基于winSRFR河套灌區(qū)小麥不同面積不同生育期的入滲參數(shù)和糙率的研究

白寅禎，魏占民，張 健

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)灌溉排水發(fā)展中心， 呼和浩特 010018)

土壤平均入滲參數(shù)和田面糙率是進(jìn)行地面灌溉設(shè)計(jì)的重要參數(shù)[1]。土壤入滲參數(shù)受到土壤質(zhì)地、密度、入畦流量和前期含水量的影響，且存在時(shí)間的變異性[2]。田面糙率大小取決于田面粗糙程度、不同生育階段作物的疏密及長勢情況、作物種植類型、灌水次數(shù)等[3,4]，受這些因素的影響其值變化很大，因此不同影響條件下土壤入滲規(guī)律以及與影響因素的相關(guān)性研究成了現(xiàn)在諸多領(lǐng)域所關(guān)注的重要問題。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤平均入滲參數(shù)和田面糙率測定方法[5,6](試驗(yàn)實(shí)測法、模型反求試算法)和模型的模擬上進(jìn)行了大量的研究，理論成果已日漸成熟并取得了一定的進(jìn)展[7,8]。這些多是建立在宏觀和理論的研究上，而對(duì)具體的作物及作物不同生育期土壤平均入滲參數(shù)和田面糙率規(guī)律的研究較少，為了探索河套灌區(qū)小麥不同畦田面積不同生育期的入滲參數(shù)和糙率的規(guī)律，本文采用眾多學(xué)者研究的測定方法——利用水流推進(jìn)和消退來模擬土壤平均入滲參數(shù)和田面糙率。根據(jù)春小麥不同生育期的水流實(shí)測數(shù)據(jù)，借助winSRFR模型，通過模擬灌溉過程，揭示春小麥在不同發(fā)育階段即拔節(jié)期、抽穗期、和灌漿期的土壤平均入滲參數(shù)和田面糙率的變化規(guī)律，為河套灌區(qū)小麥地面灌溉參數(shù)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)上游，屬于磴口縣壩楞村二社，地理坐標(biāo)為東經(jīng)106°98′19″，北緯40°33′32 ″，地勢較為平坦，由西向東傾斜，海拔平均高程1 009 m。試驗(yàn)區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，其特征是春秋歷時(shí)短暫，冬季寒冷且漫長，夏季天氣炎熱，降雨量少，年平均降雨量133.8 mm，年平均氣溫為7.6 ℃；無霜期短，在136～205 d之間；全年封凍期5～6個(gè)月，最大凍土深度1.0～1.3 m。河套灌區(qū)是我國重要的糧油基地，灌溉方式為引黃灌溉，通過農(nóng)渠直接從東風(fēng)分干渠引水，灌溉方式均采用畦灌灌溉。受試驗(yàn)區(qū)降水及蒸發(fā)因素的影響，土壤輕度含鹽，土壤密度為1.48 g/m3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

大田畦灌試驗(yàn)于2014 年春季在河套灌區(qū)磴口縣壩楞村進(jìn)行，為了減少對(duì)土壤入滲和糙率的影響因素，2013年秋季葵花收獲后對(duì)畦田實(shí)施無縱橫坡激光平地作業(yè)，選用4塊不同面積土壤理化性質(zhì)、肥力基本一致的畦田來研究，畦田的長度均為50 m，畦田寬度分別為15、20、30、48 m。每次灌水渠道的總流量和流速是一定的，對(duì)于不同畦田規(guī)格的小麥灌水的流量、流速的微小變化可以忽略不計(jì)，所以假定每個(gè)處理的流量、流速、田面平整度都相同，僅對(duì)河套灌區(qū)春小麥在不同畦田面積、不同生育期條件下的土壤入滲參數(shù)和糙率的規(guī)律進(jìn)行研究。供試春小麥品種為永良4號(hào)，2014年3月25日用播種機(jī)進(jìn)行播種和施肥，小麥種子用量450 kg/hm2，行距12 cm，株距2 cm，播種時(shí)施底肥450 kg/hm2，春小麥生育期均灌水4次，分別在分蘗期(FN)、拔節(jié)期(BJ)、孕穗期 (YS)、灌漿期(GJ)，灌水時(shí)間分別為5月10日、5月26日、6月10日、6月30日，灌溉方式均為畦灌。

