華北地區(qū)夏玉米田間水分轉(zhuǎn)化規(guī)律研究

1、華北地區(qū)夏玉米田間水分轉(zhuǎn)化規(guī)律研究 摘要本文利用一維垂直非飽和土壤水運(yùn)動計算模型，通過模擬計算夏玉米生育期各生長階段不同水文年、不同灌水定額下田間水分轉(zhuǎn)化規(guī)律，對棵間蒸發(fā)，深層滲漏與灌水定額之間的數(shù)量關(guān)系進(jìn)行了定量研究，并建議華北地區(qū)夏玉米節(jié)水灌溉定額為40m/畝. 關(guān)鍵詞夏玉米 田間水分轉(zhuǎn)化 灌水定額 1 田間水分轉(zhuǎn)化的動力學(xué)模式田間水分的轉(zhuǎn)化過程主要包括降雨或灌水的入滲，徑流，根區(qū)土壤水分運(yùn)移，根系吸水，蒸發(fā)蒸騰，根區(qū)以下土壤水運(yùn)動等.描述土壤水運(yùn)動的動力學(xué)方程是根據(jù)達(dá)西定律和連續(xù)方程結(jié)合推導(dǎo)出來的，由于方程是非線性的，所以只有在特定的初始和邊界條件下才能用解析法求解.自60年代以來，隨著

2、電子計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們能夠借助計算機(jī)運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，對一般條件下的土壤水分運(yùn)動問題求解，并得到了滿意的結(jié)果.本文采用HYDRUS模型軟件進(jìn)行數(shù)值模擬.1.1 HYDRUS模型 HYDRUS模型軟件8是美國鹽堿實驗室在Worm模型的基礎(chǔ)上的改進(jìn)版，用于模擬計算一維垂直非飽和流和溶質(zhì)運(yùn)移，考慮了作物根系吸水和土壤持水能力的滯后影響，適應(yīng)于恒定或非恒定的邊界條件，具有靈活的輸入輸出功能，可用來模擬非勻質(zhì)土壤，最多可模擬5種20層土壤.模型中方程解法采用Gakerin線性有限元法.1.2 方程和邊界條件 在忽略土壤側(cè)向水流運(yùn)動，僅考慮一維垂向運(yùn)移時，有根系吸水項的土壤水分運(yùn)動方程為1c(h)(

3、h)/(t)=()/(Z)k(h)(h)/(Z)-k(h)-s(z,t)(1)式中c(h)比水容重L-1,c(h)=d/dh,h土壤壓力水頭L，體積含水量L3L-3,k(h)水力傳導(dǎo)度LT-1，s(z,t)單位體積根系吸水率T-1,z土壤深度L、向下為正，t時間T.初始條件：h(z,t)=h0(z), t=0.上邊界條件：h(0,t)=h0(t), (積水條件)-k(h)(h)/(z)+k(h)/z=0=q0(t)(2)式中h0(t)已知壓力水頭L，q0(t)凈通量，正通量表示下滲，負(fù)通量表示蒸發(fā)(棵間蒸發(fā)).下邊界條件：h(l,t)=hi(t),-k(h)(h)/(z)+k(h)/z=l=q

4、1(t)或(h)/(z)/zl=0, (3)2 作物根系吸水模式本文采用VanGenuchten模型8，即s(z,t)=Ep(t),(z)(h,h0)(4)式中S(z,t)單位根據(jù)吸水率，Ep(t)作物最大蒸騰率，(h,h0)鹽分應(yīng)力函數(shù)，反映土壤鹽分對田間根系吸水的影響.(h,h0)=(1)/(1+(h+h0)/(h50)p(5)式中h壓力水頭，h0滲透壓，與溶液濃度C有關(guān)，h0=a1c,a1簡單換算系數(shù)，其值依賴于壓力水頭和濃度表達(dá)的單位.h50作物潛在蒸騰率減少50%的土水勢，對玉米而言，h50為-0.25-0.65MPa，一般取-0.43MPa(Ehler,1983),P經(jīng)驗常數(shù)，P3

5、；(z)根系密度分布函數(shù)相對值. (6)其中 Lr根層深度，(z)根系密度分布函數(shù)，(z)是根深Lr的函數(shù)，實際應(yīng)用中將Lr分為若干層且認(rèn)為每層內(nèi)根系分布是均勻的.根系密度采用層內(nèi)干根重占根區(qū)總干根重的比值表示，由田間實測獲得.3 非飽和導(dǎo)水率的確定非飽和導(dǎo)水率K是土壤水分運(yùn)動的重要參數(shù)，在對非飽和土壤水運(yùn)動基本方程進(jìn)行數(shù)學(xué)分析時，無論用解析解或數(shù)值解的方法，都要用到它.獲得K的方法有兩種：一是實驗方法，如瞬時剖面法，垂直下滲通量法，垂直土壤穩(wěn)定蒸發(fā)法，結(jié)殼法等；另一種是間接法，即根據(jù)已知的水分特征曲線和其他條件推導(dǎo)出的函數(shù)形式，如Van Genunchten(1980)將土壤水分特征曲線的函

