非鹽堿地農(nóng)田土壤水分的監(jiān)測(cè)
——以巴彥淖爾市山旱區(qū)為例

于宇婷，云耀新，孫 龍，楊秀花，陳 敏

（1.巴彥淖爾市水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古自治區(qū) 巴彥淖爾 015000；2.巴彥淖爾市農(nóng)牧業(yè)機(jī)械化服務(wù)中心，內(nèi)蒙古自治區(qū) 巴彥淖爾 015000）

隨著水資源的日益緊缺，節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展刻不容緩。土壤水分含量作為農(nóng)作物干旱程度的指標(biāo)，對(duì)作物生長至關(guān)重要，對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉具有重要意義。此外，土壤水分含量與洪澇、山體滑坡、泥石流等災(zāi)害息息相關(guān)[1]。因此，及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)土壤水分含量，對(duì)高效進(jìn)行農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉和災(zāi)害的防治發(fā)揮非常重要的作用。目前，土壤水分監(jiān)測(cè)的方法主要有人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量法和探測(cè)儀器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量法。人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量法主要的缺點(diǎn)是耗時(shí)耗力、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率較低；探測(cè)儀器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量法存在大多數(shù)儀器會(huì)對(duì)土壤原始結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，不利于在農(nóng)田等作物覆蓋較多的土壤中進(jìn)行監(jiān)測(cè)等不足；星載、機(jī)載微波遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)存在受天氣、光照等自然因素與表層植被覆蓋情況影響較大、空間與時(shí)間分辨率較低、監(jiān)測(cè)精度較低等缺點(diǎn)[2]。農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉提出了“精細(xì)”的要求，即要求精細(xì)灌水時(shí)間、灌水位置和灌水水量等，并對(duì)土壤水分測(cè)量方法提出了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求，即要求土壤水分測(cè)量方法可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地了解土壤含水量，為差異化的農(nóng)業(yè)灌溉提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)，為水資源的合理分配提供依據(jù)，進(jìn)行科學(xué)管理，避免過多或過少量的低效灌溉。因此，探索一種既可以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)精細(xì)灌溉又可以及時(shí)、準(zhǔn)確、快速、高效地監(jiān)測(cè)土壤水分含量的方法尤為重要。本文通過分析一體化水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀智墑（以下簡稱“智墑”）在不擾動(dòng)土壤原始結(jié)構(gòu)的情況下對(duì)巴彥淖爾市山旱區(qū)農(nóng)田土壤水分進(jìn)行快速高效的監(jiān)測(cè)情況，為農(nóng)業(yè)精細(xì)灌溉監(jiān)測(cè)提供借鑒。

1 巴彥淖爾市山旱區(qū)概況

巴彥淖爾市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，東接包頭市，西連阿拉善盟、烏海市，南隔黃河與鄂爾多斯市相望，北與蒙古國接壤，廣闊的河套平原便位于此。巴彥淖爾市山旱區(qū)位于巴彥淖爾市北部、陰山以北地區(qū)，總面積36 946.67 km2，占全市總土地面積的56%，是內(nèi)蒙古高原的一部分，海拔900～1 500 m，最大風(fēng)速27.7 m/s，年均風(fēng)速5.6 m/s，極端最低氣溫-41℃，極端最高氣溫34.8℃，年平均氣溫3.8℃，年降水量77～270 mm，年蒸發(fā)量2 957～3 178 mm[3]。山旱區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)，主要分布在烏拉特前旗的大小佘太鎮(zhèn)、烏拉特中旗的石哈河鎮(zhèn)及前山沿山一帶，東與固陽縣、包頭市毗鄰，中有陰山支脈查石太山，西與黃河后套相連，全屬陰山丘陵區(qū)的一部分。山旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)的主要特點(diǎn)是：土地廣闊，地勢(shì)高；降水少，日照較長，蒸發(fā)大，十年九旱，無霜期短；土壤鹽堿化程度輕，質(zhì)地以砂土為主，間有砂壤土，并伴有粗砂，有機(jī)質(zhì)含量低，持水性差；農(nóng)村勞動(dòng)力少，農(nóng)民主要采用傳統(tǒng)種植，機(jī)井灌溉。近年引進(jìn)先進(jìn)的灌滴灌溉方式，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)獲得較大發(fā)展，水分利用率也有所提高。

2 項(xiàng)目實(shí)施背景

灌溉水有效利用系數(shù)能夠反映灌溉工程狀況、灌溉技術(shù)水平，以及用水管理水平等，是正確評(píng)估灌溉水有效利用程度、評(píng)價(jià)灌溉節(jié)水潛力的重要數(shù)據(jù)，國家將灌溉水有效利用系數(shù)列為嚴(yán)格水資源管理制度中“三條紅線”的考核指標(biāo)之一[4]。水利部推薦采用首尾測(cè)算分析法測(cè)算灌溉水有效利用系數(shù)，即通過分析測(cè)算得到的田間實(shí)際凈灌溉用水總量與直接測(cè)量統(tǒng)計(jì)得到的灌區(qū)從水源引入（取用）的毛灌溉用水總量的比值[5]。其中田間實(shí)際凈灌溉用水總量需通過田間試驗(yàn)獲得，即在作物灌水前、灌水后分別測(cè)量土壤含水率，取土深度為0～100 cm，計(jì)算該次灌水的單位面積凈灌用水量，全年各種作物歷次田間實(shí)際凈灌溉用水量累加即為田間實(shí)際凈灌溉用水總量。因此，在灌溉水有效利用系數(shù)的測(cè)算過程中，獲得作物灌水前、后土壤含水率至關(guān)重要。

