基于Hydrus-1D模拟耕作方式对夏玉米农田水分的影响

2020-12-28丁超明吴鹏年李玉华关小康王同朝

灌溉排水学报 2020年12期

丁超明，吴鹏年，岳玲，李玉华，关小康，王同朝*

（1.河南农业大学农学院，郑州 450046；2.郑州师范学院生命科学学院，郑州 450044）

0 引言

【研究意义】黄淮海平原是中国重要的粮食产区，也是水资源严重匮乏的区域，该区降雨年际变化大，时空分布极不均匀，作物需水与降雨在空间和时间上严重不匹配，影响夏玉米正常生长[1-3]。此外，水环境恶化及农业用水效率低下等问题阻碍着该地区的农业发展。农业灌溉导致地下水超采且灌溉利用效率较低[4]，玉米平均水分生产效率与最高水平水分利用效率存在巨大提升空间[5]。耕作可有效改善耕层的土壤物理结构，进而影响土壤贮水能力、蒸发、入渗和排水等过程[6]，通过耕作措施调控农田水分运动是提高水分利用效率的一个重要途径[7]。

【研究进展】明确不同耕作方式下农田SPAC（土壤-植物-大气连续体）系统的水分通量，特别是水分通量中的土壤蒸发、作物蒸腾、地表径流及深层渗漏的变化，通过提高农田水分有效利用量，减少无效损耗，进而有效提高农田用水效率[8]。农田SPAC系统中一些水分通量动态难以监测，采用模型模拟的方法可有效求解相关水分通量[9-11]。Hydrus-1D模型[12]在一维尺度上设置了水热运动、溶质运移和作物根系吸水等模块，且Hydrus-1D模型具有多种边界条件设置和大量的参数数据库作为参考，可用于农田水分通量动态模拟研究。马欢等[13]应用Hydrus-1D模型对田间水循环进行了模拟，该模型可较好模拟田间水分运移规律及蒸散发。卞建民等[14]通过模型对旱田灌溉入渗模拟了灌溉入渗补给量及渗漏比率。张志悦等[15]应用模型分析小麦根区层渗漏特征得出了降雨灌溉与总供水渗漏的关系。【切入点】前人对农田水分运移规律、土壤入渗、作物根系吸水等进行大量模拟，并将模型在农田应用进行扩展与验证，但对不同耕作方式对农田水分平衡各分量的影响的模拟应用较少。目前黄淮海平原对不同耕作方式是否影响农田水分循环，对平衡方程中的各分量作用大小及不同生育时期变化规律需要进一步深入探究。【拟解决的关键问题】通过田间试验与模型模拟相结合探究不同耕作方式对夏玉米农田水分循环的影响，明确不同耕作方式对农田水分通量的运移规律，以期为优化有限水资源分配、使作物在生育期内取得最优产量和较高的水分利用效率的耕作措施提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

基于2012年以来的长期定位试验，试验在河南省商丘市中国农科院农田灌溉研究所商丘农田生态系统国家野外科学观测研究站进行（简称“试验站”34°31′N，115°35′E）。试验站多年平均日最低气温-12.8，日最高气温39.4，年均降水量为739 mm，夏玉米生育期年均降雨为487.1 mm，约占年降水量的65.9%。试验站成土母质为黄河冲积沉淀物，土壤类型为潮土。试验地0～20 cm 土壤全氮量为0.95 g/kg，有机质量为14.51 g/kg，有效磷量为23.86 mg/kg，速效钾量为175.11 mg/kg，碱解氮量为57.56 mg/kg；20～40 cm土壤全氮量为0.51 g/kg，有机质量为7.16 g/kg，有效磷量为4.27 mg/kg，速效钾量为125.88 mg/kg，碱解氮量为26.11 mg/kg。试验地夏玉米日降雨量和日平均温度如图1所示，土壤基本参数如表1所示。

图1 2019年夏玉米季日降雨量及日平均温度Fig.1 Daily precipitation and mean temperature of summer maize season in 2019

表1 不同耕作方式下土壤基本参数Table1 Basic soil parameters of different tillage methods cm3/cm3

1.2 试验设计

试验地种植模式为小麦-玉米周年2 熟轮作，采用完全随机区组方式于玉米季设置连续深耕（DT）、轮耕（RT）、连续免耕（NT）3个处理，冬小麦耕作方式与夏玉米一致。每个处理设置3个重复，每个处理的小区尺寸为10 m×24 m，轮耕模式为连续免耕2 a深耕1次，深耕处理耕作深度为30 cm。试验材料玉米品种为郑单958，播种前灭茬还田，播种时采用种肥同播，复合肥（N、P2O5、K2O 质量比为16∶18∶8）用量为600 kg/hm2，在大喇叭口期进行追施（N、P2O5、K2O 质量比为30∶5∶5）量为600 kg/hm2。拔节期灌溉35 mm，其他田间管理方式均与当地管理方式一致。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤含水率的测定

