荒漠绿洲灌溉农业土壤水再分配及种植模式探讨敖登花

（内蒙古自治区阿拉善乌海水文水资源勘测局, 内蒙古巴彦浩特镇750306）

摘要：内蒙古阿拉善盟左旗腰坝绿洲是一个以地下水灌溉为主维系的荒漠绿洲，分析灌溉水在土壤中的再分配规律是制定荒漠绿洲科学灌溉制度的基础。为了深入掌握土壤水的再分配规律及其与灌溉水量之间的关系，在腰坝绿洲布设了三个灌溉试验点，通过监测灌水后30天里不同深度土壤含水量变化情况，并利用Hydrus-1D模型，对灌水后土壤水再分配规律进行了研究。结果表明：在现行灌溉制度下，灌溉水对地下水的补给有限，即灌溉水几乎没有形成深层渗漏损失，尤其是在壤土中，由于其良好的持水性，灌溉水除了供给作物耗水外，主要是通过土壤蒸发的方式消耗.

关键词：腰坝绿洲；Hydrus-1D模型；灌溉节水；土壤水再分配

Soil moisture redistribution and planting pattern in a desert oasis

Abstract: Yaoba Oasis , which is located in the desert of Alashan Plateau in Inner Mongolia, is mainly sustained by groundwater irrigation. Design of irrigation schedule in the desert oasis highly depends on the pattern of soil moisture redistribution. To get better understanding in the pattern of soil moisture redistribution and its relationship with the amount of irrigation water, three field sites were selected and the series of field irrigation test were carried out. The soil moisture content was measured and analyzed in different depths after 30 days irrigation and the Hydrus-1D was applied to simulate the pattern of the soil moisture redistribution. The results showed that the irrigated water was percolated in a certain depth of the soil with negligible deep leakages. The loss of the irrigated water was mainly consumed by plant water demand and soil evaporation especially in loam soil due to its water retention property.

Key words: Yaoba Oasis; Hydrus-1D model; Water saving irrigation; Soil moisture redistribution

1．引言

灌溉作为农业最重要的生产活动之一，对调节土壤盐碱含量、保障作物生长都有着极其重要的作用。灌溉水通过入渗进入土壤内部形成土壤水 [1]，土壤水再分配大多是在非饱和条件下土壤水的运移过程，属于广义渗流理论的研究范畴[2]，其渗流理论基础是法国工程师Darcy提出的达西定律。在地下水埋藏较深、地下水通过毛细作用对耕作层土壤水分影响甚微的情况下，土壤水再分配可能将灌溉水通过深层渗漏转化为地下水。灌溉水深层渗漏转化为地下水即意味着渗漏损失，这部分灌溉水就成为无效灌水，不能被作物吸收利用。对于干旱区荒漠绿洲灌区而言，土壤含水率的再分配过程是直接影响农作物生长的关键因素，对提高有效灌溉水利用率有着十分重要的意义。

通过田间试验结合模型模拟的方法，可以相对准确地解析灌溉水入渗后形成的土壤水的再分配过程。Hydrus-1D模型是由美国国家盐渍土改良中心(US Salinity Laboratory)在WORM、SWMI等模型基础上创建发展而来的，用于计算及模拟饱和-非饱和条件下的水分运动和溶质运移的软件，能够较好地模拟水分、溶质和能量等在土壤中的分布及时空运移规律。已经在灌溉入渗补给 [3]、不同灌水模式下水分和盐分的运移规律[4]、灌区田间水循环规律 [5]、土壤水资源评价[6]等方面得到了很好的应用。本文在田间试验的基础上，利用Hydrus-1D模型旨在揭示腰坝绿洲灌水后土壤水的再分配规律，为制定灌溉制度提高灌溉水的有效利用率提供理论依据。

2．试验区概况及试验方法

2.1试验区概况

腰坝绿洲东临贺兰山西邻腾格里沙漠[7]，是内蒙古阿拉善高原的主要农牧区之一，行政区划隶属内蒙古自治区阿拉善左旗巴润别立镇，面积约30万km2，地势总体呈东高西低，海拔为1290-1342米，地理位置如图1所示。试验区所处的气候属于典型的大陆性干旱气候，夏季酷热而冬季寒冷，全年降雨稀少，气候干旱。多年平均降水量为211.0mm，多年平均蒸发量为2394mm，是平均降水量的11.3倍。腰坝绿洲位于贺兰山西麓山前倾斜洪积平原[8]，赋存有多层沉积结构的孔隙水。含水层内部由不连续分布的若干透水层相隔，局部区域显现有承压水含水层分布，但与潜水含水层的水头差较小。潜水含水层水位埋深由东向西逐渐变小，最浅处不足十米，地下水的主要补给方式为来自贺兰山方向的侧向径流补给。土壤类型主要为粉壤土、壤砂土和砂壤土，夹杂少量砂土、粉土、壤土及粉黏壤土层。