水流推進(jìn)與消退的測試方法：小麥播種后在畦田的田埂上以畦首為參照點(diǎn)每隔5 m布設(shè)1個(gè)木樁，用于觀測水流的推進(jìn)過程，放水時(shí)間用秒表計(jì)時(shí)；開始灌水后，水流前鋒每推進(jìn)到一個(gè)標(biāo)桿處(80%以上)，記錄推進(jìn)距離X、放水時(shí)間t及同時(shí)記錄不同時(shí)刻的畦首水深，直至停水。試驗(yàn)處理共有16個(gè)：FN-1.05、FN-1.5、FN-2.25、FN-3.4；BJ-1.05、BJ-1.5、BJ-2.25、BJ-3.4；GJ-1.05、GJ-1.5、GJ-2.25、GJ-3.4；CS-1.05、CS-1.5、CS-2.25、CS-3.4。

1.3 模型簡介

WinSRFR4.1模型是由美國農(nóng)業(yè)部灌溉研究中心(United States Department of Agriculture)開發(fā)研制的一維地面灌溉(畦灌、溝灌、水平畦灌)模擬模型模型，具有四種功能：田間灌水試驗(yàn)分析(Event Analysis)、水力學(xué)模擬(Hydraulic Simulation)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)(Physical Design)、運(yùn)行分析(Operation Analysis)。該模型需要輸入的參數(shù)主要有田塊幾何尺寸參數(shù)(畦長、畦寬、田面縱坡、畦尾開閉狀況等)、土壤參數(shù)(土壤入滲參數(shù)、糙率系數(shù)等)和運(yùn)行管理參數(shù)(改水成數(shù)、入畦流量等)[9,10]。其中，入畦流量、畦田規(guī)格、灌水持續(xù)時(shí)間等按照實(shí)測的試驗(yàn)資料輸入，畦尾為封閉狀態(tài)。模型能輸出田面水流的推進(jìn)過程、消退曲線、水分入滲分布及地面灌溉灌水質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)等。WinSRFR常用的地面灌溉效果評(píng)價(jià)指標(biāo)是灌水效率、灌水均勻度和儲(chǔ)水效率，這3項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)必須同時(shí)使用才能較為全面地分析和評(píng)價(jià)某種灌水方法、灌水技術(shù)的效果[11,12]。

該模型具有良好的用戶界面，通過數(shù)據(jù)輸入菜單，參數(shù)的輸入和修改都很方便，且通過數(shù)據(jù)輸出菜單可以有選擇的查看模擬結(jié)果。對(duì)入滲參數(shù)、糙率、微地形、入畦流量等參數(shù)，模型允許選擇不同的方式輸入[14]。如流量輸入既可以輸入實(shí)測的流量過程，也可以輸入灌水時(shí)間和相應(yīng)的恒定流量；微地形的輸入既可以輸入恒定坡度，也可以輸入各測點(diǎn)的相對(duì)高程。選擇何種輸入方式由用戶根據(jù)實(shí)際情況來定，這樣一方面使模型應(yīng)用起來較靈活，另一方面也可以使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確，操作簡單，運(yùn)行速度快，輸出結(jié)果能夠詳細(xì)的描述畦田灌溉過程，并描述這些過程如何受灌水因素的影響。

2 結(jié)果與分析

利用WinSRFR4.1模型模擬時(shí)，輸入田間灌水要素的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)測水流推進(jìn)與消退時(shí)間，模擬輸出水平畦田土壤入滲參數(shù)。在模擬時(shí)，將模擬水流推進(jìn)與消退曲線與實(shí)測水流推進(jìn)與消退線進(jìn)行對(duì)比，調(diào)整入滲系數(shù)K值及入滲指數(shù)α值，使推進(jìn)與消退曲線的實(shí)測值與模擬值具有較高的吻合度，此時(shí)的入滲參數(shù)和糙率為模型模擬的最優(yōu)結(jié)果。利用excel和Sigmaplot進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

