基于HYDRUS-1D的秸稈覆蓋條件下黑土區玉米田土壤水鹽運移規律

劉繼龍,呂 航,曹曉強,李濟楨,張玲玲,奧列格

(1.東北農業大學水利與土木工程學院,黑龍江 哈爾濱 150030;2. 農業農村部農業水資源高效利用重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150030;3.東北農業大學文理學院,黑龍江 哈爾濱 150030)

東北黑土區每年產出約占全國1/3的商品糧食,是中國重要的商品糧生產基地[1],然而由于不合理的人為和自然因素導致黑土區農田土壤蓄水等能力降低,嚴重威脅了黑土區土壤資源安全[2]。秸稈覆蓋作為一種保護性耕作措施,能顯著抑制土壤水分無效蒸發,提高土壤蓄水能力,抑制土壤表層鹽分積聚,是保護黑土區土壤資源的有效途徑[3-4]。探究秸稈覆蓋下黑土區土壤水鹽運移過程,揭示秸稈覆蓋對土壤水鹽運移機制,對黑土區土壤資源高效可持續利用具有重要意義。

目前國內外學者已開展了許多關于秸稈覆蓋對土壤水鹽運移影響的研究,如孫博等[5]探究了不同秸稈覆蓋量下鹽漬土壤水鹽變化規律;紀文寧等[6]研究了秸稈帶狀單雙行覆蓋和全覆蓋下半干旱地區土壤水分分布情況;Peng等[7]分析了不同秸稈覆蓋時期對土壤水分含量及水分利用效率的影響。秸稈覆蓋條件下,秸稈與土壤具有相互作用,而且秸稈覆蓋量、覆蓋時間和覆蓋方式對農田土壤水鹽運移過程的影響有所差異,同時作物生長會使土壤水鹽運移過程更加復雜。此外研究發現由于農田中土壤水鹽動態信息不易連續監測,系統表征土壤水鹽隨時間變化的連續動態難度較大。采用數值模擬方法是分析土壤水鹽連續動態變化的一種有效途徑,HYDRUS模型由于能夠綜合模擬大氣、作物共同作用下的田間土壤水鹽運移過程而受到廣泛關注[8-9]。目前國內外已有許多學者利用HYDRUS模型對不同條件下土壤水鹽運移規律進行了研究,如Chen等[10]利用HYDRUS模型研究了不同地膜覆蓋下土壤水分運移過程;余根堅等[11]使用HYDRUS模型分析了不同灌水方式對農田土壤水鹽運移的影響;Kanzari等[12]模擬出不同水質灌溉下土壤鹽分累積情況;李亮等[13]利用HYDRUS模型探究了半干旱地區荒地水鹽運移機理。盡管國內外學者在這一領域已經取得了許多成果,關于秸稈覆蓋措施下作物冠層覆蓋與生理耗水作用的農田土壤水鹽運移機理還有待深入研究。

本文以東北黑土區玉米地為例,利用HYDRUS-1D模型模擬不同秸稈覆蓋量與生理耗水復合機制驅動下的農田土壤水鹽運移過程,并對模型進行適用性評價,揭示不同秸稈覆蓋量對黑土區農田土壤水鹽運移的影響機制,以期為黑土區農田土壤水鹽狀態監測及土壤資源高效可持續利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2022年5—9月在東北農業大學阿城試驗基地(127°03′E, 45°31′N)進行,該試驗基地位于黑龍江省哈爾濱市阿城區,海拔高程162 m,平均氣溫3.3 ℃,無霜期135～140 d,平均日照時數2 550 h,年平均降雨量580～600 mm。土壤類型為黑土,有機質含量為18.42 g·kg-1,堿解氮量為141.6 mg·kg-1,有效磷量為22.3 mg·kg-1,速效鉀量為146.21 mg·kg-1。作物生育期降雨量與土壤蒸發量由試驗區內自動氣象站采集,如圖1所示。

圖1 2022年玉米生育期降雨量與蒸發量Fig.1 Rainfall and evaporation during maize growth stages in 2022

