春小麥壟作溝灌灌水質量評價指標的改進與應用

張新民，孫克翠，高雅玉，趙 恩

(1.甘肅省水土保持科學研究所， 甘肅 蘭州 730020；2.甘肅農業(yè)大學工學院， 甘肅 蘭州 730070； 3.河海大學設計研究院有限公司，江蘇 南京 210098)

小麥壟作栽培技術將傳統平作的平面型田面改為波浪型，擴大了土壤表面積，光能利用率提高，有利于延緩植株衰老，延長葉片功能期，增加了植株抗倒伏能力，小麥抗病性能增強，產量顯著提高[1-2]。平作改為壟作后，田間灌溉方式由畦灌改為溝灌，灌水定額減少，提高了降水和灌溉水利用率。據山東省青州試驗點調查，傳統平作畦灌灌水定額900 m3·hm-2，而壟作溝灌灌水定額540 m3·hm-2，比平作減少40%。目前，小麥壟作技術的應用主要局限在冬小麥區(qū)，研究工作集中于壟作小麥的節(jié)水效應、田間小氣候的變化及其對小麥生理生態(tài)效應的影響。

壟作溝灌技術采取壟上種植，溝灌灌溉方式，由于小麥自身生長所需土壤水分由灌水溝內的水分向壟體側滲供給，因此，在同等肥力和灌水量條件下，壟作栽培的效果與壟的寬度、壟的方向、小麥種植密度以及灌水質量密切相關。溝灌入滲屬二維入滲，灌溉水沿灌水溝推進的同時，受重力及土壤基質吸力作用，沿灌水溝斷面以縱向下滲和橫向入滲浸潤土壤。在水分入滲過程中各點毛管吸力和重力作用不是直線關系，因此入滲水量與入滲面不成比例，而且由于溝中水深隨時間和空間不斷變化，導致入滲水勢梯度不同，且受到復雜的溝斷面幾何形狀、土壤初始含水量、土壤容重、土壤特性參數變化的影響，使得溝灌的入滲過程極其復雜，入滲水量難以測定，灌水質量評價難度增加。目前地面灌溉灌水質量評價的指標主要有田間灌水有效利用率、儲水效率、灌水均勻度，依據這三項指標可評價灌水質量，確定灌水技術要素優(yōu)化組合。在這方面有關畦灌與中耕作物溝灌技術的研究成果較多[3-5]，理論相對成熟。但由于壟作栽培小麥的壟面寬度遠大于玉米，且采用非均一行距種植(目前采用同一壟上15～25 cm，不同壟75 cm)，因此已有的地面灌溉灌水質量評價方法不能全面反映小麥壟作溝灌技術的灌水質量。李方紅等[3]研究了膜孔溝灌主要灌水技術要素組合對灌水質量評價指標影響，采用的評價指標亦為灌水有效利用率和灌水均勻度，其中指標計算中只考慮溝的入滲水深。聶衛(wèi)波等[4]采用模擬與試驗對照的方法，研究了不同土壤對溝灌灌水質量指標影響，采用灌水效率、灌水均勻度和儲水效率作為評價指標，指標計算中計劃濕潤層采用1 m，入滲深度仍采用溝中土壤含水量計算。以上兩項成果采用的是傳統地面灌水質量評價指標，不能充分反映壟體、壟溝含水量的橫向差異。汪順生等[5]研究了常規(guī)溝灌和小麥、玉米一體化壟作溝灌對灌水質量及夏玉米產量的影響，采用的灌水質量評價指標為田間灌溉水的利用率和田間灌水的均勻度，其中灌溉水利用率計算中采用壟體、壟坡、壟面平均含水量。孫克翠等[13-14]研究了干旱區(qū)春小麥壟作溝灌的灌水質量，把灌水均勻度分為縱向和橫向，灌水效率和儲水率也充分考慮了壟面、壟坡和壟溝的不同。這兩項研究涉及到了小麥壟作溝灌灌水質量評價指標等問題，但指標體系仍受傳統地面灌溉評價思路的限制，導致計算復雜，測量工作量大。本文試圖以地面灌溉灌水質量評價指標體系為基礎，結合小麥壟作溝灌的特點，提出改進全面反映小麥壟作溝灌灌水質量的評價指標。

