引黃畦灌土壤水分變化特征及作物耗水規(guī)律研究

孫耀民，王 勇，周宇偉，胡雅琪，趙永安

0 引 言

目前，全世界有90%的灌溉面積采用的是不同形式的地面灌溉方式。畦灌是通過田埂將耕地分割成長條的田塊，灌溉水流在重力作用下向畦尾推進(jìn)并不斷滲入土壤的灌溉方式，田間工程簡單，投資小而被廣泛使用[1-3]。灌溉的目的是為了滿足作物正常生長需要而使土壤具有一定的含水率，一方面灌溉既要控制水分較好的分布在一定的土層范圍，另一方面也要使得水分最大限度地被作物吸收，減少灌溉水的深層滲漏。研究表明，畦田規(guī)格和灌水技術(shù)參數(shù)對灌水質(zhì)量有重要的影響[4]。李益農(nóng)等[5]以數(shù)值模擬方法求解田間水流運(yùn)動方程，分析并討論了田面平整精度與畦灌系統(tǒng)性能間的定量關(guān)系。結(jié)果表明，田面平整精度改善下的灌溉效率可提高34%，灌水均勻度可提高28%。洪瑜等[6]研究了不同畦灌方式下冬小麥主要生育期的耗水規(guī)律，結(jié)果表明灌漿期小麥對水分需求最大，同時(shí)提出了適宜當(dāng)?shù)厝肫鑶螌捔髁俊１疚耐ㄟ^開展冬小麥田間試驗(yàn)，監(jiān)測田間土壤含水率，對引黃畦灌條件下沿畦長方向的土壤剖面水分變化與冬小麥耗水規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本田間試驗(yàn)在山西省運(yùn)城市尊村引黃灌區(qū)進(jìn)行，尊村引黃工程設(shè)計(jì)灌溉面積11.066 7×104hm2，5個(gè)縣農(nóng)業(yè)工業(yè)從中受益，是山西省重要的糧食、經(jīng)濟(jì)作物種植基地。試驗(yàn)區(qū)地勢平坦，土壤質(zhì)地優(yōu)良，光照充足，是典型的暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年內(nèi)降水分布不均勻，多年平均降水量525 mm；日照時(shí)長為2 039.5 h，年均氣溫為13.3℃，無霜期212 d。運(yùn)城市年平均水資源利用總量為106 795×104m3，其中地表水資源年均利用量26 177×104m3，提引黃河水16 956×104m3，提引黃河水約占地表水的65%；地下水年均利用量為80 618×104m3，占總用水量的75.5%，開發(fā)利用程度在全省最高。試驗(yàn)區(qū)域糧食經(jīng)濟(jì)作物種類繁多，其中夏玉米(6月初至10月初)和冬小麥(10月初至來年6月初)連作方式是最主要糧食作物種植模式。

1.2 測點(diǎn)布置及測定方法

以冬小麥作為研究對象，對田間土壤水分分布和作物耗水規(guī)律進(jìn)行研究。使用TDR時(shí)域反射法對土壤水分進(jìn)行測定，沿畦長方向進(jìn)行測點(diǎn)布置，每隔50 m布置一個(gè)測點(diǎn)，對每個(gè)測點(diǎn)深100 cm的土層每10 cm進(jìn)行一次含水率測定。試驗(yàn)前對距測點(diǎn)50 cm取土，通過烘干法進(jìn)行土壤含水率測量，測量結(jié)果用于TDR反射法的標(biāo)定。土壤含水率監(jiān)測時(shí)間為每周三與周日；若進(jìn)行田間灌溉或有降雨時(shí)，在灌水降雨前后進(jìn)行含水率監(jiān)測；降雨量、氣溫、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)通過試驗(yàn)區(qū)的小型氣象站獲取。

1.3 計(jì)算方法

有效灌溉或降水量的計(jì)算如下[4-5]：

P0=F-D

(1)

(2)

