基于winSRFR河套灌区小麦不同面积不同生育期的入渗参数和糙率的研究

2017-03-22白寅祯魏占民

节水灌溉 2017年1期

白寅祯，魏占民，张健

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；2.内蒙古自治区灌溉排水发展中心，呼和浩特 010018)

土壤平均入渗参数和田面糙率是进行地面灌溉设计的重要参数[1]。土壤入渗参数受到土壤质地、密度、入畦流量和前期含水量的影响，且存在时间的变异性[2]。田面糙率大小取决于田面粗糙程度、不同生育阶段作物的疏密及长势情况、作物种植类型、灌水次数等[3,4]，受这些因素的影响其值变化很大，因此不同影响条件下土壤入渗规律以及与影响因素的相关性研究成了现在诸多领域所关注的重要问题。国内外学者对土壤平均入渗参数和田面糙率测定方法[5,6](试验实测法、模型反求试算法)和模型的模拟上进行了大量的研究，理论成果已日渐成熟并取得了一定的进展[7,8]。这些多是建立在宏观和理论的研究上，而对具体的作物及作物不同生育期土壤平均入渗参数和田面糙率规律的研究较少，为了探索河套灌区小麦不同畦田面积不同生育期的入渗参数和糙率的规律，本文采用众多学者研究的测定方法——利用水流推进和消退来模拟土壤平均入渗参数和田面糙率。根据春小麦不同生育期的水流实测数据，借助winSRFR模型，通过模拟灌溉过程，揭示春小麦在不同发育阶段即拔节期、抽穗期、和灌浆期的土壤平均入渗参数和田面糙率的变化规律，为河套灌区小麦地面灌溉参数的设计提供理论依据和指导意义。

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古河套灌区上游，属于磴口县坝楞村二社，地理坐标为东经106°98′19″，北纬40°33′32 ″，地势较为平坦，由西向东倾斜，海拔平均高程1 009 m。试验区属温带大陆性季风气候，其特征是春秋历时短暂，冬季寒冷且漫长，夏季天气炎热，降雨量少，年平均降雨量133.8 mm，年平均气温为7.6 ℃；无霜期短，在136～205 d之间；全年封冻期5～6个月，最大冻土深度1.0～1.3 m。河套灌区是我国重要的粮油基地，灌溉方式为引黄灌溉，通过农渠直接从东风分干渠引水，灌溉方式均采用畦灌灌溉。受试验区降水及蒸发因素的影响，土壤轻度含盐，土壤密度为1.48 g/m3。

1.2 试验设计与方法

大田畦灌试验于2014 年春季在河套灌区磴口县坝楞村进行，为了减少对土壤入渗和糙率的影响因素，2013年秋季葵花收获后对畦田实施无纵横坡激光平地作业，选用4块不同面积土壤理化性质、肥力基本一致的畦田来研究，畦田的长度均为50 m，畦田宽度分别为15、20、30、48 m。每次灌水渠道的总流量和流速是一定的，对于不同畦田规格的小麦灌水的流量、流速的微小变化可以忽略不计，所以假定每个处理的流量、流速、田面平整度都相同，仅对河套灌区春小麦在不同畦田面积、不同生育期条件下的土壤入渗参数和糙率的规律进行研究。供试春小麦品种为永良4号，2014年3月25日用播种机进行播种和施肥，小麦种子用量450 kg/hm2，行距12 cm，株距2 cm，播种时施底肥450 kg/hm2，春小麦生育期均灌水4次，分别在分蘖期(FN)、拔节期(BJ)、孕穗期 (YS)、灌浆期(GJ)，灌水时间分别为5月10日、5月26日、6月10日、6月30日，灌溉方式均为畦灌。

水流推进与消退的测试方法：小麦播种后在畦田的田埂上以畦首为参照点每隔5 m布设1个木桩，用于观测水流的推进过程，放水时间用秒表计时；开始灌水后，水流前锋每推进到一个标杆处(80%以上)，记录推进距离X、放水时间t及同时记录不同时刻的畦首水深，直至停水。试验处理共有16个：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 模型简介

WinSRFR4.1模型是由美国农业部灌溉研究中心(United States Department of Agriculture)开发研制的一维地面灌溉(畦灌、沟灌、水平畦灌)模拟模型模型，具有四种功能：田间灌水试验分析(Event Analysis)、水力学模拟(Hydraulic Simulation)、系统设计(Physical Design)、运行分析(Operation Analysis)。该模型需要输入的参数主要有田块几何尺寸参数(畦长、畦宽、田面纵坡、畦尾开闭状况等)、土壤参数(土壤入渗参数、糙率系数等)和运行管理参数(改水成数、入畦流量等)[9,10]。其中，入畦流量、畦田规格、灌水持续时间等按照实测的试验资料输入，畦尾为封闭状态。模型能输出田面水流的推进过程、消退曲线、水分入渗分布及地面灌溉灌水质量评价指标等。WinSRFR常用的地面灌溉效果评价指标是灌水效率、灌水均匀度和储水效率，这3项评价指标必须同时使用才能较为全面地分析和评价某种灌水方法、灌水技术的效果[11,12]。

