張新民，孫克翠，高雅玉，趙 恩

(1.甘肅省水土保持科學(xué)研究所， 甘肅 蘭州 730020；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 3.河海大學(xué)設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210098)

小麥壟作栽培技術(shù)將傳統(tǒng)平作的平面型田面改為波浪型，擴大了土壤表面積，光能利用率提高，有利于延緩植株衰老，延長葉片功能期，增加了植株抗倒伏能力，小麥抗病性能增強，產(chǎn)量顯著提高[1-2]。平作改為壟作后，田間灌溉方式由畦灌改為溝灌，灌水定額減少，提高了降水和灌溉水利用率。據(jù)山東省青州試驗點調(diào)查，傳統(tǒng)平作畦灌灌水定額900 m3·hm-2，而壟作溝灌灌水定額540 m3·hm-2，比平作減少40%。目前，小麥壟作技術(shù)的應(yīng)用主要局限在冬小麥區(qū)，研究工作集中于壟作小麥的節(jié)水效應(yīng)、田間小氣候的變化及其對小麥生理生態(tài)效應(yīng)的影響。

壟作溝灌技術(shù)采取壟上種植，溝灌灌溉方式，由于小麥自身生長所需土壤水分由灌水溝內(nèi)的水分向壟體側(cè)滲供給，因此，在同等肥力和灌水量條件下，壟作栽培的效果與壟的寬度、壟的方向、小麥種植密度以及灌水質(zhì)量密切相關(guān)。溝灌入滲屬二維入滲，灌溉水沿灌水溝推進的同時，受重力及土壤基質(zhì)吸力作用，沿灌水溝斷面以縱向下滲和橫向入滲浸潤土壤。在水分入滲過程中各點毛管吸力和重力作用不是直線關(guān)系，因此入滲水量與入滲面不成比例，而且由于溝中水深隨時間和空間不斷變化，導(dǎo)致入滲水勢梯度不同，且受到復(fù)雜的溝斷面幾何形狀、土壤初始含水量、土壤容重、土壤特性參數(shù)變化的影響，使得溝灌的入滲過程極其復(fù)雜，入滲水量難以測定，灌水質(zhì)量評價難度增加。目前地面灌溉灌水質(zhì)量評價的指標主要有田間灌水有效利用率、儲水效率、灌水均勻度，依據(jù)這三項指標可評價灌水質(zhì)量，確定灌水技術(shù)要素優(yōu)化組合。在這方面有關(guān)畦灌與中耕作物溝灌技術(shù)的研究成果較多[3-5]，理論相對成熟。但由于壟作栽培小麥的壟面寬度遠大于玉米，且采用非均一行距種植(目前采用同一壟上15～25 cm，不同壟75 cm)，因此已有的地面灌溉灌水質(zhì)量評價方法不能全面反映小麥壟作溝灌技術(shù)的灌水質(zhì)量。李方紅等[3]研究了膜孔溝灌主要灌水技術(shù)要素組合對灌水質(zhì)量評價指標影響，采用的評價指標亦為灌水有效利用率和灌水均勻度，其中指標計算中只考慮溝的入滲水深。聶衛(wèi)波等[4]采用模擬與試驗對照的方法，研究了不同土壤對溝灌灌水質(zhì)量指標影響，采用灌水效率、灌水均勻度和儲水效率作為評價指標，指標計算中計劃濕潤層采用1 m，入滲深度仍采用溝中土壤含水量計算。以上兩項成果采用的是傳統(tǒng)地面灌水質(zhì)量評價指標，不能充分反映壟體、壟溝含水量的橫向差異。汪順生等[5]研究了常規(guī)溝灌和小麥、玉米一體化壟作溝灌對灌水質(zhì)量及夏玉米產(chǎn)量的影響，采用的灌水質(zhì)量評價指標為田間灌溉水的利用率和田間灌水的均勻度，其中灌溉水利用率計算中采用壟體、壟坡、壟面平均含水量。孫克翠等[13-14]研究了干旱區(qū)春小麥壟作溝灌的灌水質(zhì)量，把灌水均勻度分為縱向和橫向，灌水效率和儲水率也充分考慮了壟面、壟坡和壟溝的不同。這兩項研究涉及到了小麥壟作溝灌灌水質(zhì)量評價指標等問題，但指標體系仍受傳統(tǒng)地面灌溉評價思路的限制，導(dǎo)致計算復(fù)雜，測量工作量大。本文試圖以地面灌溉灌水質(zhì)量評價指標體系為基礎(chǔ)，結(jié)合小麥壟作溝灌的特點，提出改進全面反映小麥壟作溝灌灌水質(zhì)量的評價指標。

