Vol.39 No.3May 2021
第 39 卷第 3 期2021年05月干旱地區農業研究
Agricultural Rearch in the Arid Areas 文章編號：1000-7601(2021)03-0023-10 doi ：10.7606/j.issn.l000-7601.2021.03.04
利用HYDRUS-2D 模擬膜下滴灌玉米農田
深層土壤水分動態與根系吸水
丁運韜?2,3，程 煜?2,3，張體彬⑺，4，姬祥祥?2,3，喬若楠?2,3，馮 浩⑺，4
(1.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西楊凌712100；
2. 西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌712100；
3. 西北農林科技大學中國旱區節水研究院，陜西楊凌712100；
4.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌712100)
摘要：河套灌區農田地下水埋深普遍較淺且年內波動較大，明確不同膜下滴灌條件下深層土壤水分對根區的
補給作用及作物根系吸水的響應差異有利于膜下滴灌技術的完善和推廣。本研究開展了連續2 a (2017-2018年) 的春玉米田間試驗，設置3個膜下滴灌灌溉水平，分別控制土壤基質勢下限為-10 kPa ( Sl )、-30 kPa ( S3)和-50 kPa
(S5)。利用HYDRUS-2D 模型模擬0?120 cm 深度土壤含水量、根層下邊界(100 cm 深度處)水分通量和作物根系 吸水速率。結果表明，經過率定后的HYDRUS-2D 模型對0~120 cm 深度土壤含水量模擬結果的根均方差(RMSE)
和決定系數(R 2)分別為0.039?0.042 cm 3 ? cm -3和0.78~0.73，模擬結果可靠。膜下滴灌農田100 cm 和120 cm 深度 處土壤含水量較高且處理間差異不大，說明不同滴灌條件對于100 cm 以下深層土壤含水量影響較小；但不同處理顯
著影響根區下邊界的水分通量和根系吸水速率。基質勢下限控制水平越低，深層土壤水分對于根區的補給量(毛管 上升)越大,S1、S3、S5生育期內累積補給量在31.9~49.6 mm 之間。S5處理根系吸水速率較低，根系吸水受到顯著 抑制，從而造成作物生長指標和產量顯著低于S1和S3處理(P<0.05)；而S1和S3之間籽粒產量差異不顯著。綜上， 在本研究所設置的3個滴灌處理中，S3生育期內灌溉定額為
240 ~300 m m ，既較S1顯著減少灌水量、提高水分利用
效率，又具有較好的根系活力，有效利用深層土壤水分，因此建議該地區春玉米膜下滴灌的灌水下限為-30 kPa 。
關鍵詞：HYDRUS ；土壤基質勢；膜下滴灌；地下水補給；玉米根系吸水中圖分類號:S275；S513
文獻標志碼:A
Modeling of dynamics of deep soil water and root uptake of maize with mulched drip irrigations using HYDRUS-2D
DING Yuntao 1,2,3, CHENG Yu 1，2,3, ZHANG Tibin 1，3,4,
JI Xiangxiang 1，2,3, QIAO Ruonan 1，2,3, FENG Hao 1，3,4
(1. Key Laboratory of Agricultural Soil aftd Water Eftgi^eeriftg in Arid and Semiarid Areas ,
Ministry of Education, Northwest A &F %i?ersity, Yaftgliftg, Shaanxi 712100, China ；
2. College of Water Resources aftd Architectural Eftgi^eeriftg, Northwest A&F %i?ersity, Yaftglift
g, Shaanxi 712100, China ；
3. Institute of Water-safin,g Agriculture ift Arid Area of China , Northwest A&F %i?ersity, Yaftgliftg, Shaanxi 712100, China ；
4. Institute of Water aftd Soil Coarratioft , Chine Academy of Sciences aftd
Ministry of Water Resources , Yaftgliftg, Shaaftxi 712100, Chifta )
Abstract ： The Hetao Irrigation District ( HID) of Inner Mongolia, which is located in the arid area in North -western China, generally has a shallow groundwater with a great fluctuation annually. Understanding the water re -charge effect from the deep to root layer and water uptake by root under mulched drip irrigation helps to revamp and
promote drip irrigation technology in the HID. A two -year ( 2017-2018) field experiment was conducted, in which
