基于含水率下限處理指標的小區試驗灌溉水量計算方法

張小帥 武占嶺 黃欣莉 王鑫

摘 要： 針對以不同含水率下限為控制指標的小區灌溉試驗，提出了臨界灌溉水量概念作為是否需要灌溉的判斷依據，從而計算灌溉水量。為了便于計算試驗不同時期灌溉水量，應用Matlab 語言進行圖形用戶界面（GUI）設計。采用溫室架豆需水規律試驗測試結莢期土壤含水率數據，水量臨界判別法與平均方法計算結果對比表明，兩種方法的灌溉判別與灌溉水量計算結果差別較大，主要由土壤容重與田間持水率差異引起。該方法理論可行，采用Matlab 編程GUI 設計計算快捷方便，具有較大優越性。

關鍵詞：含水率下限；臨界灌溉水量；小區試驗；Matlab；節水灌溉

中圖分類號：S274文獻標識碼：A文章編號：2095-1795（2023）11-0076-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.11.013

0 引言

作物需水量與耗水量是確定作物灌溉制度及地區灌溉水量的基礎，是流域規劃、水資源利用與管理及農作物種植區劃等工作的重要資料[1]。作物需水量與耗水量試驗是灌溉試驗的重要內容，在灌溉管理中，灌溉水量往往根據天氣狀況、作物生長情況和作物種類等計算作物的蒸發蒸騰總量，然后對作物施以計算所需水量進行灌溉，或通過土壤濕度傳感器測量土壤水勢，當土壤水勢低于下限值時進行灌溉[2]。作物需水量與耗水量的測定方法可分為水文學法（包括水量平衡法和蒸滲儀法等）、微氣象學法（包括波文比?能量平衡法、渦度相關法和空氣動力學法等）、作物生理學法（包括莖流法、氣孔計法等）和紅外遙感法4類[3-4]。其中水量平衡法是測定作物需水量與耗水量最基本的方法，一般有筒測法、田測法和坑測法等。基于作物需水量，準確監測土壤含水量，從而適時、適量地進行灌溉，在灌溉管理中，對作物所需灌溉水量計算的幾種方法都存在一定問題。張兵等[5] 設計了由作物蒸騰量和土壤濕度共同來確定作物需水量的模糊推理系統。還有研究針對滴灌條件下馬鈴薯需水量、水分調控對馬鈴薯生長及產量等的影響，通過控制滴頭下一定深度土壤水勢的范圍進行土壤水分調控[6-8]。

本研究以含水率下限作為控制指標的灌溉試驗為例，與采用土壤水勢或基質勢為下限控制灌溉的機理相似，對作物生育期內不同生長時期的灌溉水量計算進行討論。

1.2 灌溉判別及灌溉水量

以含水率下限為處理指標的小區試驗往往采用平均方法計算灌水量，各土層土壤含水率取平均值與各土層土含水率下限平均值對比，低于含水率下限平均值，則采用計劃濕潤層各深度土壤含水率均值、容重平均值和含水率上限平均值計算灌溉水量。田間土壤類別和性質在垂向上分布存在差異，如土壤容重和田間持水率等參數差別顯著，試驗中普遍采用將不同土層實測土壤含水率平均后，與含水率下限比較來判別是否需要灌溉，以及采用平均的方法計算灌溉水量的方法值得檢驗和討論。因此，本研究提出臨界灌溉水量的概念作為控制是否灌溉的依據。

在進行是否需要灌溉判別時，需要計算出臨界灌溉水量Ic，然后利用作物計劃濕潤層不同土層土壤實測含水率計算此時不同深度內土壤均灌溉至田間持水率，或者某上限含水率的灌溉水量Iq。比較臨界灌溉水量Ic和Iq，如Ic

2 灌溉水量計算圖形用戶界面設計與編程

2.1 圖形用戶界面

針對灌溉水量的計算方法，采用Matlab 語言，進行圖形用戶界面（GUI）設計，方便試驗過程中不同時期灌溉水量計算，灌溉水量計算器如圖1 所示。設置了3 個土層，在實際使用時，根據試驗作物不同生育時期不同計劃濕潤層深度控制，可以靈活增加和減少（也可以輸入“0”）。另外，GUI 設計僅作為計算演示參考，實際應用時，可根據試驗設計控制進行靈活設計和程序編制。

