張瑞琦

摘要：鑒于我國(guó)西北地區(qū)嚴(yán)重缺水，農(nóng)作物的產(chǎn)量與灌溉成了一個(gè)大問題，本文針對(duì)張掖地區(qū)水資源不足且灌溉不科學(xué)的問題做出了研究計(jì)劃。本文作者利用了Hydurs-1D軟件對(duì)2014年產(chǎn)出的敦玉46品種玉米的生長(zhǎng)期間水資源吸收率和蒸騰率做出了數(shù)字模型，同時(shí)對(duì)不同深度的土壤水分運(yùn)動(dòng)和玉米生長(zhǎng)過程中消耗水分的過程進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，建立的模型不但可以很好地模擬土壤水分變化過程和玉米生長(zhǎng)期間對(duì)水分的吸收和消耗規(guī)律，且與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度高，證明了該模型的準(zhǔn)確性。

通過數(shù)據(jù)和模型可以知道現(xiàn)在的灌溉量中有64.5%從 0-1.5m的土壤中滲漏損失。將每次灌溉量減少至現(xiàn)在的一半，其他條件保持不變。玉米生長(zhǎng)消耗的水量（蒸發(fā)+ 蒸騰量）與原來幾乎沒有差別，說明0.5倍灌溉量的情況下仍然能夠滿足玉米對(duì)水分的需求。滲漏量減少至灌溉量的25.4%，說明灌溉水的利用效率和被吸收率大大提高。因此，減少全年內(nèi)的每次灌溉量為原灌溉量的一半，既可以滿足玉米對(duì)水分的需求，保證不減產(chǎn)、產(chǎn)量不下降的情況下，還能節(jié)約大量灌溉水資源，令緊繃的生態(tài)環(huán)境得到緩解。通過本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以在當(dāng)?shù)刂贫ê线m的灌溉計(jì)劃，節(jié)省水資源的同時(shí)提高水利用率，提高作物存活量，為穩(wěn)定張掖地區(qū)的生態(tài)平衡和生態(tài)環(huán)境做出微薄的努力。

關(guān)鍵詞：干旱地區(qū);節(jié)水;Hydurs-1D

1引言

在我國(guó)人均含水量稀少的現(xiàn)代，每一滴水都應(yīng)該被珍惜的利用，尤其是在一些水資源稀缺的地區(qū)（例如西北地區(qū)）。

在我國(guó)甘肅省張掖市擁有大型玉米試驗(yàn)田，為典型的綠洲農(nóng)業(yè)。水分在其中起到了調(diào)整和生態(tài)循環(huán)，聯(lián)系了生物與自然。在大片荒漠化的土地之中，綠洲農(nóng)業(yè)在而張掖地區(qū)的灌溉農(nóng)業(yè)中的水資源來自黑河中段，保護(hù)上游生態(tài)情況和根據(jù)不同時(shí)期和地區(qū)的情況制定相應(yīng)的灌溉計(jì)劃也是節(jié)約水資源的好方法。黑河途徑的灌溉區(qū)主要為內(nèi)流河綠洲農(nóng)業(yè)，需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)才能制定出合理的灌溉計(jì)劃。憑借本次實(shí)驗(yàn)對(duì)玉米真實(shí)吸水情況進(jìn)行檢測(cè)和模擬得出的結(jié)論數(shù)據(jù)，可制定合理的灌溉計(jì)劃。在黑河流域地區(qū)，來自祁連山的降水和冰雪融水是全流域唯一的水源。黑河中游地區(qū)作為全國(guó)主要的玉米生產(chǎn)基地之一，消耗了黑河水86%的水資源，其中96%的水是用于灌溉，灌溉水幾乎全部依賴抽取地下水獲得。近幾十年來中游地區(qū)人口和農(nóng)田面積的增加導(dǎo)致了水量稀少，使下游生態(tài)退化。因此抽取地下水灌溉中游作物正顯現(xiàn)出日益增加的重要性。盡管如此由于中游地區(qū)的農(nóng)民普遍采用漫灌的浪費(fèi)灌溉方式，大量灌溉水消耗于蒸發(fā)和深層滲漏。在中游地區(qū)推廣節(jié)水灌溉措施可以有效減少灌溉水損失。能夠有效減少灌溉水浪費(fèi)的方法之一是減少土壤水分深層滲漏。合理利用水資源，將土壤水分深層讓滲漏量減少至最小，對(duì)于灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。準(zhǔn)確估計(jì)作物生育期內(nèi)的蒸散量、土壤儲(chǔ)水量變化和土壤水分深層滲漏量可以為制定科學(xué)合理的灌溉制度提供參考和借鑒，有利于提高灌溉水利用效率。

