運用監(jiān)測管理系統(tǒng)探討土壤墑情及系數(shù)的變化規(guī)律

王 蓓， 李 麗，李芳松

(新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

1 概述

2021年中央一號文件《中共中央國務(wù)院關(guān)于全面推進鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見》指出，要加快推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，提高高標準農(nóng)田的建設(shè)標準和質(zhì)量，建立健全管護機制，實施大中型灌區(qū)續(xù)建配套和現(xiàn)代化改造等?，F(xiàn)代化改造中，土壤墑情預(yù)報對于農(nóng)業(yè)種植十分重要[1]，在國內(nèi)，土壤墑情自動監(jiān)測技術(shù)正在逐步得到應(yīng)用，其技術(shù)的發(fā)展對于區(qū)域旱情的預(yù)警十分關(guān)鍵[2]，通過自動監(jiān)測土壤墑情數(shù)據(jù)，研究其變化規(guī)律，做好水資源供需平衡分析，逐步建立自動測算信息化系統(tǒng)，提高灌區(qū)水利用系數(shù)測算精度[3]，不斷提升灌區(qū)管理水平，從而實現(xiàn)灌區(qū)良性運行和可持續(xù)發(fā)展[4]。

目前，我國灌區(qū)的農(nóng)田灌溉監(jiān)測技術(shù)、農(nóng)業(yè)用水管理等已向自動化、智能化綜合應(yīng)用方向發(fā)展，新疆很多地區(qū)也在進行農(nóng)業(yè)自動化、智能化綜合應(yīng)用的試點，但是存在基層信息基礎(chǔ)薄弱，監(jiān)測系統(tǒng)相對落后，缺乏水利信息化系統(tǒng)平臺，灌區(qū)管理水平嚴重滯后等問題，因此，本研究以三屯河灌區(qū)的代表性墑情監(jiān)測點的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開發(fā)了“灌溉水高效利用監(jiān)測管理信息系統(tǒng)”，對監(jiān)測點的土壤溫度、土壤含水率等墑情數(shù)據(jù)進行分析處理，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)用于灌區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉中，對灌區(qū)的生產(chǎn)活動進行科學有效地指導，助推灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源高效利用，實現(xiàn)灌區(qū)灌溉用水監(jiān)測管理綜合技術(shù)。

2 材料與方法

2.1 試驗區(qū)概況

三屯河灌區(qū)地處中國新疆昌吉市，區(qū)域總面積8171.74km2[5]。在農(nóng)作物主要種植區(qū)，1月平均氣溫為-17.5℃，7月平均氣溫為24.6℃，氣溫年較差42.1℃，平均日較差13.4℃[6]。三屯河灌區(qū)多年平均地表水資源量為3.792×108m3。全年可開采量約為0.1475×108m3[7]。灌區(qū)土壤類型為棕漠土，土壤質(zhì)地以粉、砂壤土為主，部分為中或重壤且多在耕作層以下分布。1m深土體土壤容重1.27～1.78g/cm3，耕作層多為1.45～1.70 g/cm3。灌區(qū)耕作層土壤有機質(zhì)肥力中偏下水平，土壤有效養(yǎng)分表現(xiàn)為缺氮少磷鉀豐富的特點。

三屯河灌區(qū)內(nèi)包括昌吉市七鎮(zhèn)一鄉(xiāng)、兩個涉農(nóng)辦事處[8]，灌區(qū)2017年有效灌溉面積約63333hm2。主要作物以小麥、玉米、籽用葫蘆、棉花、番茄、甜菜、食葵、瓜類、蔬菜及葡萄為主。