试验中，在玉米季播种期、苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期采用管式TDR系统（Trime TDR，Germany）测取土壤0～100 cm的土壤含水率，以20 cm为1个土层进行含水率测定，在初始测定用烘干法进行校正。除了关键生育时期，每隔7～10 d 测量1次土壤含水率，在降雨（灌溉）前后进行加测。

1.3.2 土壤贮水变化率和农田耗水量

夏玉米不同生育时期的土壤贮水量即某生育期阶段前后土壤含水率的差值。土壤贮水量的计算式为：

式中：n为土壤层数；i为当前土壤层数编号；γi为土壤的体积质量；Hi为土壤层的厚度；θi1、θi2分别为生育期阶段前和生育期阶段后的土壤含水率；当ΔS为负值时表示土壤贮水量在生育期阶段前后是增加的。

农田耗水量采用农田水分平衡方法由FAO 推荐的Penman-Monteith 方法进行计算[16]，具体计算式为：

式中：I为灌溉量（mm）；P为降雨量（mm）；U为地下水补给量（mm）；R为地表径流量（mm）；F为底层渗漏量（mm），底层渗漏由降雨后底层贮水量和土壤达到最大田间持水率时的贮水量之差计算；ΔW为土壤贮水变化量（mm）。

1.4 模型设置

1.4.1 Hydrus-1D模型的水分运动方程

在包气带中土壤水分运移主要进行垂向运动，因此试验只考虑一维垂向土壤水分运移，采用Richards方程拟合土壤剖面水分变化，其计算式为：

式中：c(h)为比水容量（cm）；t为时间（d）；k(h)为土壤水导水率（cm/d）；h为压力水头（cm）；z为垂向土壤坐标深度（cm）；s(z,t)土壤根系吸水速率（cm/d）。

土壤的水分特征曲线利用Hydrus-1D 中的Van Genuchten模型来进行拟合，其计算式为：

式中：θs和θr分别为土壤饱和含水率和土壤残余含水率（cm3/cm3）；Se为无量纲的相对含水率；Ks为饱和导水率（cm/d）；m、n均为Van Genuchten模型拟合参数；θ为土壤体积含水率。

1.4.2 潜在蒸散发

作物的潜在蒸散发采用由 FAO 推荐的Penman-Monteith 方法进行计算[17]，其计算式为：

式中：ETp为潜在蒸散发量（mm/d）；λ为水的汽化潜热（MJ/kg）；Rn为净辐射（MJ/（m2·d））；G为土壤热通量（MJ/（m2·d））；P为大气密度（kg/m3）；cp为空气定压比热容（J/（kg/m3））；ea为饱和水汽压；ed为实际水汽压（KPa）；rs为水汽通过土壤表面蒸发和通过植被蒸腾时克服的阻抗（s/m）；ra为水汽从蒸发界面到达冠层上方的空气中遇到的阻抗（s/m）；Δ为饱和水汽压与温度之间函数的梯度（KPa/m3）；γ为湿度计常数（KPa/m3）。

1.4.3 根系吸水

根系吸水速率可表示为单位时间内单位体积土壤中消耗的水分体积，Hydrus-1D 采用Feddes模型来模拟根系吸水速率过程，其计算式为：

式中：α（h,z）为水分胁迫反应函数，无量纲；β（z）为标准化根系吸水分布函数，无量纲；Tp为作物潜在蒸腾速率（cm/d）。

作物根系吸水速率对土壤含水率较敏感，土壤含水率在土壤毛管破裂含水率和田间持水率之间作物较易吸收土壤水分，土壤含水率在凋萎点和土壤毛管破裂含水率时作物吸水土壤水分较困难。本文玉米根系吸水参数选用Hydrus-1d 提供的参数如表2所示。

表2 玉米根系吸水参数Table2 Water absorption parameters of maize roots

1.4.4 模型设置

根据试验站气象数据，本试验模型应用上边界选择有作物覆盖可积水的大气边界条件，下边界选择自由排水。

1.4.5 模型评价

土壤学水力学参数采用模型的神经网络系统进行预测校验。模型精度采用均方根误差RMSE（Root mean square error）、相对误差RE（Relative error）和Nash系数（Nash-sutcliffe efficiency coefficient）3个指标来进行评价。其中RMSE、RE越接近于0，NSE越接近于1，表示模型模拟值与实测值拟合精度越高。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2016软件进行数据统计，用SAS 8.01进行显著性分析（P＜0.05），采用Origin2018、Microsoft Excel 2016和Surfer 16进行绘图。

