干旱區(qū)不同地下水位對棉花膜下滴灌灌溉制度的響應(yīng)研究

魏光輝

(新疆塔里木河流域管理局， 新疆 庫爾勒 841000)

干旱區(qū)不同地下水位對棉花膜下滴灌灌溉制度的響應(yīng)研究

魏光輝

(新疆塔里木河流域管理局， 新疆 庫爾勒 841000)

地下水埋深對作物灌溉制度的制定及土壤次生鹽堿化的防治具有重要影響。為研究不同地下水位對棉花膜下滴灌灌溉制度的影響，本文以新疆孔雀河流域為研究區(qū)，利用HYDRUS-2D軟件對不同地下水位下的土壤含水率動態(tài)進行模擬，結(jié)果表明：地下水埋深為1m時，地下水對土壤水的補給作用較強，灌溉定額3000m3/hm2較為適宜；地下水埋深為2.0m時，灌溉定額4500m3/hm2較為適宜，此時棉花基本不受水分脅迫；地下水埋深為3m時，地下水對土壤水已無補給作用，灌溉定額5550m3/hm2較為合適，此時水分脅迫時間累計14d。研究結(jié)果為指導(dǎo)當(dāng)?shù)厮Y源開發(fā)利用及棉花種植業(yè)提供了重要參考。

干旱區(qū)； 棉花； 灌溉制度； 研究

新疆孔雀河流域地處塔里木盆地北緣，氣候干旱少雨，棉花是該地區(qū)種植的主要經(jīng)濟作物。由于孔雀河流域水資源相對匱乏，故開展棉花節(jié)水灌溉制度研究對于區(qū)域水資源的合理開發(fā)利用、提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率及灌區(qū)水資源規(guī)劃具有重要意義。

目前，國內(nèi)外關(guān)于不同作物灌溉制度的研究方法總體來講，大致可歸納為以下兩類：第一類為大田試驗法，例如，孫雪梅[1]等采用自動稱重式蒸滲儀研究了玉米噴灌灌溉制度，研究發(fā)現(xiàn)適度減少噴灌灌水定額，可減少作物騰發(fā)量，提高水分利用效率，且作物不減產(chǎn)；陶君[2]等對辣椒微咸水膜下滴灌灌溉制度進行了研究，發(fā)現(xiàn)利用礦化度為1.60g/L的咸淡水混合灌溉模式，作物產(chǎn)量較高、品質(zhì)較好；王峰[3]等采用主成分法研究了溫室番茄的虧缺灌溉制度，發(fā)現(xiàn)在作物開花和果實膨大期適當(dāng)減少灌水量，可使果實品質(zhì)最優(yōu)，經(jīng)濟效益較好，此時節(jié)約灌水56mm。第二類為數(shù)學(xué)模型法，例如，王文佳[4]等利用DSSAT作物模型研究了不同水文年冬小麥灌溉制度；湯廣民[5]采用動態(tài)規(guī)劃方法對淮北平原主要農(nóng)作物在不同水文年的灌溉制度進行了優(yōu)化；馮紹元[6]等以石羊河流域春小麥咸水非充分灌溉制度為例，利用SWAP模型對不同水文年與灌水方案下的土壤水鹽、作物產(chǎn)量和水分利用效率進行了模擬研究。盡管如此，上述研究均未考慮地下水對作物灌溉制度的影響。

由于在不同地下水位，土壤水與地下水的相互作用程度不盡相同，導(dǎo)致作物所需灌溉水量也各不相同[7]。通過制定科學(xué)合理的灌溉制度，發(fā)揮地下水對土壤水的調(diào)節(jié)作用及作物自身在不同生育階段的耐旱性，可提高水分利用效率并實現(xiàn)作物穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn)。鑒于此，本文以當(dāng)?shù)孛藁ǚN植中普遍采用的灌溉定額4500m3/hm2為標準，利用HYDRUS-2D軟件對研究區(qū)不同地下水位(1m、2m與3m)土壤含水率動態(tài)變化開展數(shù)值模擬，以期為區(qū)域水資源的開發(fā)利用與棉花種植業(yè)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

田間試驗地理位置為東經(jīng)86°12′、北緯41°36′，研究區(qū)位于孔雀河流域的庫爾勒市西尼爾鎮(zhèn)，屬暖溫帶大陸性荒漠氣候，年均氣溫11.50℃，降水量55.60mm，蒸發(fā)量2750mm，日照時數(shù)3036.20h，無霜期191天。