1 灌水質量評價指標改進

1.1 地面灌灌水質量評價指標

目前，畦灌、溝灌等地面灌灌水質量的評價指標有灌水均勻度、儲水率(灌溉水供需比)與田間灌溉水利用系數。一次灌水完成后，土壤中入滲水分的縱向剖面如圖1所示。

圖1 地面灌灌水有效性分析圖Fig.1 Effectiveness analysis diagram for irrigation water of surface irrigation

上述水量與水深存在如下關系：

Wf≥Wn；Wf=Ws+Wi；Wn=Ws+Wd

Wi≥W1；W2≥Wd；W1=W2

三個灌溉質量評價指標灌水均勻度、儲水率(灌溉水供需比)與田間灌溉水利用系數Eu、Ed、Es計算公式為：

(1)

(2)

(3)

1.2 壟作溝灌灌水質量評價指標改進

對于畦灌，上述評價指標的大小主要決定于灌水技術要素；對于溝灌還受壟溝參數的影響。如果壟寬較大且種植寬行作物，可認為是局部灌溉，上述均勻度可只指縱向均勻度，計算點取沿溝方向，但灌溉水利用率與儲水率計算要考慮濕潤系數；如壟寬較小時，入滲過程很快從二維轉變?yōu)橐痪S入滲，灌水質量評價指標計算與畦灌完全相同，濕潤系數為1。但對于小麥壟作溝灌，情況介于二者之間，灌水質量評價可采用類似于畦灌的方法，但評價指標計算應考慮壟上、溝坡與溝中的入滲水深的差別。現以單溝模擬試驗為例，說明Eu、Ed、Es三個指標的計算。室內模型模擬單溝灌水入滲試驗，一次灌水完成后的剖面土壤水分布見圖2，24 h再分布后剖面水分分布見圖3。

由圖2、圖3可以看出，灌水后壟作溝灌的壟上、壟坡與溝中各點入滲水深完全不同，再分布后趨于均勻，但壟上、壟坡與溝中含水量分布還是有一定差別，嚴密計算灌水質量評價指標應考慮橫向入滲的不均勻性。即：

Eu=1-

(4)

田間灌溉水利用率Ed、儲水率Es的計算較為復雜，需先根據灌水溝的形狀計算計劃濕潤層儲水量，然后再分別計算田間灌溉水利用率Ed、儲水率Es。第i個計算點計劃濕潤層儲水量為：

ws,i=bZd,i+(B-b)Zs,i+RZf,i

(5)

(6)

圖2 灌水后土壤水分等值線

圖3灌溉水再分布后土壤水分等值線

Fig.3 The contour map after irrigation water redistribution

(7)

式中，B、b分別為灌水溝口寬與底寬(cm)；R為壟寬(cm)；Zd,i、Zs,i、Zf,i分別為溝中、溝坡、壟中第i個計算點的計劃濕潤層內入滲水深(cm)；ws,i為第i個計算點單位溝長計劃濕潤層灌水量(cm2)；wf為單位溝長田間灌水量(cm2)；wn為單位溝長計劃濕潤層需水量(cm2)；其它符號意義同前。

對某次灌水而言，計劃濕潤層需水量由下述公式確定：

wn=γ(βmax-βmin)Ad

(8)

Ad=b(Hp-h)+(B-b)(Hp-h/2)+RHp

(9)

式中，γ為計劃濕潤層內土壤干容重(g·cm-3)；βmax、βmin分別為該時段允許土壤最大與最小含水量(%)；Ad為單一灌水溝計劃濕潤層內斷面面積(cm2)；h為灌水溝深(cm)；其它符號意義同前。

如果按上式計算，不但計算較為復雜，測量工作量大。為了簡化計算，可先根據溝、壟、坡入滲量計算觀測點單位長度灌水溝的總入滲量，再計算單一溝縱向均勻度。但對于整個田塊，可在不同溝上布置計算點，計算各點總入滲水量，再按公式計算得到田塊均勻度。這時需增加反映灌溉水橫向擴散的指標，由于傳統溝灌定額制定中使用的濕潤系數是一個綜合指標，即包含反映灌水溝占耕作層體積的比例，也有反映計劃濕潤層充分濕潤程度的因素，所以不能準確反映壟體的濕潤程度，考慮到壟作溝灌在壟上種植作物，所以選擇反映壟體灌溉需水滿足程度的指標——壟體濕潤度。