2.2 Matlab 語言程序代碼

基于Matlab 語言進行的簡單計算程序代碼提供如下，以便于從事灌溉工作的人員可以直接使用。

% 獲取輸入值

H=0.2;% 每一土層深度

gamma_1=str2num（get（handles.edit1，'string'））；

gamma_2=str2num（get（handles.edit2，'string'））；

gamma_3=str2num（get（handles.edit3，'string'））；

S=str2num（get（handles.edit4，'string'））；% 小區面積

omega_tc1=str2num（get（handles.edit5，'string'））/100；% 土層1 田持

omega_tc2=str2num（get（handles.edit6，'string'））/100；% 土層2 田持

omega_tc3=str2num（get（handles.edit7，'string'））/100；% 土層3 田持

omega_down1=omega_tc1*str2num（get（handles.edit10，'string'））/100；

omega_down2=omega_tc2*str2num（get（handles.edit10，'string'））/100；

omega_down3=omega_tc3*str2num（get（handles.edit10，'string'））/100；

omega_1=str2num（get（handles.edit11，'string'））/100；

omega_2=str2num（get（handles.edit12，'string'））/100；

omega_3=str2num（get（handles.edit13，'string'））/100；

% 輸入計算公式計算

I_c=gamma_1*H*S*（omega_tc1-omega_down1）+gamma_2*H*S*（omega_tc2-omega_down2） +gamma_3*H*S*（omega_tc3-omega_down3）；% 計算臨界含水量

I_q=gamma_1*H*S*（omega_tc1-omega_1） +gamma_2*H*S*（omega_tc2-omega_2）+gamma_3*H*S*（omega_tc3-omega_3）；

if I_q<=I_c

set（handles.edit14，'string'，'計劃濕潤層內土壤含水量高于以下限含水率控制的臨界值，不需要灌溉！'）

else

set（handles.edit14，'string'，num2str（I_q））

end

3 計算結果與討論

3.1 計算結果

張家口市農業高效節水研究所針對壩上地區特色作物開展水肥試驗研究，包括溫室架豆需水規律試驗、不同水肥處理對溫室架豆和大白菜產量與品質的影響試驗，以及馬鈴薯品質指標對水肥響應等。本研究采用日光溫室內開展的架豆需水規律試驗土壤含水率數據，試驗不同處理采用土壤含水率下限指標控制，試驗共設置4 個處理， 每個處理設置3 次重復[9-12]。各處理苗期與抽蔓期控制含水率下限為田間持水率的65%，開花期不進行灌溉，結莢期4 個處理（L1、L2、L3 和L4）分別控制含水率下限為田間持水率的85%、80%、75% 和70%。試驗小區面積52 m2，上限為田間持水率。試驗溫室內0～20 和20～40 cm 土壤容重分別為1.444 和1.788 g/cm3，田間（質量）持水率分別為16.33% 和13.33%。架豆結莢期內以臨界灌溉水量判別法（以下簡稱水量臨界判別法）和平均方法分別計算灌溉水量的計算結果如表1 所示。

采用溫室內架豆結莢期土壤含水率實測數據，對比水量臨界判別法和平均方法的灌溉水量計算結果，兩種計算方式計算的灌溉水量差別顯著。計算結果的差異主要表現在兩個方面。一方面，兩種方法判別均需灌溉的情形下，由于兩個深度土壤田間持水率和容重差異，導致平均法計算灌溉水量計算結果明顯較大，差值占臨界灌溉水量的6%～20%。另一方面，在是否需要灌溉的判別上出現不同結果，水量臨界值法不需要灌溉，而采用平均法判別需要灌溉，并且灌溉水量大于臨界灌溉水量。可以看出，采用水量臨界值法更為合理。

由溫室內實測試驗數據可以發現，作物關鍵生育期內蒸發量較大，作物耗水量大，表層土壤含水率先下降至含水率下限，較深層土壤含水率下降較慢，無論采用何種方法進行灌溉判別和灌水量計算，需要灌溉時，往往深層土壤未達到含水率下限值。究其原因，可能與種植環境、土壤垂向分布特征、不同作物根系特征等有關，值得深入研究。

4 結束語

（1）針對以含水率下限為處理控制指標的試驗，提出臨界灌溉水量的概念，用以判別灌溉，繼而計算灌溉水量，這種用土壤控制體持有水量的思路判別灌溉與否，在土壤垂向分布差異明顯條件下，相較于采用不同土層含水率平均值與含水率下限平均值比較判別的方法更加科學合理。

（2）采用溫室架豆需水規律試驗結莢期土壤含水率數據，通過水量臨界判別法與平均方法計算結果對比，兩種方法的灌溉判別與灌溉水量計算結果差別較大，主要由土壤容重與田間持水率差異引起。

（3）采用MATLAB 進行灌溉水量計算器GUI 設計與程序編制，計算快捷、準確，便于操作使用，在實際應用時，可根據要求靈活設計和程序編制。

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