2.2 方法

基于三屯河灌區(qū)工作人員具有較好的現(xiàn)代化管理經(jīng)驗，本研究于2017年在該灌區(qū)建立了新疆首個農(nóng)田灌溉用水監(jiān)測管理系統(tǒng)示范區(qū)，開發(fā)研制了“灌溉水高效利用監(jiān)測管理信息系統(tǒng)”。該系統(tǒng)首先采用走訪調(diào)研、問卷調(diào)查及現(xiàn)場取樣試驗等方法，獲得灌區(qū)基礎(chǔ)信息，搭建系統(tǒng)平臺，根據(jù)灌區(qū)基本情況選取和布設(shè)土壤墑情監(jiān)測點[9]，運用傳感技術(shù)和通信技術(shù)，通過土壤墑情儀實時監(jiān)測農(nóng)田土壤水分和土壤溫度等數(shù)據(jù)，并傳輸、存儲至服務(wù)器終端?！肮喔人咝Ю帽O(jiān)測管理信息系統(tǒng)”將監(jiān)測數(shù)據(jù)以曲線圖或數(shù)據(jù)列表形式顯示，系統(tǒng)采用水量平衡法分析處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，可得到“土壤水分溫度監(jiān)測信息”“田間灌溉土壤墑情信息”“灌區(qū)用水灌溉成果測算”“灌區(qū)灌溉效益成果報告”四大模塊的內(nèi)容，從而實現(xiàn)信息的快速查詢、計算、數(shù)據(jù)分析等功能。通過一年的運行，該系統(tǒng)平臺發(fā)揮了自動記錄存儲、自動分析計算的優(yōu)勢，取得了一系列成果。

2.3 測定指標

采用調(diào)查法及取樣試驗法獲取灌區(qū)土壤和作物種植方式等基本概況，利用“灌溉水高效利用監(jiān)測管理信息系統(tǒng)”接收到墑情點的信息，進行計算得到的成果，來分析研究該灌區(qū)農(nóng)田土壤溫度的動態(tài)變化規(guī)律、土壤水分含量的動態(tài)變化規(guī)律及灌溉水利用系數(shù)的變化規(guī)律等。三屯河灌區(qū)代表性監(jiān)測點基本信息見表1。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤理化性質(zhì)分析

3.1.1土壤質(zhì)地

對選出的代表性地塊0～100cm土壤分層采集土樣，試驗區(qū)大部分地塊的土壤中粉粒含量最高，在56.0%～89.2%之間，其次為砂粒，在7.5%～38.5%之間，黏粒含量最低，在0.9%～14.1%之間，參考美國農(nóng)業(yè)部土壤分類圖，代表性地塊0～100cm土壤主要為粉(砂)質(zhì)壤土。大西渠鎮(zhèn)和三工鎮(zhèn)二工村葡萄種植區(qū)、以及榆樹溝勇進村4組的制種玉米種植區(qū)土壤中砂粒含量較其他地區(qū)略高，在15.7%～87.3%之間，其次為砂粒，在12.5%～77.2%之間，黏粒含量最低，在0.3%～10.4%之間，故灌區(qū)主要為砂質(zhì)壤土。

表2 大西渠鎮(zhèn)滴灌甜菜土壤溫度觀測數(shù)據(jù)(11月16日)

3.1.2土壤容重

采用環(huán)刀法分層取土得到各監(jiān)測點的土壤容重，示范區(qū)土壤情況較為復(fù)雜，在代表性地塊0～100cm深度的土壤中，0～20cm土壤容重最小，平均容重為1.52g/cm3；在20～60cm土層處容重最大，平均容重為1.59g/cm3；0～20cm土層內(nèi)，土壤容重變化幅度較大，變幅達到0.51g/cm3，40～60cm之間土壤容重變化幅度最小，變幅為0.22g/cm3。由此可見，灌區(qū)耕作層土壤容重多在1.45～1.70 g/cm3。

3.1.3土壤養(yǎng)分

土壤養(yǎng)分按照五點法在示范區(qū)取樣進行混合，測定結(jié)果為耕作層土壤有機質(zhì)0.75%～3.61%，平均1.43%，土壤有機質(zhì)肥力中偏下水平，耕層土壤速效N含量為8.44～167.22 mg/kg，平均39.96mg/kg，遠小于90mg/kg，即速效N肥料含量嚴重缺乏；土壤速效P含量為2.11～196.35mg/kg，平均29.41mg/kg，3個地塊含量在10mg/kg以下，即速效P含量缺乏，6個地塊含量在10～20mg/kg之間，即速效P含量中等，3個地塊含量在20mg/kg以上，即速效P含量豐富；土壤速效K含量為244.60～754.70 mg/kg，平均403.78 mg/kg，均大于200mg/kg，即速效K含量很豐富。故示范區(qū)土壤有機質(zhì)肥力屬于中偏下水平，土壤有效養(yǎng)分表現(xiàn)為缺氮少磷鉀豐富的特點。

3.2 土壤墑情監(jiān)測

3.2.1墑情點土壤溫度監(jiān)測

從墑情農(nóng)田代表性監(jiān)測點中隨機抽取的一組土溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，地點在大西渠鎮(zhèn)，作物為甜菜，灌溉形式為滴灌。表2是該監(jiān)測點某一日土壤溫度分層分時段實時觀測數(shù)據(jù)表。

