运用监测管理系统探讨土壤墒情及系数的变化规律

王 蓓， 李 丽，李芳松

(新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830049)

1 概述

2021年中央一号文件《中共中央国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见》指出，要加快推进农业现代化，提高高标准农田的建设标准和质量，建立健全管护机制，实施大中型灌区续建配套和现代化改造等。现代化改造中，土壤墒情预报对于农业种植十分重要[1]，在国内，土壤墒情自动监测技术正在逐步得到应用，其技术的发展对于区域旱情的预警十分关键[2]，通过自动监测土壤墒情数据，研究其变化规律，做好水资源供需平衡分析，逐步建立自动测算信息化系统，提高灌区水利用系数测算精度[3]，不断提升灌区管理水平，从而实现灌区良性运行和可持续发展[4]。

目前，我国灌区的农田灌溉监测技术、农业用水管理等已向自动化、智能化综合应用方向发展，新疆很多地区也在进行农业自动化、智能化综合应用的试点，但是存在基层信息基础薄弱，监测系统相对落后，缺乏水利信息化系统平台，灌区管理水平严重滞后等问题，因此，本研究以三屯河灌区的代表性墒情监测点的数据为基础，开发了“灌溉水高效利用监测管理信息系统”，对监测点的土壤温度、土壤含水率等墒情数据进行分析处理，使得监测数据应用于灌区的农业灌溉中，对灌区的生产活动进行科学有效地指导，助推灌区农业水资源高效利用，实现灌区灌溉用水监测管理综合技术。

2 材料与方法

2.1 试验区概况

三屯河灌区地处中国新疆昌吉市，区域总面积8171.74km2[5]。在农作物主要种植区，1月平均气温为-17.5℃，7月平均气温为24.6℃，气温年较差42.1℃，平均日较差13.4℃[6]。三屯河灌区多年平均地表水资源量为3.792×108m3。全年可开采量约为0.1475×108m3[7]。灌区土壤类型为棕漠土，土壤质地以粉、砂壤土为主，部分为中或重壤且多在耕作层以下分布。1m深土体土壤容重1.27～1.78g/cm3，耕作层多为1.45～1.70 g/cm3。灌区耕作层土壤有机质肥力中偏下水平，土壤有效养分表现为缺氮少磷钾丰富的特点。

三屯河灌区内包括昌吉市七镇一乡、两个涉农办事处[8]，灌区2017年有效灌溉面积约63333hm2。主要作物以小麦、玉米、籽用葫芦、棉花、番茄、甜菜、食葵、瓜类、蔬菜及葡萄为主。

2.2 方法

基于三屯河灌区工作人员具有较好的现代化管理经验，本研究于2017年在该灌区建立了新疆首个农田灌溉用水监测管理系统示范区，开发研制了“灌溉水高效利用监测管理信息系统”。该系统首先采用走访调研、问卷调查及现场取样试验等方法，获得灌区基础信息，搭建系统平台，根据灌区基本情况选取和布设土壤墒情监测点[9]，运用传感技术和通信技术，通过土壤墒情仪实时监测农田土壤水分和土壤温度等数据，并传输、存储至服务器终端。“灌溉水高效利用监测管理信息系统”将监测数据以曲线图或数据列表形式显示，系统采用水量平衡法分析处理监测数据，可得到“土壤水分温度监测信息”“田间灌溉土壤墒情信息”“灌区用水灌溉成果测算”“灌区灌溉效益成果报告”四大模块的内容，从而实现信息的快速查询、计算、数据分析等功能。通过一年的运行，该系统平台发挥了自动记录存储、自动分析计算的优势，取得了一系列成果。

2.3 测定指标

采用调查法及取样试验法获取灌区土壤和作物种植方式等基本概况，利用“灌溉水高效利用监测管理信息系统”接收到墒情点的信息，进行计算得到的成果，来分析研究该灌区农田土壤温度的动态变化规律、土壤水分含量的动态变化规律及灌溉水利用系数的变化规律等。三屯河灌区代表性监测点基本信息见表1。

3 结果与分析

3.1 土壤理化性质分析

3.1.1土壤质地

对选出的代表性地块0～100cm土壤分层采集土样，试验区大部分地块的土壤中粉粒含量最高，在56.0%～89.2%之间，其次为砂粒，在7.5%～38.5%之间，黏粒含量最低，在0.9%～14.1%之间，参考美国农业部土壤分类图，代表性地块0～100cm土壤主要为粉(砂)质壤土。大西渠镇和三工镇二工村葡萄种植区、以及榆树沟勇进村4组的制种玉米种植区土壤中砂粒含量较其他地区略高，在15.7%～87.3%之间，其次为砂粒，在12.5%～77.2%之间，黏粒含量最低，在0.3%～10.4%之间，故灌区主要为砂质壤土。