收稿日期：2020-09-29
修回日期：2020-ll-15
基金項目：國家重點研發計劃項目(2017YFC0403303)；國家自然科學基金項目(51879224,51509238)；陜西省重點研發計劃一般項目 (2019NY-001)
作者簡介：丁運韜( 1995-)，男，碩士研究生，研究方向為節水灌溉和水土資源高效利用。E-mail ：852459496@ qq
通信作者：張體彬(1983-)，男，博士，副研究員，主要從事農業節水灌溉與鹽堿土壤改良研究。E-mail : zhangtb@ ms.iswc.ac
24干旱地區農業研究第39卷
three soil-water matric potential(SMP)threshold values including-10kPa(S1),-30kPa(S3),and-50kPa (S5),were ud to schedule the mulched drip irrigation for spring maize.Then,the HYDRUS-2D model was ud to simulate the water content in the0~120cm soil layer,the cumulative water flux at the lower boundary,and the water uptake rate by root under different drip irrigation regimes.The results showed that comparing the simulated soil moisture contents with the measured,the calibrated HYDRLS-2D was reliable to simulate water movement in the studied soil layers under drip irrigation,gave the acceptable root mean square error(RMSE)(0.039-0.042cm3?cm3)and determination coefficient(R2)of0.78-0.73.The soil moisture contents in the deep layers of100cm and1
20cm depth were not significantly different among the different treatments，indicating that the different drip irrigations had little effect on water movement in the deep layers.The different drip irrigation levels significantly af-fected the cumulative water flux at the lower boundary of root zone and root water uptake.The recharge(capillary rising)from deeper to root layer incread from31.9mm to49.6mm with decreasing SMP threshold values of S1，S3and S5.When the SMP threshold value was-50kPa(S5),the lowest root water uptake intensity was predic-ted，showing a stresd root activity and resulting in the significantly restricted growth and yield in S5relative to S1 and S3(P<0.05)；while the difference in leaf area index,aboveground biomass,and grain yield between S1and S3was not significant(P>0.05).That means the S3treatment with the SMP threshold value of-30kPa,which ir-rigation quota was240-300mm,improved water u efficiency and maintained the root activity of water uptake. Therefore,the SMP threshold value of-30kPa was recommended to schedule mulched drip irrigation for spring maize production in the studied area.
Keywords:HYDRLS；soil matric potential；mulched drip irrigation；groundwater recharge；maize root water uptake
河套灌區是我國最大的一首制灌區，玉米是灌區主要的糧食作物之一。保障河套灌區農業可持續發展對我國旱區農業生產甚至全國糧食安全意義重大。如今灌區內的灌水方式基本為地面灌溉，田間灌溉
水利用效率低，并且灌溉水大量回補地下水［1］，導致灌區地下水埋深淺，加之蒸發強烈，土壤鹽漬化日益嚴重。
