張西平，程伍群，繩莉麗，甄文超，張 旭，鄭永虎

耕作及種植方式對(duì)土壤入滲參數(shù)和畦灌水流運(yùn)動(dòng)的影響

張西平1，程伍群1※，繩莉麗1，甄文超2，張 旭1，鄭永虎1

（1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，保定 071001；2. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，保定 071001）

為探明耕作和種植方式對(duì)土壤入滲參數(shù)及畦灌水流運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律，試驗(yàn)設(shè)置了4個(gè)處理（深松+旋耕+等行距、深松+旋耕+三密一稀、旋耕+等行距、旋耕+三密一稀旋耕+三密一?。總€(gè)處理中設(shè)3種不同畦田規(guī)格（畦長(zhǎng)30、35、40 m，畦寬均為2 m），越冬和拔節(jié)期分別進(jìn)行灌水，實(shí)測(cè)了入滲量、水深、水流推進(jìn)時(shí)間等，基于采用Kostiakov入滲公式計(jì)算的土壤入滲參數(shù)和WinSRFR4.1軟件優(yōu)化法求解的入滲參數(shù)，研究不同處理下入滲參數(shù)變異對(duì)畦灌水流運(yùn)動(dòng)的影響。結(jié)果表明：1）田間試驗(yàn)實(shí)測(cè)值和基于WinSRFR4.1軟件優(yōu)化模擬值間入滲系數(shù)和入滲指數(shù)相對(duì)誤差最大值分別為1.24%和1.57%，表明采用2種方法確定不同耕作和種植方式下土壤參數(shù)均可行；2）耕作和種植方式的不同會(huì)對(duì)土壤入滲參數(shù)產(chǎn)生較大影響，前者影響更大。3）越冬期和拔節(jié)期灌水時(shí)入滲系數(shù)變異系數(shù)最高分別為0.34和0.22，入滲指數(shù)變異系數(shù)最高分別為0.14和0.13。2次灌水期間相同處理入滲參數(shù)也發(fā)生了時(shí)間變異性，處理深松+旋耕+等行距和深松+旋耕+三密一稀的入滲系數(shù)和入滲指數(shù)均發(fā)生中等變異性，處理旋耕+等行距和旋耕+三密一稀發(fā)生弱變異性。4）在土壤入滲參數(shù)的變異性影響下，2次灌水過(guò)程中，不同處理水流運(yùn)動(dòng)時(shí)間均發(fā)生了變異性。5）基于土壤入滲參數(shù)變異性，確定了2次灌水不同耕作及種植方式冬小麥畦灌條件下土壤入滲系數(shù)和入滲指數(shù)。研究結(jié)果可為畦灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管理評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

入滲；深松；耕作；種植方式；水流運(yùn)動(dòng)

0 引 言

華北平原區(qū)是中國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)之一，農(nóng)業(yè)種植以小麥-玉米兩熟為主，連年旋耕導(dǎo)致耕層淺薄化、土壤緊實(shí)化等問(wèn)題逐漸顯露[1-2]。由于旋耕深度較淺，堅(jiān)硬的犁底層阻礙了作物根系下移伸展，造成倒伏并引起早衰，制約產(chǎn)量提高[3]。深松是一種保護(hù)性耕作方式，該方式不翻土，打破堅(jiān)硬犁底層，加厚松土層，形成疏松深厚的耕作層。近年來(lái)國(guó)家十分重視并積極推廣農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)措施。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也開(kāi)展了大量相關(guān)研究工作。

關(guān)于耕作方式對(duì)改善耕層土壤、提高作物產(chǎn)量等方面的研究較多。強(qiáng)小嫚等[4-6]研究表明，深松能降低土壤容重，降低土壤緊實(shí)度，增加空隙度及透氣性，改善耕層土壤質(zhì)量。丁昆侖等[7]研究表明，深松促使土壤蓄水保墑及抗旱防澇能力增強(qiáng)。楊思存等[8-12]研究表明，深松對(duì)耕層土壤具有較好的固碳效果，能有效調(diào)控密植群體資源利用效率，增加干物質(zhì)積累量，增加穗粒質(zhì)量，是促進(jìn)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的有效手段。高盼等[13]研究表明，不同年限深松處理均有增產(chǎn)效果，以隔年深松處理增產(chǎn)效果最好。

