耕作及種植方式對土壤入滲參數(shù)和畦灌水流運動的影響

張西平，程伍群，繩莉麗，甄文超，張 旭，鄭永虎

耕作及種植方式對土壤入滲參數(shù)和畦灌水流運動的影響

張西平1，程伍群1※，繩莉麗1，甄文超2，張 旭1，鄭永虎1

（1. 河北農(nóng)業(yè)大學城鄉(xiāng)建設學院，保定 071001；2. 河北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，保定 071001）

為探明耕作和種植方式對土壤入滲參數(shù)及畦灌水流運動的影響規(guī)律，試驗設置了4個處理（深松+旋耕+等行距、深松+旋耕+三密一稀、旋耕+等行距、旋耕+三密一稀旋耕+三密一?。?，每個處理中設3種不同畦田規(guī)格（畦長30、35、40 m，畦寬均為2 m），越冬和拔節(jié)期分別進行灌水，實測了入滲量、水深、水流推進時間等，基于采用Kostiakov入滲公式計算的土壤入滲參數(shù)和WinSRFR4.1軟件優(yōu)化法求解的入滲參數(shù)，研究不同處理下入滲參數(shù)變異對畦灌水流運動的影響。結(jié)果表明：1）田間試驗實測值和基于WinSRFR4.1軟件優(yōu)化模擬值間入滲系數(shù)和入滲指數(shù)相對誤差最大值分別為1.24%和1.57%，表明采用2種方法確定不同耕作和種植方式下土壤參數(shù)均可行；2）耕作和種植方式的不同會對土壤入滲參數(shù)產(chǎn)生較大影響，前者影響更大。3）越冬期和拔節(jié)期灌水時入滲系數(shù)變異系數(shù)最高分別為0.34和0.22，入滲指數(shù)變異系數(shù)最高分別為0.14和0.13。2次灌水期間相同處理入滲參數(shù)也發(fā)生了時間變異性，處理深松+旋耕+等行距和深松+旋耕+三密一稀的入滲系數(shù)和入滲指數(shù)均發(fā)生中等變異性，處理旋耕+等行距和旋耕+三密一稀發(fā)生弱變異性。4）在土壤入滲參數(shù)的變異性影響下，2次灌水過程中，不同處理水流運動時間均發(fā)生了變異性。5）基于土壤入滲參數(shù)變異性，確定了2次灌水不同耕作及種植方式冬小麥畦灌條件下土壤入滲系數(shù)和入滲指數(shù)。研究結(jié)果可為畦灌系統(tǒng)設計和管理評價提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

入滲；深松；耕作；種植方式；水流運動

0 引 言

華北平原區(qū)是中國糧食主產(chǎn)區(qū)之一，農(nóng)業(yè)種植以小麥-玉米兩熟為主，連年旋耕導致耕層淺薄化、土壤緊實化等問題逐漸顯露[1-2]。由于旋耕深度較淺，堅硬的犁底層阻礙了作物根系下移伸展，造成倒伏并引起早衰，制約產(chǎn)量提高[3]。深松是一種保護性耕作方式，該方式不翻土，打破堅硬犁底層，加厚松土層，形成疏松深厚的耕作層。近年來國家十分重視并積極推廣農(nóng)機深松整地作業(yè)措施。國內(nèi)外學者也開展了大量相關(guān)研究工作。

關(guān)于耕作方式對改善耕層土壤、提高作物產(chǎn)量等方面的研究較多。強小嫚等[4-6]研究表明，深松能降低土壤容重，降低土壤緊實度，增加空隙度及透氣性，改善耕層土壤質(zhì)量。丁昆侖等[7]研究表明，深松促使土壤蓄水保墑及抗旱防澇能力增強。楊思存等[8-12]研究表明，深松對耕層土壤具有較好的固碳效果，能有效調(diào)控密植群體資源利用效率，增加干物質(zhì)積累量，增加穗粒質(zhì)量，是促進作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的有效手段。高盼等[13]研究表明，不同年限深松處理均有增產(chǎn)效果，以隔年深松處理增產(chǎn)效果最好。