表2 大西渠镇滴灌甜菜土壤温度观测数据(11月16日)

3.1.2土壤容重

采用环刀法分层取土得到各监测点的土壤容重，示范区土壤情况较为复杂，在代表性地块0～100cm深度的土壤中，0～20cm土壤容重最小，平均容重为1.52g/cm3；在20～60cm土层处容重最大，平均容重为1.59g/cm3；0～20cm土层内，土壤容重变化幅度较大，变幅达到0.51g/cm3，40～60cm之间土壤容重变化幅度最小，变幅为0.22g/cm3。由此可见，灌区耕作层土壤容重多在1.45～1.70 g/cm3。

3.1.3土壤养分

土壤养分按照五点法在示范区取样进行混合，测定结果为耕作层土壤有机质0.75%～3.61%，平均1.43%，土壤有机质肥力中偏下水平，耕层土壤速效N含量为8.44～167.22 mg/kg，平均39.96mg/kg，远小于90mg/kg，即速效N肥料含量严重缺乏；土壤速效P含量为2.11～196.35mg/kg，平均29.41mg/kg，3个地块含量在10mg/kg以下，即速效P含量缺乏，6个地块含量在10～20mg/kg之间，即速效P含量中等，3个地块含量在20mg/kg以上，即速效P含量丰富；土壤速效K含量为244.60～754.70 mg/kg，平均403.78 mg/kg，均大于200mg/kg，即速效K含量很丰富。故示范区土壤有机质肥力属于中偏下水平，土壤有效养分表现为缺氮少磷钾丰富的特点。

3.2 土壤墒情监测

3.2.1墒情点土壤温度监测

从墒情农田代表性监测点中随机抽取的一组土温监测数据，地点在大西渠镇，作物为甜菜，灌溉形式为滴灌。表2是该监测点某一日土壤温度分层分时段实时观测数据表。

系统平台可根据逐日实时观测土壤温度数据，自动生成该监测点作物在灌溉月的平均土壤温度值，见表3。

表3 大西渠镇滴灌甜菜灌溉期农田土壤温度观测表

3.2.2墒情点土壤含水率监测

根据对随机抽取的大西渠镇甜菜滴灌的土壤含水率监测数据进行分析。表4是该监测点某一日土壤体积含水率分层分时段实时观测数据表。

表4 大西渠镇滴灌甜菜土壤体积含水率观测数据(11月16日)

系统平台可根据逐日实时观测土壤含水率数据，自动生成监测点作物在灌溉月的平均作物需水量值，见表5。

表5 大西渠镇甜菜滴灌灌溉期作物需水量表

3.3 监测管理信息系统测算成果分析

3.3.1灌溉期农田监测点土壤温度变化特征

分层土壤温度的日变化曲线，如图1和图2分别是榆树沟镇葡萄滴灌2017年5月5日和7月21日的地温日变化曲线。据日变化特征图可知，地表温度表现为随时间先降低后升高再降低的变化特征，当日最高温度出现时间均在白天午后，而最低温度出现在日出前后[10]；随着土层深度的增加，日变化曲线振幅减小，最高温度和最低温度出现的时间相对滞后。5月的典型晴天和阴天中，地面以下20cm处的土壤温度表现出的变化趋势较7月明显，而50～100cm处的土壤温度日变化不明显。

将每一个小时不同土层的土壤温度进行日平均，在生育期内对四个代表性墒情监测点的土壤温度数据进行对照，如图3—6所示。可见，土壤温度年变幅与日变化类似，地表温度变幅较大，随着土层深度的增加，变幅逐渐减少[10]，并且相位向后推移。根据与日变化曲线比较，可以看出土壤温度的年变幅高于土壤温度的日变幅。