腰坝井灌区现行是以玉米、小麦为主，葵花等为辅的种植结构。由于当地降水稀少，也没有地表径流补给，所以农业所需要的水资源全部来源于地下水。连年的过度开采，导致当地地下水位不断下降。同时地下水位的下降又引发一系列的生态环境问题。因此合理利用水资源，尤其是控制农业灌溉地下水开采量，对腰坝绿洲有着深远的影响。通过灌区入渗和土壤水再分布田间试验,利用Hydrus-1D模型模拟腰坝绿洲的灌溉入渗规律，可为当地制定更加科学合理的灌溉制度，对水资源的合作利用具有重要的科学指导意义。

图1：腰坝绿洲地理位置和取样位置图

2.2试验方法

腰坝绿洲地下水井灌区的非饱和带由东向西逐渐变薄，即试验区内潜水含水层地下水位埋深由东向西逐渐变小，非饱和带土质以壤土为主，渗透性较强，毛细作用较弱。为了揭示试验区土壤水再分布规律及其与地下水之间的水力联系，在试验区不同地下水埋深带上，即东部、中部和西部各设计选择一处试验点，分别标记为1号点(38°31′24.2″N，105°36′10.15″E)、2号点(38°30′5.95″N，105°34′34.94″E)、3号点(38°27′22.3″N，105°33′31.05″E)。

试验点均选取在耕地的边缘，这样既便于引水灌溉。采用在三个试验点处挖取4米深坑，获取不同深度非饱和带原状土样，进行土壤粒径、土壤特征曲线等土壤物理学性质测试和分析。同时在不同深度（0, 100 cm, 200 cm, 300 cm 和400 cm）布设中子仪测管，测定土壤含水量。采用烘干试验法室内测定土壤含水率，并对各测试土壤层位中子仪土壤含水率曲线进行率定。

按照当地现行的灌溉标准，即每亩浇灌150方水对试验点进行灌溉，在灌水后的三十天里，采用中子仪按设计的时间间隔测定不同深度土壤含水率。经过反复率定和检验后，建立了各试验点的含水率Hydrus-1D模拟预测模型，最后将模拟结果与实测结果进行比照，分析确定模型预测的准确率，用于指导罐区灌溉制度的制定。

3．Hydrus-1D模型构建及参数设置

3.1土壤水分运移方程

在非饱和多孔介质中，水分运移主要为一维的垂向运动。因此，利用Hydrus-1D软件模拟土壤水的入渗过程，采用修正的Richards方程[9]：

（1）

式中：θ是土壤含水率，cm3/cm3；t是时间，d；z是土壤深度，cm；K是土壤非饱和导水率，cm/d；h是土壤负压水头，cm；α是水流方向与垂直轴的夹角；S是植物根系吸水，1/L。

由于本次模拟只涉及到水分在垂直方向的运移，即水流方向与垂直轴的夹角为0°，且所选试验点位均在耕地边缘，可忽略植物根系的影响作用，因此cosα=1、S=0。于是Richards方程可简写为：

（2）

3.2 土壤水分特征方程

由于在修改后的Richards方程里涉及到含水率θ、负压水头h、非饱和土壤导水率K三个未知函数，并且负压水头h与土壤导水率K都是含水率θ的函数，因此在Hydrus-1D软件中选择最常用的Van Genuchten-Mualem 模型[10]，其表达式为：

其中： ，

式中：θ是土壤含水率，cm3/cm3；θr是土壤残余含水率，cm3/cm3；θs是土壤饱和含水率，cm3/cm3；α，m，n是经验参数；Ks是土壤饱和导水率，cm/d；Se是有效含水率；l是孔隙连通性参数。

3.3初始条件与边界条件

初始条件为模拟开始时土壤含水率，在各试验点分别取纵向不同深度土层的原状土样，通过烘干试验测得各点处初始条件下的含水率值，即θ(z，t)=θ0(z)，t=0。由于腰坝绿洲无地表径流，因此试验点的上部边界为蒸发控制的大气边界；而试验点下部仍处于包气带中，未达到饱和状态，故下部边界属于自由入渗。上下边界条件均可在Hydrus-1D模型中选取。

3.4土壤特征参数

在三个试验点分别取各纵向深度土层的原状土样，通过颗粒分析实验可得每个土样的粘粒、粉粒、砂粒所占百分比，根据美国质土壤质地分类标准可得三个点处土壤质地类型，如表1所示。