在耕作方式對土壤入滲及入滲參數(shù)影響方面，李傳友等[14]研究表明，與免耕處理相比，免耕+深松模式0～30 cm土層土壤容重降低3.4%，穩(wěn)滲率提高62.5%。張海林等[15]研究表明，耕作方式對0～20 cm土壤容重影響較大，全生育期中翻耕均保持較高穩(wěn)滲率，隨著時間延長，差異變小。于同艷等[16]研究表明，平翻和旋松耕作下壟臺容重最小，表層土坡穩(wěn)滲率大于免耕、少耕及組合耕作方式。Azooz等[17-18]研究表明免耕穩(wěn)滲率高于翻耕。李文鳳等[19]研究表明，免耕土壤的滲透率大于秋翻土壤。劉爽等[20]研究表明，免耕覆蓋措施可導致土壤緊實度和容重顯著增加，入滲速率在播前顯著降低，隨著生育期推進與其他處理間差異逐漸減小。楊雪等[21]研究表明，不同耕作處理對土壤蓄水量的影響較大，深旋松耕處理表現(xiàn)出利于降水入滲、儲蓄更多水分的優(yōu)勢。關(guān)于土壤入滲參數(shù)變異性方面的研究。Oyonarte等[22]研究表明，土壤入滲參數(shù)的變異性是影響灌水質(zhì)量變化的主要因素。白美健等[23]研究表明，土壤入滲變異性對灌溉均勻度和灌溉效率影響較大。Mateos等[24]研究表明，考慮土壤穩(wěn)滲率變異性的灌水均勻度低于未考慮的值。聶衛(wèi)波等[25]研究表明，土壤入滲參數(shù)的變異性對畦灌灌水質(zhì)量的影響很大，在系統(tǒng)評價和設計時應充分考慮這種變異性的影響。

綜上，耕作方式對土壤入滲參數(shù)產(chǎn)生較大影響，土壤入滲參數(shù)的變異性會對灌溉均勻度和灌溉效率產(chǎn)生影響。項目所在區(qū)是典型的小麥-玉米兩熟區(qū)，在傳統(tǒng)連年旋耕的基礎上，積極開展旋耕與深松的組合耕作方式。但以往該區(qū)關(guān)于不同耕作方式對土壤入滲參數(shù)及灌溉水流運動的影響研究較少，灌區(qū)畦灌系統(tǒng)規(guī)劃設計缺乏合理的土壤入滲參數(shù)?；诖?，本文通過田間試驗結(jié)合WinSRFR4.1軟件研究不同耕作及種植方式對土壤入滲參數(shù)及灌溉水流運動的影響規(guī)律，旨在確定不同耕作及種植方式冬小麥畦灌條件下不同時期的土壤入滲參數(shù)，為華北平原區(qū)畦灌系統(tǒng)設計及管理評價提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2012—2014年度在藁城試驗點進行，試驗田位于河北省藁城市梅花鎮(zhèn)劉家莊村（114°54′E，37°57′N，海拔47 m），屬河北平原區(qū)，該區(qū)是全國重要的糧食生產(chǎn)基地，也是中國冬小麥、夏玉米的主產(chǎn)區(qū)之一。屬于暖溫帶濕潤或半濕潤氣候，春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季氣溫涼爽，冬季干燥寒冷。試驗點年平均氣溫12.5 ℃，1月份最低月平均氣溫-3.5 ℃，7月份最高月平均氣溫26.4 ℃。年平均降水量494 mm，年日照時數(shù)2 711.4 h，日照率61.2%。無霜期190 d。試驗區(qū)土壤類別為砂質(zhì)壤土，田間持水量為26.5%～32.6%（質(zhì)量含水率）。試驗區(qū)土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設計

試驗田采用深松+旋耕及旋耕2種耕作方式，每種耕作方式下設2種種植方式，分別為等行距（15 cm）和三密一?。?2.5 cm+12.5 cm+15 cm），則試驗共設4個處理（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ）：Ⅰ為深松+旋耕+等行距；Ⅱ為深松+旋耕+三密一??；Ⅲ為旋耕+等行距；Ⅳ為旋耕+三密一稀。

4個處理均設3種規(guī)格畦田（40 m×2 m、35 m×2 m、30 m×2 m），每種規(guī)格設3次重復，共36個畦田（圖1），相鄰畦田間隔30～40 cm，防止側(cè)滲，通過軟管將水輸送到畦首，水流從北向南推進濕潤土壤。

旋耕處理操作步驟：前茬玉米收獲后的秸稈全部粉碎還田?秸稈還田后撒施底肥?施肥后按照15 cm的深度旋耕2遍?旋耕完畢后耙地2遍?耙地后按照設計行距播種?播種后鎮(zhèn)壓?按照設計的畦田幾何尺寸整畦。

注：Ⅰ為深松+旋耕+等行距；Ⅱ為深松+旋耕+三密一?。虎鬄樾?等行距；Ⅳ為旋耕+三密一稀。下同。

深松+旋耕處理操作步驟：前茬玉米收獲后的秸稈全部粉碎還田?秸稈還田后撒施底肥?施肥后按照38 cm的深度深松1遍?深松后按15 cm的深度旋耕1遍?旋耕完畢后耙地2遍?耙地后按照設計行距播種?播種后鎮(zhèn)壓?按照設計的畦田幾何尺寸整畦。

