterogeneous Soil at Field Scale ：1. Theory[J]. Soil Sci. Soc. Am. J.，1979，43：461-467.
[11] 吳元芝，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（增刊2）：66-73.
[12] 马欢，杨大文，雷慧闽，等. Hydrus-1D 模型在田间水循环规律分析中的应用及改进[J]. 农业工程学报，2011，27（3）：6-12.
[13] SILVA Santos R S，MIRANDA J H，VAN Genuchten M T，et al. HYDRUS-1D Simulations of Potassium Transport in a Saline Tropical Soil[C]//American Society of Agricultural and Biological Engineers.American Society of Agricultural and Biological Engineers Annual International Meeting 2015. New Orleans：American Society of Agricultural and Biological Engineers， 2015：3027-3039.
[14] 郝远远，徐旭，任东阳，等. 河套灌区土壤水盐和作物生长的 HYDRUS-EPIC 模型分布式模拟[J]. 农业工程学报，2015，31（11）：110-116.
[15] 管建慧，刘克礼，郭新宇. 玉米根系构型的研究进展[J]. 玉米科学，2006，14（6）：162-166.
[16] 李韵珠，胡克林.蒸发条件下黏土层对土壤水和溶质运移影响的模拟[J].土壤学报，2004，41（4）：493-502.
[17] 余根坚，黄介生，高占义. 基于HYDRUS模型不同灌水模式下土壤水盐运移模拟[J].水利学报，2013，44（7）：826-834.
【责任编辑 许立新】
关键词：HYDRUS模型;灌水定额;全盐量;水盐运移;邢家渡灌区
中图分类号：S156.4+3;TV882.1 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.032
Abstract：The study on the mechanism of soil water and salt migration is the theoretical basis for improving salinized soil and preventing secondary salinized soil. It is also the core issue in the study of salinization， which is of great significance to the solution of soil salinization. In order to study the effect of irrigation with water from the Yellow River on saline-alkali soil， the soil water and salt transport process under different irrigation quotas in the growing period of maize in Xingjiadu irrigation area was simulated by HYDRUS model. The results show that the model can well simulate the soil water and salt transport process in the irrigation area， and provide theoretical basis and reference for formulating appropriate irrigation quota in the irrigation area.
