俞雙恩,李倩倩,陳凱文,張夢(mèng)婷,王 梅,王 煜,劉子鑫

(河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

水稻是我國(guó)三大糧食作物之一。作為世界上重要的水稻生產(chǎn)國(guó),我國(guó)水稻種植面積占耕地總面積的26%[1-2],但稻作區(qū)灌溉用水量占農(nóng)業(yè)用水量的70%[3],水資源短缺已成為水稻生產(chǎn)的重要制約因素。水稻種植區(qū)主要分布在雨水充沛的濕潤(rùn)地區(qū),其生長(zhǎng)期與各地汛期重合。為了充分利用天然降雨,俞雙恩等[4]將節(jié)水灌溉與控制排水技術(shù)有機(jī)結(jié)合,形成了以稻田水位作為灌排控制指標(biāo)的水稻控制灌排技術(shù)。控制灌排技術(shù)作為南方稻作區(qū)的核心灌排技術(shù),綜合考慮了節(jié)水灌溉與控制排水的協(xié)同效應(yīng),對(duì)實(shí)現(xiàn)稻作區(qū)的節(jié)水、減排、控污、高產(chǎn)具有重要意義[5-7]。

HYDRUS-1D模型是由美國(guó)國(guó)家鹽分實(shí)驗(yàn)室(US-Salinity Laboratory)研發(fā)的土壤水、熱及溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬軟件。近年來(lái),HYDRUS-1D在農(nóng)田水分運(yùn)移模擬方面應(yīng)用較廣。張海闊等[8]通過(guò)比較分析HYDRUS-1D 輸出變量土水勢(shì)和累積入滲量,探討了變水頭入滲條件下 VG 模型參數(shù)的敏感性;賴(lài)曉明等[9]應(yīng)用HYDRUS-1D模型模擬太湖流域的農(nóng)田水分滲漏規(guī)律,分析了太湖流域農(nóng)田氮磷流失特征;Li等[10]利用HYDRUS-1D模擬在水稻直播情況下,稻田中氮磷運(yùn)移規(guī)律,分析評(píng)價(jià)農(nóng)田水氮平衡。但是將HYDRUS-1D模型應(yīng)用于干濕交替的稻田水分模擬不多見(jiàn)。另外,20世紀(jì)70年代末由Skaggs[11]開(kāi)發(fā)的DRAINMOD模型廣泛應(yīng)用于農(nóng)田排水的理論分析和工程設(shè)計(jì),可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)田間地下水位、地表和地下排水量及作物產(chǎn)量等[12-13]。2006年,羅紈等[14]將 DRAINMOD模型應(yīng)用于水稻灌區(qū),模擬了寧夏銀南灌區(qū)稻田排水過(guò)程;2011年,高學(xué)睿等[15]研究了DRAINMOD-NⅡ模型在氣候濕潤(rùn)的南方水稻灌區(qū)的適用性,模擬了湖北漳河灌區(qū)排水和氮素流失規(guī)律,認(rèn)為該模型可有效地模擬預(yù)測(cè)水稻田排水特性及氮素運(yùn)移特性;王寧等[16]利用 DRAINMOD-NⅡ模型模擬了暴雨后稻田排水量及其氮素流失規(guī)律。前人對(duì)于DRAINMOD模型在水稻田的應(yīng)用研究多基于常規(guī)灌排模式,但對(duì)于控制灌排條件下水稻田的應(yīng)用研究鮮有報(bào)道。

綜上,DRAINMOD模型和HYDRUS-1D模型在控制灌排條件下水稻田應(yīng)用較少,本文利用這2個(gè)模型對(duì)試驗(yàn)區(qū)農(nóng)田水位進(jìn)行模擬研究,探討它們?cè)谒究刂乒嗯拍Ｊ较碌倪m用性,旨在為水稻控制灌排條件下農(nóng)田水分運(yùn)移模擬和研究提供方便可行的方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)基本情況

試驗(yàn)分別于2017年和2018年的5—10月在河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室節(jié)水園區(qū)內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)(31°54′N(xiāo),118°46′E)屬于亞熱帶濕潤(rùn)性氣候,多年平均降雨天數(shù)為120 d,多年平均降雨量1 072.9 mm。該地區(qū)多年平均日照時(shí)數(shù)2 017.2 h,多年平均蒸發(fā)量900 mm,多年平均無(wú)霜期224 d,年平均氣溫15.7℃。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)設(shè)有32個(gè)固定式蒸滲測(cè)坑(有底28個(gè),無(wú)底4個(gè)),每個(gè)蒸滲測(cè)坑的規(guī)格為2.5 m×2 m×2 m(長(zhǎng)×寬×高),按南北方向布置,共2排,每排16個(gè),試驗(yàn)區(qū)布置見(jiàn)圖1。地下設(shè)有廊道和設(shè)備間,地上設(shè)有移動(dòng)式雨棚。測(cè)坑內(nèi)土壤為黏壤土,全氮、速效氮、全磷、速效磷質(zhì)量比分別為0.91 g/kg、27.65 mg/kg、0.32 g/kg、12.5 mg/kg。土壤的物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖1 試驗(yàn)區(qū)平面布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of plane layout of the study area