2文獻(xiàn)綜述

馬莉等（2013）研究了不通過情況的春小麥的生長(zhǎng)情況，對(duì)小麥用水量和產(chǎn)量進(jìn)行了分析。并認(rèn)為420mm是該地區(qū)小麥最佳灌溉量。穗長(zhǎng)隨灌水量的增加而增長(zhǎng)。灌溉定額直接影響了春小麥的籽粒產(chǎn)量，過度干旱和過多灌水都對(duì)春小麥的生長(zhǎng)有一定的抑制作用，延緩了春小麥地上部分重量的累積速率。趙麗雯等（2014）通過水量平衡模型估算了作物生長(zhǎng)的實(shí)際蒸發(fā)量，認(rèn)為在目前灌溉措施下，降雨和灌溉的水量主要蒸發(fā)（60%～80%），深層滲漏（20%～30%），僅有少量水分儲(chǔ)存在土壤區(qū)域（<10%）.這不僅造成了水資源的極大浪費(fèi)，而且滲漏會(huì)帶走土壤養(yǎng)分。趙麗雯等（2015）利用了臨澤地區(qū)玉米和對(duì)應(yīng)土壤的情況，應(yīng)用雙元模型估算了玉米實(shí)際蒸散量。認(rèn)為全生育期玉米共耗水640mm，其中作物蒸騰累積量為467mm，土壤蒸發(fā)累積量為173mm，分別占總量的72.9%和27.1%。李東生等（2015）運(yùn)用HYdrus-1D模擬分析了臨澤縣制種玉米生育期的蒸發(fā)量、蒸騰量和0-1土層的滲漏量分別為：100.3、316.4，和339.5mm，認(rèn)為當(dāng)前灌溉制度下農(nóng)田水分利用率較低，在初生階段減少土壤蒸發(fā)和中后期階段增加灌溉頻率、減少灌溉定額是提高干旱區(qū)灌溉水分利用效率的有效手段。本研究在2014年臨澤灌溉農(nóng)田田間原位觀測(cè)數(shù)據(jù)上利用Hydrus-1D模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬，結(jié)合數(shù)據(jù)與模型分析了玉米的吸水規(guī)律和灌溉水的利用情況，為節(jié)約水資源做出貢獻(xiàn)。

3研究過程

3.1? 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于張掖市臨澤縣中科院綠洲灌溉農(nóng)業(yè)試驗(yàn)田試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)。（100°08'E，39°19'N，海拔1 381m）溫帶大陸性氣候，年均降水110mm左右，降水少。年均氣溫7.6℃，最高氣溫在7 月（39.1℃），最低氣溫在1 月（-27.3℃），土壤主要為砂質(zhì)壤土。地勢(shì)平坦，種植玉米且長(zhǎng)勢(shì)一致。

3.2? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.2.1????? 實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)置

2014年 4月 13日年播種，2014年 9月 28日收獲。

3.2.2????? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源

利用實(shí)驗(yàn)站內(nèi)氣象站自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量降水、氣溫等氣象數(shù)據(jù)。播種后使用測(cè)量從土壤表面至地下1.5m處深土壤含水率（每隔10cm一測(cè)），每隔3-5天測(cè)量一次，如有灌溉則前后都要加測(cè)。

3.2.3????? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)搜集

搜集數(shù)據(jù)時(shí)準(zhǔn)確保證農(nóng)田內(nèi)的管理措施合理，利用監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)彭曼公式計(jì)算每天土壤蒸發(fā)和作物蒸騰，使用地下水位井測(cè)量地下測(cè)定間距，每日一測(cè)。

