引黄畦灌土壤水分变化特征及作物耗水规律研究

孙耀民，王 勇，周宇伟，胡雅琪，赵永安

0 引 言

目前，全世界有90%的灌溉面积采用的是不同形式的地面灌溉方式。畦灌是通过田埂将耕地分割成长条的田块，灌溉水流在重力作用下向畦尾推进并不断渗入土壤的灌溉方式，田间工程简单，投资小而被广泛使用[1-3]。灌溉的目的是为了满足作物正常生长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较好的分布在一定的土层范围，另一方面也要使得水分最大限度地被作物吸收，减少灌溉水的深层渗漏。研究表明，畦田规格和灌水技术参数对灌水质量有重要的影响[4]。李益农等[5]以数值模拟方法求解田间水流运动方程，分析并讨论了田面平整精度与畦灌系统性能间的定量关系。结果表明，田面平整精度改善下的灌溉效率可提高34%，灌水均匀度可提高28%。洪瑜等[6]研究了不同畦灌方式下冬小麦主要生育期的耗水规律，结果表明灌浆期小麦对水分需求最大，同时提出了适宜当地入畦单宽流量。本文通过开展冬小麦田间试验，监测田间土壤含水率，对引黄畦灌条件下沿畦长方向的土壤剖面水分变化与冬小麦耗水规律进行了研究。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本田间试验在山西省运城市尊村引黄灌区进行，尊村引黄工程设计灌溉面积11.066 7×104hm2，5个县农业工业从中受益，是山西省重要的粮食、经济作物种植基地。试验区地势平坦，土壤质地优良，光照充足，是典型的暖温带大陆性季风气候，年内降水分布不均匀，多年平均降水量525 mm；日照时长为2 039.5 h，年均气温为13.3℃，无霜期212 d。运城市年平均水资源利用总量为106 795×104m3，其中地表水资源年均利用量26 177×104m3，提引黄河水16 956×104m3，提引黄河水约占地表水的65%；地下水年均利用量为80 618×104m3，占总用水量的75.5%，开发利用程度在全省最高。试验区域粮食经济作物种类繁多，其中夏玉米(6月初至10月初)和冬小麦(10月初至来年6月初)连作方式是最主要粮食作物种植模式。

1.2 测点布置及测定方法

以冬小麦作为研究对象，对田间土壤水分分布和作物耗水规律进行研究。使用TDR时域反射法对土壤水分进行测定，沿畦长方向进行测点布置，每隔50 m布置一个测点，对每个测点深100 cm的土层每10 cm进行一次含水率测定。试验前对距测点50 cm取土，通过烘干法进行土壤含水率测量，测量结果用于TDR反射法的标定。土壤含水率监测时间为每周三与周日；若进行田间灌溉或有降雨时，在灌水降雨前后进行含水率监测；降雨量、气温、风速等气象数据通过试验区的小型气象站获取。

1.3 计算方法

有效灌溉或降水量的计算如下[4-5]：

P0=F-D

(1)

(2)

式中：P0为有效灌水量或降雨量，m；F为灌水量；D为土壤深层渗漏，mm；θ后为灌水后或降雨后的土壤含水率，%；θ前为灌水前或降雨前的土壤含水率，%；Si为所测土层厚度，mm。

日均作物腾发计算[6]：

(3)

式中：I为灌溉量，mm；P为降水量，mm；D为深层渗漏量，mm；θ1、θ2为在时间1和时间2时的体积含水率；Si为对应土层厚度，mm；%：t为两个连续测量的时间间隔，d；n为层数。

参考作物腾发量使用Penman-Monteith公式计算[7]：

(4)

式中：ET0为参考作物腾发量，mm；Δ为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率,kPa/℃；Rn为植被表面净辐射量，MJ/m2d；G为土壤热通量，MJ/m2d；γ为温度计常数，kPa/℃；T为空气平均温度，℃；u2为在地面以上2 m高处的风速，m/s；es为空气饱和水汽压，kPa；ed为空气实际水汽压，kPa。

作物系数可以通过单作物系数方法和双作物系数方法计算[8,12]。在本文中根据单作物系数方法，利用水平衡方法式(3)计算的ETc和Penman-Monteith公式计算的ET0计算作物系数，如下：

(5)