图1 5月5日榆树沟镇葡萄滴灌监测点土壤温度日变化曲线

图2 7月21日榆树沟镇葡萄滴灌监测点土壤温度日变化曲线

图3 榆树沟镇葡萄滴灌生育期监测点土壤温度曲线图

图4 滨湖镇冬麦畦灌生育期监测点土壤温度曲线图

图5 三工镇玉米滴灌生育期监测点土壤温度曲线图

图6 滨湖镇甜菜滴灌生育期监测点土壤温度曲线图

图7 榆树沟镇曙光村葡萄滴灌土壤含水率变化曲线

图8 滨湖镇永红村冬麦畦灌土壤含水率变化曲线

图9 三工镇新戽村玉米滴灌土壤含水率变化曲线

图10 滨湖镇下泉子村甜菜滴灌土壤含水率变化曲线

3.3.2灌溉期农田监测点土壤含水率变化特征

对三屯河灌区作物灌溉生长期进行监测，选取四处代表性监测点数据进行分析，共244320个数据进行灌区不同作物及不同灌溉形式的土壤含水率变化规律分析。图7—10分别为三屯河葡萄滴灌、小麦畦灌、玉米膜下滴灌和甜菜膜下滴灌的监测点灌溉期土壤含水率变化曲线，由图可见，在灌溉期各种灌溉形式下的不同作物的土壤表层含水率波动均最大，耕作层以下的土壤含水率变幅减小、相对稳定，其中滴灌的灌溉形式波长短而频繁，不易造成深层渗漏。

三屯河灌区的作物需水量大小与气象月份蒸发量直接相关。每次灌水土壤含水率随时间增大逐渐趋于稳定，水分运移同样也有明显的滞后效应；滴灌水分一般不易产生深层渗漏，但有时存在地下水沿着土壤毛管上升进入非饱和带。滴灌作物灌水定额较小，常规沟畦灌灌水定额相对较大，因此滴灌作物土壤含水率波动周期短小，常规沟畦灌土壤含水率波动周期相对大。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层(0～20cm)相对较大，土壤水分干湿交替消长较频繁，耕作层(30～40cm)及以下土壤含水率。由于灌水定额小，下渗水量有限，土壤含水率虽然不高但却相对稳定。常规沟畦灌耕作层与滴灌类似，但耕作层以下，由于灌水定额较大，下渗的水量较多，土壤含水率较高，并且趋于稳定。

3.3.3灌溉水利用系数

通过用“灌溉水高效利用监测管理信息系统”对三屯河灌区2017年灌溉期23个代表性监测点的数据分析，得出灌区的灌溉用水效率。软件可直接生成“代表性监测点灌溉效率评估报告”，即灌溉水利用系数报告，见表6。

表6 代表性监测点灌溉效率评估报告(灌溉水利用系数报告)

软件还可直接生成“灌区农业灌溉用水效率测验报告”，见表7。

表7 三屯河灌区农业灌溉用水效率测验报告

由系统平台综合分析结果可知，灌区灌溉水利用系数0.566。

上游灌区10组数据中滴灌灌溉水利用系数在0.553～0.580之间，平均0.570，畦灌灌溉水利用系数在0.546～0.555之间，平均0.551，沟灌灌溉水利用系数为0.536，上游灌区综合灌溉水利用系数为0.563。中游灌区8组数据中滴灌灌溉水利用系数在0.549～0.614之间，平均0.574，去掉井水滴灌作物，地表水滴灌综合灌溉水利用系数为0.567，畦灌灌溉水有效利用系数为0.553，中游灌区综合灌溉水利用系数为0.571。下游灌区5组数据中滴灌灌溉水利用系数在0.559～0.588之间，平均0.574，畦灌灌溉水有效利用系数为0.528，下游灌区综合灌溉水利用系数为0.565。总的来看，滴灌灌溉水利用系数高于沟畦灌灌溉水利用系数，而水源中纯井滴灌的系数较高，地表水和井渠结合灌溉的滴灌系数相对来说略低，如图11所示。

图11 三屯河灌区上中下游不同灌溉方式灌溉水利用系数

4 结论

(1)三屯河灌区农田土壤温度地面至50cm土层位置受太阳辐射影响大，土壤介质对土壤温度具有一定的缓冲能力，随着土层深度增加，土壤温度变幅减小。覆膜的增温效果显著，对作物生长有利，可根据作物情况进行覆膜保墒。

(2)三屯河灌区土壤表层含水率波动大，耕作层以下的土壤含水率变幅小、相对稳定；滴灌作物土壤含水率波动周期短而频繁，而常规灌作物土壤含水率波动周期较大，故滴灌的灌溉形式不易造成深层渗漏。

(3)三屯河灌区灌溉水利用系数滴灌要高于常规沟畦灌，而纯井滴灌的系数较高，地表水和井渠结合滴灌的系数略低，故可增加高效节水面积来提升该灌区的系数。