2 灌水質量評價指標簡化計算

對以上壟作溝灌灌水質量評價指標進行如下簡化，以便在測得溝灌入滲模型情況下，可進行計算評價灌水質量。灌水后均勻度只考慮縱向，則式(4)變?yōu)椋?/p>

(10)

(11)

式中,zwi為第i個計算點單位濕周入滲水深(cm),可利用現場實測單位濕周入滲模型根據入滲時間求得；xi為該計算點過水過程的平均濕周(cm)。

計算點單位溝長的入滲總水量也可通過壟溝、壟面兩點的入滲水深簡化計算，即:

(12)

式中，m為灌水溝邊坡系數；其實驗室符號意義同前。

利用溝入滲水深計算出溝濕潤土層深度為:

(13)

式中,Dd,i為第i個計算點溝部位灌溉濕潤土層深(cm)、θo,d分別為溝部位田間持水量和灌水前平均含水量(%)；其它符號意義同前。

溝部位計劃濕潤層灌水深為:

(14)

壟體部位計劃濕潤層內灌水深為:

(15)

壟體部位濕潤度:

(16)

式中,ρi為第i計算點壟體灌溉濕潤度(%)；θf、θo,f為壟體部位灌水前平均含水量(%)；其它符號意義同前。

田間灌溉水利用率Ed、儲水率Es的計算也進行簡化,計算點計劃濕潤層儲水量可按溝和壟兩點平均入滲水深計算，式(5) 簡化為式(17)，其它計算式同前。

(17)

3 灌水質量試驗

3.1 試驗方案

灌水質量試驗在甘肅省水利科學研究院民勤節(jié)水農業(yè)生態(tài)建設試驗示范基地進行。試驗區(qū)土壤為砂質粘壤土，0～60 cm土層土壤平均干容重為1.46 g·cm-3，田間持水量22.27%，速效鉀177 mg·kg-1，速效磷74 mg·kg-1，有機質13%，液態(tài)氮含量12 mg·kg-1。灌溉水源為地下水，埋深18～25 m之間[15]。根據文獻[7]、[10-12]等前期研究成果選擇壟溝參數(壟坡、壟寬、溝深、溝寬)與灌水技術參數(溝長、溝坡、入溝流量)，組成灌水質量試驗方案見表1。

該方案包括5個不同壟溝參數與灌水技術參數處理，每個處理3個重復，共15個試驗小區(qū)。每一試驗小區(qū)布置3條溝，中間為試驗溝，兩邊為保護溝。試驗采用統一溝型，溝底寬15 cm，溝深15 cm，溝坡為1∶1。試驗采用人工開溝起壟，機械播種。2013年收割完成后灌入冬水，春天統一用翻耕機進行深翻，機器整平后去除雜物，整理試驗地為起壟播種做好準備。2014年3月下旬進行播種，起壟、播種、整形、鎮(zhèn)壓一次完成。供試春小麥品種為永良4號，播種量1 050 kg·hm-2，壟上種植，行距10 cm。壟寬40 cm，種植3行小麥；壟寬50 cm，種植4行小麥。

灌水量控制利用水表和流量控制閥結合的方法，在總閥門與入田管道出口處接水表，后接流量控制閥，根據試驗方案要求調節(jié)流量控制閥，用灌水定額計算每個處理的灌水量，水表嚴格控制每個溝中的灌水量。全生育期灌水5次，灌水定額為40 m3·hm-2，時間分別為出苗分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、開花期、成熟期。各處理鋤草、施肥、松土等田間管理措施均保持相同。試驗觀測項目包括土壤含水量、產量等。含水量測定采用稱重法。產量測定在成熟后進行，隨機在壟上收割長度為1m的小區(qū)單獨測產，統計各小區(qū)的穗數，穗長，單穗顆粒數，樣本籽粒晾曬達到標準后，除去空秕粒，采用隨機選取1 000粒小麥籽粒，稱重，3次重復(組內差值不大于3%)取均值為千粒重。

3.2 產量及水分利用效率

不同的壟溝參數與灌水技術參數造成土壤水分、溫度和光照面積的差異，進而影響到小麥的產量及其構成因素。實測得驗證試驗產量及水分利用效率以及SPSS軟件分析計算結果見表2。

表1 試驗設計方案

表2 不同處理模式下小麥產量和水分利用效率

注：不同的小寫字母分別表示在0.05水平上差異顯著，下同。

Note: Different lowercase letters meant significant difference at 0.05 levels respectively. The same as below.