2.1 相同畦田規(guī)格不同生育期春小麥的土壤平均入滲參數(shù)(k,α)和田面糙率(n)的變化規(guī)律

以相同畦田規(guī)格的不同生育期為研究對(duì)象，歸納總結(jié)每塊畦田小麥整個(gè)生育期內(nèi)入滲系數(shù)、指數(shù)和糙率的變化規(guī)律。

由圖1可見，每個(gè)畦田田面糙率的變化規(guī)律總體表現(xiàn)為灌漿期>分蘗期>孕穗期>拔節(jié)期。每塊畦田田面糙率的范圍分別為LB1.05：0.12～0.16、LB1.5：0.13～0.15、LB2.25：0.13～0.17、LB3.4：0.13～0.15，春小麥田面糙率的變化范圍為0.12～0.17，求得的n值均與一些學(xué)者提出的觀點(diǎn)相吻合，即認(rèn)為連續(xù)灌溉條件下曼寧糙率系數(shù)的范圍應(yīng)在0.02～0.4之間。作物長勢越茂盛對(duì)灌溉水流推進(jìn)速度的阻礙作用越明顯從而導(dǎo)致田面糙率越大，而從小麥的生育期可以得出小麥的長勢是從分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期越來越茂盛，根據(jù)理論分蘗期的田面糙率應(yīng)小于孕穗期的，而造成分蘗期田面糙率n較大的原因是:分蘗期是經(jīng)過播種等一系列農(nóng)藝措施后土壤表面的土塊較多，土壤結(jié)構(gòu)松散土壤表面起伏不平，第一次灌水時(shí)灌溉水首先浸潤土塊、填滿土壤空隙才能進(jìn)一步向前流進(jìn)，進(jìn)而增加了水力半徑，由曼寧公式可知水力半徑越大n越大[9]，因此分蘗期地面平整度對(duì)水流推進(jìn)速度的阻礙作用要比孕穗期小麥植株長勢對(duì)水流推進(jìn)的阻礙作用顯著。隨著灌水次數(shù)的增加地面光滑度增加降低糙率n的值，后期作物生長茂盛阻礙灌溉水流推進(jìn)增加糙率n的值，由于小麥屬于密植型作物因此作物長勢對(duì)糙率的影響比灌水次數(shù)的影響作用要明顯。在整個(gè)生育期內(nèi)拔節(jié)期占有灌水次數(shù)和作物長勢的兩個(gè)優(yōu)勢所以拔節(jié)期的糙率值最低。由圖1還可知，對(duì)于不同畦田規(guī)格來說，田面糙率所表現(xiàn)的規(guī)律是相同的。

圖1 相同畦田規(guī)格不同生育期小麥田面糙率的變化

由圖2可知，春小麥入滲系數(shù)的變化范圍為47.78～75.03 mm/hα。當(dāng)畦田規(guī)格為LB1.05時(shí)，入滲系數(shù)的變化范圍為73.63～49.67 mm/hα，其他畦田規(guī)格土壤入滲系數(shù)的變化范圍分別為LB1.5：47.78～74.52 mm/hα、LB2.25：51.56～72.89 mm/hα、LB3.4：51.29～75.03 mm/hα，由此可以得出，不同畦田規(guī)格小麥入滲系數(shù)K的變化規(guī)律為入滲系數(shù)K隨著小麥生育期逐漸減小。當(dāng)畦田規(guī)格為LB1.05時(shí)，分蘗期的入滲系數(shù)比拔節(jié)期降低了14.62%、拔節(jié)期的入滲系數(shù)比孕穗期降低了10.21%、孕穗期的入滲系數(shù)比灌漿期降低了17.35%；當(dāng)畦田規(guī)格為LB1. 5時(shí)，分蘗期的入滲系數(shù)比拔節(jié)期降低了17.04%、拔節(jié)期的入滲系數(shù)比孕穗期降低了14.25%、孕穗期的入滲系數(shù)比灌漿期降低了16.64%；當(dāng)畦田規(guī)格為LB2.25時(shí)，分蘗期的入滲系數(shù)比拔節(jié)期降低了17.66%、拔節(jié)期的入滲系數(shù)比孕穗期降低了8.10%、孕穗期的入滲系數(shù)比灌漿期降低了10.98%；當(dāng)畦田規(guī)格為LB3.4時(shí)，分蘗期的入滲系數(shù)比拔節(jié)期降低了13.39%、拔節(jié)期的入滲系數(shù)比孕穗期降低了14.46%、孕穗期的入滲系數(shù)比灌漿期降低了12.71%；從降低的百分?jǐn)?shù)可以看出入滲系數(shù)降低的速度是先減小后增加的趨勢，從圖2可以看出，入滲系數(shù)K在不同生育期的規(guī)律為分蘗期>拔節(jié)期>孕穗期>灌漿期。