在耕作方式對(duì)土壤入滲及入滲參數(shù)影響方面，李傳友等[14]研究表明，與免耕處理相比，免耕+深松模式0～30 cm土層土壤容重降低3.4%，穩(wěn)滲率提高62.5%。張海林等[15]研究表明，耕作方式對(duì)0～20 cm土壤容重影響較大，全生育期中翻耕均保持較高穩(wěn)滲率，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，差異變小。于同艷等[16]研究表明，平翻和旋松耕作下壟臺(tái)容重最小，表層土坡穩(wěn)滲率大于免耕、少耕及組合耕作方式。Azooz等[17-18]研究表明免耕穩(wěn)滲率高于翻耕。李文鳳等[19]研究表明，免耕土壤的滲透率大于秋翻土壤。劉爽等[20]研究表明，免耕覆蓋措施可導(dǎo)致土壤緊實(shí)度和容重顯著增加，入滲速率在播前顯著降低，隨著生育期推進(jìn)與其他處理間差異逐漸減小。楊雪等[21]研究表明，不同耕作處理對(duì)土壤蓄水量的影響較大，深旋松耕處理表現(xiàn)出利于降水入滲、儲(chǔ)蓄更多水分的優(yōu)勢(shì)。關(guān)于土壤入滲參數(shù)變異性方面的研究。Oyonarte等[22]研究表明，土壤入滲參數(shù)的變異性是影響灌水質(zhì)量變化的主要因素。白美健等[23]研究表明，土壤入滲變異性對(duì)灌溉均勻度和灌溉效率影響較大。Mateos等[24]研究表明，考慮土壤穩(wěn)滲率變異性的灌水均勻度低于未考慮的值。聶衛(wèi)波等[25]研究表明，土壤入滲參數(shù)的變異性對(duì)畦灌灌水質(zhì)量的影響很大，在系統(tǒng)評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮這種變異性的影響。

綜上，耕作方式對(duì)土壤入滲參數(shù)產(chǎn)生較大影響，土壤入滲參數(shù)的變異性會(huì)對(duì)灌溉均勻度和灌溉效率產(chǎn)生影響。項(xiàng)目所在區(qū)是典型的小麥-玉米兩熟區(qū)，在傳統(tǒng)連年旋耕的基礎(chǔ)上，積極開(kāi)展旋耕與深松的組合耕作方式。但以往該區(qū)關(guān)于不同耕作方式對(duì)土壤入滲參數(shù)及灌溉水流運(yùn)動(dòng)的影響研究較少，灌區(qū)畦灌系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)缺乏合理的土壤入滲參數(shù)?；诖耍疚耐ㄟ^(guò)田間試驗(yàn)結(jié)合WinSRFR4.1軟件研究不同耕作及種植方式對(duì)土壤入滲參數(shù)及灌溉水流運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律，旨在確定不同耕作及種植方式冬小麥畦灌條件下不同時(shí)期的土壤入滲參數(shù)，為華北平原區(qū)畦灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)及管理評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2012—2014年度在藁城試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行，試驗(yàn)田位于河北省藁城市梅花鎮(zhèn)劉家莊村（114°54′E，37°57′N，海拔47 m），屬河北平原區(qū)，該區(qū)是全國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，也是中國(guó)冬小麥、夏玉米的主產(chǎn)區(qū)之一。屬于暖溫帶濕潤(rùn)或半濕潤(rùn)氣候，春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季氣溫涼爽，冬季干燥寒冷。試驗(yàn)點(diǎn)年平均氣溫12.5 ℃，1月份最低月平均氣溫-3.5 ℃，7月份最高月平均氣溫26.4 ℃。年平均降水量494 mm，年日照時(shí)數(shù)2 711.4 h，日照率61.2%。無(wú)霜期190 d。試驗(yàn)區(qū)土壤類別為砂質(zhì)壤土，田間持水量為26.5%～32.6%（質(zhì)量含水率）。試驗(yàn)區(qū)土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)田采用深松+旋耕及旋耕2種耕作方式，每種耕作方式下設(shè)2種種植方式，分別為等行距（15 cm）和三密一?。?2.5 cm+12.5 cm+15 cm），則試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ）：Ⅰ為深松+旋耕+等行距；Ⅱ?yàn)樯钏?旋耕+三密一?。虎鬄樾?等行距；Ⅳ為旋耕+三密一稀。