由表2可知，不同處理之間產量的差異明顯，T4處理產量最高，達到9 142.87 kg·hm-2，T2處理的產量最低，僅為7 282.37 kg·hm-2。T4處理產量較T5處理高出1.5%，但差異不顯著，較T1和T3處理分別高出10.5%和10.2%。T2處理由于壟寬過寬、溝長較長，橫向灌水均勻度較低[4-7]，因此壟體水分的不足限制了植株的生長。T5處理的穗長與穗粒數均高于其它處理，但由于T5處理的畝穗數較低，因此T5的產量低于T4。說明適宜的壟寬可以最大限度地發(fā)揮壟上小麥的受光條件和邊行優(yōu)勢，有利于改善群體的通風和透光條件，提高作物產量。

不同處理模式下的水分利用效率T4處理最高為29.18 kg·hm-2·mm-1，T2處理的最低為23.23 kg·hm-2·mm-1。由T1、T2處理和T4、T5處理對比分析可知：在溝長、入溝流量、坡降相同的條件下，壟寬與春小麥產量與水分利用效率呈現負增長的趨勢；T5處理的產量與水分利用效率分別較T4處理降低了1.50%與1.88%，無顯著差異。

4 試驗灌水質量評價

4.1 實測灌水質量指標

通過開展現場灌溉試驗，對不同的壟溝參數(壟坡、壟寬、溝深、溝寬)與灌水技術參數(溝長、溝坡、入溝流量)為處理的5組田間試驗進行灌水質量的評價，以第一次灌水的實驗數據為例，用式(1)、式(2)、式(3)和式(10)采用實測土壤水分剖面分別計算灌水均勻度、田間灌溉水利用率、儲水率和壟體濕潤度4個評價指標，計算結果見表3。

由表3看出，灌水均勻度T1處理最高為88.9%，T4處理為87.8%；田間灌溉水利用率T4處理最高為83.6%；儲水率T3處理高為83.3%；壟體濕潤深度T3處理最高為82.9%。綜合評價各灌水質量指標，T3處理與T4處理有較高的灌水質量。T4處理較高灌水質量與表2中T4處理產量與水分利用效率最高的結論相吻合。

4.2 簡化計算灌水質量指標

對上述試驗結果，采用簡化式(11)、式(2)、式(3)和式(10)計算灌水均勻度、田間灌溉水利用率、儲水率和壟體濕潤度4個評價指標，各觀測點的入滲總水量與溝入滲水深可通過入滲模型計算，但由于試驗中未觀測各測點入滲時間與溝水深，所以計算中采用實測入滲總水量與溝入滲水深計算。簡化計算灌水質量評價指標見表4。

由表4簡化計算結果可以看出，除灌水均勻度由于縱向測點較少，導致均勻度計算結果均偏高外，其它指標簡化計算結果與實測結果接近。說明研究對灌水質量評價指標所做的簡化是合理的，簡化計算公式可在減少實測工作量的基礎上，評價壟作溝灌的灌水質量。

表3 第一次灌水各處理的灌水質量評價指標

表4 簡化計算灌水質量評價指標

5 結 論

1) 由于壟作溝灌灌溉水是通過橫向擴散作用濕潤壟體，因此與畦田灌溉不同，采用灌水均勻度、灌溉水利用率、田間儲水率三指標評價灌水質量不能客觀反映其灌水質量， 研究表明，增加壟體濕潤度評價指標能更全面反映其灌水質量。

2) 實際應用中為了簡化測試工作量，將溝入滲水深采用實測單位濕周入滲量代替，由此通過總入滲量推求壟體入滲深，利用公式計算儲水量及灌水質量各評價指標，此方法與實測法相比具有較高精度。

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