運用監測管理系統探討土壤墑情及系數的變化規律

王 蓓， 李 麗，李芳松

(新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

1 概述

2021年中央一號文件《中共中央國務院關于全面推進鄉村振興加快農業農村現代化的意見》指出，要加快推進農業現代化，提高高標準農田的建設標準和質量，建立健全管護機制，實施大中型灌區續建配套和現代化改造等。現代化改造中，土壤墑情預報對于農業種植十分重要[1]，在國內，土壤墑情自動監測技術正在逐步得到應用，其技術的發展對于區域旱情的預警十分關鍵[2]，通過自動監測土壤墑情數據，研究其變化規律，做好水資源供需平衡分析，逐步建立自動測算信息化系統，提高灌區水利用系數測算精度[3]，不斷提升灌區管理水平，從而實現灌區良性運行和可持續發展[4]。

目前，我國灌區的農田灌溉監測技術、農業用水管理等已向自動化、智能化綜合應用方向發展，新疆很多地區也在進行農業自動化、智能化綜合應用的試點，但是存在基層信息基礎薄弱，監測系統相對落后，缺乏水利信息化系統平臺，灌區管理水平嚴重滯后等問題，因此，本研究以三屯河灌區的代表性墑情監測點的數據為基礎，開發了“灌溉水高效利用監測管理信息系統”，對監測點的土壤溫度、土壤含水率等墑情數據進行分析處理，使得監測數據應用于灌區的農業灌溉中，對灌區的生產活動進行科學有效地指導，助推灌區農業水資源高效利用，實現灌區灌溉用水監測管理綜合技術。

2 材料與方法

2.1 試驗區概況

三屯河灌區地處中國新疆昌吉市，區域總面積8171.74km2[5]。在農作物主要種植區，1月平均氣溫為-17.5℃，7月平均氣溫為24.6℃，氣溫年較差42.1℃，平均日較差13.4℃[6]。三屯河灌區多年平均地表水資源量為3.792×108m3。全年可開采量約為0.1475×108m3[7]。灌區土壤類型為棕漠土，土壤質地以粉、砂壤土為主，部分為中或重壤且多在耕作層以下分布。1m深土體土壤容重1.27～1.78g/cm3，耕作層多為1.45～1.70 g/cm3。灌區耕作層土壤有機質肥力中偏下水平，土壤有效養分表現為缺氮少磷鉀豐富的特點。

三屯河灌區內包括昌吉市七鎮一鄉、兩個涉農辦事處[8]，灌區2017年有效灌溉面積約63333hm2。主要作物以小麥、玉米、籽用葫蘆、棉花、番茄、甜菜、食葵、瓜類、蔬菜及葡萄為主。

2.2 方法

基于三屯河灌區工作人員具有較好的現代化管理經驗，本研究于2017年在該灌區建立了新疆首個農田灌溉用水監測管理系統示范區，開發研制了“灌溉水高效利用監測管理信息系統”。該系統首先采用走訪調研、問卷調查及現場取樣試驗等方法，獲得灌區基礎信息，搭建系統平臺，根據灌區基本情況選取和布設土壤墑情監測點[9]，運用傳感技術和通信技術，通過土壤墑情儀實時監測農田土壤水分和土壤溫度等數據，并傳輸、存儲至服務器終端。“灌溉水高效利用監測管理信息系統”將監測數據以曲線圖或數據列表形式顯示，系統采用水量平衡法分析處理監測數據，可得到“土壤水分溫度監測信息”“田間灌溉土壤墑情信息”“灌區用水灌溉成果測算”“灌區灌溉效益成果報告”四大模塊的內容，從而實現信息的快速查詢、計算、數據分析等功能。通過一年的運行，該系統平臺發揮了自動記錄存儲、自動分析計算的優勢，取得了一系列成果。

2.3 測定指標

采用調查法及取樣試驗法獲取灌區土壤和作物種植方式等基本概況，利用“灌溉水高效利用監測管理信息系統”接收到墑情點的信息，進行計算得到的成果，來分析研究該灌區農田土壤溫度的動態變化規律、土壤水分含量的動態變化規律及灌溉水利用系數的變化規律等。三屯河灌區代表性監測點基本信息見表1。

3 結果與分析

3.1 土壤理化性質分析

3.1.1土壤質地

對選出的代表性地塊0～100cm土壤分層采集土樣，試驗區大部分地塊的土壤中粉粒含量最高，在56.0%～89.2%之間，其次為砂粒，在7.5%～38.5%之間，黏粒含量最低，在0.9%～14.1%之間，參考美國農業部土壤分類圖，代表性地塊0～100cm土壤主要為粉(砂)質壤土。大西渠鎮和三工鎮二工村葡萄種植區、以及榆樹溝勇進村4組的制種玉米種植區土壤中砂粒含量較其他地區略高，在15.7%～87.3%之間，其次為砂粒，在12.5%～77.2%之間，黏粒含量最低，在0.3%～10.4%之間，故灌區主要為砂質壤土。

