韓紅亮， 王雪梅

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

“節(jié)水優(yōu)先” 是新時(shí)代治水方針的重要內(nèi)容，我國農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的60%以上， 因此做好農(nóng)業(yè)節(jié)水對促進(jìn)全國節(jié)水工作具有重要意義，通過做墑情預(yù)報(bào)提前預(yù)測土壤含水量， 進(jìn)而采取精準(zhǔn)、 及時(shí)的灌溉措施是促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水的有效措施，所謂墑情，即土壤含水率。 土壤墑情預(yù)報(bào)的研究已有200 多年的歷史，取得了一系列的成果。 發(fā)展至今， 墑情預(yù)報(bào)的主要方法有確定性模型和隨機(jī)性模型，確定性模型主要包括水量平衡模型、土壤水動力學(xué)模型、SPAC 水熱耦合傳輸模型等，隨機(jī)性模型主要包括數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型、 隨機(jī)水量隨機(jī)模型隨機(jī)土壤水動力學(xué)模型等[1]。 1802 年道爾頓（Doulton） 提出了道爾頓蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算公式，說明了影響作物騰發(fā)量的影響因素包括氣象因素、土壤因素和作物因素。 1948 年彭曼（Penman）提出了Penman 公式，為計(jì)算參考作物騰發(fā)量提供了計(jì)算模型。1963 年蒙特斯（Monteith）在研究作物蒸發(fā)蒸騰時(shí)引入表面阻力的概念， 導(dǎo)出了Penman-Monteith 公式。 Jackson 等[2]基于植冠溫度的研究，提出了作物水分脅迫指數(shù)（CWSI）的概念，該指數(shù)的提出， 證明了缺水指數(shù)與土壤含水量有較好的關(guān)系；1985 年Hargreaves 和Samain 共同提出了Hargreaves 模型[3]，尚松浩將Hargreaves 公式進(jìn)行了修正，并提出了Hargreaves 的通用模型。 康紹忠[4-5]將土壤水分的模擬分為趨勢項(xiàng)、周期項(xiàng)和時(shí)間項(xiàng)，提出了時(shí)間序列模型。Danior[6]研究了在土壤多樣性和騰發(fā)量不確定性條件下， 土壤墑情的時(shí)間和空間方面的預(yù)報(bào)。 黃冠華等[7]利用彭曼公式，將作物系數(shù)擬合成隨時(shí)間變化的函數(shù)， 來預(yù)測土壤含水率，精度在95%以上；茆智[8]提出了預(yù)測騰發(fā)量的指數(shù)模型， 該模型用多年氣象數(shù)據(jù)來預(yù)測今后的參考作物騰發(fā)量，當(dāng)代一些學(xué)者仍在使用[9-10]。尚松浩等[11]采用土壤水分消退指數(shù)曲線建立了土壤墑情預(yù)報(bào)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?以上模型在墑情預(yù)報(bào)工作中有著較為廣泛的應(yīng)用， 取得了較好的實(shí)踐效

果[12-13]。

但不同的預(yù)測方法在精度上存在著差別，甚至有的預(yù)測方法本身就存在著地域性的限制。 為幫助基層遴選較為簡便操作的墑情預(yù)報(bào)模型，本文以滄州地區(qū)的土壤墑情的變化規(guī)律為研究對象，對比了2 種土壤墑情預(yù)報(bào)方法，在一定程度上可以為北方地區(qū)土壤墑情預(yù)報(bào)提供理論依據(jù)，對該地區(qū)的節(jié)水灌溉具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于河北省南皮縣馮家口鎮(zhèn)， 距滄州市約40km 處[14]，地處北緯38°06′，東經(jīng)116°40′。試驗(yàn)區(qū)為典型環(huán)渤海缺水鹽漬化類型區(qū)， 土壤多為脫鹽潮土，有部分鹽化潮土和濱海鹽土，耕地土壤為輕質(zhì)壤土，土壤田間持水量32%（體積含水率），土壤干容重1.49g/cm3。 海拔在8m 左右，年降水量400—550mm。