4個(gè)處理均設(shè)3種規(guī)格畦田（40 m×2 m、35 m×2 m、30 m×2 m），每種規(guī)格設(shè)3次重復(fù)，共36個(gè)畦田（圖1），相鄰畦田間隔30～40 cm，防止側(cè)滲，通過(guò)軟管將水輸送到畦首，水流從北向南推進(jìn)濕潤(rùn)土壤。

旋耕處理操作步驟：前茬玉米收獲后的秸稈全部粉碎還田?秸稈還田后撒施底肥?施肥后按照15 cm的深度旋耕2遍?旋耕完畢后耙地2遍?耙地后按照設(shè)計(jì)行距播種?播種后鎮(zhèn)壓?按照設(shè)計(jì)的畦田幾何尺寸整畦。

注：Ⅰ為深松+旋耕+等行距；Ⅱ?yàn)樯钏?旋耕+三密一?。虎鬄樾?等行距；Ⅳ為旋耕+三密一稀。下同。

深松+旋耕處理操作步驟：前茬玉米收獲后的秸稈全部粉碎還田?秸稈還田后撒施底肥?施肥后按照38 cm的深度深松1遍?深松后按15 cm的深度旋耕1遍?旋耕完畢后耙地2遍?耙地后按照設(shè)計(jì)行距播種?播種后鎮(zhèn)壓?按照設(shè)計(jì)的畦田幾何尺寸整畦。

供試小麥品種為“石麥18”，播量為187.5 kg/hm2。小麥生育期磷肥、鉀肥全部底施，氮肥50%底施，50%追施（每667 m2施用N 16 kg、P2O510 kg、K2O 10 kg）。小麥生育期灌水2次，第1次灌水為越冬期階段灌水（2013年12月2日），第2次灌水為拔節(jié)期階段灌水（2014年4月9日），灌水定額75 mm。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 坡度、流量、水流推進(jìn)時(shí)間及距離測(cè)定

田面坡度測(cè)定：灌水之前利用全站儀和水準(zhǔn)儀測(cè)量并計(jì)算每個(gè)畦田的田面坡度；流量及灌水量測(cè)定：利用TDS-100P型便攜式超聲波流量計(jì)（大連海峰儀器公司）準(zhǔn)確實(shí)測(cè)流量，記錄灌水時(shí)間、灌水量；水流運(yùn)動(dòng)觀測(cè)：灌水之前沿著畦長(zhǎng)方向在每隔5 m斷面處設(shè)置刻度尺，當(dāng)水流進(jìn)入畦田時(shí)刻，利用秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)，記錄水流推進(jìn)距離與時(shí)間的關(guān)系，即水流推進(jìn)前鋒達(dá)到每個(gè)刻度尺的時(shí)間，同時(shí)每隔5 min記錄各個(gè)斷面對(duì)應(yīng)刻度尺的水深讀數(shù)。當(dāng)停止灌水后，記錄田面積水消退距離與時(shí)間的關(guān)系，具體方法與水流推進(jìn)過(guò)程相同，直至田面積水全部入滲完成。受水時(shí)間為田面水流消退時(shí)間與推進(jìn)時(shí)間之差。

1.3.2 土壤入滲參數(shù)確定方法

1）基于Kostiakov入滲公式計(jì)算土壤入滲參數(shù)