1.2 試驗設計

試驗地種植玉米品種為‘翔禾88號’,設置對照(CK,無秸稈覆蓋)、秸稈半量覆蓋(CM1,0.33 kg·m-2)、秸稈全量覆蓋(CM2,0.65 kg·m-2)3個處理。所覆蓋秸稈的長度約為20 cm,秸稈全量覆蓋量為試驗前一年各小區平均秸稈產量。每個處理3次重復,共9個小區。每個小區面積為36 m2(6 m×6 m),保護行、隔離帶均為6 m×2 m,種植密度為株距25 cm、壟距65 cm,其他種植管理方式與當地常規種植方式一致。

在玉米苗期(6月4日—6月20日)、拔節期(6月21日—7月9日)、抽雄期(7月10日—7月31日)、灌漿期(8月1日—8月19日)、成熟期(8月20日—9月11日)內每隔7～15 d分別采集試驗小區0～10、10～20、20～30、30～40 cm土樣,使用環刀法測定土壤容重,利用激光粒度分析儀(S3500 &Bluewave,大昌華嘉商業(中國)有限公司)測定土壤粒徑分布(采用國際制土壤分類標準),如表1所示。土壤含水率用烘干法測定。土壤含鹽量采用土壤電導率表征,土壤電導率測定時,將風干土樣過1 mm篩,以土水比1∶5配置待測液,提取上清液后采用電導率儀(DDS-307A,上海儀電科學儀器股份有限公司)測定。

表1 土壤容重與粒徑分布Table 1 Soil bulk density and particle size distribution

2 HYDRUS-1D模型建立

2.1 基本方程

2.1.1 水分運動基本方程 采用增加匯源項的一維Richards方程來描述土壤水分運移過程[14]。

(1)

式中,θ為土壤體積含水率(cm3·cm-3);t為時間(d);z為垂向空間坐標,向上為正;h為基質勢(cm);K(θ)為非飽和導水率(cm·d-1);S(z)為匯源項,即單位時間內的根系吸水量(cm3·m-3·d-1)。

其中,公式(1)中參數采用HYDRUS-1D中的Van Genuchten模型擬合[15]。

θ(h)=θr+(θs-θr)·[1+|ah|n]-m,h<0

(2)

(3)

(4)

式中,θ(h)為基質勢h處的土壤體積含水率(cm3·cm-3);Se為有效飽和度(cm3·cm-3);θs為飽和含水率(cm3·cm-3);θr為殘余含水率(cm3·cm-3);Ks為飽和導水率(cm·d-1);a、m、n、l為經驗系數。

2.1.2 根系吸水方程 根系吸水方程即匯源項S(z),可用Fedds模型進行計算[16]。

S(z)=α(h)·R(c)·β(z)·Tp

(5)

式中,α(h)為水分脅迫反應函數,無量綱;R(c)為鹽分脅迫反應函數,無量綱;β(z)為標準化的根系吸水分布函數,無量綱;Tp為作物潛在蒸騰速率(cm·d-1)。本文玉米根系吸水參數選用HYDRUS-1D軟件提供的玉米根系吸水參數如表2所示。

表2 玉米根系吸水參數Table 2 Water absorption parameters of maize root system

2.1.3 溶質運移基本方程 采用對流-彌散方程來描述土壤溶質的運移過程[17]。

(6)

式中,C為溶質濃度(g·cm-3);D為水動力彌散系數(cm2·d-1);qz為水流通量(cm·d-1)。

2.2 初始條件與邊界條件

2.2.1 土壤水分運動的初始條件與邊界條件 土壤水分運動的初始條件、上邊界和下邊界條件分別如式(7)～(9)所示[18]:

h(z,t)=h0(z,0)

(7)

(8)

(9)

式中,ho為初始土壤剖面壓力水頭(cm);qo為初始土壤剖面水流通量(cm·d-1)。土壤水分運動初始條件基于土壤實測含水率設定。上邊界設為可隨時間變化的大氣邊界條件,需添加模擬時期內逐日降雨量及蒸散量;由于試驗區平均地下水埋深大于8 m[19],不考慮下邊界水流通量,故設為自由排水邊界。