3.3? 模型介紹

本文研究使用“Hydrus-1D軟件”模擬降水和灌溉水在土壤中的運(yùn)動(dòng)和玉米根系吸水。

3.3.1????? 水分在土壤中運(yùn)動(dòng)的過程可以用公式（1）表示：

公式說明：

θ：土壤含水率（cm3/cm3）

K：水分傳導(dǎo)率（cm/天）

h：土壤吸力（cm）

3.3.2????? 根系吸水量的計(jì)算

可以用公式（2）計(jì)算：

公式說明：

Sp：表示根系最大吸水能力

α：是水分制約因子

h：玉米根系吸收量的時(shí)間

計(jì)算根系吸水時(shí)還考慮了玉米根系隨時(shí)間的生長(zhǎng)變化。

3.3.3????? 水分運(yùn)動(dòng)過程中土壤的水力參數(shù)

由van Genuchten模型得到公式（3）：

公式說明：

θ：飽和含水率（cm3/cm3），

θr：滯留含水率（cm3/cm3），

Ks：飽和導(dǎo)水率模型的上邊界，選擇自由大氣邊界;下邊界選擇可以考慮地下水位，變化的變水頭邊界條件。

綜上所述，我們確定：初始條件為第一次灌溉前測(cè)定的各層土壤含水量值。

4???? 結(jié)果與討論

4.1? 實(shí)驗(yàn)?zāi)甓冉涤炅浚?/p>

如圖1 所示，2014年全年共降雨41天，總降水量共102.8mm，玉米生育期內(nèi)共降水33次，共降雨93.2mm，最大一次降水發(fā)生在7 月22日（18.8m？），降水集中于7-8月，共降水55.4mm。

4.2? 實(shí)驗(yàn)?zāi)甓葰鉁氐挠绊懀?/p>

如圖2 所示2014年平均氣溫8.72℃，氣溫在7 月27日達(dá)到頂峰（38.3℃）以后開始回落。玉米生育期內(nèi)平均氣溫27.9℃。全年氣溫先上升，達(dá)到頂峰后開始降低。

4.3? 實(shí)驗(yàn)?zāi)甓日舭l(fā)/蒸騰的影響：

如圖3 所示，2014年全年蒸發(fā)量為81.27mm，玉米生育期內(nèi)平均蒸發(fā)0.36mm.降水越多，蒸發(fā)量越多，4-9月因地表不裸露，蒸發(fā)量降低，收成后蒸發(fā)量上升。

4.4? 實(shí)驗(yàn)?zāi)甓裙喔葦?shù)據(jù)：

如圖4 灌溉總量示意圖，首次灌溉在4 月10日，每次灌溉量為121.2mm，共灌溉11次，總灌溉量1333.2mm。將0-1.5m的土層按照30cm的深度 間隔 統(tǒng)計(jì) 0cm-30cm、30cm-60cm、60cm-90cm、90cm-120cm、120cm-150cm共五層土壤實(shí)測(cè)的平均含水率。

Hydrus-1D軟件是一款建立水分子運(yùn)動(dòng)模型和模擬分子運(yùn)動(dòng)并得出各層含水率圖形的軟件。

實(shí)測(cè)含水率和模擬含水率隨時(shí)間變化過程，可以看出各層土壤的模擬含水率與實(shí)測(cè)含水率相差無(wú)幾，Hydrus-1D模型還可以準(zhǔn)確地模擬玉米生育期內(nèi)降雨和灌溉水在土壤中的運(yùn)動(dòng)過程。

從地表到地下，土壤的含水率越來越高，越靠近地表，蒸發(fā)對(duì)含水率影響越大，所以0-30cm含水率最低。玉米的根系主要存在于80cm以上的土層，所以90cm以上的土壤含水率較低，證明了玉米根系的吸水性。90cm以下，根系吸收水分效率下降，土壤含水率逐漸上升。受土壤蒸發(fā)和玉米根系吸水影響，90cm以上土層含水率隨時(shí)間的波動(dòng)比較大，90cm以下土層含水率隨時(shí)間變化的波動(dòng)較輕微。