表2 大西渠鎮滴灌甜菜土壤溫度觀測數據(11月16日)

3.1.2土壤容重

采用環刀法分層取土得到各監測點的土壤容重，示范區土壤情況較為復雜，在代表性地塊0～100cm深度的土壤中，0～20cm土壤容重最小，平均容重為1.52g/cm3；在20～60cm土層處容重最大，平均容重為1.59g/cm3；0～20cm土層內，土壤容重變化幅度較大，變幅達到0.51g/cm3，40～60cm之間土壤容重變化幅度最小，變幅為0.22g/cm3。由此可見，灌區耕作層土壤容重多在1.45～1.70 g/cm3。

3.1.3土壤養分

土壤養分按照五點法在示范區取樣進行混合，測定結果為耕作層土壤有機質0.75%～3.61%，平均1.43%，土壤有機質肥力中偏下水平，耕層土壤速效N含量為8.44～167.22 mg/kg，平均39.96mg/kg，遠小于90mg/kg，即速效N肥料含量嚴重缺乏；土壤速效P含量為2.11～196.35mg/kg，平均29.41mg/kg，3個地塊含量在10mg/kg以下，即速效P含量缺乏，6個地塊含量在10～20mg/kg之間，即速效P含量中等，3個地塊含量在20mg/kg以上，即速效P含量豐富；土壤速效K含量為244.60～754.70 mg/kg，平均403.78 mg/kg，均大于200mg/kg，即速效K含量很豐富。故示范區土壤有機質肥力屬于中偏下水平，土壤有效養分表現為缺氮少磷鉀豐富的特點。

3.2 土壤墑情監測

3.2.1墑情點土壤溫度監測

從墑情農田代表性監測點中隨機抽取的一組土溫監測數據，地點在大西渠鎮，作物為甜菜，灌溉形式為滴灌。表2是該監測點某一日土壤溫度分層分時段實時觀測數據表。

系統平臺可根據逐日實時觀測土壤溫度數據，自動生成該監測點作物在灌溉月的平均土壤溫度值，見表3。

表3 大西渠鎮滴灌甜菜灌溉期農田土壤溫度觀測表

3.2.2墑情點土壤含水率監測

根據對隨機抽取的大西渠鎮甜菜滴灌的土壤含水率監測數據進行分析。表4是該監測點某一日土壤體積含水率分層分時段實時觀測數據表。

表4 大西渠鎮滴灌甜菜土壤體積含水率觀測數據(11月16日)

系統平臺可根據逐日實時觀測土壤含水率數據，自動生成監測點作物在灌溉月的平均作物需水量值，見表5。

表5 大西渠鎮甜菜滴灌灌溉期作物需水量表

3.3 監測管理信息系統測算成果分析

3.3.1灌溉期農田監測點土壤溫度變化特征

分層土壤溫度的日變化曲線，如圖1和圖2分別是榆樹溝鎮葡萄滴灌2017年5月5日和7月21日的地溫日變化曲線。據日變化特征圖可知，地表溫度表現為隨時間先降低后升高再降低的變化特征，當日最高溫度出現時間均在白天午后，而最低溫度出現在日出前后[10]；隨著土層深度的增加，日變化曲線振幅減小，最高溫度和最低溫度出現的時間相對滯后。5月的典型晴天和陰天中，地面以下20cm處的土壤溫度表現出的變化趨勢較7月明顯，而50～100cm處的土壤溫度日變化不明顯。

將每一個小時不同土層的土壤溫度進行日平均，在生育期內對四個代表性墑情監測點的土壤溫度數據進行對照，如圖3—6所示。可見，土壤溫度年變幅與日變化類似，地表溫度變幅較大，隨著土層深度的增加，變幅逐漸減少[10]，并且相位向后推移。根據與日變化曲線比較，可以看出土壤溫度的年變幅高于土壤溫度的日變幅。