1 灌水質(zhì)量評價指標改進

1.1 地面灌灌水質(zhì)量評價指標

目前，畦灌、溝灌等地面灌灌水質(zhì)量的評價指標有灌水均勻度、儲水率(灌溉水供需比)與田間灌溉水利用系數(shù)。一次灌水完成后，土壤中入滲水分的縱向剖面如圖1所示。

圖1 地面灌灌水有效性分析圖Fig.1 Effectiveness analysis diagram for irrigation water of surface irrigation

上述水量與水深存在如下關(guān)系：

Wf≥Wn；Wf=Ws+Wi；Wn=Ws+Wd

Wi≥W1；W2≥Wd；W1=W2

三個灌溉質(zhì)量評價指標灌水均勻度、儲水率(灌溉水供需比)與田間灌溉水利用系數(shù)Eu、Ed、Es計算公式為：

(1)

(2)

(3)

1.2 壟作溝灌灌水質(zhì)量評價指標改進

對于畦灌，上述評價指標的大小主要決定于灌水技術(shù)要素；對于溝灌還受壟溝參數(shù)的影響。如果壟寬較大且種植寬行作物，可認為是局部灌溉，上述均勻度可只指縱向均勻度，計算點取沿溝方向，但灌溉水利用率與儲水率計算要考慮濕潤系數(shù)；如壟寬較小時，入滲過程很快從二維轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S入滲，灌水質(zhì)量評價指標計算與畦灌完全相同，濕潤系數(shù)為1。但對于小麥壟作溝灌，情況介于二者之間，灌水質(zhì)量評價可采用類似于畦灌的方法，但評價指標計算應(yīng)考慮壟上、溝坡與溝中的入滲水深的差別?，F(xiàn)以單溝模擬試驗為例，說明Eu、Ed、Es三個指標的計算。室內(nèi)模型模擬單溝灌水入滲試驗，一次灌水完成后的剖面土壤水分布見圖2，24 h再分布后剖面水分分布見圖3。

由圖2、圖3可以看出，灌水后壟作溝灌的壟上、壟坡與溝中各點入滲水深完全不同，再分布后趨于均勻，但壟上、壟坡與溝中含水量分布還是有一定差別，嚴密計算灌水質(zhì)量評價指標應(yīng)考慮橫向入滲的不均勻性。即：

Eu=1-

(4)

田間灌溉水利用率Ed、儲水率Es的計算較為復(fù)雜，需先根據(jù)灌水溝的形狀計算計劃濕潤層儲水量，然后再分別計算田間灌溉水利用率Ed、儲水率Es。第i個計算點計劃濕潤層儲水量為：

ws,i=bZd,i+(B-b)Zs,i+RZf,i

(5)

(6)

圖2 灌水后土壤水分等值線

圖3灌溉水再分布后土壤水分等值線

Fig.3 The contour map after irrigation water redistribution

(7)

式中，B、b分別為灌水溝口寬與底寬(cm)；R為壟寬(cm)；Zd,i、Zs,i、Zf,i分別為溝中、溝坡、壟中第i個計算點的計劃濕潤層內(nèi)入滲水深(cm)；ws,i為第i個計算點單位溝長計劃濕潤層灌水量(cm2)；wf為單位溝長田間灌水量(cm2)；wn為單位溝長計劃濕潤層需水量(cm2)；其它符號意義同前。

對某次灌水而言，計劃濕潤層需水量由下述公式確定：

wn=γ(βmax-βmin)Ad

(8)

Ad=b(Hp-h)+(B-b)(Hp-h/2)+RHp

(9)

式中，γ為計劃濕潤層內(nèi)土壤干容重(g·cm-3)；βmax、βmin分別為該時段允許土壤最大與最小含水量(%)；Ad為單一灌水溝計劃濕潤層內(nèi)斷面面積(cm2)；h為灌水溝深(cm)；其它符號意義同前。

如果按上式計算，不但計算較為復(fù)雜，測量工作量大。為了簡化計算，可先根據(jù)溝、壟、坡入滲量計算觀測點單位長度灌水溝的總?cè)霛B量，再計算單一溝縱向均勻度。但對于整個田塊，可在不同溝上布置計算點，計算各點總?cè)霛B水量，再按公式計算得到田塊均勻度。這時需增加反映灌溉水橫向擴散的指標，由于傳統(tǒng)溝灌定額制定中使用的濕潤系數(shù)是一個綜合指標，即包含反映灌水溝占耕作層體積的比例，也有反映計劃濕潤層充分濕潤程度的因素，所以不能準確反映壟體的濕潤程度，考慮到壟作溝灌在壟上種植作物，所以選擇反映壟體灌溉需水滿足程度的指標——壟體濕潤度。