4.4實(shí)驗(yàn)?zāi)甓葷B透量數(shù)據(jù)：

如圖5 所示，運(yùn)用Hydrus-1D軟件，設(shè)計(jì)模型模擬得出的玉米生長(zhǎng)期間每天的土壤蒸發(fā)量、玉米蒸騰量、土壤水存儲(chǔ)量，計(jì)算得到每天從0-1.5m土層滲漏到下面土壤或者地下水的水量，模型模擬得出的蒸騰總量44.8cm，蒸發(fā)總量7.3cm，蒸發(fā)與蒸騰總量為52.0cm。測(cè)量值蒸騰總量為50.2cm，總蒸發(fā)量為8.1cm，蒸騰與蒸發(fā)量為58.3cm，模擬較吻合?，F(xiàn)在的灌溉量情況下，玉米生長(zhǎng)期間總的滲漏量達(dá)到86cm，滲透量與灌溉量比值為64.6%。

以上通過數(shù)據(jù)比對(duì)之后，我們可以發(fā)現(xiàn)：灌溉水中有64.6%的水沒有被玉米吸收到。

4.5? 實(shí)驗(yàn)?zāi)甓葷B透量數(shù)據(jù)：

經(jīng)過4.1至 4.4步驟的研究過程，我們初步可以假定：保持氣溫、降水、等氣象數(shù)據(jù)、玉米品種、作物管理?xiàng)l件保持不變，灌溉次數(shù)保持不變，每次灌溉量下降至原有一半，總灌溉量為66cm。

4.6? 新建模型，比較蒸騰量、蒸發(fā)量、含水率值關(guān)系

重新建立模型，模擬計(jì)算出新的蒸騰量、蒸發(fā)量、含水率值。

模型參數(shù)設(shè)定為：0.5倍現(xiàn)灌溉量條件下，蒸發(fā)總量7.3cm，蒸騰總量46.9cm，總蒸發(fā)量為54.2cm。

0.5倍灌溉量下，蒸發(fā)與蒸騰變化較小說明灌溉量下降對(duì)玉米生長(zhǎng)幾乎沒有影響，也能滿足玉米生長(zhǎng)的水分需求。

4.6.1????? 蒸騰量、蒸發(fā)量、含水率值關(guān)系

如圖6 所示，使用新建模型可得出，在只需之前0.5倍的灌溉量的條

件下，滲漏到地下水中的灌溉水量只有16.8cm，滲漏量與灌溉量的比值為25.4%，證明灌溉水中有25.4%沒有被玉米利用。

5???? 結(jié)論

5.1? Hydrus-1D模型

建立的Hydrus-1D模型可以很好地模擬研究區(qū)玉米生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不同深度土壤中水分的吸收過程和玉米根系對(duì)水分的吸收利用。

5.2? 灌溉水調(diào)整

玉米生長(zhǎng)過程內(nèi)共灌溉11次，每次灌溉12.12cm，總灌溉量為133.3cm，滲透量為86.1cm，有64.6%的水分沒有被玉米利用到。將每次灌溉量減少到6cm，玉米蒸騰與蒸發(fā)量與原灌溉量的蒸發(fā)蒸騰量相差不大，說明了0.5倍灌溉量也能滿足玉米生長(zhǎng)過程的需水量，此時(shí)滲漏量為16.8cm，只有25.4%的水分沒被根系吸收。說明可以將該灌溉區(qū)的灌溉量下調(diào)6cm，既能保證玉米需水量，提高灌溉水的利用率、節(jié)約水資源。

6???? 創(chuàng)新點(diǎn)與展望

6.1? 創(chuàng)新

本文作者通過對(duì)數(shù)篇張掖地區(qū)種植土壤的論文的研究，綜述總結(jié)水

分子在土壤中運(yùn)動(dòng)的過程，提煉總結(jié)水分子的活動(dòng)率和土壤的不同區(qū)間的含水率，最終得到詳細(xì)的數(shù)據(jù)證明干旱地區(qū)水資源利用的依據(jù)。

6.2? 展望

本文作者希望能將提煉總結(jié)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用到我國(guó)廣袤的干旱地區(qū)的種植業(yè)上，為水資源的充分利用和環(huán)境保護(hù)業(yè)上做出貢獻(xiàn)，為保護(hù)自然生態(tài)的平衡盡一份自己的綿薄之力。更希望，在今后高中乃至大學(xué)學(xué)習(xí)中，一直關(guān)注該領(lǐng)域的科研成果，未來從事環(huán)境和科學(xué)研究工作，

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