耕作及种植方式对土壤入渗参数和畦灌水流运动的影响

张西平，程伍群，绳莉丽，甄文超，张 旭，郑永虎

耕作及种植方式对土壤入渗参数和畦灌水流运动的影响

张西平1，程伍群1※，绳莉丽1，甄文超2，张 旭1，郑永虎1

（1. 河北农业大学城乡建设学院，保定 071001；2. 河北农业大学农学院，保定 071001）

为探明耕作和种植方式对土壤入渗参数及畦灌水流运动的影响规律，试验设置了4个处理（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+三密一稀），每个处理中设3种不同畦田规格（畦长30、35、40 m，畦宽均为2 m），越冬和拔节期分别进行灌水，实测了入渗量、水深、水流推进时间等，基于采用Kostiakov入渗公式计算的土壤入渗参数和WinSRFR4.1软件优化法求解的入渗参数，研究不同处理下入渗参数变异对畦灌水流运动的影响。结果表明：1）田间试验实测值和基于WinSRFR4.1软件优化模拟值间入渗系数和入渗指数相对误差最大值分别为1.24%和1.57%，表明采用2种方法确定不同耕作和种植方式下土壤参数均可行；2）耕作和种植方式的不同会对土壤入渗参数产生较大影响，前者影响更大。3）越冬期和拔节期灌水时入渗系数变异系数最高分别为0.34和0.22，入渗指数变异系数最高分别为0.14和0.13。2次灌水期间相同处理入渗参数也发生了时间变异性，处理深松+旋耕+等行距和深松+旋耕+三密一稀的入渗系数和入渗指数均发生中等变异性，处理旋耕+等行距和旋耕+三密一稀发生弱变异性。4）在土壤入渗参数的变异性影响下，2次灌水过程中，不同处理水流运动时间均发生了变异性。5）基于土壤入渗参数变异性，确定了2次灌水不同耕作及种植方式冬小麦畦灌条件下土壤入渗系数和入渗指数。研究结果可为畦灌系统设计和管理评价提供理论依据和技术支撑。

入渗；深松；耕作；种植方式；水流运动

0 引 言

华北平原区是中国粮食主产区之一，农业种植以小麦-玉米两熟为主，连年旋耕导致耕层浅薄化、土壤紧实化等问题逐渐显露[1-2]。由于旋耕深度较浅，坚硬的犁底层阻碍了作物根系下移伸展，造成倒伏并引起早衰，制约产量提高[3]。深松是一种保护性耕作方式，该方式不翻土，打破坚硬犁底层，加厚松土层，形成疏松深厚的耕作层。近年来国家十分重视并积极推广农机深松整地作业措施。国内外学者也开展了大量相关研究工作。

关于耕作方式对改善耕层土壤、提高作物产量等方面的研究较多。强小嫚等[4-6]研究表明，深松能降低土壤容重，降低土壤紧实度，增加空隙度及透气性，改善耕层土壤质量。丁昆仑等[7]研究表明，深松促使土壤蓄水保墒及抗旱防涝能力增强。杨思存等[8-12]研究表明，深松对耕层土壤具有较好的固碳效果，能有效调控密植群体资源利用效率，增加干物质积累量，增加穗粒质量，是促进作物高产稳产的有效手段。高盼等[13]研究表明，不同年限深松处理均有增产效果，以隔年深松处理增产效果最好。