一般而言，地下水埋深較淺使得作物根層和深層土壤水分交互頻繁，可以在一定程度上影響根系吸水和作物生長。有研究指出，在3—11月作物生長季河套灌區平均地下水埋深在1.5?2.5m之間，地下水位受灌溉影響而季節性波動。特別是在10—11月份進行引黃秋澆后，地下水位顯著抬升，灌區平均地下水埋深1.5m［2］o根據楊建鋒［3］等人的研究結果，在地下水埋深0.7?1.3m條件下，地下水對玉米耗水量貢獻率為15.7%。此外，Huo等⑷在2012年利用控制實驗裝置模擬不同地下水埋深，指出在地下水埋深為1.5m時地下水貢獻量占小麥全生育期耗水總量的29%。河套灌區地下水埋深受灌溉的影響在作物生育期波動明顯，使得深層土壤水與上層根區的交互過程復雜，難以量化。而HYDRLS作為一款模擬變量飽和度情況下多孔介質中的水分和溶質運移的軟件，可以較為準確地模擬非飽和帶土壤水分運動狀況及作物根系水系。2008年李亮⑴采用HYDRLS-2D模型對河套灌區典型區1m深度內的土壤水分運動規律進行了研究，揭示了鹽漬化地區耕地-荒地間的水分運移機理，為河套灌區鹽漬化土壤改良和節水灌溉提供了理論基礎；2015年郝遠遠等⑷采用分布式的HYDRLS-EPIC模型評估了河套灌區解放閘灌域4 m深度內的土壤水鹽動態和作物生長空間分布特征，為評估區域尺度土壤水鹽與作物生長狀況提供有效工具。前人研究證明了HYDRLS模型在河套灌區土壤水分運移和利用方面研究的可行性和重要性，但農田根層和深層土壤水分交換和根系吸水過程與土壤條件、種植作物、灌溉方式等密切相關，要想更加明確其中過程機理，還需要針對具體灌溉方式和作物種類開展研究。
近年來，隨著河套灌區土壤鹽漬化嚴重和引黃配額的減少，發展節水灌溉成為灌區農業生產可持續發展的必然選擇。滴灌可以明顯提高水分利用效率和作物產量⑺，與覆膜栽培結合之后的膜下滴灌技術在鹽堿化治理和節水方面具有明顯優勢，已在包括我國在內的干旱、半干旱地區得到大面積應用。因此，近幾年前人在河套灌區逐步開展了一系列的膜下滴灌方面的研究工作，其中除部分研究關注的是經濟效益較高的加工番茄［8-9］之外，玉米作為灌區內最主要的糧食作物，其膜下滴灌方面的研
第3期 丁運韜等：利用HYDRLS-2D 模擬膜下滴灌玉米農田深層土壤水分動態與根系吸水
25
究成果主要集中在耗水規律［10］、水分生產率［11-12］、
作物系數［13］、根系分布［14］等方面，而對于膜下滴灌
玉米根系下深層土壤水分動態、地下水對作物吸水 補給效應等方面的研究相對較少；另外，通過控制
土壤基質勢下限可以指導膜下滴灌，更易于膜下滴 灌技術的推廣，該技術在河套灌區也已進行了一些
研究［10，15］，得到了不同基質勢水平膜下滴灌條件下
根層土壤水鹽運移特征和作物響應，但對于該條件
下深層土壤水分交換和根系吸水方面的研究未見 報道。
為此，本研究在河套灌區開展了連續2 a 的田
間試驗，設置不同膜下滴灌制度處理，利用
HYDRUS-2D 模型重點模擬玉米農田深層土壤水分
動態和根系吸水差異，旨在探究膜下滴灌下玉米農 田根層和深層土壤水分的補給過程及作物生長的 響應，以期進一步完善膜下滴灌水分運移理論，促
進膜下滴灌技術在河套灌區的推廣。
1材料與方法
1.1研究區概況
田間試驗于2017年和2018年春玉米生長季 （5—9月）在河套灌區曙光試驗站（40。46取，107。
24'E，海拔1 039 m ）進行。該地區地處典型的溫帶
大陸性干旱氣候區，試驗站多年年均降雨量135 mm 左右，年蒸發量在2 100?2 300 mm 之間，年均風速
為2. 8?2. 9 m ?s -1。全年日照充足，日照時數為
3 190-3 260 h，年平均氣溫6.9°C ，晝夜溫差大。其
中1月份均溫為-14C ?-11C ,7月份均溫為22C ?24C ,0?20 cm 土層平均地溫9.4C 。
試區內土壤屬于黃河灌淤土，土壤分層明顯，
厚薄不均。0?40 cm 深度土壤平均電導率（土水比
1 : 5浸提液）為1.3 dS - m -1 ,pH 值為8.5。其他分
層次的土壤特性見表1。試驗站內設有地下水位監 測井，每0.5 h 自動監測試驗田內的地下水位變動 （圖1）。試驗田每年的秋季采用引黃水秋澆。2017
年和2018年玉米生育期內（5—9月）降雨量分別為
37 mm 和 154 mm （圖 1）。基于 1990—2010 年的氣
象數據計算該地區玉米生長季的平均降雨量為92
mm，因此,2017和2018年分別為干旱年和濕潤年。1.2試驗設計與觀測
1.2.1試驗設計 供試作物為春玉米，品種選擇為
當地主栽品種’西蒙6號’。田間種植采用“一膜單
管雙行”的種植方式，滴灌帶間距100 cm，地膜寬70 cm （圖2）。玉米采用寬窄行的種植方式，窄行30
cm，寬行70 cm，玉米株距30 cm 。播種前覆蓋地膜,
地膜為高壓聚乙烯膜，厚度8 ^m 。播種深度5 cm, 2017年播種時間為4月27日，2018年為4月 28 日 。
田間試驗設置3個膜下滴灌灌溉水平處理，控
制滴頭正下方20 cm 深度處土壤基質勢下限分別為 -10 kPa （S1）、-30 kPa （S3）和-50 kPa （S5）。每處
表1研究區域土壤理化性質Table 1 The physicochemical characteristics
of soil in the study area
土層深度
Soil depth /c m 顆粒組成
Particle size/%
容重
Bulk density /(g - cm -3)
田間持水量
Field water capacity / ( cm 3 ? cm -3 )
砂粒
Sand 粉粒
Silt 黏粒
Clay
0~20
32.2
47.820.0 1.440.29
20~4023.253.8
23.0 1.430.3140~60
29.7
47.2
23.1
1.450.3160~9094.3 3.7
2.0
1.51
0.22
90~120
48.3
35.4
15.3 1.630.31
r u /￡d u p J E e A Y P U n o J D
?到?