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試的水稻品種為南粳9108。2017年,水稻于5月29日育秧,6月29日移栽,10月27日收割。2018年,水稻于5月27日育秧,6月27日移栽,10月23日收割。水稻控制灌排處理設(shè)置3個(gè)重復(fù),農(nóng)田水位指標(biāo)如下:分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開(kāi)花期、乳熟期的灌水適宜下限值分別為-20 cm、-30 cm、-20 cm、-30 cm,灌水適宜上限皆為3 cm,降雨時(shí)允許蓄水深度分別為10 cm、15 cm、15 cm、15 cm。農(nóng)田水位調(diào)控值以田面為基準(zhǔn),正值表示地表水層深度,負(fù)值表示田間地下水埋深。黃熟期遇雨排水、自然落干。試驗(yàn)以農(nóng)田水位為控制指標(biāo),當(dāng)?shù)咎锼怀^(guò)蓄水上限時(shí),采用抽水泵排水至蓄水上限,然后自然耗干田面水層直到地下水埋深達(dá)到設(shè)定的灌水下限值后立即灌至田間適宜水層。田面有水層時(shí),保持2 mm/d的田間滲漏量；田面無(wú)水層時(shí),控制滲漏量為0 mm/d。

表1 供試土壤的主要理化性質(zhì)指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)觀測(cè)

a. 氣象資料:節(jié)水園區(qū)內(nèi)氣象站觀測(cè)的氣象要素,包括降水量、最高溫度、最低溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)長(zhǎng)、輻射等,缺省值來(lái)自于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)提供的南京(StationID:58238)氣象數(shù)據(jù)。

b. 農(nóng)田水位:在距離蒸滲測(cè)坑邊緣50 cm處埋設(shè)由PVC管制成的地下水位觀測(cè)井,每天7:00～8:00定時(shí)觀測(cè)水位。以測(cè)坑內(nèi)土壤表面為基準(zhǔn)點(diǎn)觀測(cè)農(nóng)田水位:基準(zhǔn)點(diǎn)以上為正,表示田面積水深度;基準(zhǔn)點(diǎn)以下為負(fù),表示田間地下水埋深。

c. 株高:每個(gè)蒸滲測(cè)坑設(shè)置6個(gè)觀測(cè)點(diǎn),從水稻移栽之日起,每5 d在固定觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)水稻株高的動(dòng)態(tài)變化情況,測(cè)量作物地面以上的長(zhǎng)度作為株高,不包括根部;揚(yáng)花之前測(cè)量測(cè)坑地面線至最高葉尖的高度,揚(yáng)花后測(cè)量稻田地面線至穗頂(不計(jì)芒)的高度。

d. 葉面積指數(shù)LAI: 每5 d使用LAI-2000葉面積儀(LI-COR,USA)定時(shí)觀測(cè)水稻群體LAI。

2 模 型 建 立

2.1 模型原理

2.1.1 DRAINMOD模型原理

DRAINMOD模型是一個(gè)田間水文模型[11],適用于地下水位較高的情況,用來(lái)模擬農(nóng)業(yè)水管理對(duì)農(nóng)田的水文效應(yīng)以及對(duì)作物產(chǎn)量的影響。DRAINMOD水文模型以土壤剖面水量平衡原理為基礎(chǔ)[17],在時(shí)間增量Δt內(nèi),土壤剖面的水量平衡方程[18]可表示為

ΔVa=DS+ET-I

(1)

式中:ΔVa——土壤中的水量變化;ET——作物騰發(fā)量;DS——滲流量,包括深層滲漏量和側(cè)向排水量;I——入滲量。

土壤表面的水量平衡方程可表示為

ΔS=P-I-R

(2)

式中:ΔS——土壤表面蓄水變化量;P——降水量;R——地表排水徑流量。

2.1.2HYDRUS-1D模型原理

HYDRUS-1D模型利用一維Richards方程描述飽和-非飽和土壤水運(yùn)動(dòng),并考慮了植物根系吸水,適用于各種恒定或非恒定的邊界條件[18]。不考慮土壤水的水平運(yùn)動(dòng),只考慮一維垂向運(yùn)移,含根系吸水源匯項(xiàng)的土壤水分運(yùn)動(dòng)Richards方程為