式中：P0為有效灌水量或降雨量，m；F為灌水量；D為土壤深層滲漏，mm；θ后為灌水后或降雨后的土壤含水率，%；θ前為灌水前或降雨前的土壤含水率，%；Si為所測土層厚度，mm。

日均作物騰發(fā)計(jì)算[6]：

(3)

式中：I為灌溉量，mm；P為降水量，mm；D為深層滲漏量，mm；θ1、θ2為在時(shí)間1和時(shí)間2時(shí)的體積含水率；Si為對應(yīng)土層厚度，mm；%：t為兩個(gè)連續(xù)測量的時(shí)間間隔，d；n為層數(shù)。

參考作物騰發(fā)量使用Penman-Monteith公式計(jì)算[7]：

(4)

式中：ET0為參考作物騰發(fā)量，mm；Δ為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線的斜率,kPa/℃；Rn為植被表面凈輻射量，MJ/m2d；G為土壤熱通量，MJ/m2d；γ為溫度計(jì)常數(shù)，kPa/℃；T為空氣平均溫度，℃；u2為在地面以上2 m高處的風(fēng)速，m/s；es為空氣飽和水汽壓，kPa；ed為空氣實(shí)際水汽壓，kPa。

作物系數(shù)可以通過單作物系數(shù)方法和雙作物系數(shù)方法計(jì)算[8,12]。在本文中根據(jù)單作物系數(shù)方法，利用水平衡方法式(3)計(jì)算的ETc和Penman-Monteith公式計(jì)算的ET0計(jì)算作物系數(shù)，如下：

(5)

式中：ETc和ET0為在不同生長階段的作物騰發(fā)和參考作物騰發(fā)。

式(5)中作物系數(shù)Kc包括土壤和作物蒸發(fā)的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥沿畦長土壤水分動態(tài)變化規(guī)律

圖1為所布置監(jiān)測點(diǎn)處100 cm土層土壤體積含水率隨時(shí)間變化圖。隨著土層深度增加，表層土壤含水率具有明顯的高低變化，并且高值與低值的區(qū)域范圍較小，中層土壤含水率的變化范圍擴(kuò)大，而底層土壤含水率在較大范圍內(nèi)變化不明顯。0～10、10～20 cm處的土層在沿畦長方向上隨時(shí)間變化具有很好的一致性，同時(shí)也反映不同時(shí)間的灌水量變化情況；20～40 cm處土層體積含水率隨時(shí)間變化逐漸不明顯；而40 cm以下的土層基本不隨時(shí)間變化，也即不隨灌水量而變化，分析其原因耕作層(表土層)由于經(jīng)常翻耕土質(zhì)疏松，土壤滲透率好；30cm土層處受農(nóng)機(jī)耕犁壓實(shí)形成犁底層，通氣透水性不良，影響耕作層與心土層的物質(zhì)與能量交換。所以從此處開始，土壤體積含水率隨時(shí)間變化不明顯，40cm以下的土層土壤體積含水率與土層深度和灌水量的關(guān)系不明顯，從畦首到畦尾各觀測點(diǎn)各同層土壤的體積含水率趨勢相同，基本穩(wěn)定 在0.25。