2 结果与分析

2.1 模型结果与评价

试验将0～100 cm 土壤分为0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5个土层，并利用Hydrus-1D模型分别对不同耕作方式下夏玉米田的5个土壤层农田土壤水分运移动态进行拟合。深耕处理、轮耕处理和免耕处理5个土壤层含水率实测值和模拟值的拟合的结果如表3所示。由于不同耕作处理对耕层的扰动程度差异较大，土壤环境变化较为复杂，因此耕层的土壤含水率模拟结果与实测值的NSE值较低，而深层土壤含水率的NSE值较高，实测值与模拟值拟合效果越好；从均方根误差和相对误差来看，0～20 cm土壤层含水率模拟结果较差，20～80 cm 处土壤含水率的模拟结果较好。总体而言，Hydrus-1D模型对土壤含水率的模拟精度较高，能够用于农田水分运移规律分析及农田水分平衡量的计算。

表3 不同耕作方式下不同土层土壤含水率Table3 Soil moisture in different soil layers under different tillage methods

2.2 不同耕作方式下夏玉米农田水分变化

不同耕作方式夏玉米生育期内土壤水分变化情况见图2。由图2可知，夏玉米土壤含水率变化受土壤耕作方式的影响较为明显，免耕处理和轮耕处理40～100 cm 土层土壤含水率高于深耕处理，随着夏玉米生育期的推进轮耕处理和免耕处理在0～40 cm 土层土壤含水率较深耕处理相比有所降低。不同耕作方式下夏玉米土壤含水率受降雨量和灌溉量的影响较大，在降雨量不足以产生地表径流的情况下，轮耕处理和免耕处理较深耕处理促进降雨灌溉转化为土壤水后向更深层次土壤层运移，从而增加深层土壤含水率。

图2 不同耕作方式下夏玉米生育期内土壤水分变化Fig.2 Changes in soil moisture during the summer maize growth period under different tillage methods

不同耕作方式下夏玉米不同生育时期的土壤贮水量见表4。由表4可以看出，播种期轮耕和免耕处理土壤贮水量比深耕处理分别增加了5.55%和7.56%；苗期不同耕作方式间夏玉米土壤贮水量差异不显著。拔节期到灌浆期轮耕和免耕处理土壤贮水量都显著高于深耕处理，与深耕处理相比在拔节期轮耕和免耕处理土壤贮水量分别显著增加了4.52%和5.38%，抽雄期分别显著增加了2.65%和4.55%，灌浆期分别显著增加了11.13%和5.19%。成熟期免耕处理土壤贮水量显著高于轮耕处理，但免耕处理土壤贮水量和深耕处理差异不显著。

表4 夏玉米不同生育时期土壤贮水量Table4 Soil water storage of summer maize on different growth stage

夏玉米深层渗漏量受耕作方式的影响较大，但不同耕作方式下地表径流量差异较小（表5）。苗期轮耕处理深层渗漏量较深耕处理和免耕处理分别高75.29%和37.65%；拔节期深耕处理和免耕处理深层渗漏量分别较轮耕处理高19.71%和26.33%；抽雄期免耕处理深层渗漏量高于轮耕和深耕处理8.88%和11.22%，灌浆期免耕处理分别较轮耕和深耕处理略高，成熟期由于降雨量较小不同耕作处理未产生深层渗漏。苗期和成熟期3种耕作模式下均未产生深层渗漏。拔节期到灌浆期不同耕作模式下虽然产生了地表径流，但不同耕作处理间差异较小。不同耕作方式对夏玉米不同生育时期蒸腾蒸发量影响较明显，轮耕处理和免耕处理较深耕处理降低了夏玉米蒸发量，提高了夏玉米蒸腾量。苗期轮耕处理蒸发量较深耕处理和免耕处理分别增加了8.71%和16.31%。拔节期到成熟期轮耕处理的蒸发量低于深耕处理和免耕处理，拔节期轮耕处理蒸发量较深耕处理和免耕处理分别减少了22.57%和21.42%，抽雄期较深耕处理和免耕处理分别减少了7.62%和2.27%，灌浆期较深耕处理和免耕处理则分别减少20.03%和23.02%。苗期深耕处理和免耕处理蒸腾量略高于轮耕处理，拔节期深耕处理和免耕处理后夏玉米蒸腾量较轮耕处理分别高51.55%和34.92%，抽雄期免耕处理蒸腾量分别较深耕处理和免耕处理高15.82%和40.59%，灌浆期轮耕处理和免耕处理蒸腾量较深耕处理分别高6.50%和13.11%，成熟期轮耕处理和免耕处理蒸腾量较深耕处理分别提高37.59%和24.26%。夏玉米整个生育期轮耕处理和免耕处理提高了蒸腾蒸发比，较深耕处理蒸腾量与蒸发量的比值分别提高29.93%和25.49%。