系統(tǒng)平臺可根據(jù)逐日實時觀測土壤溫度數(shù)據(jù)，自動生成該監(jiān)測點作物在灌溉月的平均土壤溫度值，見表3。

表3 大西渠鎮(zhèn)滴灌甜菜灌溉期農(nóng)田土壤溫度觀測表

3.2.2墑情點土壤含水率監(jiān)測

根據(jù)對隨機抽取的大西渠鎮(zhèn)甜菜滴灌的土壤含水率監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。表4是該監(jiān)測點某一日土壤體積含水率分層分時段實時觀測數(shù)據(jù)表。

表4 大西渠鎮(zhèn)滴灌甜菜土壤體積含水率觀測數(shù)據(jù)(11月16日)

系統(tǒng)平臺可根據(jù)逐日實時觀測土壤含水率數(shù)據(jù)，自動生成監(jiān)測點作物在灌溉月的平均作物需水量值，見表5。

表5 大西渠鎮(zhèn)甜菜滴灌灌溉期作物需水量表

3.3 監(jiān)測管理信息系統(tǒng)測算成果分析

3.3.1灌溉期農(nóng)田監(jiān)測點土壤溫度變化特征

分層土壤溫度的日變化曲線，如圖1和圖2分別是榆樹溝鎮(zhèn)葡萄滴灌2017年5月5日和7月21日的地溫日變化曲線。據(jù)日變化特征圖可知，地表溫度表現(xiàn)為隨時間先降低后升高再降低的變化特征，當日最高溫度出現(xiàn)時間均在白天午后，而最低溫度出現(xiàn)在日出前后[10]；隨著土層深度的增加，日變化曲線振幅減小，最高溫度和最低溫度出現(xiàn)的時間相對滯后。5月的典型晴天和陰天中，地面以下20cm處的土壤溫度表現(xiàn)出的變化趨勢較7月明顯，而50～100cm處的土壤溫度日變化不明顯。

將每一個小時不同土層的土壤溫度進行日平均，在生育期內(nèi)對四個代表性墑情監(jiān)測點的土壤溫度數(shù)據(jù)進行對照，如圖3—6所示?？梢姡寥罍囟饶曜兎c日變化類似，地表溫度變幅較大，隨著土層深度的增加，變幅逐漸減少[10]，并且相位向后推移。根據(jù)與日變化曲線比較，可以看出土壤溫度的年變幅高于土壤溫度的日變幅。

圖1 5月5日榆樹溝鎮(zhèn)葡萄滴灌監(jiān)測點土壤溫度日變化曲線

圖2 7月21日榆樹溝鎮(zhèn)葡萄滴灌監(jiān)測點土壤溫度日變化曲線

圖3 榆樹溝鎮(zhèn)葡萄滴灌生育期監(jiān)測點土壤溫度曲線圖

圖4 濱湖鎮(zhèn)冬麥畦灌生育期監(jiān)測點土壤溫度曲線圖

圖5 三工鎮(zhèn)玉米滴灌生育期監(jiān)測點土壤溫度曲線圖

圖6 濱湖鎮(zhèn)甜菜滴灌生育期監(jiān)測點土壤溫度曲線圖

圖7 榆樹溝鎮(zhèn)曙光村葡萄滴灌土壤含水率變化曲線

圖8 濱湖鎮(zhèn)永紅村冬麥畦灌土壤含水率變化曲線

圖9 三工鎮(zhèn)新戽村玉米滴灌土壤含水率變化曲線

圖10 濱湖鎮(zhèn)下泉子村甜菜滴灌土壤含水率變化曲線

3.3.2灌溉期農(nóng)田監(jiān)測點土壤含水率變化特征

對三屯河灌區(qū)作物灌溉生長期進行監(jiān)測，選取四處代表性監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行分析，共244320個數(shù)據(jù)進行灌區(qū)不同作物及不同灌溉形式的土壤含水率變化規(guī)律分析。圖7—10分別為三屯河葡萄滴灌、小麥畦灌、玉米膜下滴灌和甜菜膜下滴灌的監(jiān)測點灌溉期土壤含水率變化曲線，由圖可見，在灌溉期各種灌溉形式下的不同作物的土壤表層含水率波動均最大，耕作層以下的土壤含水率變幅減小、相對穩(wěn)定，其中滴灌的灌溉形式波長短而頻繁，不易造成深層滲漏。