在耕作方式对土壤入渗及入渗参数影响方面，李传友等[14]研究表明，与免耕处理相比，免耕+深松模式0～30 cm土层土壤容重降低3.4%，稳渗率提高62.5%。张海林等[15]研究表明，耕作方式对0～20 cm土壤容重影响较大，全生育期中翻耕均保持较高稳渗率，随着时间延长，差异变小。于同艳等[16]研究表明，平翻和旋松耕作下垄台容重最小，表层土坡稳渗率大于免耕、少耕及组合耕作方式。Azooz等[17-18]研究表明免耕稳渗率高于翻耕。李文凤等[19]研究表明，免耕土壤的渗透率大于秋翻土壤。刘爽等[20]研究表明，免耕覆盖措施可导致土壤紧实度和容重显著增加，入渗速率在播前显著降低，随着生育期推进与其他处理间差异逐渐减小。杨雪等[21]研究表明，不同耕作处理对土壤蓄水量的影响较大，深旋松耕处理表现出利于降水入渗、储蓄更多水分的优势。关于土壤入渗参数变异性方面的研究。Oyonarte等[22]研究表明，土壤入渗参数的变异性是影响灌水质量变化的主要因素。白美健等[23]研究表明，土壤入渗变异性对灌溉均匀度和灌溉效率影响较大。Mateos等[24]研究表明，考虑土壤稳渗率变异性的灌水均匀度低于未考虑的值。聂卫波等[25]研究表明，土壤入渗参数的变异性对畦灌灌水质量的影响很大，在系统评价和设计时应充分考虑这种变异性的影响。

综上，耕作方式对土壤入渗参数产生较大影响，土壤入渗参数的变异性会对灌溉均匀度和灌溉效率产生影响。项目所在区是典型的小麦-玉米两熟区，在传统连年旋耕的基础上，积极开展旋耕与深松的组合耕作方式。但以往该区关于不同耕作方式对土壤入渗参数及灌溉水流运动的影响研究较少，灌区畦灌系统规划设计缺乏合理的土壤入渗参数。基于此，本文通过田间试验结合WinSRFR4.1软件研究不同耕作及种植方式对土壤入渗参数及灌溉水流运动的影响规律，旨在确定不同耕作及种植方式冬小麦畦灌条件下不同时期的土壤入渗参数，为华北平原区畦灌系统设计及管理评价提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2012—2014年度在藁城试验点进行，试验田位于河北省藁城市梅花镇刘家庄村（114°54′E，37°57′N，海拔47 m），属河北平原区，该区是全国重要的粮食生产基地，也是中国冬小麦、夏玉米的主产区之一。属于暖温带湿润或半湿润气候，春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季气温凉爽，冬季干燥寒冷。试验点年平均气温12.5 ℃，1月份最低月平均气温-3.5 ℃，7月份最高月平均气温26.4 ℃。年平均降水量494 mm，年日照时数2 711.4 h，日照率61.2%。无霜期190 d。试验区土壤类别为砂质壤土，田间持水量为26.5%～32.6%（质量含水率）。试验区土壤理化性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质

1.2 试验设计

试验田采用深松+旋耕及旋耕2种耕作方式，每种耕作方式下设2种种植方式，分别为等行距（15 cm）和三密一稀（12.5 cm+12.5 cm+15 cm），则试验共设4个处理（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ）：Ⅰ为深松+旋耕+等行距；Ⅱ为深松+旋耕+三密一稀；Ⅲ为旋耕+等行距；Ⅳ为旋耕+三密一稀。

4个处理均设3种规格畦田（40 m×2 m、35 m×2 m、30 m×2 m），每种规格设3次重复，共36个畦田（图1），相邻畦田间隔30～40 cm，防止侧渗，通过软管将水输送到畦首，水流从北向南推进湿润土壤。

旋耕处理操作步骤：前茬玉米收获后的秸秆全部粉碎还田Ž秸秆还田后撒施底肥Ž施肥后按照15 cm的深度旋耕2遍Ž旋耕完毕后耙地2遍Ž耙地后按照设计行距播种Ž播种后镇压Ž按照设计的畦田几何尺寸整畦。

注：Ⅰ为深松+旋耕+等行距；Ⅱ为深松+旋耕+三密一稀；Ⅲ为旋耕+等行距；Ⅳ为旋耕+三密一稀。下同。

深松+旋耕处理操作步骤：前茬玉米收获后的秸秆全部粉碎还田Ž秸秆还田后撒施底肥Ž施肥后按照38 cm的深度深松1遍Ž深松后按15 cm的深度旋耕1遍Ž旋耕完毕后耙地2遍Ž耙地后按照设计行距播种Ž播种后镇压Ž按照设计的畦田几何尺寸整畦。