研究區(qū)土壤質(zhì)地為砂壤土，肥力較差。地下水平均埋深1.2～2m，棉花種植模式采用“一膜一管四行”(見圖1)，棉花品種為當(dāng)?shù)仄毡榉N植的新陸中21號，全生育期134天。棉花播種時間為4月中旬，6月中旬開始灌溉，灌溉水源為孔雀河地表水，河水礦化度為0.90g/L，灌溉方式為滴灌，滴頭設(shè)計流量為3.20L/h，設(shè)計工作壓力0.01MPa。

圖1 棉花種植模式(單位：cm)

1.2 棉花灌溉制度

根據(jù)研究區(qū)調(diào)查結(jié)果，選取當(dāng)?shù)仄毡椴捎玫墓喔榷~4500m3/hm2，灌溉制度見表1。

表1 棉花生育期灌概制度

1.3 作物騰發(fā)量確定

根據(jù)當(dāng)?shù)貙崪y氣象資料，利用Penman-Monteith公式計算ET0日值。此外，結(jié)合實測土壤蒸發(fā)量，確定棉花生育期內(nèi)(6月10日—9月7日)騰發(fā)量變化值(見表2)。

表2 棉花生育期耗水量動態(tài)

1.4 模擬情景假設(shè)

考慮到地下水與土壤水的相互影響，在利用HYDRUS-2D軟件模擬棉花生育期土壤含水率動態(tài)變化過程時，形成表3所列設(shè)計方案

表3 設(shè)計方案

1.5 模擬結(jié)果評價

以棉花窄行中間位置30cm深度的土壤含水率(以下簡稱關(guān)鍵點含水率)為依據(jù)進行判別，由于該處棉花根系密度最大，并處于內(nèi)、外2行棉花根系吸水交匯區(qū)，因此選擇該處的土壤含水率值作為判斷棉花缺水與否的標準。棉花適宜的土壤含水量下限見表4。

表4 不同生育期土壤含水量下限適宜值

對模擬結(jié)果中關(guān)鍵點含水率大于上限(田間持水率22.20%)或小于下限(見表4)時的持續(xù)時間進行統(tǒng)計得到總的時間(d)，并以此作為表3中各方案優(yōu)劣的評價標準。

2 模擬模型

為簡化模型計算，在保證精度前提下，將滴灌灌水過程概化為線源入滲過程。將三維土壤水分運動過程概化為二維流，利用HYDRUS-2D軟件模擬，模擬時段為6月10日—9月7日。

2.1 模型選取

HYDRUS-2D模型在模擬土壤含水率動態(tài)變化時通常采用Van Genuchten方程求解特征曲線等參數(shù)。

(1)

(2)

(3)

(4)

以上式中θ——土壤含水率，cm3/cm3；

θs——飽和含水率，cm3/cm3；

θr——殘余含水率，cm3/cm3；

h——土壤水勢，cm；

α——進氣值倒數(shù)；

n——孔徑指數(shù)；

m——方程參數(shù)；

l——經(jīng)驗系數(shù)，一般取0.5；

K——非飽和導(dǎo)水率，cm/d；

Se——有效含水率，cm3/cm3。

本文利用張力計法對研究區(qū)土壤水分特征脫濕曲線進行測定，采用RETC擬合Van Genuchten方程的水分特征曲線參數(shù)，根據(jù)實測土壤飽和導(dǎo)水率，計算得到飽和含水率θs為0.32cm3/cm3、殘余含水率θr為0.05cm3/cm3、α為0.03cm、n為1.45、飽和導(dǎo)水率Ks為2.50m/d、土壤田間持水量為0.22cm3/cm3。

假設(shè)土壤為均質(zhì)多孔介質(zhì)，不考慮氣體及熱量對土壤水運動的影響，將土壤水概化為垂向的一維運動，土壤水分運動模擬采用改進Richards方程。

2.2 模型初始及邊界條件

棉花播種后至苗水灌溉前(4月15日—6月9日)，棉苗主要消耗前期的土壤儲存水分，可視為定水位下自由蒸發(fā)與排泄的剖面土壤含水率消退過程，并以此作為HYDRUS-2D軟件進行土壤含水率動態(tài)模擬的初始含水率。此外，考慮到土壤含水率的無后效性，可忽略不計土壤初始含水率誤差對模型后續(xù)模擬精度的影響。

由于研究區(qū)土質(zhì)為砂壤土，土壤滲砂透性較強，故上邊界為通量已知的第二類邊界。在模擬期內(nèi)(6月10日—9月7日)輸入逐日灌水量、ET0等上邊界通量值，下邊界設(shè)為定水位埋深(分別為1m、2m與3m)，模擬不同地下水位對土壤含水率的動態(tài)響應(yīng)。