2.2.2 土壤鹽分運動的初始條件與邊界條件 土壤鹽分運動的初始條件、上邊界和下邊界條件分別如式(10)～(12)所示[18]:

C(z,t)=C0(z,0)

(10)

(11)

(12)

式中,Co為初始土壤溶質濃度(g·cm-3)。土壤鹽分運動采用土壤溶液電導率表征,其初始條件基于土壤實測電導率設定,上邊界為濃度通量邊界,下邊界為零濃度梯度邊界。

2.3 單元劃分

模擬區域設為農田0～40 cm土層,劃分為4層,分別于10、20、30、40 cm深度處設置觀測點。時間離散單位為 d,模擬時間從6月4日—9月11日,共100 d。設定初始時間步長、最小時間步長、最大時間步長分別為0.001、0.001、1 d。

2.4 模型參數

土壤水力參數與溶質運移參數是土壤水鹽模擬的重要參數,土壤水力參數包括飽和導水率(KS)、殘余含水率(θr)、飽和含水率(θs)、形狀參數(α)、經驗參數(n)、孔隙連續度(l),根據實測土壤容重及粒徑分布使用Rosetta模型初步確定,土壤中溶質運移主要與水動力彌散系數(D)有關,其值基于文獻初步確定[20-21],并根據試驗實測數據對模型參數初值進行校準優化,結果如表3所示。

表3 土壤水力參數與溶質運移參數Table 3 Soil hydraulic parameters and solute transport parameters

3 結果與分析

3.1 模型檢驗

根據農田實測土壤含水率與電導率對模擬結果進行驗證,采用決定系數(R2)、標準誤差(RMSE)和平均相對誤差(MRE)評價模型模擬精度[21]。R2、RMSE和MRE閾值在0～1之間,其中R2值越大、RMSE和MRE值越小,表明模擬精度越高。模擬精度如表4所示,土壤含水率實測值與模擬值的R2介于0.903～0.940,RMSE介于0.010 ～0.014 cm3·cm-3,MRE介于3.46%～4.64%;土壤電導率實測值與模擬值的R2介于0.817～0.853,RMSE介于0.091～0.111 mS·cm-1,MRE介于4.06%～5.46%。模擬的模擬值與實測值吻合程度較高,模型模擬結果能較好地反映各處理土壤水鹽動態變化特征。其中,各處理土壤水分模擬精度均高于土壤鹽分模擬精度,究其原因是鹽分對流-彌散過程不易刻畫,造成其模擬誤差較大。而隨秸稈覆蓋量的增加模擬精度隨之降低,這是由于秸稈覆蓋減少了表層土壤與大氣的接觸面積,使其邊界條件更為復雜,致使模擬精度降低。

3.2 不同秸稈覆蓋量下土壤水鹽動態

3.2.1 不同秸稈覆蓋量下土壤水分動態 不同秸稈覆蓋量下玉米生育期各土層土壤水分動態變化如圖2所示,同一土層各處理土壤含水率隨時間的波動趨勢基本一致,波動幅度隨土層深度增加而降低,這是因為大氣降雨與土壤蒸發優先作用于上層土壤。玉米各生育時期不同處理0～40 cm土層平均含水率如表5所示,各處理土壤平均含水率在成熟期達到最大值,原因是在此期間降雨較為豐富,玉米生長、葉面積增大較快,降低了土壤蒸發[22]。在玉米不同生育期內 CM1和CM2處理土壤平均含水率均顯著高于CK處理。與CK處理相比,苗期CM1和CM2處理土壤平均含水率分別增加7.11%和12.26%;拔節期CM1和CM2處理土壤平均含水率分別增加5.34%和8.68%;抽雄期CM1和CM2處理土壤平均含水率分別增加4.49%和7.16%;灌漿期CM1和CM2處理土壤平均含水率分別增加4.10%和6.36%;成熟期CM1和CM2處理土壤平均含水率分別增加3.51%和5.48%。