Key words： HYDRUS model; irrigation quota; total salt content; water and salt migration; Xingjiadu irrigation area
在世界人口增长、全球耕地资源日益减少的大背景下，土壤盐碱化已成为制约农业可持续发展的一大瓶颈[1]。土壤水盐运移机理是改良盐碱化土壤和防止土壤次生盐渍化的理论基础，也是盐碱化研究的核心问题[2]。土壤水盐运移模型可以模拟土壤水盐运移过程，揭示土壤水盐动态变化规律并进行预报[3]，因此被广泛应用于土壤水盐运移机理研究[4-6]。目前使用较多的模型主要有对流-弥散模型（CDE）[7]、SWAP模型[8]、HYDRUS模型[9]、PROFLOW模型等[10]。其中HYDRUS模型能够较好地模拟水分、溶质与能量在土壤中的分布以及时空变化和运移规律，得到国内外广大学者的应用 [11-12]。Silva等[13]曾在实验室条件下利用HYDRUS模型对两种盐渍土（Ultisol，Oxisol）中的水和钾元素进行了模拟，通过与实测数据的对比，发现HYDRUS-1D模型可以较好地模拟土壤中钾离子的运移，可用于指导土壤农药和化肥的施用;郝远远等[14]以内蒙古河套地区为研究对象，根据气象、土壤、作物、灌溉等因子的空间分布特征进行均质单元划分，建立了基于一维农业水文模型 HYDRUS-EPIC 的灌区尺度分布式模型，然后通过实际观测数据对模型进行率定和验证，结果表明模型精度较好，可以准确反映研究区域的土壤水盐变化过程。
本文以邢家渡灌区为研究区域，利用饱和-非饱和土壤水分及溶质运移理论，建立适用于模拟灌区土壤水盐运移过程的模型，并利用田间试验和室内试验获取的数据对模型进行参数率定和验证，应用验证后的模型模拟不同灌水定额下邢家渡灌区玉米生育期内土壤水盐运移过程，并针对灌区不同降雨条件进行灌溉预报，研究成果将为黄河下游引黄灌区制定适宜的灌水定额提供理论依据与参考。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
邢家渡灌区位于黄河下游，地处山东省济南市，多年平均降水量和水面蒸发量分别为573.2、1 117.0 mm，降水集中于夏季和秋初。灌区兴建于1973年，1974年开始发挥灌溉效益。灌区运行前，盐碱地分布广，潜水位高，矿化度大，土体含盐量高，土壤养分含量较低。根据调查，含盐量最高达1.4%左右，土壤中大量的可溶性盐分对作物的生长产生不良的影响。邢家渡灌区运行后，对于灌区土壤起到了一定的改良作用，但是目前灌区内农田土壤盐碱化仍然较为严重，是当地农业进一步发展的主要制约因素之一。
1.2 数据来源
1.2.1 试验地与灌水定额的选择
在黄河下游左岸的山东省济南市邢家渡引黄灌区济阳农场内选择4块试验地，为确保试验地之间互不干扰，在每块试验地之间设置50 cm的间距。
邢家渡灌区主要种植玉米、小麦等大田作物，田间灌水方式以传统的漫灌为主。选取玉米为代表性作物，根据《山东省主要作物灌溉定额》（GB 5084—2005）规定的济阳地区农田毛灌溉定额，综合考虑《农田灌溉规范》规定的北方旱作物种植用水上限、下限和当地灌溉经验，570 m3/hm2的灌水定额能够满足玉米生长需要，但为了满足既能节水又能控盐的综合目标，分别选择570、780、990、1 200 m3/hm2 4种不同灌水定额（对应4个观测区块A、B、C、D）进行灌溉取样试验，每个区块均灌溉3次（栽种前一次，栽种后2次），具体灌溉时间根据土壤墒情确定。 1.2.2 数据获取
在每个试验地块内均匀设置3个取样点，考虑玉米的主体根系分布在 0～40 cm 土层中，随着玉米的发育，后期深层根量增加[15]，因此在土样采集时，取深度为1 m的圆柱土，将之分为5层，每层20 cm。
试验观测在玉米的生育周期即2017年3—9月进行。对于地下水和灌溉水共取样8次，取样时间分别为3月15日、3月26日、4月3日、5月13日、5月20日、6月27日、7月4日、9月19日;对于土壤共取样6次，为播种前到生育期结束，与后6次取水样时间一致。
通过现场观测、取样，对样品进行室内试验，得到地下水埋深、土壤质地、含盐量和含水率数据如下。
（1）地下水埋深。选取分布在农场不同种植区域的地下水观测井的观测数据，并综合分析其他观测井数据。地下水埋深情况见表1。