巴彥淖爾市山旱區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析項(xiàng)目中，利用傳統(tǒng)烘干法測(cè)量山旱區(qū)的土壤含水率，存在路途遙遠(yuǎn)、取樣不方便、不及時(shí)等缺點(diǎn)。由內(nèi)蒙古河套灌區(qū)水利事業(yè)發(fā)展中心主持的獲內(nèi)蒙古自治區(qū)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)的“河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化配水集成技術(shù)研究與示范”項(xiàng)目，主要針對(duì)突破傳統(tǒng)技術(shù)開展試驗(yàn)與研究中的“突破傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段，開展以研發(fā)智能化監(jiān)測(cè)設(shè)備為重點(diǎn)的試驗(yàn)與研究”，重點(diǎn)通過利用智能化監(jiān)測(cè)設(shè)備，確定精準(zhǔn)化供水閾值，實(shí)現(xiàn)精確化配水，較好地解決了大型灌區(qū)明渠灌溉中水量浪費(fèi)嚴(yán)重、水事糾紛多、管理成本高等生產(chǎn)難題，取得了節(jié)約用水、化解矛盾、降低管理成本等顯著成效[6]。但若想將這一成果大范圍推廣使用，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉，那么自動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)上傳土壤水分動(dòng)態(tài)值這一底層數(shù)據(jù)至為關(guān)鍵。

3 項(xiàng)目土壤含水率測(cè)定方法

基于推進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展、打造智慧河套灌區(qū)和巴彥淖爾市山旱區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析項(xiàng)目的切實(shí)需要，2017 年至今，巴彥淖爾市先后購置了20 余臺(tái)智墑儀器應(yīng)用于山旱區(qū)農(nóng)田土壤水分監(jiān)測(cè)，分別用于烏拉特中旗、烏拉特后旗、烏拉特前旗的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析項(xiàng)目中。

3.1 儀器簡介

試驗(yàn)所用智墑是一種可監(jiān)測(cè)多深度土壤水分變化的管式土壤水分傳感器智能終端。它采用高頻振蕩原理，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)同一位置多個(gè)土層深度的土壤水分、溫度參數(shù)，并將所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行計(jì)算處理，通過微信掃描二維碼關(guān)注儀器即可以隨時(shí)掌握儀器所在地塊的水分狀態(tài)，具有方便、快捷、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)等特點(diǎn)。

3.2 測(cè)定方法

（1）按照儀器安裝說明將智墑安裝于待測(cè)土壤含水率的田塊。

（2）通過手機(jī)微信端小程序或電腦網(wǎng)頁端查看智墑實(shí)時(shí)設(shè)備狀態(tài)、水分含量曲線及溫度變化曲線等參數(shù)，也可導(dǎo)出不同時(shí)段溫度、水分（體積含水率）數(shù)值，保存水分含量曲線等。

（3）查看水分含量曲線即可獲得各土層實(shí)時(shí)土壤水分含量、歷次灌水前和灌水后各層土壤含水率及0～100 cm土層土壤含水率總和等數(shù)據(jù)。

（4）通過以上數(shù)據(jù)，判斷農(nóng)田是否需要灌溉，計(jì)算所選田塊的歷次灌水量、每667 m2凈灌溉用水量等。

3.3 儀器校準(zhǔn)

采用人工取樣烘干稱質(zhì)量與智墑直接讀數(shù)的水分?jǐn)?shù)值相比較的方法對(duì)智墑進(jìn)行校準(zhǔn)。

（1）灌水前和灌水后在智墑附近進(jìn)行人工跟蹤取樣，以滿足對(duì)低含水量和高含水量2個(gè)不同層次水分含量的校準(zhǔn)。取樣深度：100 cm，分10層進(jìn)行，每層取2個(gè)平行樣，即：0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm、60～70 cm、70～80 cm、80～90 cm、90～100 cm，以對(duì)應(yīng)智墑的10 個(gè)感應(yīng)層。

（2）采用烘干稱質(zhì)量法計(jì)算土壤樣品的質(zhì)量含水率，然后換算為體積含水率。

式中：θv為土壤樣品的體積含水率；θm為土壤樣品的質(zhì)量含水率；γ 為所取土壤樣品田塊計(jì)劃濕潤層內(nèi)土壤的干容重，t/m3。

（3）將用人工取樣烘干稱質(zhì)量法計(jì)算得出的每層土壤樣品體積含水率與相應(yīng)時(shí)間該地塊安裝的智墑顯示的對(duì)應(yīng)土層水分?jǐn)?shù)值進(jìn)行比較。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

