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(zhǎng)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(jiǎn)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(zhǎng)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(duì)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(dòng)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(duì)水分需求最大，同時(shí)提出了適宜當(dāng)?shù)厝肫鑶螌捔髁?。本文通過開展冬小麥田間試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)田間土壤含水率，對(duì)引黃畦灌條件下沿畦長(zhǎng)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(shì)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(zhǎng)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(cè)點(diǎn)布置及測(cè)定方法

以冬小麥作為研究對(duì)象，對(duì)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(duì)土壤水分進(jìn)行測(cè)定，沿畦長(zhǎng)方向進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，每隔50 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)深100 cm的土層每10 cm進(jìn)行一次含水率測(cè)定。試驗(yàn)前對(duì)距測(cè)點(diǎn)50 cm取土，通過烘干法進(jìn)行土壤含水率測(cè)量，測(cè)量結(jié)果用于TDR反射法的標(biāo)定。土壤含水率監(jiān)測(cè)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(cè)；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(cè)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(duì)應(yīng)土層厚度，mm；%：t為兩個(gè)連續(xù)測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)土壤水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

圖1為所布置監(jiān)測(cè)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(zhǎng)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(cè)點(diǎn)各同層土壤的體積含水率趨勢(shì)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(zhǎng)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(cè)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(cè)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(zhǎng)的騰發(fā)量不大。隨著小麥進(jìn)入快速生長(zhǎng)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(cè)點(diǎn)的蒸騰量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)具有一致性，通過計(jì)算同一時(shí)間不同監(jiān)測(cè)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(shì)，騰發(fā)量越大其相對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)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(shì)，騰發(fā)量越大其相對(duì)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。

3) 本文采用田間試驗(yàn)的方法，對(duì)引黃灌區(qū)冬小麥糧田沿畦長(zhǎng)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(duì)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。