南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站內(nèi)36 個(gè)實(shí)驗(yàn)小畦 （測坑），均為2.2m×3.0m 無底測坑。 共A、B 、C、D 等4個(gè)系列，每系列9 個(gè)測坑。其中A 系列和C 系列安裝了遮雨棚，36 個(gè)小畦中均種植棉花。由于實(shí)驗(yàn)時(shí)部分測坑被占用， 且有2 個(gè)測坑試驗(yàn)期間不慎進(jìn)水，故本文選取A1—A5，A8 共6 個(gè)連續(xù)測坑開展試驗(yàn)。

該試驗(yàn)站裝有自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)， 監(jiān)測內(nèi)容包括日照、 風(fēng)速、 氣溫、 濕度等； 土壤墑情采用Dviner 快速測量系統(tǒng)監(jiān)測，由工作人員每日監(jiān)測土壤含水率； 試驗(yàn)站工作人員進(jìn)行每天的天氣狀況記錄。 本文研究的數(shù)據(jù)均來自試驗(yàn)站1954—2016年的氣象數(shù)據(jù)、2018 年天氣記錄， 以及2018 年墑情監(jiān)測站測得的數(shù)據(jù)。

本文開展的墑情預(yù)報(bào)， 是對逐日土壤含水率的預(yù)報(bào)。

1.2 研究方法

1.2.1 用ET0 指數(shù)模型預(yù)測土壤墑情

指數(shù)模型是利用滄州地區(qū)多年的氣象數(shù)據(jù)來預(yù)測今后的該地區(qū)參考作物騰發(fā)量， 通過計(jì)算作物的蒸發(fā)量，來預(yù)測土壤逐日的含水率。

參考作物騰發(fā)量計(jì)算采用FAO 推薦的彭曼公式：

式中：ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；

Δ 為溫度-飽和水汽壓關(guān)系曲線上在T處的切線斜率，kpa/℃；T為平均氣溫，℃；ea為飽和水汽壓，kPa；ed為 實(shí) 際 水 汽 壓，kPa；Rn為 凈 輻 射，MJ/m2·d；G為土壤熱通量，MJ/m2·d；u2為2m 高處的風(fēng)速，m/s；γ 為溫度表常數(shù)，kPa/℃（可由高程和溫度計(jì)算得出）。

茆智于1995 年提出的ET0的指數(shù)模型：

式中：ET0m為多年平均最大旬參考作物騰發(fā)量平均值，mm/d；I為日序數(shù)（元月1 日為1）；Im為歷年中出現(xiàn)之日的序數(shù)；A為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)， 華北平原取112；ψi第i天天氣類型的修正系數(shù)。

作物實(shí)際騰發(fā)量的計(jì)算公式：

式中：ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm /d；KC為作物系數(shù)；KS為土壤水分修正系數(shù)，按（4）計(jì)算。

式中：θi第i日實(shí)際土壤含水率， 以占田間持水量的百分?jǐn)?shù)計(jì)，%；θc土壤水分脅迫臨界含水率，旱作物為占田間持水量的60%；ε 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)， 旱作物為0.89。

1.2.2 用消退指數(shù)法預(yù)測土壤墑情

在有水分脅迫的條件下， 蒸騰量與土壤含水率之間近似直線關(guān)系：式中：W為根系層貯水量，mm；t為時(shí)間，d；k為土壤水分消退指數(shù)。

在不考慮降水及灌溉的條件下：

式中：Wt，Wt+1分別為第t天和第t+1 天的土壤根系層貯水量，mm。

由前期的水分資料，使用式（5）、（6）來擬合消退指數(shù)的發(fā)展變化規(guī)律曲線，再用式（7）來反推其后的消退變化：

2 墑情預(yù)報(bào)的分析和比較

2.1 用ET0 指數(shù)模型法預(yù)測土壤墑情

我國泊頭氣象站距離試驗(yàn)區(qū)15km， 兩地的氣象資料具有一致性。 借用滄州泊頭站1954—2016年的氣象資料，通過式（1）計(jì)算逐日的參考作物騰發(fā)量， 計(jì)算每年的參考作物騰發(fā)量最大旬的平參考作物騰發(fā)量，求其均值即式（2）的ET0m，每年發(fā)生的ET0m日序數(shù)（每年的1 月1 日的日序數(shù)為1，依次類推）， 多年發(fā)生ET0m日序數(shù)的平均值即Im。即可求得式（2）的各個(gè)參數(shù)。 然后式（3）計(jì)算逐日騰發(fā)量。

