蔬菜大棚墑情傳感器垂向埋設(shè)位置研究

韓紅亮，繳錫云，王雪梅

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098；3. 河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210098)

0 引 言

墑情監(jiān)測和預(yù)報是精準灌溉的基礎(chǔ)，是發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要技術(shù)手段。國內(nèi)外學(xué)者針對土壤墑情監(jiān)測做了大量的研究。楊詩秀等根據(jù)田間試驗資料分析了田間水分的時空變化特征，表明墑情的空間變異性隨時間序列有一定的波動[1]。Tansey 等利用遙感的合成孔徑雷達(SAR)信號對農(nóng)作物生長季節(jié)的農(nóng)田和裸地的土壤表層濕度進行了研究，建立了SAR信號與土壤濕度之間的預(yù)測模型[2,3]。楊風(fēng)亮研究了棉花滴灌條件下墑情傳感器的水平定位，表明當(dāng)墑情傳感器布置在離滴灌帶70 cm處時，監(jiān)測結(jié)果與根系層平均含水率有顯著的差異性[4]。針對土壤垂直方向的墑情監(jiān)測，史巖等通過試驗分析，確定墑情傳感器幾個較適宜的埋設(shè)深度，表明在垂直深度10、30、60和100 cm處的含水率與臨近(垂直)的含水率無顯著差異[5]，依據(jù)這個研究結(jié)果，可以將墑情傳感器埋設(shè)在這幾個深度，以減少墑情傳感器的數(shù)量，節(jié)約成本。也有學(xué)者根據(jù)多年的經(jīng)驗，總結(jié)了土壤墑情監(jiān)測點的數(shù)目與埋深的關(guān)系，譬如，如果只埋設(shè)一個墑情傳感器，通常埋設(shè)在15cm深度處，如果埋設(shè)兩個墑情傳感器，通常埋設(shè)在15 cm和25 scm深度處[6]，但這只是根據(jù)經(jīng)驗確定的，并未從理論上加以說明，研究人員仍常采用分層埋設(shè)墑情傳感器的方法。分層埋設(shè)墑情傳感器的方法雖然能得到較準確的監(jiān)測結(jié)果，卻也因為使用了較多的墑情傳感器而使成本增加。

本文研究了蔬菜大棚單個墑情傳感器的垂向布設(shè)問題。通過研究灌水后土壤含水率的垂向分布規(guī)律，來確定埋設(shè)單個墑情傳感器最合理的深度，以其測量值代表根系層的平均含水率，為單個墑情墑情傳感器的垂直布置提供了理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)與土壤

試驗在宿遷市宿城區(qū)百利蔬菜基地進行。宿城區(qū)地處淮北平原，多年平均降水量為900.6 mm，多年平均日照總時數(shù)為2 291.6 h，高程約為20 m，地下水位埋深約1.5 m。試驗區(qū)的土壤為粉砂壤土，土壤容重1.43 g/cm3。

試驗所選的試驗大棚為百利蔬菜基地10號棚，該大棚為日光暖棚，大棚規(guī)格為8 m×75 m。棚內(nèi)種植番茄，每棟45壟，每壟種植2行。灌溉水源為機井供水，采用滴灌的方式灌溉，每行作物配1條滴灌帶，滴頭間距30 cm。

土壤顆粒分析見表1。

表1 試驗區(qū)土壤顆粒分析 %

1.2 計算方法

利用Hydrus-1D模型軟件分別對項目區(qū)大棚番茄的苗期、開花坐果期和盛果采摘期某次灌水后水分消退過程進行模擬。由于試驗大棚的灌水周期通常在15 d左右，故對灌水后的模擬天數(shù)為15 d。根據(jù)國內(nèi)的研究結(jié)果和實際生產(chǎn)經(jīng)驗，取番茄苗期、開花坐果期和盛果采摘期的歷時天數(shù)分別為35，55和125 d[7,8]。

根據(jù)試驗區(qū)土壤顆粒分析，利用Hydrus-1D模型得到VG模型的各個參數(shù)[9,10]：土壤的飽和含水率(體積)θs=0.45，殘余含水率(體積)θr=0.067，特性參數(shù)α=0.02(1/cm)，n=1.41，土壤飽和導(dǎo)水率Ks=10.8(cm/h)。由VG模型查得土壤吸力10 kPa所對應(yīng)體積含水率為33%，即田間持水量(體積)為33%[11]。

根據(jù)飽和含水率和田間持水量設(shè)置模擬的初始含水量，根據(jù)劉雪芹的研究結(jié)果，灌水1d后土壤水分達到暫時的平衡[12]。假設(shè)灌水1 d后土壤含水率的分布規(guī)律為0～1 m深度范圍內(nèi)為田間持水量，即均為0.33；1～1.5 m范圍內(nèi)含水率從田間持水量線性增加到飽和含水率，即0.33～0.45。并將以上假設(shè)作為土壤含水率的初始條件。同時選定大氣邊界為上邊界條件；地下水上界面，即飽和含水率邊界為下邊界條件。