3 結(jié)果分析

以當(dāng)?shù)仄毡椴捎玫墓喔榷~4500m3/hm2為標準，結(jié)合表1中的棉花灌溉制度，利用HYDRUS-2D軟件對不同地下水位(1m、2m與3m)下土壤含水率的動態(tài)變化進行模擬與修正。

3.1 地下水埋深1m

當(dāng)?shù)叵滤裆顬?m時，利用表1中的不同生育階段灌溉定額分配比例，將灌水量輸入HYDRUS-2D模型，得到此時的關(guān)鍵點土壤含水率動態(tài)變化(見圖2)。

圖2 處理1土壤含水率變化

由圖2可知，在生育期內(nèi)，處理1的土壤含水率在適宜含水率的上限波動。特別是灌水后，土壤含水率明顯大于上限值，表明土壤含水率受到了地下水的強烈頂托補給。此時棉花雖未受到水分脅迫，但由于土壤含水率較高，土壤無效耗水增大(主要是灌溉水深層滲漏與土壤水蒸發(fā)強烈)。此外，由于棉花根系始終處于高含水率狀態(tài)，將對根系呼吸產(chǎn)生極為不利影響。因此，當(dāng)?shù)叵滤裆顬?m時，處理1的灌溉定額明顯偏大，此時采用試算法對處理1的灌溉定額進行修正(灌溉制度仍然采用表1數(shù)據(jù))，最終得到棉花在地下水埋深為1m時的適宜灌溉定額為3000m3/hm2，此時關(guān)鍵點土壤含水率的動態(tài)變化見圖3。

圖3 處理1優(yōu)化后土壤含水率變化

由圖3可知，在整個生育期內(nèi)，土壤含水率始終維持在棉花根系生長的適宜區(qū)間內(nèi)，根系不僅未受到水分脅迫，而且滿足根系呼吸要求。因此，當(dāng)?shù)叵滤裆顬?m時，灌溉定額為3000m3/hm2是合適的。

3.2 地下水埋深2m

當(dāng)?shù)叵滤裆顬?m時，利用表1中的不同生育階段灌溉定額分配比例，將灌水量輸入HYDRUS-2D模型，對棉花根系土壤含水率進行模擬，結(jié)果見圖4。

圖4 處理2土壤含水率變化

由圖4可知，與處理1相比，地下水埋深增加后，處理2在部分時段的土壤含水率低于作物正常生長所要求的下限值(即棉花出現(xiàn)水分脅迫現(xiàn)象)，累計時間為12天，這將造成棉花的輕度減產(chǎn)。

通過分析土壤含水率的動態(tài)變化，在保持灌溉定額不變及保證棉花不受水分脅迫的情況下，調(diào)整生育期內(nèi)各階段灌水量，經(jīng)優(yōu)化后的灌溉定額模比系數(shù)(灌水定額)見表5，根據(jù)表5再次對處理2的土壤含水率進行模擬，結(jié)果見圖5。

表5 膜下滴灌棉花灌概制度(優(yōu)化后)

圖5 處理2優(yōu)化后土壤含水率變化

由圖5可知，通過對灌溉制度的優(yōu)化，棉花受水分脅迫時間減少到2天，且在不連續(xù)的2次灌水周期內(nèi)，較優(yōu)化前減少了10天，這表明通過調(diào)整生育期內(nèi)各階段灌水量，可起到調(diào)控棉花受水分脅迫的時間，進而達到提高水分利用效率與實現(xiàn)棉花穩(wěn)產(chǎn)的目的。

3.3 地下水埋深3m

當(dāng)?shù)叵滤裆顬?m時，利用表1中的不同生育階段灌溉定額分配比例，將灌水量輸入HYDRUS-2D模型，對土壤含水率進行模擬(見圖6)。由圖6可知，在棉花生育期內(nèi)，關(guān)鍵點土壤含水率低于棉花正常生長所要求的下限值(即受到水分脅迫)的時間累計達到37天，表明棉花受到中度水分脅迫，會造成一定的減產(chǎn)。

通過分析生育期內(nèi)棉花耗水過程，發(fā)現(xiàn)即便對處理3的灌溉制度進行優(yōu)化，優(yōu)化后的水分脅迫時間仍然高達33天(中度水分脅迫)，故此時依然采用試算法對處理3的灌溉定額進行修正(灌溉制度仍然采用表1數(shù)據(jù))，最終得到地下水埋深為3m時的適宜灌溉定額為5550m3/hm2，此時作物的土壤含水率動態(tài)變化見圖7。