2.2 冬小麥生育期內(nèi)騰發(fā)特征

圖2為沿畦長方向的冬小麥平均蒸騰量隨時(shí)間變化圖。冬小麥在返青期到收獲期，平均日騰發(fā)量在0.75～5.69 mm之間。

圖2 冬小麥各監(jiān)測點(diǎn)平均騰發(fā)量隨時(shí)間分布圖

從圖2中可知，2月17日至4月8日，各監(jiān)測點(diǎn)的日蒸騰量變化不大，基本在2.27 mm左右，此時(shí)段為冬季與初春時(shí)節(jié)，氣溫較低，風(fēng)速較大，而冬小麥處于出苗-拔節(jié)期，用于生長的騰發(fā)量不大。隨著小麥進(jìn)入快速生長階段，騰發(fā)量逐漸增大，加之此階段內(nèi)氣溫逐漸升高，所以從4月8日開始小麥蒸騰量快速增加，期間5月10日左右，當(dāng)?shù)亟涤炅看髮?dǎo)致蒸發(fā)量較小，小麥騰發(fā)量有所降低。5月20日以后，由于小麥進(jìn)入成熟收獲期，用于作物本身的騰發(fā)量不斷減少導(dǎo)致此階段內(nèi)小麥騰發(fā)量快速降低。另外，從圖2在所布置的6個(gè)觀測點(diǎn)的蒸騰量隨時(shí)間的變化趨勢具有一致性，通過計(jì)算同一時(shí)間不同監(jiān)測點(diǎn)之間騰發(fā)量的變異系數(shù)，在全部28個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，弱變異有8個(gè)，中等變異有20個(gè)，見圖3。同時(shí)比較冬小麥騰發(fā)量與變異系數(shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系圖可知，騰發(fā)量與變異系數(shù)存在相反的變化趨勢，騰發(fā)量越大其相對應(yīng)的變異系數(shù)就越小，反之騰發(fā)量小的其變異系數(shù)就越大。

圖3 冬小麥沿畦長各點(diǎn)變異系數(shù)隨時(shí)間分布圖

表1列出了冬小麥后4個(gè)生育階段騰發(fā)量ETc、參考作物騰發(fā)量ET0以及作物系數(shù)Kc。

表1 冬小麥返青-收獲期騰發(fā)量、參考作物騰發(fā)量以及作物系數(shù)

由表1可以看出，拔節(jié)-抽穗期是冬小麥騰發(fā)量最大的生育期，平均為108.42 mm；灌漿-收獲期冬小麥騰發(fā)量最小，平均為70.71 mm。通過氣象數(shù)據(jù)并根據(jù)Penman-Monteith公式計(jì)算的參考作物騰發(fā)量，得到后4個(gè)生育期的作物系數(shù)，冬小麥在拔節(jié)-抽穗期和抽穗-灌漿期的生長系數(shù)大于1，為1.17和1.14，說明在這兩個(gè)生育期內(nèi)小麥的騰發(fā)量大于參考作物騰發(fā)量，返青-拔節(jié)期的騰發(fā)量基本與參考作物騰發(fā)量相等；4個(gè)生育期總的騰發(fā)量為333.47 mm，平均作物系數(shù)為1.05，實(shí)際騰發(fā)量略大于參考作物騰發(fā)量。

冬小麥從返青期到收獲期，灌溉水量以及降雨總共為369.21 mm。第一次灌溉田間深層滲漏為21.21 mm，占灌水量的22.09%；第二次田間灌溉深層滲漏為26.02 mm，占灌水量的27.1%，說明在灌水及降雨量大的情況下極易發(fā)生深層滲漏。

3 結(jié) 論

1) 冬小麥日平均騰發(fā)量隨生育期的不同而變化，在全生育期初期變化較小，隨著小麥的快速生長逐漸增加，至成熟收獲期騰發(fā)量逐漸減小，平均總騰發(fā)量為350.17 mm。

2) 在所布置的6個(gè)觀測點(diǎn)處的騰發(fā)量在時(shí)間軸上的變化有很好的一致性。同時(shí)比較冬小麥騰發(fā)量與變異系數(shù)隨時(shí)間的變化，二者存在相反的變化趨勢，騰發(fā)量越大其相對應(yīng)的變異系數(shù)就越??；反之騰發(fā)量小的其變異系數(shù)就越大。

3) 本文采用田間試驗(yàn)的方法，對引黃灌區(qū)冬小麥糧田沿畦長方向土壤剖面水分變化與作物騰發(fā)等內(nèi)容進(jìn)行了研究。但本試驗(yàn)所研究的只是各個(gè)生育期，并沒有對全育期進(jìn)行研究分析，所以所得結(jié)論還有待進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。