咸水喷灌强度对土壤剖面水盐运移及冬小麦产量的影响：田间试验与HYDRUS-1D模拟

《Agricultural Water Management》：Effects of sprinkler irrigation intensity with brackish water on water–salt transport in the soil profile and yield of winter wheat: A field experiment and HYDRUS-1D simulation

　　

•在4.8/6.5 mm h^-1（毫米每小时）喷灌强度下，0–40 cm（厘米）土层保水量更高且积盐更少。
•土壤盐分（salinity）响应滞后于水分运移（water movement），且随土壤深度（depth）增加逐渐减弱。
•在3 g L^-1（克每升）灌溉水矿化度下，4.8 mm h^-1（毫米每小时）处理产量（yield）达9886 kg ha^-1（千克每公顷），与淡水对照（freshwater control）相当。
•在本研究中，3 g L^-1条件下以4.8 mm h^-1处理产量最优，5 g L^-1条件下则以4.8/6.5 mm h^-1处理产量表现较优。

华北平原水资源短缺是制约农业稳产的主要瓶颈，合理利用咸水是缓解农业淡水短缺的重要途径。然而，咸水灌溉在补充作物需水的同时，会将盐分持续带入土壤剖面，导致根区盐分累积进而影响作物产量。喷灌强度可改变土壤水分入渗、湿润锋推进及盐分淋洗与再分布，但这些效应并非随灌溉强度单调增加。现有研究多从灌溉水量、灌溉水矿化度、咸淡水调配及灌溉制度等角度展开，而在相同灌溉总量条件下，喷灌强度差异引起的入渗速率与灌溉持续时间不同，对土壤剖面持水、盐分迁移深度及冬小麦产量形成的独立影响仍缺乏系统认识。

为明确上述问题，研究人员于2024–2025年在河北省保定市王都灌溉试验站开展田间定位试验，结合HYDRUS-1D数值模拟，系统研究了两种灌溉水矿化度（3 g L^-1和5 g L^-1）与五种喷灌强度（1.8、3.2、4.8、6.5、8.2 mm h^-1）对冬小麦土壤剖面水盐运移、动态传输及产量的影响。研究表明，喷灌强度显著影响土壤水分入渗和垂直分布，处理差异主要集中在0–40 cm土层；3 g L^-1下4.8 mm h^-1处理产量达9886.34 kg ha^-1，与淡水对照无显著差异；5 g L^-1下4.8和6.5 mm h^-1处理产量损失相对较小。该成果为半干旱区冬小麦咸水喷灌制度优化提供了理论依据。

本研究依托2024–2025年河北省保定市王都灌溉试验站（Wangdu Irrigation Experimental Station）的田间定位试验，设置灌溉水矿化度（3和5 g L^-1）与喷灌强度（1.8、3.2、4.8、6.5、8.2 mm h^-1）双因素随机区组试验，共10个处理（T1–T5、W1–W5）及淡水对照（CK），冬小麦品种为石麦30（Shimai 30）。按0–10、10–20、20–30、30–40、40–60、60–80、80–100 cm共7个土层进行分层采样，测定土壤含水量（gravimetric soil water content）与电导率（EC）。基于Richards方程（Richards equation）、对流–弥散方程（convection–dispersion equation, CDE）及Feddes根系吸水模型（Feddes model），利用HYDRUS-1D构建一维土壤水盐运移模型，以T3处理校准，W3、T1、T2、T4、T5处理验证。采用线性混合效应模型（linear mixed-effects model）分析土壤水分和EC变化，采用双因素方差分析（two-way ANOVA）评价产量及其构成因素。

研究结果显示，灌溉水矿化度和喷灌强度对土壤含水量的影响主要集中在0–40 cm耕层及根区。越冬期3 g L^-1处理下0–40 cm含水量较对照降低0.39%–5.96%，5 g L^-1处理下降幅达3.68%–14.16%。土壤电导率（EC）灌溉后普遍高于灌溉前，盐分效应随生育进程由地表向根区及中间层扩展，总体呈0–10 cm > 10–20 cm > 20–40 cm的分布格局。线性混合效应模型分析表明，灌溉水矿化度（S）、喷灌强度（I）、生育阶段（C）和土壤深度（D）对土壤含水量和EC变化均有极显著影响（P < 0.01）。土壤含水量受S×I、I×D、S×D交互作用显著影响；EC受S×I、I×D、S×D及S×I×D交互作用均显著影响（P < 0.05）。