(3)

式中:C(h)——比水容量,cm-1;θ——土壤體積含水率,cm3/cm2;h——壓力水頭,cm;K(h)——非飽和導(dǎo)水率,cm/d;S(z,t)——t時(shí)刻z深度處耗水速率,取該處作物根系吸水率,cm3/(cm3·d)。

2.2 模型參數(shù)輸入

2.2.1 氣象資料

模型中需要輸入的氣象資料包括降雨量(將灌溉量轉(zhuǎn)化為降雨量)和潛在蒸發(fā)蒸騰量及日最高、最低氣溫。潛在蒸發(fā)蒸騰量是由HYDRUS-1D模型中的Penman-Montheith公式計(jì)算得到的。

2.2.2 土壤參數(shù)

試驗(yàn)區(qū)土壤為黏壤土,將0～160 cm土層分為4層,各層土壤的組成成分見(jiàn)表1。采用RETC軟件根據(jù)土壤粒徑分級(jí)(砂粒、粉粒和黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù))和土壤干密度數(shù)據(jù)反演獲得模擬所需的土壤水力特性參數(shù)的初始值[19-20],模型原理見(jiàn)文獻(xiàn)[20]。利用2017年實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行率定,率定過(guò)的土壤水力特性參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 土壤水力特性參數(shù)

注:θr為土壤殘余含水率，θs為土壤飽和含水率，α、n分別為土壤水分特征曲線統(tǒng)計(jì)參數(shù)，Ks為土壤飽和導(dǎo)水率，l為土壤孔徑連通系數(shù)，Kls為土壤側(cè)向飽和導(dǎo)水率。

2.2.3 作物參數(shù)

作物參數(shù)包括作物有效根深、株高及葉面積指數(shù),取2017年和2018年試驗(yàn)觀測(cè)得到數(shù)據(jù)的平均值作為水稻作物參數(shù)輸入模型。

2.2.4 模型其他參數(shù)

除土壤參數(shù)和氣象資料外,DRAINMOD模型還需輸入排水參數(shù)。楊琳等[21]在探討暗管控制排水對(duì)地下水位的調(diào)控作用時(shí),對(duì)測(cè)坑的邊界條件進(jìn)行概化,將DRAINMOD模型應(yīng)用于測(cè)坑尺度,并取得較好的模擬效果。在蒸滲測(cè)坑中,距地表150 cm深度處埋設(shè)有效半徑2 cm的集水管,用于收集滲漏水,因此,將集水管概化為有效半徑2 cm、埋深150 cm、間距200 cm的暗管排水系統(tǒng),排水系數(shù)為0.2 cm/d,Kirkham積水深度為3 cm。

HYDRUS-1D模型需要確定其定解條件。水稻插秧時(shí)地表有水層,初始時(shí)刻分別實(shí)測(cè)地表淹水深度及底部測(cè)壓管水頭,經(jīng)過(guò)線性插值得到土壤剖面水頭分布,以此作為初始條件。上邊界條件采用有表層積水的大氣邊界條件,最大積水深度分蘗期為10 cm,其他生育期為15 cm。當(dāng)降水量超過(guò)地表最大積水深度時(shí)將產(chǎn)生地表徑流。在模擬時(shí)段,逐日輸入上邊界通量值,包括降雨量(將灌溉量轉(zhuǎn)化為降水量)和潛在蒸發(fā)蒸騰量。下邊界條件采用時(shí)變通量邊界條件,逐日輸入蒸滲測(cè)坑底部的實(shí)測(cè)排水量。

2.3 模型的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 模擬結(jié)果

采用2017年7—9月期間的農(nóng)田水位對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)率定,采用2018年7—9月期間的農(nóng)田水位進(jìn)行模型驗(yàn)證,對(duì)比分析2個(gè)模型在干濕交替的控制灌排模式下的適用性。2017年和2018年農(nóng)田水位觀測(cè)值與模擬值見(jiàn)圖2,地表積水深度的觀測(cè)值與模擬值見(jiàn)圖3。根據(jù)實(shí)測(cè)值與模擬值計(jì)算評(píng)價(jià)2個(gè)模型模擬效果的指標(biāo)(表3)。