整個(gè)生育期智墑測(cè)得的田塊土壤含水率如圖1所示。由圖1可知，曲線上共有8個(gè)峰，對(duì)照降水資料，判斷右數(shù)第2個(gè)峰為降水。因此，可以確定整個(gè)生育期共灌水7 次。峰谷對(duì)應(yīng)的各層含水率即為灌后和灌前各層土壤含水率，具體情況見圖2、圖3。從圖2、圖3可以直觀查看任意時(shí)刻各層土壤的含水率及100 cm 土層總含水率。由灌后和灌前土壤含水率計(jì)算某次灌水的單位面積均凈灌溉用水量，累計(jì)每次灌水每667 m2的凈灌溉用水量，即為該田塊整個(gè)生育期的單位面積均凈灌溉用水總量，再由凈灌溉用水總量與毛灌溉用水總量的比值求得某灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)。

圖1 土壤水分含量曲線（0～100 cm）Fig.1 Soil moisture content curve(0～100 cm)

圖2 灌后和灌前各層土壤含水率Fig.2 Soil moisture content of each layer after and before irrigation

圖3 100 cm土層總含水率Fig.3 Total moisture content of 100 cm soil layer

由圖1～圖3 可以看出，通過使用智墑，可以方便準(zhǔn)確地獲知灌水位置、灌水時(shí)間、灌水水量及任一時(shí)間土壤含水量，并能為差異化的農(nóng)業(yè)灌溉提供參考，避免過多或過少的灌溉，實(shí)現(xiàn)精確化配水及水資源的合理分配等，符合現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求。

4.2 校準(zhǔn)結(jié)果

經(jīng)比對(duì)發(fā)現(xiàn)，智墑在巴彥淖爾市山旱區(qū)采集的含水率數(shù)據(jù)與人工取樣計(jì)算得到的數(shù)據(jù)存在一定偏差，即：當(dāng)實(shí)際含水率（以烘干稱質(zhì)量法計(jì)）＜10%時(shí)，智墑值高于人工取樣值4%～5%；當(dāng)實(shí)際含水率（以烘干稱質(zhì)量法計(jì)）＞26%時(shí)，智墑值又低于人工取樣值3%～4%，但二者質(zhì)量含水率絕對(duì)誤差的平均絕對(duì)值≤4%，符合《土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范（SL364—2015）》標(biāo)準(zhǔn)。

以100 cm 土層含水率為計(jì)算單位時(shí)，智墑采集的數(shù)據(jù)普遍低于人工取樣計(jì)算得到的數(shù)據(jù)。對(duì)不同灌溉方式、不同土質(zhì)，智墑采集的數(shù)據(jù)與人工取樣計(jì)算得到的數(shù)據(jù)存在不同偏差。當(dāng)換算為每667 m2均凈灌溉用水量時(shí)，存在以下規(guī)律：對(duì)于地面灌，壤土環(huán)境采集到的數(shù)據(jù)前者比后者低5～10 m3/667 m2，沙土環(huán)境采集到的數(shù)據(jù)前者比后者低15～20 m3/667 m2，黏土環(huán)境采集到的數(shù)據(jù)前者比后者低10～15 m3/667 m2；對(duì)于滴灌，壤土環(huán)境采集到的數(shù)據(jù)前者比后者低3～5 m3/667 m2，沙土環(huán)境采集到的數(shù)據(jù)前者比后者低5～10 m3/667 m2，黏土環(huán)境采集到的數(shù)據(jù)前者比后者低8～12 m3/667 m2。

通過比對(duì)修正，在測(cè)算2019 年—2022 年巴彥淖爾市山旱區(qū)（烏拉特中旗、烏拉特后旗、烏拉特前旗）井灌區(qū)灌溉效率中，應(yīng)用該方法測(cè)得井灌地面灌的平均灌溉效率為0.75～0.80，井灌滴灌的平均灌溉效率為0.85～0.87，與人工取土法測(cè)算的灌溉效率相近，說明智墑能較準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)土壤水分，也證明其可以應(yīng)用到現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)配水及自動(dòng)化控制灌溉中。

5 結(jié)論

本研究表明，智墑設(shè)備的使用為巴彥淖爾市山旱區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算提供了一種省時(shí)省力的監(jiān)測(cè)途徑，在不擾動(dòng)土壤原始結(jié)構(gòu)的同時(shí)，具有較高的準(zhǔn)確度，提高了測(cè)算工作效率，節(jié)省了工作成本。在非鹽堿地農(nóng)田土壤水分自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中，智墑不僅可以方便、快捷地監(jiān)測(cè)土壤水分含量，還可以準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地獲知灌水位置、灌水時(shí)間、灌水水量及任一時(shí)間土壤含水量，為差異化的農(nóng)業(yè)灌溉提供參考。希望此項(xiàng)研究能為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)非鹽堿地農(nóng)田土壤含水量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)配水及自動(dòng)化控制灌溉技術(shù)提供一種選擇。