根據(jù)大棚番茄一般的耗水規(guī)率和生長規(guī)律，取苗期的潛在騰發(fā)量為Etpini=1.5 mm/d，開花坐果期的日騰發(fā)量為Etpmid=2.5 mm/d，盛果采摘期的日騰發(fā)量為Etpend=3 mm/d[13-14]；取苗期的根系長度為20cm，開花坐果期的根系長度為30cm，盛果采摘期的根系長度為40 cm[15,16]。根據(jù)國內(nèi)學(xué)者試驗研究的結(jié)論，確定番茄不同生 育期的葉面積指數(shù)[17]如圖1。

將以上數(shù)據(jù)輸入Hydrus-1D模型，進行模擬運算。

圖1 番茄各生育期的葉面積指數(shù)Fig.1 Leaf area index of tomato in different growth stages

2 結(jié)果分析

2.1 模擬結(jié)果

模擬結(jié)果顯示，各個生育期的零通量面以上的土層，土壤含水率隨時間減少，零通量面和地下水之間的土壤含水率隨時間增加。各生育階段灌后每天的土壤含水率分布見圖2。

圖2 各生育階段灌水后水分消退過的含水率分布Fig.2 Soil moisture distribution of water subsided process after irrigation at different growth stage

2.2 不同垂直分層的土壤含水率的代表性分析

表2 各層含水率與根系層平均含水率的相關(guān)顯著性分析Tab. 2 Correlation significance analysis between sublayers soilmoisture and average moisture of main root zoon

注：“*”表示在0. 1顯著性水平下具有顯著相關(guān)，t0.05(13)=1.771； “**”表示在0.05顯著性水平下具有顯著相關(guān)，t0.025(13)=2.160。

表3 各分層含水率與根系層平均含水率的差異顯著性分析Tab.3 Diffrence significance analysis between sublayers soilmoisture and average moisture of main root zoon

注：“*”表示在0.1顯著性水平下具有顯著性差異；“**”表示在0.05顯著性水平下具有顯著性差異。

由表2、表3可知，作物的3個生長期內(nèi)，雖然所有的土層與根系層平均含水率都高度相關(guān)，但是在不同的生育期內(nèi)，第1層或第5～10層的含水率和根系層平均含水率存在顯著性的差異，因此墑情傳感器不宜布置在這些深度范圍內(nèi)。2～4層土壤含水率與根系層平均含水率始終無顯著性差異，是布置單個墑情傳感器的待選范圍。

2.3 合理監(jiān)測范圍的確定

在上節(jié)分析的基礎(chǔ)上，選擇2～4層范圍內(nèi)的12個整數(shù)深度測點(5 cm深度、6 cm深度、…、16 cm深度)逐一進行誤差分析。結(jié)果表明，這個區(qū)域內(nèi)的12個測點的殘差平均值、最大殘差值和殘差平方和差距較大。誤差分析結(jié)果見表4。

表4 誤差分析表Tab.4 Error analysis

注：①誤差為各測點的含水率減同時間根系層平均含水率的值；②加權(quán)平均值是指根據(jù)不同生育期的時間歷時進行加權(quán)平均。

分析表明，5～10 cm范圍內(nèi)的含水率誤差都為負值，說明這個范圍內(nèi)的灌后含水率總是低于根系層平均含水率。10～13 cm范圍內(nèi)，苗期的含水率高于根系層平均含水率，絕對值最大的誤差為1.1；開花坐果期和盛果采摘期的含水率均低于根系層平均含水率，絕對值最大的誤差值為-1.1。13～16 cm范圍內(nèi)，苗期和開花坐果期的含水率高于根系層平均含水率，絕對值最大的誤差值為1.9；盛果采摘期的含水率小于根系層平均含水率，絕對值最大的誤差值為-0.2。

在番茄整個生育期中，10～16 cm的范圍的含水率在90%以上的天數(shù)內(nèi)含水率誤差絕對值均小于1.0，這個范圍內(nèi)的加權(quán)平方和均小于4.2。在作物整個生育期內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)的含水率與根系層平均含水率比較接近，故認為10～16 cm的范圍是埋設(shè)單個墑情傳感器的較合理的范圍。

3 結(jié)論與討論

通過Hydrus-1D模型模擬和計算，確定了蔬菜大棚內(nèi)單個監(jiān)測點合理布置深度。結(jié)果表明，蔬菜大棚單個觀測點布置在10～16 cm,該區(qū)域的土壤含水率與根系層平均含水率沒有顯著性的差異，誤差較小，誤差絕對值不超過1.0，故認為10～16 cm深度范圍比較適合布置單個墑情傳感器。

本文只是針對特定地點、特定作物的灌后土壤水分消退過程做了模擬，在分析不同深度與根系層含水率的關(guān)系的基礎(chǔ)上，確定了單個墑情傳感器的垂向埋設(shè)位置。而事實上，土壤水分消退和作物種類和發(fā)育期、土質(zhì)、地下水 位的變化等多個因素同時具有密切的關(guān)系，這些因素的變化也必然會對傳感器合理位置的布置產(chǎn)生間接的影響，如何確定在多個因素影響條件下墑情傳感器的垂向位置，有待今后的研究者研究。

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