该模型具有良好的用户界面，通过数据输入菜单，参数的输入和修改都很方便，且通过数据输出菜单可以有选择的查看模拟结果。对入渗参数、糙率、微地形、入畦流量等参数，模型允许选择不同的方式输入[14]。如流量输入既可以输入实测的流量过程，也可以输入灌水时间和相应的恒定流量；微地形的输入既可以输入恒定坡度，也可以输入各测点的相对高程。选择何种输入方式由用户根据实际情况来定，这样一方面使模型应用起来较灵活，另一方面也可以使模拟结果更加准确，操作简单，运行速度快，输出结果能够详细的描述畦田灌溉过程，并描述这些过程如何受灌水因素的影响。

2 结果与分析

利用WinSRFR4.1模型模拟时，输入田间灌水要素的基础数据和实测水流推进与消退时间，模拟输出水平畦田土壤入渗参数。在模拟时，将模拟水流推进与消退曲线与实测水流推进与消退线进行对比，调整入渗系数K值及入渗指数α值，使推进与消退曲线的实测值与模拟值具有较高的吻合度，此时的入渗参数和糙率为模型模拟的最优结果。利用excel和Sigmaplot进行数据处理与分析。

2.1 相同畦田规格不同生育期春小麦的土壤平均入渗参数(k,α)和田面糙率(n)的变化规律

以相同畦田规格的不同生育期为研究对象，归纳总结每块畦田小麦整个生育期内入渗系数、指数和糙率的变化规律。

由图1可见，每个畦田田面糙率的变化规律总体表现为灌浆期>分蘖期>孕穗期>拔节期。每块畦田田面糙率的范围分别为LB1.05：0.12～0.16、LB1.5：0.13～0.15、LB2.25：0.13～0.17、LB3.4：0.13～0.15，春小麦田面糙率的变化范围为0.12～0.17，求得的n值均与一些学者提出的观点相吻合，即认为连续灌溉条件下曼宁糙率系数的范围应在0.02～0.4之间。作物长势越茂盛对灌溉水流推进速度的阻碍作用越明显从而导致田面糙率越大，而从小麦的生育期可以得出小麦的长势是从分蘖期、拔节期、孕穗期、灌浆期越来越茂盛，根据理论分蘖期的田面糙率应小于孕穗期的，而造成分蘖期田面糙率n较大的原因是:分蘖期是经过播种等一系列农艺措施后土壤表面的土块较多，土壤结构松散土壤表面起伏不平，第一次灌水时灌溉水首先浸润土块、填满土壤空隙才能进一步向前流进，进而增加了水力半径，由曼宁公式可知水力半径越大n越大[9]，因此分蘖期地面平整度对水流推进速度的阻碍作用要比孕穗期小麦植株长势对水流推进的阻碍作用显著。随着灌水次数的增加地面光滑度增加降低糙率n的值，后期作物生长茂盛阻碍灌溉水流推进增加糙率n的值，由于小麦属于密植型作物因此作物长势对糙率的影响比灌水次数的影响作用要明显。在整个生育期内拔节期占有灌水次数和作物长势的两个优势所以拔节期的糙率值最低。由图1还可知，对于不同畦田规格来说，田面糙率所表现的规律是相同的。

图1 相同畦田规格不同生育期小麦田面糙率的变化

由图2可知，春小麦入渗系数的变化范围为47.78～75.03 mm/hα。当畦田规格为LB1.05时，入渗系数的变化范围为73.63～49.67 mm/hα，其他畦田规格土壤入渗系数的变化范围分别为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，不同畦田规格小麦入渗系数K的变化规律为入渗系数K随着小麦生育期逐渐减小。当畦田规格为LB1.05时，分蘖期的入渗系数比拔节期降低了14.62%、拔节期的入渗系数比孕穗期降低了10.21%、孕穗期的入渗系数比灌浆期降低了17.35%；当畦田规格为LB1. 5时，分蘖期的入渗系数比拔节期降低了17.04%、拔节期的入渗系数比孕穗期降低了14.25%、孕穗期的入渗系数比灌浆期降低了16.64%；当畦田规格为LB2.25时，分蘖期的入渗系数比拔节期降低了17.66%、拔节期的入渗系数比孕穗期降低了8.10%、孕穗期的入渗系数比灌浆期降低了10.98%；当畦田规格为LB3.4时，分蘖期的入渗系数比拔节期降低了13.39%、拔节期的入渗系数比孕穗期降低了14.46%、孕穗期的入渗系数比灌浆期降低了12.71%；从降低的百分数可以看出入渗系数降低的速度是先减小后增加的趋势，从图2可以看出，入渗系数K在不同生育期的规律为分蘖期>拔节期>孕穗期>灌浆期。