K
皂
---地下水埋深 Groundwater depth
月份Month
0)2017
o
o
2o
o
4 680
r u /￡d u p
J E e A Y P U n o J D
?
到蘭K
皂
月份Month
(b)2018
降雨 Rainfall
§u /
二 f
u n r a
IH M
監
圖1河套灌區春玉米生育期內地下水埋深及降雨量
Fig.1 Groundwater table and rainfall during maize growth periods in the Hetao Irrigation
District
26
干旱地區農業研究第39卷
滴灌帶Drip tape
負壓計Tensiometer
取樣點Sampling point
Maize
塑料薄膜Plastic film
圖2田間膜下滴灌春玉米種植模式、負壓計
埋設和取樣點位置示意圖
理3個重復，共計9個小區，小區面積為4m x 15 m
=60 m 2 ，各小區之間設置1 m 寬的緩沖區以減少土
壤水分側滲。每個處理安裝一套獨立的滴灌首部
控制系統，包含閥門、施肥罐、過濾器、水表、壓力表
等，以及12條滴灌帶（每小區4條，控制8行玉米）。
通過安裝在滴頭正下方20 cm 深度處的真空表式負 壓計進行土壤基質勢監測（圖2），每天09 : 00和
15 : 00進行負壓計讀數，一旦達到所設定的閾值，立
即啟動滴灌，灌水定額設定為10?20 mm （參考當日
水面蒸發量和玉米生育時期），試驗周期內的土壤
基質勢讀數日變化如圖3所示。2 a 內各處理具體
灌溉次數和灌水量見表2。
試驗地基肥采用尿素、磷酸二銨和硫酸鉀按照
N 、P 、K 分別為 150,180kg ? hm -2 和 45 kg - hm -2 的
施用量均勻撒施于地表，之后翻耕。玉米生育期內
追施150 kg ?hm -2的氮肥，采用水溶性較好的尿素,
于灌水前溶于施肥罐中，隨灌水施入，且保證各處
理施肥量一致。其他田間管理，如除草、病蟲害防
治等同周邊農田一致。
Fig.2 Dimensions of planting pattern , the tensiometer
installation and positions of soil sampling under mulched
drip irrigation for cropping spring maize
50
60 70 80 90 100 110 30播后天數 Day after sowing/d
(a)2017
-------Sl(-lOkPa)
-------S3(-30kPa)
o o o o o o O
1 2 3 4 5 6 ------ -eHuolod
X E e u I I o s
e d F
淋團?
w
出
40
50 60 70 80 90 100 110播后天數 Day after sowing/d (b)2018
..........S5(-50kPa)
-eHuolod
XEeuIIos
e d F
淋團?
w
出
圖3玉米生育期內滴頭下方20 cm 深度處土壤基質勢變化
Fig.3 The evolving soil matric potential at 20 cm depth below drip emitter
during the growing period of spring maize
表2 2017和2018年不同基質勢下限
膜下滴灌春玉米生育期內灌溉次數、灌溉量
Table 2 Irrigation frequency and amount during spring maize
growth periods under mulched drip irrigation with different soil matric potential thresholds in the Hetao Irrigation District
年份
Year
處理
Treatment 灌溉次數
Irrigation frequency
灌溉量/m m
Irrigation amount
S1(-10 kPa)
33490
2017S3(-30 kPa)23
300
S5(-50 kPa)10130S1(-10 kPa)
38
4502018S3(-30 kPa)28240
S5(-50 kPa)
11
110
1.2.2 土壤與植物指標觀測 土壤含水量每隔15
d 測定1次，取樣位置見圖2。將所取土樣用105兀
烘干至恒重，測定質量含水量，利用已知容重（表
1），計算得出體積含水量。
為測量生長指標，在玉米關鍵生育時期每個小
區選取5株長勢均勻的玉米植株，從地表處剪取。
用直尺量取所有綠色葉片的長度（L ）和最寬處的寬
度（W ），計算葉面積指數（LAI ）:
X L x W x a
LAI= A
（1）
式中,LAI 為葉面積指數;L 為葉片長度（cm ）；W 為
第3期丁運韜等：利用HYDRUS-2D模擬膜下滴灌玉米農田深層土壤水分動態與根系吸水27
葉片最寬處的寬度(cm)；a為系數，取0.75；A為所
占地表面積(cm2)。
地上部所有部分經70T烘干至恒重后，稱重得
每株地上部生物量，根據種植密度換算得每公頃地
上部生物量。分別于2017年9月8日和2018年9
月10日在每個小區內選取各小區中間2行玉米進
行測產。玉米脫粒后晾曬4?5d，稱取質量并換算
成每公頃產量。
1.3HYDRUS-2D模型構建
針對大田試驗深層滲漏和補給難以計算的問
題，借助數值模擬的方法是一種現實可行的解決方
案。所以本文利用HYDRUS-2D模型進行剖面土
壤水分運動的模擬，利用實測數據進行模型的檢
驗。模擬尺度以天(d)為單位，模擬時間為播后0?