表5 不同耕作模式下夏玉米不同生育时期径流量、渗漏量、蒸发量及蒸腾量Table5 Runoff,seepage,evaporation and transpiration under different tillage modes at different growth stages of summer maize

2.3 不同耕作方式根系吸水量变化

夏玉米根系日吸水量如图3所示。整个生育期轮耕处理和免耕处理日吸水强度高于深耕处理。苗期到拔节期不同耕作模式下夏玉米日根系吸水量差异较小，拔节期到灌浆期深耕处理和免耕处理日吸水量较轮耕处理变化幅度较大，但轮耕处理日吸水强度高于免耕处理和深耕处理。灌浆期到成熟期轮耕处理较免耕处理和深耕处理日吸水量变化幅度缓慢，但根系吸水强度低于深耕处理。夏玉米根系日吸水量在不同生育时期变化趋势不同。苗期到拔节期根系吸水量差异较小；拔节期—抽雄期轮耕处理和免耕处理日吸水量逐渐增加，在抽雄期轮耕处理和免耕处理日吸水量分别高于深耕处理60.34%和34.98%。灌浆期轮耕处理和免耕处理根系吸水量较深耕处理分别高18.72%和34.23%。灌浆期到成熟期不同耕作模式下夏玉米日根系吸水量逐渐减少，在成熟期深耕处理根系吸水量较轮耕处理和免耕处理分别高15.97%和26.16%。

图3 不同耕作模式下夏玉米生育期内根系日吸水量Fig.3 Daily root water absorption during the growth period of summer maize under different tillage modes

3 讨论

耕作能有效改善土壤环境，对土壤物理特性产生积极影响，且这种效果程度随时间而变化[18-19]。免耕能够有效提高土壤入渗率，减少地表径流，增加土壤蓄水保墒的能力[6,20-21]。崔欢虎等[22]研究发现免耕较传统耕作增加了100～200 cm 土壤水的下渗。常晓等[23]研究发现保护性耕作0～60 cm 土壤贮水量较深耕增加19.7%。陈强等[24]研究发现免耕和少免耕都是保水耕作措施，且0～20 cm 土层免耕较传统耕作减少20%土壤水分流失。这与本试验通过模拟得出的结果相似，但试验模拟结果发现不同耕作方式下地表径流差异不大，这是因为在整个夏玉米生育期内降雨强度相对较低，田间地表产生的径流较小[25]。不同耕作方式下轮耕和免耕处理渗漏量高于深耕处理，这是由于轮耕处理和免耕处理可促进土壤水分向深层入渗，提高轮耕处理和免耕处理深层土壤含水率，从而增加深层土壤贮水量，虽增加了深层土壤水分渗漏但与深耕处理相比土壤贮水量依然达到了显著水平，且随着降雨减少土壤贮水量的差异越显著，这与赵洪利等[20]研究结果相似。

不同耕作方式下作物用水和产量反应在渗透和蒸散过程的多面相互作用，受耕作、年份等因素的影响[26]。蒸发与蒸散的比值能够很好地反映出不同处理下农田耗水中无效水的占比情况[27]。Phillips 等[28]研究发现免耕蒸腾蒸发比达到7.5，常规耕作为1.3，免耕较常规耕作大大增加了蒸腾效率。这与本试验模拟结果相似，但试验模拟研究蒸腾蒸发比较深耕处理增加强度较小，这是由于土壤蒸发与蒸腾比受土壤水分和气象因素的影响较大[29]，试验通过模拟发现耕作有效调控土壤水分增加作物需水期土壤含水率进而改变蒸腾蒸发比。夏玉米不同生育期根系吸水量的变化趋势与作物蒸腾量变化趋势不一致，但在灌浆期免耕处理和轮耕处理夏玉米根系吸水量和蒸腾量高于深耕处理，这是由于免耕较常规翻耕增加了耕层根系干重和根长[30]，且耕层结构扰动较小土壤有效连续孔隙保持较好更利于根系向下生长[31]，增加夏玉米对深层土壤水分吸收利用，从而增加夏玉米根系吸水量和蒸腾量。加之本试验通过模型拟合与田间试验相结合，只对土壤含水率和土面蒸发进行了验证。由于试验条件限制，未对土壤渗漏及根系吸水量进行验证。后续工作中需要加强，以更大限度提高模型的精度。