圖2 相同畦田規(guī)格不同生育期小麥入滲系數(shù)的變化

造成上述現(xiàn)象的原因是：入滲系數(shù)的大小與土壤初始含水率、土壤密實(shí)度、土壤質(zhì)地等有關(guān)，由于小麥返青土壤密度逐漸增大，隨著灌水次數(shù)的增加土壤密實(shí)度增加，上壤孔隙變小，土壤導(dǎo)水能力降低，水分入滲能力下降，從而使入滲系數(shù)下降[14]。

由圖3可知，春小麥入滲指數(shù)的變化范圍為0.26～0.57。當(dāng)畦田規(guī)格為LB1.05時(shí)，入滲指數(shù)的變化范圍為0.56～0.27，其他畦田規(guī)格土壤入滲系數(shù)的變化范圍分別為LB1.5：0.57～0.29、LB2.25：0.55～0.26、LB3.4：0.54～0.28，分析4種畦田規(guī)格小麥全生育期入滲指數(shù)的變化規(guī)律其整體趨勢為：每個(gè)畦田規(guī)格的小麥入滲指數(shù)α所表現(xiàn)出的規(guī)律都為分蘗期>拔節(jié)期>孕穗期>灌漿期與入滲系數(shù)的變化規(guī)律相同。入滲指數(shù)α與初始含水率和空隙大小有關(guān)，含水率影響入滲指數(shù)的初值，空隙的大小影響入滲指數(shù)的后期值。含水率越小入滲指數(shù)越大，空隙越大入滲指數(shù)越大。小麥的播種時(shí)間為3月20日，分蘗期時(shí)進(jìn)行第一次灌水(5月10日)距播種時(shí)隔51 d，由于種子發(fā)芽出苗使得土體較為松散孔隙度大，植株矮小地表覆蓋率低，表層土壤水分蒸發(fā)散失較快保水能力差蒸發(fā)量也隨之增大，使得初始含水率較低，所以分蘗期時(shí)土壤表層含水率為整個(gè)生育期的最低值，從而導(dǎo)致分蘗期的入滲指數(shù)最大。拔節(jié)期進(jìn)行第二次灌水(5月26日)時(shí)隔第一次灌水16 d，灌水次數(shù)的增加土壤密實(shí)度增加，分蘗期到拔節(jié)期小麥根系生長較快，根系在土壤中通過交錯(cuò)穿插使得空隙率減小，同時(shí)由于灌水時(shí)間間隔小灌溉水和地下水對(duì)土壤含水率的影響較小，所以使得入滲指數(shù)隨生育期而減小。

圖3 相同畦田規(guī)格不同生育期小麥入滲指數(shù)的變化

2.2 相同生育期不同畦田規(guī)格春小麥的土壤平均入滲參數(shù)(k,α)和田面糙率(n)的變化規(guī)律

利用Sigmaplot對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，通過采用對(duì)數(shù)據(jù)要求最嚴(yán)格的檢驗(yàn)方法來分析顯著性。以4個(gè)生育期為處理，4個(gè)畦田為重復(fù)取平均值，研究每個(gè)生育期的入滲參數(shù)和糙率之間的顯著性，分析結(jié)果如表1所示。

表1 不同生育期入滲參數(shù)和糙率的顯著性分析

由表1分析可以得出各個(gè)生育期的入滲參數(shù)都有極顯著差異，各個(gè)生育期糙率則表現(xiàn)為分蘗期與拔節(jié)期、灌漿期具有極顯著差異；拔節(jié)期與灌漿期有極顯著差異；灌漿期與其他3個(gè)生育期都具有極顯著差異；孕穗期與分蘗期和拔節(jié)期無顯著性差異。