2 灌水質(zhì)量評價指標簡化計算

對以上壟作溝灌灌水質(zhì)量評價指標進行如下簡化，以便在測得溝灌入滲模型情況下，可進行計算評價灌水質(zhì)量。灌水后均勻度只考慮縱向，則式(4)變?yōu)椋?/p>

(10)

(11)

式中,zwi為第i個計算點單位濕周入滲水深(cm),可利用現(xiàn)場實測單位濕周入滲模型根據(jù)入滲時間求得；xi為該計算點過水過程的平均濕周(cm)。

計算點單位溝長的入滲總水量也可通過壟溝、壟面兩點的入滲水深簡化計算，即:

(12)

式中，m為灌水溝邊坡系數(shù)；其實驗室符號意義同前。

利用溝入滲水深計算出溝濕潤土層深度為:

(13)

式中,Dd,i為第i個計算點溝部位灌溉濕潤土層深(cm)、θo,d分別為溝部位田間持水量和灌水前平均含水量(%)；其它符號意義同前。

溝部位計劃濕潤層灌水深為:

(14)

壟體部位計劃濕潤層內(nèi)灌水深為:

(15)

壟體部位濕潤度:

(16)

式中,ρi為第i計算點壟體灌溉濕潤度(%)；θf、θo,f為壟體部位灌水前平均含水量(%)；其它符號意義同前。

田間灌溉水利用率Ed、儲水率Es的計算也進行簡化,計算點計劃濕潤層儲水量可按溝和壟兩點平均入滲水深計算，式(5) 簡化為式(17)，其它計算式同前。

(17)

3 灌水質(zhì)量試驗

3.1 試驗方案

灌水質(zhì)量試驗在甘肅省水利科學(xué)研究院民勤節(jié)水農(nóng)業(yè)生態(tài)建設(shè)試驗示范基地進行。試驗區(qū)土壤為砂質(zhì)粘壤土，0～60 cm土層土壤平均干容重為1.46 g·cm-3，田間持水量22.27%，速效鉀177 mg·kg-1，速效磷74 mg·kg-1，有機質(zhì)13%，液態(tài)氮含量12 mg·kg-1。灌溉水源為地下水，埋深18～25 m之間[15]。根據(jù)文獻[7]、[10-12]等前期研究成果選擇壟溝參數(shù)(壟坡、壟寬、溝深、溝寬)與灌水技術(shù)參數(shù)(溝長、溝坡、入溝流量)，組成灌水質(zhì)量試驗方案見表1。

該方案包括5個不同壟溝參數(shù)與灌水技術(shù)參數(shù)處理，每個處理3個重復(fù)，共15個試驗小區(qū)。每一試驗小區(qū)布置3條溝，中間為試驗溝，兩邊為保護溝。試驗采用統(tǒng)一溝型，溝底寬15 cm，溝深15 cm，溝坡為1∶1。試驗采用人工開溝起壟，機械播種。2013年收割完成后灌入冬水，春天統(tǒng)一用翻耕機進行深翻，機器整平后去除雜物，整理試驗地為起壟播種做好準備。2014年3月下旬進行播種，起壟、播種、整形、鎮(zhèn)壓一次完成。供試春小麥品種為永良4號，播種量1 050 kg·hm-2，壟上種植，行距10 cm。壟寬40 cm，種植3行小麥；壟寬50 cm，種植4行小麥。

灌水量控制利用水表和流量控制閥結(jié)合的方法，在總閥門與入田管道出口處接水表，后接流量控制閥，根據(jù)試驗方案要求調(diào)節(jié)流量控制閥，用灌水定額計算每個處理的灌水量，水表嚴格控制每個溝中的灌水量。全生育期灌水5次，灌水定額為40 m3·hm-2，時間分別為出苗分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、開花期、成熟期。各處理鋤草、施肥、松土等田間管理措施均保持相同。試驗觀測項目包括土壤含水量、產(chǎn)量等。含水量測定采用稱重法。產(chǎn)量測定在成熟后進行，隨機在壟上收割長度為1m的小區(qū)單獨測產(chǎn)，統(tǒng)計各小區(qū)的穗數(shù)，穗長，單穗顆粒數(shù)，樣本籽粒晾曬達到標準后，除去空秕粒，采用隨機選取1 000粒小麥籽粒，稱重，3次重復(fù)(組內(nèi)差值不大于3%)取均值為千粒重。

3.2 產(chǎn)量及水分利用效率

不同的壟溝參數(shù)與灌水技術(shù)參數(shù)造成土壤水分、溫度和光照面積的差異，進而影響到小麥的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素。實測得驗證試驗產(chǎn)量及水分利用效率以及SPSS軟件分析計算結(jié)果見表2。

表1 試驗設(shè)計方案

表2 不同處理模式下小麥產(chǎn)量和水分利用效率

注：不同的小寫字母分別表示在0.05水平上差異顯著，下同。

Note: Different lowercase letters meant significant difference at 0.05 levels respectively. The same as below.