表5 各處理不同生育期0～40 cm土層平均含水率 /(cm3·cm-3)Table 5 Average soil water content of 0～40 cm soil layer in different growth stages of each treatment

圖2 玉米生育期間土壤含水率變化過程及模擬情況Fig.2 Change process and simulation of soil water content during maize growth

相同土層深度下,土壤水分含量隨秸稈覆蓋量增加而增加。在玉米全生育期內,CM1和CM2處理0～10 cm土層平均含水率較CK處理分別增加5.78%和9.62%,10～20 cm土層平均含水率較CK處理分別增加5.19%和8.87%,20～30 cm土層平均含水率較CK處理分別增加4.83%和7.43%,30～40 cm土層平均含水率較CK處理分別增加3.38%和5.26%。這是由于秸稈覆蓋阻斷了農田土壤與大氣的直接接觸,有效降低大氣直接輻射到土壤表層,抑制了土壤水分蒸發,提高了土壤含水率[23]。隨土層深度增大,CM1和CM2處理較CK處理土壤含水率增幅降低,這是因為淺層土壤受地面環境因素影響較大,使得秸稈覆蓋對淺土壤的影響效應更加明顯。

3.2.2 不同秸稈覆蓋量下土壤鹽分動態 圖3反映了玉米生育期內不同土層各處理土壤鹽分動態變化情況,由圖3可知,同一土層各處理土壤電導率隨時間的波動趨勢相似,波動幅度隨土層深度增加而降低。不同秸稈覆蓋量下玉米各生育時期0～40 cm土層平均電導率如表6所示,在玉米不同生育期內 CM1和CM2處理土壤平均電導率均顯著低于CK處理。與CK處理土壤平均電導率相比,苗期CM1和CM2處理分別降低7.76%和12.94%,拔節期CM1和CM2處理分別降低7.21%和11.77%,抽雄期CM1和CM2處理分別降低6.64%和10.51%,灌漿期CM1和CM2處理分別降低6.19%和9.53%,成熟期CM1和CM2處理分別降低5.42%和7.82%。

表6 各處理不同生育期0～40 cm土層平均電導率/(mS·m-1)Table 6 Average soil electrical conductivity of 0～40 cm soil layer in different growth stages of each treatment

圖3 玉米生育期間土壤電導率變化過程及模擬情況Fig.3 Change process and simulation of soil electrical conductivity during maize growth

相同土層深度下,土壤電導率隨秸稈覆蓋量增加而降低。在玉米全生育期內,CM1和CM2處理0～10 cm土層平均電導率較CK處理分別降低8.93%和12.41%,10～20 cm土層平均電導率較CK處理分別降低7.08%和10.50%,20～30 cm土層平均電導率較CK處理分別降低5.53%和9.29%,30～40 cm土層平均電導率較CK處理分別降低4.61%和8.87%。分析認為是秸稈覆蓋通過降低光照對土壤的輻射作用,減少土壤水分蒸發,延長水分在土層停滯時間,使土壤中可溶性鹽加快溶解速率,從而提高土壤的抑鹽效果[24]。

4 結 論

HYDRUS-1D模型能夠模擬研究區不同秸稈覆蓋量條件下玉米生育期間農田生態系統的土壤水鹽運移過程,模擬結果較好地反映出了土壤水鹽動態分布和隨生育階段的變化規律。土壤水分模擬精度高于土壤鹽分模擬精度,且隨秸稈覆蓋量的增加土壤水鹽模擬精度稍有降低。秸稈覆蓋可提高土壤水分含量,抑制土壤鹽分積累。隨秸稈覆蓋量增加,秸稈覆蓋對土壤水鹽運移的作用效果更加明顯。作物生育期內土壤含水率與電導率的波動幅度隨土層深度增加而降低。0～40 cm土層中,秸稈半量覆蓋較裸地作物生育期土壤平均含水率提高3.38%～5.78%,土壤平均電導率降低4.61%～8.93%;秸稈全量覆蓋較裸地作物生育期土壤平均含水率提高5.26%～9.62%,平均電導率降低8.87%～12.41%。