130d。根據實測的土壤情況(見表1)將土層數設
置為5層，考慮到地下水的波動情況，模擬深度設置
為2個生長季內地下水最大埋深處(380cm)，將
120~380cm深度的土壤默認為均質土，與100?120
cm的土壤參數保持一致。由于田間膜下滴灌試驗
布置的對稱性，假定模擬區域左、右邊界均為零通
量邊界，滴頭處采用變流量邊界，覆膜區域選擇為
零通量邊界，無覆膜區域采用大氣邊界，下邊界取
為已知地下水埋深決定的變水頭邊界，模擬在灌
溉、降水以及地下水埋深變動情況下膜下滴灌的土
壤水分變化過程［16_17］。
1.3.1水分運移方程假設膜下滴灌點源條件下
土壤水分運動為軸對稱，則水分運動可簡化為軸對
稱的二維問題來處理［18］，該模型采用修正過的
Richards方程表示二維非飽和水流控制方程，公式
如下：
86=8 Bt8x
K(h)(+1)
z
「，8h_8
K(h)—+—
_8x_8z
—S(h)
(2)
式中，6為體積含水量(cm3?cm-3);t為時間(d);
K(h)為非飽和導水率(cm-d-1);h為土壤水勢(cm);x,z為水平和垂直坐標(cm);S(h)為土壤根系吸水速率(cm?d-1)。
土壤的水分特征曲線利用HYDRUS-2D中的van Genuchten模型來進行擬合，其擬合方程如下：
6-6
[1+(ah)”]
=6+h°0(3)
[6s h M0
K(h)=K$e[1-(1-S l e/m)m]2(4)
—16-6r
其中m=1j，"〉1；S e=6s-6r (5)式中,6(h)為土壤含水量函數?為殘余含水量(cm3?cm-3);6s為飽和含水量(cm3?cm-3);K s為飽和水力傳導度(cm-d-1);S e為相對飽和度;a為進氣值倒數(1?cm-1);m為土壤水分特征曲線適線參數;n為孔徑分布系數;l為表征土壤孔隙連通特征參數，取經驗值為0.5［19-2l］o
土壤具體水力參數見表3。
1.3.2根系吸水式(2)中的根系吸收項(S)，應用HYDRUS-2D軟件包中的Feddes［22］提出的廣義根系吸水模型，可以定義為單位時間單位體積土壤中消耗的水分體積，其中最大根深設為100cm［23］，根系吸水響應參數使用軟件預設的經驗參數，公式如下：
S(x,z,h)=a(x,z,h)b(x,z)T p L(6)式中,a(x,z,h)為根系吸水的水應力響應函數，無量綱;b(x,z)為根系吸水分布函數(1-d-1);T p為作物潛在蒸騰速率(cm-d-1);L為根區分布最大寬度(cm)，根據田間觀測,L取40cm。
1.3.3模型評價本研究利用2017,2018年的實測數據對模擬的含水量結果進行檢驗。通過各個定位監測點實測的土壤含水量進行擬合并校正模型土壤參數，用均方根誤差(RMSE)和決定系數(R2)兩個指標來評價模型的模擬精度,RMSE越接近于0,R2越接近于1，表示模擬精度越高，一般認為R2在0.5以上達到率定要求［24］。計算公式如下：
1n
RMSE=n￡(S,-0)2(7)
X(S i-0J2
R2=1-：⑻
X(S、-0)2
=1
式中,S，為模擬值;0，為實測值;0為實測值的平均值；n為樣本數目。
2結果與分析
2.1模型驗證
本研究用相對濕潤的2018年實測土壤含水量來率定參數，忽略土壤水分入滲的滯后影響以及土壤鹽分含量對土壤水運移的影響［25］，得各層土壤水力參數如表3所示。用相對干旱的2017年數據進行驗證。2017年和2018年模擬值與實測值的RMSE和R2分別為0.039.0.78和0.042.0.73(圖4)o總體而言，模擬結果較好地反映了膜下滴灌條件下土壤水分的動態變化，因此可以利用HYDRUS -2D模型對該條件下土壤水分運移進行模擬研究。