經(jīng)計(jì)算， 該地區(qū)多年平均最大旬參考作物騰發(fā)量平均值為7.42mm/d， 對應(yīng)的歷年中出現(xiàn)ET0m之日的序數(shù)為163，發(fā)生在6 月上旬，則計(jì)算得到該地區(qū)ET0i的計(jì)算式為

根據(jù)2018 年的天氣記錄，查的天氣類型修正系數(shù)見表1。

2018 年5 月28 日到6 月16 日棉花處于苗期生長階段， 此階段內(nèi)棉花的作物系數(shù)為0.731，此階段的土壤系數(shù)由式（4）根據(jù)當(dāng)日的根系層平均含水率逐日計(jì)算。 試驗(yàn)站土壤的田間持水量為32%（體積含水率），故

表12018 年試驗(yàn)站天氣情況及修正系數(shù)

式中：θi為土壤體積含水率，%。

以2018 年5 月28 日為起始日期， 逐日預(yù)測各畦的土壤含水率，并與6 月8 日，6 月16 日各畦的實(shí)測墑情進(jìn)行比較。 由于該期間A6、A7、A9 畦下雨時(shí)不慎進(jìn)水， 故不再對這三個(gè)畦的墑情做預(yù)報(bào)。 預(yù)測各畦6 月8 日和6 月16 日的土壤含水率見表2。

表2 指數(shù)模型法預(yù)測結(jié)果

2.2 用消退指數(shù)模型預(yù)測土壤墑情

根據(jù)A1—A8（除A6、A7、A9外）各畦的4 月22日—5 月28 日（此階段各測畦均未灌水）日的作物根系層的貯水量（水層深度），計(jì)算逐日的消退指數(shù)值，將消退指數(shù)的變化擬合成與時(shí)間的函數(shù)，然后根據(jù)此函數(shù)的變化趨勢， 計(jì)算未來的消退指數(shù)值，最后使用式（7）計(jì)算未來某天的貯水量，并計(jì)算土壤的平均含水率（期間無灌水，故P=0，I=0）。

擬合的A系列的6 個(gè)小畦消退指數(shù)曲線，如表3。

表3 消退指數(shù)擬合曲線

根據(jù)擬合成的消退指數(shù)函數(shù)，由式（7）計(jì)算6月8 日和6 月16 日的土壤貯水量和土壤含水率，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 消退指數(shù)法預(yù)測結(jié)果

2.3 比較分析

（1） 分別將兩種預(yù)報(bào)方法的預(yù)測值與實(shí)測值比較，采用t檢驗(yàn)方法將墑情的預(yù)測值與實(shí)測值進(jìn)行比較，進(jìn)而反映兩種模型的預(yù)測精度。 經(jīng)比較，發(fā)現(xiàn)這兩種方法對6 月8 日墑情的預(yù)測， 均無顯著性差異， 對6 月16 日的預(yù)測， 誤差均值有顯著性差異，分析結(jié)果見表5。

表5 兩種方法預(yù)測精度比較表

（2）用最小二乘法分析兩種方法的預(yù)報(bào)誤差，即對各畦預(yù)測誤差的平方和進(jìn)行比較，結(jié)果表明，對6 月16 日墑情的預(yù)測，前者的誤差平方和大于后者誤差平方和， 可見指數(shù)模型法在預(yù)測初期效果較好，預(yù)測后期誤差比消退指數(shù)法要大，計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 預(yù)測方案誤差平方和

3 結(jié)論

（1）經(jīng)過t檢驗(yàn)分析，兩種預(yù)測方法的預(yù)測值與相應(yīng)的實(shí)測值均無顯著性差異， 證明兩種方法均適用于滄州地區(qū)的墑情預(yù)報(bào)。

（2）通過對兩種方法預(yù)報(bào)精度的t檢驗(yàn)，表明在預(yù)測較長時(shí)間的墑情時(shí)， 消退指數(shù)法的預(yù)報(bào)精度要高于指數(shù)模型法。

4 有待研究的問題

指數(shù)模型預(yù)測墑情的基本原理， 是通過計(jì)算逐日作物騰發(fā)量來預(yù)測含水率， 因?yàn)槊刻斓念A(yù)測值都可能有一定的誤差， 所以， 當(dāng)預(yù)測時(shí)段較長時(shí)，該模型的誤差可能會逐漸增大，如何解決這個(gè)問題，有待繼續(xù)研究。 □