模型性能评价显示，模型对土壤含水量和EC的模拟与实测值具有较好一致性。在校准处理T3中，土壤含水量模拟的相关系数（R）、均方根误差（root mean square error, RMSE）、平均绝对误差（mean absolute error, MAE）和纳什效率系数（Nash–Sutcliffe efficiency coefficient, NSE）分别为0.84、0.024 cm³ cm^-3、0.019 cm³ cm^-3和0.71；EC对应值分别为0.89、0.037 dS m^-1、0.025 dS m^-1和0.75。

不同喷灌强度下的模拟土壤水盐动态表明，每次灌溉后0–40 cm土层含水量呈脉冲式响应，且峰值出现时间随深度增加而延迟。3 g L^-1下第一次灌溉后0–10 cm与30–40 cm层峰值含水量出现时间分别为3.09 d和5.73 d，深层滞后2.63 d。土壤盐分响应滞后于水分，盐浓度峰值随深度增加同样滞后；第二次灌溉时，3 g L^-1下0–10 cm盐浓度增幅为29.5%–31.6%，而30–40 cm仅为13.1%–15.3%。5 g L^-1下W4和W5处理地表盐浓度增幅达44.0%和43.6%，显著高于3 g L^-1处理。相同强度下W3处理0–30 cm积盐较T3更显著，且随生育进程盐分逐渐向20–40 cm层迁移。

喷灌强度对冬小麦产量的影响表现为：冬小麦产量及其构成因素总体随灌溉水矿化度增加而降低。3 g L^-1条件下，4.8 mm h^-1（T3）产量为9886.34 kg ha^-1，与对照无显著差异；1.8 mm h^-1（T1）因显著表层积盐导致产量显著下降。5 g L^-1条件下，4.8 mm h^-1（W3）和6.5 mm h^-1（W4）产量损失相对较小，分别为7.08%和5.55%。产量差异主要与单位面积有效穗数、每穗粒数和穗长相关。

讨论部分指出，在灌溉总量相等条件下，喷灌强度对土壤水分布的影响需从入渗速率、灌溉持续时间和初始水分条件三方面联合解释。HYDRUS-1D模拟表明，随喷灌强度增加，灌溉期间平均累积净入渗量由35.05 mm降至24.08 mm，40 cm界面向下水盐运移通量亦呈下降趋势，说明较高的地表水输入通量并不必然导致更大的实际入渗和深层水盐运移，这可能与地表供水速率和土壤瞬时入渗能力的错配有关。理论盐负荷相同的情况下，实际进入土壤的盐分因入渗限制而存在差异；1.8 mm h^-1处理虽模拟累积入渗较大，但田间观测仍显示明显表层积盐，说明浅层土壤盐分状况取决于盐分输入、向下输出和水再分布的综合效应。灌溉水矿化度主要决定外源盐负荷，而喷灌强度通过改变入渗和再分布影响其垂直分布。4.8 mm h^-1在3 g L^-1下及4.8/6.5 mm h^-1在5 g L^-1下表现较优，表明通过调控喷灌强度可在一定程度上协调水分供给与盐分累积，但无法完全抵消高矿化度（5 g L^-1）的不利影响。

本研究得出以下主要结论：（1）喷灌强度显著影响土壤水分入渗和垂直分布，处理差异主要集中在0–40 cm土层。3 g L^-1咸水条件下，随喷灌强度从1.8 mm h^-1增至8.2 mm h^-1，灌溉期间平均累积净入渗量从35.05 mm降至24.08 mm，且40 cm界面向下累积净水和净盐运移量总体亦呈下降趋势，表明增加喷灌强度并不一定增加实际入渗和深层土壤水盐运移。（2）土壤水分和盐分对喷灌的响应随土壤深度增加而延迟。盐分响应滞后于土壤水分运动，且盐浓度增幅随深度增加逐渐减弱。不同喷灌强度改变了盐分垂直分布，1.8 mm h^-1处理下表层积盐更明显，而4.8和6.5 mm h^-1处理在部分生育期浅层EC较低。灌溉水矿化度从3 g L^-1提高至5 g L^-1进一步增加了土壤盐分累积并扩大了受影响土层深度。（3）3 g L^-1条件下，4.8 mm h^-1产量为9886.34 kg ha^-1，与淡水对照无显著差异；5 g L^-1条件下，4.8和6.5 mm h^-1处理减产相对较小，分别为7.08%和5.55%。因此，在本研究条件下，3 g L^-1咸水配施4.8 mm h^-1总体表现较优，5 g L^-1条件下则以4.8和6.5 mm h^-1表现相对较好。研究表明，在灌溉总量相等时，喷灌强度显著影响土壤剖面水盐分布和冬小麦产量响应，这些结果仅反映试验点特定土壤、气候和单季条件下的相对表现，不能直接外推为普遍适用的最优灌溉强度。