图2 相同畦田规格不同生育期小麦入渗系数的变化

造成上述现象的原因是：入渗系数的大小与土壤初始含水率、土壤密实度、土壤质地等有关，由于小麦返青土壤密度逐渐增大，随着灌水次数的增加土壤密实度增加，上壤孔隙变小，土壤导水能力降低，水分入渗能力下降，从而使入渗系数下降[14]。

由图3可知，春小麦入渗指数的变化范围为0.26～0.57。当畦田规格为LB1.05时，入渗指数的变化范围为0.56～0.27，其他畦田规格土壤入渗系数的变化范围分别为LB1.5：0.57～0.29、LB2.25：0.55～0.26、LB3.4：0.54～0.28，分析4种畦田规格小麦全生育期入渗指数的变化规律其整体趋势为：每个畦田规格的小麦入渗指数α所表现出的规律都为分蘖期>拔节期>孕穗期>灌浆期与入渗系数的变化规律相同。入渗指数α与初始含水率和空隙大小有关，含水率影响入渗指数的初值，空隙的大小影响入渗指数的后期值。含水率越小入渗指数越大，空隙越大入渗指数越大。小麦的播种时间为3月20日，分蘖期时进行第一次灌水(5月10日)距播种时隔51 d，由于种子发芽出苗使得土体较为松散孔隙度大，植株矮小地表覆盖率低，表层土壤水分蒸发散失较快保水能力差蒸发量也随之增大，使得初始含水率较低，所以分蘖期时土壤表层含水率为整个生育期的最低值，从而导致分蘖期的入渗指数最大。拔节期进行第二次灌水(5月26日)时隔第一次灌水16 d，灌水次数的增加土壤密实度增加，分蘖期到拔节期小麦根系生长较快，根系在土壤中通过交错穿插使得空隙率减小，同时由于灌水时间间隔小灌溉水和地下水对土壤含水率的影响较小，所以使得入渗指数随生育期而减小。

图3 相同畦田规格不同生育期小麦入渗指数的变化

2.2 相同生育期不同畦田规格春小麦的土壤平均入渗参数(k,α)和田面糙率(n)的变化规律

利用Sigmaplot对数据进行处理分析，通过采用对数据要求最严格的检验方法来分析显著性。以4个生育期为处理，4个畦田为重复取平均值，研究每个生育期的入渗参数和糙率之间的显著性，分析结果如表1所示。

表1 不同生育期入渗参数和糙率的显著性分析

由表1分析可以得出各个生育期的入渗参数都有极显著差异，各个生育期糙率则表现为分蘖期与拔节期、灌浆期具有极显著差异；拔节期与灌浆期有极显著差异；灌浆期与其他3个生育期都具有极显著差异；孕穗期与分蘖期和拔节期无显著性差异。

3 结语

田间土壤入渗参数和糙率的特性在一年内均随作物生育期而出现明显的季节性变化特征[5]。对于整个作物生长期内的土壤入渗参数和糙率的时间变异规律来看，可以发现在作物生长旺盛时期，随着灌水次数的增加土壤密实度增加，作物根系发达，土壤孔隙变小，土壤导水能力降低，水分入渗能力下降，从而使入渗系数下降。

春小麦田面糙率的变化范围为0.12～0.17，田面糙率的变化规律总体表现为灌浆期>分蘖期>孕穗期>拔节期，求得的n值均与一些学者提出的观点相吻合。春小麦入渗系数的变化范围为47.78～75.03 mm/hα，入渗系数K随着小麦生育期逐渐减小，入渗系数K在不同生育期的规律为分蘖期>拔节期>孕穗期>灌浆期。春小麦入渗指数的变化范围为0.26～0.57，入渗指数α所表现出的规律与入渗系数的变化规律相同。数据经Sigmaplot分析得出：入渗参数都有极显著差异，各个生育期糙率则表现为分蘖期与拔节期、灌浆期具有极显著差异；拔节期与灌浆期有极显著差异；灌浆期与其他3个生育期都具有极显著差异；孕穗期与分蘖期和拔节期无显著性差异。

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