灌水之前利用雙環(huán)入滲儀通過(guò)田間雙環(huán)法試驗(yàn)在畦首、畦中和畦末斷面處測(cè)定累計(jì)入滲量及入滲歷時(shí)，按照Kostiakov入滲公式得到土壤入滲參數(shù)[26-27]，取3個(gè)斷面平均值作為對(duì)應(yīng)畦田的入滲參數(shù)。

=kt（1）

為了保證土壤入滲參數(shù)的準(zhǔn)確性，本文同時(shí)選用基于WinSRFR4.1軟件的土壤入滲參數(shù)優(yōu)化求解方法對(duì)雙環(huán)法結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。

2）基于WinSRFR4.1軟件的土壤入滲參數(shù)優(yōu)化求解

WinSRFR4.1軟件是美國(guó)農(nóng)業(yè)部干旱農(nóng)業(yè)研究中心發(fā)布的集多種功能于一體的地面灌溉綜合性分析軟件，利用該軟件分析評(píng)價(jià)模塊功能中的第2種方法：利用田間實(shí)測(cè)水流推進(jìn)和消退數(shù)據(jù)反求土壤入滲參數(shù)[28]。軟件所需輸入的基本參數(shù)包括畦田尺寸、畦田坡度、田面綜合糙率系數(shù)、流量等。畦田尺寸、坡度、流量等均采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；田面綜合糙率系數(shù)采用曼寧公式法[26]求解，該方法簡(jiǎn)單，求解結(jié)果準(zhǔn)確可靠，其公式如下：

式中為田面綜合糙率系數(shù)；為田面坡度，m/m；為畦首水深，m；為單寬流量，L/(s·m)。、和均由實(shí)測(cè)獲得。

為確保WinSRFR4.1模型模擬的入滲參數(shù)更準(zhǔn)確，需對(duì)模擬及田間實(shí)測(cè)水流推進(jìn)及消退數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合度檢驗(yàn)，本文通過(guò)反復(fù)模擬以減小模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果的差異。模擬過(guò)程中采用均方根誤差（root mean square error，RMSE）和決定系數(shù)2來(lái)評(píng)價(jià)模型的模擬效果，均方根誤差和決定系數(shù)分別為式 （3）和式（4）。當(dāng)RMSE達(dá)到最小，同時(shí)2達(dá)到較大，此時(shí)的入滲參數(shù)即為所求[26,29-30]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤入滲參數(shù)優(yōu)化求解方法檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)WinSRFR4.1軟件土壤入滲參數(shù)優(yōu)化求解方法對(duì)于本試驗(yàn)的適用性及可靠性，隨機(jī)選取第1次灌水時(shí)4個(gè)處理中畦田35 m×2 m（畦田編號(hào)分別為22、15、21、18）的求解結(jié)果對(duì)比實(shí)測(cè)和模擬水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程的差異，結(jié)果表明（圖2），不同處理水流推進(jìn)與消退運(yùn)動(dòng)過(guò)程的模擬值與田間實(shí)測(cè)值擬合效果均較好，水流推進(jìn)過(guò)程的擬合效果較優(yōu)于水流消退過(guò)程，其中推進(jìn)過(guò)程實(shí)測(cè)值和模擬值RMSE在0.10～0.38 min范圍內(nèi)，2均達(dá)到0.99；消退過(guò)程實(shí)測(cè)值和模擬值均方根誤差RMSE在0.85～1.48 min范圍內(nèi)，2最小值為0.93（表2），均在0.7以上，可見(jiàn)利用WinSRFR4.1軟件優(yōu)化不同耕作和種植模式下土壤的入滲參數(shù)是可行的[26,29]。

表2 不同畦田水流運(yùn)動(dòng)時(shí)間模擬及實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

注：綜合糙率系數(shù)為曼寧公式計(jì)算值。

Note: Roughness coefficient is calculated by Manning formula.

注：畦長(zhǎng)35 m、畦寬2 m。