供試小麥品種為“石麥18”，播量為187.5 kg/hm2。小麥生育期磷肥、鉀肥全部底施，氮肥50%底施，50%追施（每667 m2施用N 16 kg、P2O510 kg、K2O 10 kg）。小麥生育期灌水2次，第1次灌水為越冬期階段灌水（2013年12月2日），第2次灌水為拔節(jié)期階段灌水（2014年4月9日），灌水定額75 mm。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 坡度、流量、水流推進時間及距離測定

田面坡度測定：灌水之前利用全站儀和水準儀測量并計算每個畦田的田面坡度；流量及灌水量測定：利用TDS-100P型便攜式超聲波流量計（大連海峰儀器公司）準確實測流量，記錄灌水時間、灌水量；水流運動觀測：灌水之前沿著畦長方向在每隔5 m斷面處設置刻度尺，當水流進入畦田時刻，利用秒表開始計時，記錄水流推進距離與時間的關(guān)系，即水流推進前鋒達到每個刻度尺的時間，同時每隔5 min記錄各個斷面對應刻度尺的水深讀數(shù)。當停止灌水后，記錄田面積水消退距離與時間的關(guān)系，具體方法與水流推進過程相同，直至田面積水全部入滲完成。受水時間為田面水流消退時間與推進時間之差。

1.3.2 土壤入滲參數(shù)確定方法

1）基于Kostiakov入滲公式計算土壤入滲參數(shù)

灌水之前利用雙環(huán)入滲儀通過田間雙環(huán)法試驗在畦首、畦中和畦末斷面處測定累計入滲量及入滲歷時，按照Kostiakov入滲公式得到土壤入滲參數(shù)[26-27]，取3個斷面平均值作為對應畦田的入滲參數(shù)。

=kt（1）

為了保證土壤入滲參數(shù)的準確性，本文同時選用基于WinSRFR4.1軟件的土壤入滲參數(shù)優(yōu)化求解方法對雙環(huán)法結(jié)果進行檢驗。

2）基于WinSRFR4.1軟件的土壤入滲參數(shù)優(yōu)化求解

WinSRFR4.1軟件是美國農(nóng)業(yè)部干旱農(nóng)業(yè)研究中心發(fā)布的集多種功能于一體的地面灌溉綜合性分析軟件，利用該軟件分析評價模塊功能中的第2種方法：利用田間實測水流推進和消退數(shù)據(jù)反求土壤入滲參數(shù)[28]。軟件所需輸入的基本參數(shù)包括畦田尺寸、畦田坡度、田面綜合糙率系數(shù)、流量等。畦田尺寸、坡度、流量等均采用實測數(shù)據(jù)；田面綜合糙率系數(shù)采用曼寧公式法[26]求解，該方法簡單，求解結(jié)果準確可靠，其公式如下：

式中為田面綜合糙率系數(shù)；為田面坡度，m/m；為畦首水深，m；為單寬流量，L/(s·m)。、和均由實測獲得。

為確保WinSRFR4.1模型模擬的入滲參數(shù)更準確，需對模擬及田間實測水流推進及消退數(shù)據(jù)進行擬合度檢驗，本文通過反復模擬以減小模擬與實測結(jié)果的差異。模擬過程中采用均方根誤差（root mean square error，RMSE）和決定系數(shù)2來評價模型的模擬效果，均方根誤差和決定系數(shù)分別為式 （3）和式（4）。當RMSE達到最小，同時2達到較大，此時的入滲參數(shù)即為所求[26,29-30]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤入滲參數(shù)優(yōu)化求解方法檢驗

為檢驗WinSRFR4.1軟件土壤入滲參數(shù)優(yōu)化求解方法對于本試驗的適用性及可靠性，隨機選取第1次灌水時4個處理中畦田35 m×2 m（畦田編號分別為22、15、21、18）的求解結(jié)果對比實測和模擬水流運動過程的差異，結(jié)果表明（圖2），不同處理水流推進與消退運動過程的模擬值與田間實測值擬合效果均較好，水流推進過程的擬合效果較優(yōu)于水流消退過程，其中推進過程實測值和模擬值RMSE在0.10～0.38 min范圍內(nèi)，2均達到0.99；消退過程實測值和模擬值均方根誤差RMSE在0.85～1.48 min范圍內(nèi)，2最小值為0.93（表2），均在0.7以上，可見利用WinSRFR4.1軟件優(yōu)化不同耕作和種植模式下土壤的入滲參數(shù)是可行的[26,29]。

表2 不同畦田水流運動時間模擬及實測結(jié)果對比

注：綜合糙率系數(shù)為曼寧公式計算值。

Note: Roughness coefficient is calculated by Manning formula.

注：畦長35 m、畦寬2 m。