三屯河灌區(qū)的作物需水量大小與氣象月份蒸發(fā)量直接相關(guān)。每次灌水土壤含水率隨時間增大逐漸趨于穩(wěn)定，水分運移同樣也有明顯的滯后效應(yīng)；滴灌水分一般不易產(chǎn)生深層滲漏，但有時存在地下水沿著土壤毛管上升進入非飽和帶。滴灌作物灌水定額較小，常規(guī)溝畦灌灌水定額相對較大，因此滴灌作物土壤含水率波動周期短小，常規(guī)溝畦灌土壤含水率波動周期相對大。不同灌溉方式土壤剖面的含水率大小分布不同，滴灌土壤含水率耕作層(0～20cm)相對較大，土壤水分干濕交替消長較頻繁，耕作層(30～40cm)及以下土壤含水率。由于灌水定額小，下滲水量有限，土壤含水率雖然不高但卻相對穩(wěn)定。常規(guī)溝畦灌耕作層與滴灌類似，但耕作層以下，由于灌水定額較大，下滲的水量較多，土壤含水率較高，并且趨于穩(wěn)定。

3.3.3灌溉水利用系數(shù)

通過用“灌溉水高效利用監(jiān)測管理信息系統(tǒng)”對三屯河灌區(qū)2017年灌溉期23個代表性監(jiān)測點的數(shù)據(jù)分析，得出灌區(qū)的灌溉用水效率。軟件可直接生成“代表性監(jiān)測點灌溉效率評估報告”，即灌溉水利用系數(shù)報告，見表6。

表6 代表性監(jiān)測點灌溉效率評估報告(灌溉水利用系數(shù)報告)

軟件還可直接生成“灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水效率測驗報告”，見表7。

表7 三屯河灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水效率測驗報告

由系統(tǒng)平臺綜合分析結(jié)果可知，灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)0.566。

上游灌區(qū)10組數(shù)據(jù)中滴灌灌溉水利用系數(shù)在0.553～0.580之間，平均0.570，畦灌灌溉水利用系數(shù)在0.546～0.555之間，平均0.551，溝灌灌溉水利用系數(shù)為0.536，上游灌區(qū)綜合灌溉水利用系數(shù)為0.563。中游灌區(qū)8組數(shù)據(jù)中滴灌灌溉水利用系數(shù)在0.549～0.614之間，平均0.574，去掉井水滴灌作物，地表水滴灌綜合灌溉水利用系數(shù)為0.567，畦灌灌溉水有效利用系數(shù)為0.553，中游灌區(qū)綜合灌溉水利用系數(shù)為0.571。下游灌區(qū)5組數(shù)據(jù)中滴灌灌溉水利用系數(shù)在0.559～0.588之間，平均0.574，畦灌灌溉水有效利用系數(shù)為0.528，下游灌區(qū)綜合灌溉水利用系數(shù)為0.565?？偟膩砜?，滴灌灌溉水利用系數(shù)高于溝畦灌灌溉水利用系數(shù)，而水源中純井滴灌的系數(shù)較高，地表水和井渠結(jié)合灌溉的滴灌系數(shù)相對來說略低，如圖11所示。

圖11 三屯河灌區(qū)上中下游不同灌溉方式灌溉水利用系數(shù)

4 結(jié)論

(1)三屯河灌區(qū)農(nóng)田土壤溫度地面至50cm土層位置受太陽輻射影響大，土壤介質(zhì)對土壤溫度具有一定的緩沖能力，隨著土層深度增加，土壤溫度變幅減小。覆膜的增溫效果顯著，對作物生長有利，可根據(jù)作物情況進行覆膜保墑。

(2)三屯河灌區(qū)土壤表層含水率波動大，耕作層以下的土壤含水率變幅小、相對穩(wěn)定；滴灌作物土壤含水率波動周期短而頻繁，而常規(guī)灌作物土壤含水率波動周期較大，故滴灌的灌溉形式不易造成深層滲漏。

(3)三屯河灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)滴灌要高于常規(guī)溝畦灌，而純井滴灌的系數(shù)較高，地表水和井渠結(jié)合滴灌的系數(shù)略低，故可增加高效節(jié)水面積來提升該灌區(qū)的系數(shù)。