圖6 處理3土壤含水率變化

圖7 處理3優(yōu)化后土壤含水率變化

由圖7可知，通過增加灌溉定額，棉花受水分脅迫的時間累計為14天，較處理3減少23天，盡管該灌溉定額無法從根本上避免水分脅迫的產(chǎn)生，但卻有利于激發(fā)作物本身的耐旱性與抗逆性，從而實現(xiàn)棉花穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn)。

4 結(jié) 語

本文以新疆孔雀河流域為研究區(qū)，以當(dāng)?shù)貜V泛種植的棉花這種經(jīng)濟作物為研究對象，以當(dāng)?shù)仄毡椴捎玫墓喔榷~4500m3/hm2為標準，利用HYDRUS-2D軟件對不同地下水位下的棉花灌溉制度進行研究，結(jié)果表明：

a.當(dāng)?shù)叵滤裆顬?m時，地下水對土壤水的補給較強，灌溉定額4500m3/hm2偏大，此時土壤無效耗水量增大，棉花根系始終處于高含水率狀態(tài)，不利于根系呼吸。通過修正，得到此時適宜的灌溉定額為3000m3/hm2。

b.當(dāng)?shù)叵滤裆顬?m時，地下水對土壤水的補給作用減弱，灌溉定額4500m3/hm2較為適宜，通過對現(xiàn)有灌溉制度優(yōu)化，棉花受水分脅迫時間減少到2d，可以達到提高水分利用效率與實現(xiàn)棉花穩(wěn)產(chǎn)的目的。

c.當(dāng)?shù)叵滤裆顬?m時，地下水對土壤水已基本無補給作用，灌溉定額4500m3/hm2會造成棉花中度的水分脅迫(累計37d)。通過試算法，得到該地下水位時的適宜灌溉定額為5550m3/hm2，水分脅迫時間累計14d，較處理3減少23d。

d.本文中土壤含水率動態(tài)變化值為HYDRUS-2D軟件模擬值，這種單純的土壤根域水分調(diào)控模式還應(yīng)當(dāng)與實際生產(chǎn)中作物生長性狀、產(chǎn)量等評價指標相聯(lián)系，以使研究結(jié)果更具有可操作性與實際指導(dǎo)意義。

[1] 程靜,蘇孝敏,張晨辰.干旱地區(qū)膜下滴灌技術(shù)甜瓜種植模式試驗研究[J].水資源開發(fā)與管理,2015(1):57-63.

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[3] 孫雪梅,李芳花,王柏.寒地黑土區(qū)噴灌條件下玉米灌溉制度研究[J].黑龍江大學(xué)工程學(xué)報,20134(3):14-18.

[4] 陶君,田軍倉,李建設(shè).溫室辣椒不同微咸水膜下滴灌灌溉制度研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2014(5):68-72.

[5] 王峰,杜太生,邱讓建.基于品質(zhì)主成分分析的溫室番茄虧缺灌溉制度[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,27(1):75-80.

[6] 王文佳,馮浩,宋獻方.基于DSSAT模型陜西楊凌不同降水年型冬小麥灌溉制度研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2013,31(4):1-10.

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Research on the influence of different ground water levels on the irrigation system of drip irrigation under cotton film in arid areas

WEI Guanghui

(XinjiangTarimRiverBasinAdministration,Korla841000,China)

Ground water burial depth has important influence on crop irrigation system formulation and soil secondary salinization prevention. In the paper, Xinjiang Kongque River Basin is regarded as a study area in order to study the influence of different ground water levels on irrigation system of irrigation urder cotton film. HYDRUS-2D software is utilized for stimulating soil water content rate dynamically under different ground water levels. Results show that ground water has stronger supplementing role on soil water when ground water burial depth is 1m, and the irrigation quota of 3000m3/hm2is relatively appropriate. When the ground water burial depth is 2.0m, the irrigation quota of 4500m3/hm2is more appropriate, cotton is not threatened by water basically under this condition. When the ground water burial depth is 3m, ground water has no supplementing role to soil water, and irrigation quota of 5550m3/hm2is relatively appropriate, and water threatening time has been 14d cumulatively till present. The research results provide important reference for guiding local water resources development and utilization as well as cotton planting industry.

arid areas; cotton; irrigation system; research

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.01.019

TV52

A

2096-0131(2017)01- 0064- 06