圖1 5月5日榆樹溝鎮葡萄滴灌監測點土壤溫度日變化曲線

圖2 7月21日榆樹溝鎮葡萄滴灌監測點土壤溫度日變化曲線

圖3 榆樹溝鎮葡萄滴灌生育期監測點土壤溫度曲線圖

圖4 濱湖鎮冬麥畦灌生育期監測點土壤溫度曲線圖

圖5 三工鎮玉米滴灌生育期監測點土壤溫度曲線圖

圖6 濱湖鎮甜菜滴灌生育期監測點土壤溫度曲線圖

圖7 榆樹溝鎮曙光村葡萄滴灌土壤含水率變化曲線

圖8 濱湖鎮永紅村冬麥畦灌土壤含水率變化曲線

圖9 三工鎮新戽村玉米滴灌土壤含水率變化曲線

圖10 濱湖鎮下泉子村甜菜滴灌土壤含水率變化曲線

3.3.2灌溉期農田監測點土壤含水率變化特征

對三屯河灌區作物灌溉生長期進行監測，選取四處代表性監測點數據進行分析，共244320個數據進行灌區不同作物及不同灌溉形式的土壤含水率變化規律分析。圖7—10分別為三屯河葡萄滴灌、小麥畦灌、玉米膜下滴灌和甜菜膜下滴灌的監測點灌溉期土壤含水率變化曲線，由圖可見，在灌溉期各種灌溉形式下的不同作物的土壤表層含水率波動均最大，耕作層以下的土壤含水率變幅減小、相對穩定，其中滴灌的灌溉形式波長短而頻繁，不易造成深層滲漏。

三屯河灌區的作物需水量大小與氣象月份蒸發量直接相關。每次灌水土壤含水率隨時間增大逐漸趨于穩定，水分運移同樣也有明顯的滯后效應；滴灌水分一般不易產生深層滲漏，但有時存在地下水沿著土壤毛管上升進入非飽和帶。滴灌作物灌水定額較小，常規溝畦灌灌水定額相對較大，因此滴灌作物土壤含水率波動周期短小，常規溝畦灌土壤含水率波動周期相對大。不同灌溉方式土壤剖面的含水率大小分布不同，滴灌土壤含水率耕作層(0～20cm)相對較大，土壤水分干濕交替消長較頻繁，耕作層(30～40cm)及以下土壤含水率。由于灌水定額小，下滲水量有限，土壤含水率雖然不高但卻相對穩定。常規溝畦灌耕作層與滴灌類似，但耕作層以下，由于灌水定額較大，下滲的水量較多，土壤含水率較高，并且趨于穩定。

3.3.3灌溉水利用系數

通過用“灌溉水高效利用監測管理信息系統”對三屯河灌區2017年灌溉期23個代表性監測點的數據分析，得出灌區的灌溉用水效率。軟件可直接生成“代表性監測點灌溉效率評估報告”，即灌溉水利用系數報告，見表6。

表6 代表性監測點灌溉效率評估報告(灌溉水利用系數報告)

軟件還可直接生成“灌區農業灌溉用水效率測驗報告”，見表7。

表7 三屯河灌區農業灌溉用水效率測驗報告

由系統平臺綜合分析結果可知，灌區灌溉水利用系數0.566。

上游灌區10組數據中滴灌灌溉水利用系數在0.553～0.580之間，平均0.570，畦灌灌溉水利用系數在0.546～0.555之間，平均0.551，溝灌灌溉水利用系數為0.536，上游灌區綜合灌溉水利用系數為0.563。中游灌區8組數據中滴灌灌溉水利用系數在0.549～0.614之間，平均0.574，去掉井水滴灌作物，地表水滴灌綜合灌溉水利用系數為0.567，畦灌灌溉水有效利用系數為0.553，中游灌區綜合灌溉水利用系數為0.571。下游灌區5組數據中滴灌灌溉水利用系數在0.559～0.588之間，平均0.574，畦灌灌溉水有效利用系數為0.528，下游灌區綜合灌溉水利用系數為0.565。總的來看，滴灌灌溉水利用系數高于溝畦灌灌溉水利用系數，而水源中純井滴灌的系數較高，地表水和井渠結合灌溉的滴灌系數相對來說略低，如圖11所示。

圖11 三屯河灌區上中下游不同灌溉方式灌溉水利用系數

4 結論

(1)三屯河灌區農田土壤溫度地面至50cm土層位置受太陽輻射影響大，土壤介質對土壤溫度具有一定的緩沖能力，隨著土層深度增加，土壤溫度變幅減小。覆膜的增溫效果顯著，對作物生長有利，可根據作物情況進行覆膜保墑。

(2)三屯河灌區土壤表層含水率波動大，耕作層以下的土壤含水率變幅小、相對穩定；滴灌作物土壤含水率波動周期短而頻繁，而常規灌作物土壤含水率波動周期較大，故滴灌的灌溉形式不易造成深層滲漏。

(3)三屯河灌區灌溉水利用系數滴灌要高于常規溝畦灌，而純井滴灌的系數較高，地表水和井渠結合滴灌的系數略低，故可增加高效節水面積來提升該灌區的系數。