表1：不同深度土壤质地类型

通过Hydrus-1D模型内部自带的神经网络预测功能[11]，输入土样的粘粒、粉粒、砂粒各自所占百分比，即可得到各点处的相关土壤水力参数：残余含水率θr，cm3/cm3；饱和含水率θs，cm3/cm3；经验参数α；曲线形状参数n；土壤饱和导水率Ks，cm/d；曲率系数l，具体如表2所示。

表2：土壤van Genuchten模型水力参数

4．结果与分析

(a)0cm处 (b)100cm处 (c)200cm处

(d)300cm处 (e)400cm处

图2：1号点不同深度土壤含水率随时间变化情况

1号点处不同深度土壤含水率随时间变化如图2所示。由图可见，表层粉壤土在灌溉一开始含水率即达到饱和状态，随后呈现缓缓下降，但仍然保持较高的含水率；100cm处的壤砂土在第2天含水率突然增大，但远未达到饱和状态，随后不断下降，下降幅度超过表层粉壤土；200cm处的壤砂土的含水率从第13天起缓慢增大，最终稳定值略低于100cm处；而300cm、400cm处在30天的模拟过程中，含水率未发生变化。

2号点处不同深度土壤含水率随时间变化如图3所示。由图可见，表层与100cm处的砂土在灌溉初期含水率突然增大，但远未达到其饱和含水率，随后不断下降，最后稳定在较低值处；200cm处的粉壤土含水率在第3天开始增大，几乎达到其饱和含水率值，随后缓慢下降，最终稳定在较高含水率处；300cm处砂壤土的含水率从第8天起缓慢增大，变化幅度不大；而400cm处在30天的模拟过程中，含水率未发生变化。

(a)0cm处 (b)100cm处 (c)200cm处

(d)300cm处 (e)400cm处

图3：2号点不同深度含水率随时间变化情况

(a)0cm处 (b)100cm处 (c)200cm处

(d)300cm处 (e)400cm处

图4：3号点不同深度含水率随时间变化情况

3号点处不同深度土壤含水率随时间变化如图4所示。由图可得，表层与100cm处的粉壤土在灌溉初期含水率即突然增大，其中地表处含水率达到饱和状态，随后的均缓缓下降，但仍然保持较高的含水率；200cm处粉壤土的含水率在第4天开始增大，最终与其上方的粉壤土基本维持在同一值处；300cm处砂壤土的含水率在第17天开始缓慢增大，最终保持在较低值处；而400cm处在30天的模拟过程中，含水率未发生变化。

5．结论

本文利用Hydrus-1D软件对腰坝绿洲灌溉入渗过程进行模拟，主要得到以下几个结论：

（1）灌水后土壤水再分配规律研究。三个点的入渗极限在30天内都未到达400cm，由当地的资料得，即使是在地下潜水位埋深最浅的三号点处，埋深也超过了十米，故而可以推断在腰坝绿洲灌溉水对地下水的补给有限；

（2）壤土是比较理想的农业土壤。从模拟结果可以看出壤土含水量一直保持在较高值处，远远高于砂土，并且水分在壤土中入渗速率较快。腰坝绿洲主要种植的作物玉米为耗水作物，因此壤土是当地比较适宜的农业土壤。

参考文献

[1] 赵希宁，吴发启.土壤水分入渗的研究进展和评述[J].西北林学院学报，2004，19(1):42-45.

[2] 李保国，胡克林，黄元仿.土壤溶质运移模型的研究及应用[J].土壤，2005，37(4):345-352.

[3] 卞建民，李育松，胡昱欣等.基于HYDRUS-1D模型的大安灌区旱田灌溉入渗补给研究[J].干旱地区农业研究，2014，32(2):191-195.

[4] 余根尖，黄介生，高占义等.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.

[5] 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.

[6] 王水献，周金龙，余芳等.应用HYDRUS-1D模型评价土壤水资源量[J].水土保持研究，2005，12(2):36-38.

[7] 李燕，卢玉东，李鸿娟等.腰坝绿洲地下水位动态特征及对植被变化影响[J].地下水，2012，34(4):74-76.

[8] 姜凌，李佩成，郭建青.贺兰山西麓典型干旱区绿洲地下水水化学特征与演变规律[J].地球科学与环境学报，2009，31(3):285-290.

[9] Simunek J，VanGenuchten MT，Sejna M .Development and applications of the HYDRUS and STANMOD software packages and related codes[J].Vadose Zone Journal，2008，7(2):587-600.

[10] Van Genuchten MT.A closed－form equation for predicting the hydraulic conductivity unsaturated soils[J] . Soil Science Society of America Journal，1980，44(5):892－898．

[11] 毕经伟，张佳宝，陈效民等.应用HYDRUS-1D 模型模拟农田土壤水渗漏及硝态氮淋失特征[J].农村生态环境，2004 ， 20(2):28-32.