由表2可知，不同處理之間產(chǎn)量的差異明顯，T4處理產(chǎn)量最高，達到9 142.87 kg·hm-2，T2處理的產(chǎn)量最低，僅為7 282.37 kg·hm-2。T4處理產(chǎn)量較T5處理高出1.5%，但差異不顯著，較T1和T3處理分別高出10.5%和10.2%。T2處理由于壟寬過寬、溝長較長，橫向灌水均勻度較低[4-7]，因此壟體水分的不足限制了植株的生長。T5處理的穗長與穗粒數(shù)均高于其它處理，但由于T5處理的畝穗數(shù)較低，因此T5的產(chǎn)量低于T4。說明適宜的壟寬可以最大限度地發(fā)揮壟上小麥的受光條件和邊行優(yōu)勢，有利于改善群體的通風(fēng)和透光條件，提高作物產(chǎn)量。

不同處理模式下的水分利用效率T4處理最高為29.18 kg·hm-2·mm-1，T2處理的最低為23.23 kg·hm-2·mm-1。由T1、T2處理和T4、T5處理對比分析可知：在溝長、入溝流量、坡降相同的條件下，壟寬與春小麥產(chǎn)量與水分利用效率呈現(xiàn)負增長的趨勢；T5處理的產(chǎn)量與水分利用效率分別較T4處理降低了1.50%與1.88%，無顯著差異。

4 試驗灌水質(zhì)量評價

4.1 實測灌水質(zhì)量指標

通過開展現(xiàn)場灌溉試驗，對不同的壟溝參數(shù)(壟坡、壟寬、溝深、溝寬)與灌水技術(shù)參數(shù)(溝長、溝坡、入溝流量)為處理的5組田間試驗進行灌水質(zhì)量的評價，以第一次灌水的實驗數(shù)據(jù)為例，用式(1)、式(2)、式(3)和式(10)采用實測土壤水分剖面分別計算灌水均勻度、田間灌溉水利用率、儲水率和壟體濕潤度4個評價指標，計算結(jié)果見表3。

由表3看出，灌水均勻度T1處理最高為88.9%，T4處理為87.8%；田間灌溉水利用率T4處理最高為83.6%；儲水率T3處理高為83.3%；壟體濕潤深度T3處理最高為82.9%。綜合評價各灌水質(zhì)量指標，T3處理與T4處理有較高的灌水質(zhì)量。T4處理較高灌水質(zhì)量與表2中T4處理產(chǎn)量與水分利用效率最高的結(jié)論相吻合。

4.2 簡化計算灌水質(zhì)量指標

對上述試驗結(jié)果，采用簡化式(11)、式(2)、式(3)和式(10)計算灌水均勻度、田間灌溉水利用率、儲水率和壟體濕潤度4個評價指標，各觀測點的入滲總水量與溝入滲水深可通過入滲模型計算，但由于試驗中未觀測各測點入滲時間與溝水深，所以計算中采用實測入滲總水量與溝入滲水深計算。簡化計算灌水質(zhì)量評價指標見表4。

由表4簡化計算結(jié)果可以看出，除灌水均勻度由于縱向測點較少，導(dǎo)致均勻度計算結(jié)果均偏高外，其它指標簡化計算結(jié)果與實測結(jié)果接近。說明研究對灌水質(zhì)量評價指標所做的簡化是合理的，簡化計算公式可在減少實測工作量的基礎(chǔ)上，評價壟作溝灌的灌水質(zhì)量。

表3 第一次灌水各處理的灌水質(zhì)量評價指標

表4 簡化計算灌水質(zhì)量評價指標

5 結(jié) 論

1) 由于壟作溝灌灌溉水是通過橫向擴散作用濕潤壟體，因此與畦田灌溉不同，采用灌水均勻度、灌溉水利用率、田間儲水率三指標評價灌水質(zhì)量不能客觀反映其灌水質(zhì)量， 研究表明，增加壟體濕潤度評價指標能更全面反映其灌水質(zhì)量。

2) 實際應(yīng)用中為了簡化測試工作量，將溝入滲水深采用實測單位濕周入滲量代替，由此通過總?cè)霛B量推求壟體入滲深，利用公式計算儲水量及灌水質(zhì)量各評價指標，此方法與實測法相比具有較高精度。

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