3 結(jié) 語

田間土壤入滲參數(shù)和糙率的特性在一年內(nèi)均隨作物生育期而出現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化特征[5]。對(duì)于整個(gè)作物生長期內(nèi)的土壤入滲參數(shù)和糙率的時(shí)間變異規(guī)律來看，可以發(fā)現(xiàn)在作物生長旺盛時(shí)期，隨著灌水次數(shù)的增加土壤密實(shí)度增加，作物根系發(fā)達(dá)，土壤孔隙變小，土壤導(dǎo)水能力降低，水分入滲能力下降，從而使入滲系數(shù)下降。

春小麥田面糙率的變化范圍為0.12～0.17，田面糙率的變化規(guī)律總體表現(xiàn)為灌漿期>分蘗期>孕穗期>拔節(jié)期，求得的n值均與一些學(xué)者提出的觀點(diǎn)相吻合。春小麥入滲系數(shù)的變化范圍為47.78～75.03 mm/hα，入滲系數(shù)K隨著小麥生育期逐漸減小，入滲系數(shù)K在不同生育期的規(guī)律為分蘗期>拔節(jié)期>孕穗期>灌漿期。春小麥入滲指數(shù)的變化范圍為0.26～0.57，入滲指數(shù)α所表現(xiàn)出的規(guī)律與入滲系數(shù)的變化規(guī)律相同。數(shù)據(jù)經(jīng)Sigmaplot分析得出：入滲參數(shù)都有極顯著差異，各個(gè)生育期糙率則表現(xiàn)為分蘗期與拔節(jié)期、灌漿期具有極顯著差異；拔節(jié)期與灌漿期有極顯著差異；灌漿期與其他3個(gè)生育期都具有極顯著差異；孕穗期與分蘗期和拔節(jié)期無顯著性差異。

[1] 聶衛(wèi)波, 費(fèi)良軍, 馬孝義.根據(jù)水流運(yùn)動(dòng)過程推求土壤入滲參數(shù)和田面糙率的研究[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2011,29(1):48-52.

[2] 董孟軍,白美健, 李益農(nóng), 等. 地面灌溉土壤入滲參數(shù)及糙率系數(shù)確定方法研究綜述[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2010,29(1):129-132.

[3] 聶衛(wèi)波, 費(fèi)良軍, 馬孝義.基于土壤入滲參數(shù)空間變異性的畦灌灌水質(zhì)量評(píng)價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2012,28(1):100-105.

[4] 曾 辰,王全九,樊 軍.初始含水率對(duì)土壤垂直線源入滲特征的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(1):24-30.

[5] 馮錦萍,樊貴盛.土壤水分入滲年變化特性的試驗(yàn)研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2003,34(1):16-19.

[6] 解文艷,樊貴盛.土壤質(zhì)地對(duì)土壤入滲能力的影響[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,35(5):537-540.

[7] 聶衛(wèi)波,武世亮,馬孝義,等. 農(nóng)田土壤入滲特性研究[J]．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2013，31(4):31-38.

[8] 劉作新, 李 哲, 孫中和,等. 田間曼寧糙率系數(shù)的推求[J]. 灌溉排水,1998,17(3):5-9.

[9] 閆慶健, 李久生. 地面灌溉水流特性及水分利用率的數(shù)學(xué)模擬[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2005,24(2):62-66.

[10] 楊永輝,趙世偉,雷廷武. 耕作對(duì)土壤入滲性能的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2006,26(5):1 624-1 630.

[11] 李 卓, 吳普特, 馮 浩,等. 容重對(duì)土壤水分入滲能力影響模擬試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(6):40-45.

[12] 趙 馨,盧 健, 繳錫云. 畦灌水流運(yùn)動(dòng)對(duì)田面糙率的敏感性分析[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào),2014,33(3):83-85.

[13] 金建新, 張新民, 徐寶山.基于SRFR軟件壟溝灌土壤水分入滲參數(shù)反推方法評(píng)價(jià)[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2014,32(4):59-65.

[14] 李佳寶, 魏占民, 徐睿智,等. 基于SRFR模型的畦灌入滲參數(shù)推求及模擬分析[J].節(jié)水灌溉,2014,(2):1-3.