圖2給出了2017—2018年控制灌排條件下農(nóng)田水位觀測(cè)值與模擬值之間的對(duì)比。從圖2中可以看出,觀測(cè)到的農(nóng)田水位與模型模擬結(jié)果之間吻合較好,模擬結(jié)果能較好地反映實(shí)際情況。從圖3可以看出,測(cè)坑內(nèi)稻田積水深度散點(diǎn)都較好地集中在 1∶1 直線附近,表明2個(gè)模型在模擬稻田積水深度時(shí)具有較好的適用性。

圖3 地表積水深度散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter diagram of the layer depth of surface water

模擬年份觀測(cè)變量DRAINMOD模型HYDRUS-1D模型Rδ/cmNSRδ/cmNS20172018地表積水深度0.977 -0.4130.9300.9730.3650.930農(nóng)田水位0.9040.8160.7200.8882.1620.378地表積水深度0.959-0.1160.9130.959-0.2470.881農(nóng)田水位0.7782.0510.5090.8491.8090.360

3.2 模擬結(jié)果討論

a. DRAINMOD模型和HYDRUS-1D模型在模擬計(jì)算中,采用的土壤水力特性參數(shù)是根據(jù)土壤顆粒級(jí)配和干密度反演得到的,可能與實(shí)際的土壤物理性質(zhì)存在一定出入。此外,氣象條件和土壤條件在實(shí)際中也存在較大空間變異性,觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞能直接影響模擬質(zhì)量的好壞,這些是導(dǎo)致模擬誤差偏大的原因之一。由圖2可以看出,當(dāng)?shù)乇頍o(wú)積水(農(nóng)田水位小于0)時(shí),模擬值與實(shí)測(cè)值之間存在較大偏差。王少麗[23]認(rèn)為可能是因?yàn)樵诘叵滤惠^淺時(shí),土壤水力學(xué)特性對(duì)地下水位的預(yù)測(cè)比較敏感,因此,在這個(gè)時(shí)期模擬的水位波動(dòng)較大,可能會(huì)產(chǎn)生大的誤差。也可能是由于稻田土壤的包氣帶存在飽和與非飽和頻繁交替的情況,土壤處于反復(fù)脫濕與吸濕的過(guò)程,而土壤水分特征曲線存在滯后效應(yīng),干濕交替條件下描述稻田土壤水分運(yùn)移的VG模型參數(shù)會(huì)發(fā)生變化,因此,農(nóng)田水位波動(dòng)頻繁、變幅較大,可能會(huì)對(duì)模擬精度產(chǎn)生影響。總體而言,DRAINMOD模型和HYDRUS-1D模型能夠很好地適應(yīng)試驗(yàn)區(qū)以農(nóng)田水位為控制指標(biāo)的灌排模式。

b. 根據(jù)表3中的模擬效果評(píng)價(jià)結(jié)果,可以認(rèn)為本文中對(duì)于排水系統(tǒng)的概化是合理的,即可以將測(cè)坑中埋設(shè)的集水管概化為相同埋深的以測(cè)坑寬度為間距的排水暗管,通過(guò)概化可將DRAINMOD模型應(yīng)用于測(cè)坑尺度下農(nóng)田水分運(yùn)動(dòng)的模擬研究,以分析稻田水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

c. HYDRUS-1D模型采用有限單元法經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代求解。在模型模擬過(guò)程中,最大迭代步長(zhǎng)能較為明顯地影響模擬結(jié)果,而土層網(wǎng)格的密度劃分影響模擬結(jié)果的精度。關(guān)于迭代步長(zhǎng)的設(shè)置和土層網(wǎng)格密度的劃分對(duì)HYDRUS-1D模型模擬結(jié)果的影響機(jī)理還需進(jìn)一步探討。

4 結(jié) 語(yǔ)

將DRAINMOD排水模型和HYDRUS-1D模型應(yīng)用于水稻控制灌排蒸滲測(cè)坑試驗(yàn)的農(nóng)田水位模擬,采用2017年試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定、2018年數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證,通過(guò)農(nóng)田水位的模擬值與實(shí)測(cè)值比較,分析控制灌排條件下2個(gè)模型在稻田水分運(yùn)移模擬研究中的實(shí)用性。確定了模型運(yùn)行所需的參數(shù)設(shè)置和概化方法,并以相關(guān)系數(shù)、平均偏差及納什效率系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo),檢驗(yàn)農(nóng)田水位模擬值與實(shí)測(cè)值的吻合程度,分析模型的可靠性。結(jié)果表明,DRAINMOD模型和HYDRUS-1D模型均可用于模擬控制灌排條件下稻田的水分運(yùn)移,模型模擬結(jié)果較好地反映了水稻控制灌排條件下農(nóng)田水位的變化情況,為稻田水分管理提供方便可行的方法。