式中：ETc和ET0为在不同生长阶段的作物腾发和参考作物腾发。

式(5)中作物系数Kc包括土壤和作物蒸发的影响。

2 结果与分析

2.1 冬小麦沿畦长土壤水分动态变化规律

图1为所布置监测点处100 cm土层土壤体积含水率随时间变化图。随着土层深度增加，表层土壤含水率具有明显的高低变化，并且高值与低值的区域范围较小，中层土壤含水率的变化范围扩大，而底层土壤含水率在较大范围内变化不明显。0～10、10～20 cm处的土层在沿畦长方向上随时间变化具有很好的一致性，同时也反映不同时间的灌水量变化情况；20～40 cm处土层体积含水率随时间变化逐渐不明显；而40 cm以下的土层基本不随时间变化，也即不随灌水量而变化，分析其原因耕作层(表土层)由于经常翻耕土质疏松，土壤渗透率好；30cm土层处受农机耕犁压实形成犁底层，通气透水性不良，影响耕作层与心土层的物质与能量交换。所以从此处开始，土壤体积含水率随时间变化不明显，40cm以下的土层土壤体积含水率与土层深度和灌水量的关系不明显，从畦首到畦尾各观测点各同层土壤的体积含水率趋势相同，基本稳定 在0.25。

2.2 冬小麦生育期内腾发特征

图2为沿畦长方向的冬小麦平均蒸腾量随时间变化图。冬小麦在返青期到收获期，平均日腾发量在0.75～5.69 mm之间。

图2 冬小麦各监测点平均腾发量随时间分布图

从图2中可知，2月17日至4月8日，各监测点的日蒸腾量变化不大，基本在2.27 mm左右，此时段为冬季与初春时节，气温较低，风速较大，而冬小麦处于出苗-拔节期，用于生长的腾发量不大。随着小麦进入快速生长阶段，腾发量逐渐增大，加之此阶段内气温逐渐升高，所以从4月8日开始小麦蒸腾量快速增加，期间5月10日左右，当地降雨量大导致蒸发量较小，小麦腾发量有所降低。5月20日以后，由于小麦进入成熟收获期，用于作物本身的腾发量不断减少导致此阶段内小麦腾发量快速降低。另外，从图2在所布置的6个观测点的蒸腾量随时间的变化趋势具有一致性，通过计算同一时间不同监测点之间腾发量的变异系数，在全部28个时间点上，弱变异有8个，中等变异有20个，见图3。同时比较冬小麦腾发量与变异系数随时间变化的关系图可知，腾发量与变异系数存在相反的变化趋势，腾发量越大其相对应的变异系数就越小，反之腾发量小的其变异系数就越大。

图3 冬小麦沿畦长各点变异系数随时间分布图

表1列出了冬小麦后4个生育阶段腾发量ETc、参考作物腾发量ET0以及作物系数Kc。

表1 冬小麦返青-收获期腾发量、参考作物腾发量以及作物系数

由表1可以看出，拔节-抽穗期是冬小麦腾发量最大的生育期，平均为108.42 mm；灌浆-收获期冬小麦腾发量最小，平均为70.71 mm。通过气象数据并根据Penman-Monteith公式计算的参考作物腾发量，得到后4个生育期的作物系数，冬小麦在拔节-抽穗期和抽穗-灌浆期的生长系数大于1，为1.17和1.14，说明在这两个生育期内小麦的腾发量大于参考作物腾发量，返青-拔节期的腾发量基本与参考作物腾发量相等；4个生育期总的腾发量为333.47 mm，平均作物系数为1.05，实际腾发量略大于参考作物腾发量。

冬小麦从返青期到收获期，灌溉水量以及降雨总共为369.21 mm。第一次灌溉田间深层渗漏为21.21 mm，占灌水量的22.09%；第二次田间灌溉深层渗漏为26.02 mm，占灌水量的27.1%，说明在灌水及降雨量大的情况下极易发生深层渗漏。

3 结 论

1) 冬小麦日平均腾发量随生育期的不同而变化，在全生育期初期变化较小，随着小麦的快速生长逐渐增加，至成熟收获期腾发量逐渐减小，平均总腾发量为350.17 mm。

2) 在所布置的6个观测点处的腾发量在时间轴上的变化有很好的一致性。同时比较冬小麦腾发量与变异系数随时间的变化，二者存在相反的变化趋势，腾发量越大其相对应的变异系数就越小；反之腾发量小的其变异系数就越大。

3) 本文采用田间试验的方法，对引黄灌区冬小麦粮田沿畦长方向土壤剖面水分变化与作物腾发等内容进行了研究。但本试验所研究的只是各个生育期，并没有对全育期进行研究分析，所以所得结论还有待进一步的试验验证。