根据检验结果，土壤全盐量配对T检验的显著性水平值均大于0.05，说明土壤全盐量的模拟值与实测值均无显著差异，模拟效果可以接受，参数较为可靠，可实际应用。
2 土壤水盐模拟与结果分析
2.1 模拟过程
应用检验后的模型，对不同灌水定额下土壤水盐在玉米整个生育期内的变化过程进行模拟，模拟时段为2017年5月14日至9月19日，共计3 096 h。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。设定初始时间步长为0.024 h，最小步长为0.000 24 h，最大步长为120 h，土壤含水量容许偏差为0.001，压力水头容许偏差为1 cm，最小时间步长乘法因数为1.3，最大时间步长乘法因数为0.7。不同灌水定额下土壤含盐量的模拟结果见图1～图4。
2.2 结果分析
从玉米整个生育期内不同灌水定额下土壤含盐量变化过程可以得出以下结果。
（1）土壤全盐量变化过程。在玉米整个生育期内，土壤含盐量共经历了5次急剧下降的过程，其中：第一次和第三次是灌溉所致，其余三次是降雨引起的。受降雨或灌溉时间、降雨量大小等因素影响，土壤含盐量变化幅度不同。
在作物栽种50 h之后的第一次灌溉，使得上层土壤含盐量明显下降，最大降幅发生在990 m3/hm2灌水定额下的深度40～60 mm土层，为0.2%（2 g/kg）;深度80～100 mm土層的含盐量没有降低，反而有所上升。
第一次和第二次灌溉期间，蒸发导致土壤含盐量呈现上升趋势。在玉米栽种后的500～600 h期间，降雨导致土壤盐分有一次波动，但降雨量较小，只对表层土壤影响较大，导致0～40 mm深度土壤含盐量下降明显，从40 mm深度往下，土壤含盐量无明显变化。
第二次灌溉后600 h（即玉米栽种后1 500 h），试验地发生一次较大强度降雨，持续5 d，总降雨量达到94.7 mm，使得该时间段内土壤含盐量持续下降。其中第二天和第四天降雨量较大，土壤含盐量降幅明显。此后汛期来临，降雨较为频繁，同时气温较高，导致土壤含盐量上下波动，但整体仍然呈现降低趋势。
（2）不同灌水定额土壤含盐量变化过程。不同灌水定额下土壤含盐量变化趋势基本一致，每次灌溉后含盐量急剧下降，之后随着时间推移，土壤盐分逐渐增加。将初始土壤含盐量与玉米成熟后土壤含盐量进行比较，可以发现：不同灌水定额下土壤含盐量都明显减少，其中灌水定额为990 m3/hm2时土壤含盐量减幅最大，不同土层减小了37%～70%，灌水定额为1 200 m3/hm2时减幅最小，不同土层减幅范围为5%～63%。
对比不同灌水定额下土壤含盐量变化过程发现：随着灌水定额从570 m3/hm2增加到990 m3/hm2，土壤含盐量逐渐降低，而当灌水定额从990 m3/hm2增加到1 200 m3/hm2时，土壤含盐量趋于平稳，某些时候甚至有所上升。其原因是土壤盐分不仅随着水分入渗向下运移（洗盐），同时蒸发导致土壤盐分会随着水分向上运动。灌水定额过大，可以达到洗盐效果，但是土壤水分过多，蒸散发作用强烈，盐分随着水分向上运动又会重新使得盐分聚集到土壤上层。
（3）相同灌水定额下不同深度土层含盐量变化过程。相同灌水定额下不同深度土壤含盐量变化趋势基本一致;主要不同点表现在各土层初始含盐量不同，受灌溉影响程度不同，导致各土层盐分变化幅度有明显差异。相同灌水定额下，表层土壤含盐量变化幅度最大，土层越深，变化幅度越小。
综上所述，从节水控盐的标准衡量，灌水定额在780～990 m3/hm2范围内较为适宜。在该范围内灌水定额越大，越有利于控盐;灌水定额越小，越有利于节水，可以结合实际情况进行具体确定。
3 结 论
（1）利用HYDRUS模型对不同灌水定额下土壤全盐量变化过程进行了模拟，并利用田间试验实测数据进行了验证。结果表明，模型能够较好地模拟玉米整个生育期内土壤全盐量运移过程，模拟精度较好。
（2）灌溉对不同深度土层含盐量影响不同，表层土壤（0～20 cm）全盐量受灌溉影响较大，随着土层深度增加，受降雨和灌溉的影响越来越小。
（3）引黄灌溉对于改良邢家渡灌区土壤盐碱化有明显作用，但是灌溉定额过大和过小都不利于降低灌区土壤盐分，从节水控盐的标准衡量，邢家渡引黄灌区种植玉米的适宜灌水定额为780～990 m3/hm2。
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【责任编辑 许立新】