供试小麦品种为“石麦18”，播量为187.5 kg/hm2。小麦生育期磷肥、钾肥全部底施，氮肥50%底施，50%追施（每667 m2施用N 16 kg、P2O510 kg、K2O 10 kg）。小麦生育期灌水2次，第1次灌水为越冬期阶段灌水（2013年12月2日），第2次灌水为拔节期阶段灌水（2014年4月9日），灌水定额75 mm。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 坡度、流量、水流推进时间及距离测定

田面坡度测定：灌水之前利用全站仪和水准仪测量并计算每个畦田的田面坡度；流量及灌水量测定：利用TDS-100P型便携式超声波流量计（大连海峰仪器公司）准确实测流量，记录灌水时间、灌水量；水流运动观测：灌水之前沿着畦长方向在每隔5 m断面处设置刻度尺，当水流进入畦田时刻，利用秒表开始计时，记录水流推进距离与时间的关系，即水流推进前锋达到每个刻度尺的时间，同时每隔5 min记录各个断面对应刻度尺的水深读数。当停止灌水后，记录田面积水消退距离与时间的关系，具体方法与水流推进过程相同，直至田面积水全部入渗完成。受水时间为田面水流消退时间与推进时间之差。

1.3.2 土壤入渗参数确定方法

1）基于Kostiakov入渗公式计算土壤入渗参数

灌水之前利用双环入渗仪通过田间双环法试验在畦首、畦中和畦末断面处测定累计入渗量及入渗历时，按照Kostiakov入渗公式得到土壤入渗参数[26-27]，取3个断面平均值作为对应畦田的入渗参数。

=kt（1）

为了保证土壤入渗参数的准确性，本文同时选用基于WinSRFR4.1软件的土壤入渗参数优化求解方法对双环法结果进行检验。

2）基于WinSRFR4.1软件的土壤入渗参数优化求解

WinSRFR4.1软件是美国农业部干旱农业研究中心发布的集多种功能于一体的地面灌溉综合性分析软件，利用该软件分析评价模块功能中的第2种方法：利用田间实测水流推进和消退数据反求土壤入渗参数[28]。软件所需输入的基本参数包括畦田尺寸、畦田坡度、田面综合糙率系数、流量等。畦田尺寸、坡度、流量等均采用实测数据；田面综合糙率系数采用曼宁公式法[26]求解，该方法简单，求解结果准确可靠，其公式如下：

式中为田面综合糙率系数；为田面坡度，m/m；为畦首水深，m；为单宽流量，L/(s·m)。、和均由实测获得。

为确保WinSRFR4.1模型模拟的入渗参数更准确，需对模拟及田间实测水流推进及消退数据进行拟合度检验，本文通过反复模拟以减小模拟与实测结果的差异。模拟过程中采用均方根误差（root mean square error，RMSE）和决定系数2来评价模型的模拟效果，均方根误差和决定系数分别为式 （3）和式（4）。当RMSE达到最小，同时2达到较大，此时的入渗参数即为所求[26,29-30]。

2 结果与分析

2.1 土壤入渗参数优化求解方法检验

为检验WinSRFR4.1软件土壤入渗参数优化求解方法对于本试验的适用性及可靠性，随机选取第1次灌水时4个处理中畦田35 m×2 m（畦田编号分别为22、15、21、18）的求解结果对比实测和模拟水流运动过程的差异，结果表明（图2），不同处理水流推进与消退运动过程的模拟值与田间实测值拟合效果均较好，水流推进过程的拟合效果较优于水流消退过程，其中推进过程实测值和模拟值RMSE在0.10～0.38 min范围内，2均达到0.99；消退过程实测值和模拟值均方根误差RMSE在0.85～1.48 min范围内，2最小值为0.93（表2），均在0.7以上，可见利用WinSRFR4.1软件优化不同耕作和种植模式下土壤的入渗参数是可行的[26,29]。

表2 不同畦田水流运动时间模拟及实测结果对比

注：综合糙率系数为曼宁公式计算值。

Note: Roughness coefficient is calculated by Manning formula.

注：畦长35 m、畦宽2 m。