6、數(shù)形式與Mualem(1976)導(dǎo)出的用來預(yù)測非飽和導(dǎo)水率的函數(shù)形式相結(jié)合得到如下函數(shù)關(guān)系5(h)=r+(s-r)/(1+(h)nm),(7)k(l)=kss1/211-(1-s1/ml)m2,(8)sl=(-r)/(s-r),(9)式中s飽和含水量；r殘余含水量；Ks飽和導(dǎo)水率；Sl相對飽和度，,n,m擬合參數(shù)，通過非線性最小二乘法對室內(nèi)試驗獲得的土壤持水?dāng)?shù)據(jù)(,h)進(jìn)行擬合求模糊.將式(7)代入式(8)得k(h)=ks1+(h)n-2/m1-1-(1+h)n-m2(10)表1 VG非飽和導(dǎo)水率函數(shù)有關(guān)參數(shù)土層深度/cm飽和含水量/cm/cm殘余含水量/cm/cm/a/cmnR20800.4

7、90.120.0181.330.97801000.510.0960.005531.1890.981002200.480.080.00871.4790.982204000.430.0640.00231.3870.994 作物騰發(fā)量的計算作物騰發(fā)量又稱作物耗水量，是指在作物生長季節(jié)，從生長面積上失去的水量，它包括從作物體蒸騰的水量和組成作物體內(nèi)的水量(所占比例很小，可忽略不計)以及從種植面積上棵間蒸發(fā)的水量.目前最常用的最大作物騰發(fā)率的計算方法是先計算參考作物騰發(fā)率ET0(t),然后將其乘以一個作物系數(shù)Kc(t),即：ETc(t)=Kc(t)ET0(t);作物系數(shù)Kc由河北望都灌溉試驗站的灌溉資料

8、確定.參考作物騰發(fā)率由FAO新近推薦的Penman-monteith方法計算6，F(xiàn)AO-Penman-monteith方法把參考作物騰發(fā)量重新定義為“作物高度0.12m，固定葉而阻力70sm-1，反射率0.23的假想?yún)⒖甲魑锏尿v發(fā)量”，由此結(jié)合monteith方法可得出FAO-Penman-monteith方程下ET0=(0.408(Rn-G)+(900)/(T+273)U2(ea-ed)/(+(1+0.34U2)(24h) (11)式中 ET0假想草的參考騰發(fā)量(mmd-1),Rn凈輻射(mJm-2-2d-1),G土壤熱通量，干濕球常數(shù)，U22m高處風(fēng)速，ea飽和水汽壓(kPa)，ed實際水

9、汽壓(kPa)，壓力曲線斜率，P大氣壓力(KPa).5 棵間蒸發(fā)與植株蒸騰的劃分作物騰發(fā)量中葉面蒸騰與棵間蒸發(fā)的分?jǐn)偸寝r(nóng)田水分循環(huán)以及土壤-植物-大氣連續(xù)體水分傳輸動態(tài)模擬研究中必不可少的工作之一，同時也是一件困難的事情.Richie 和 Burnett(1971)研究了棉花和谷類作物的分?jǐn)傁禂?shù)和葉面積指數(shù)LAI的關(guān)系，提出了充分供水條件下葉面蒸騰Tp與ETc關(guān)系式Tp=(-0.21+0.7LAI1/2)ETc,(0.1LAI2.7)，Tp0. (LAI0.1)，(12)國內(nèi)對這方面研究工作開展不多，西北農(nóng)業(yè)大學(xué)康紹忠通過研究認(rèn)為4：作物蒸騰在總騰發(fā)中所占的比例依賴于提供到作物冠層和棵間土壤表

10、面的凈輻射以及各部分的傳輸阻力，若葉面蒸發(fā)與騰發(fā)用波紋比能量平衡法計算ETc=Rn/(1+1),Tp=Rnc/(1+2)，在充分質(zhì)水條件下12，由此可導(dǎo)出Tp/ETc=Rnc/Rn.據(jù)田間連續(xù)幾年觀測，得到關(guān)系(13)式中t為一日中的時間，從零點開始；K、A為經(jīng)驗系數(shù)，對于玉米K=0.4016，A=0.9872；Tp葉面蒸騰，ETc作物騰發(fā)量.本文利用實測的LAI數(shù)據(jù)分別用康紹忠公式和Chids公式計算了雄縣試驗站1995年夏玉米在不同生育階段的葉面蒸騰Tp并進(jìn)行了線性回歸分析，其相關(guān)系數(shù)R2=0.98，說明兩種公式計算Tp有很好的一致性，應(yīng)用于實際比較可靠，本文模擬計算中潛在蒸騰率采用康紹忠

11、公式計算結(jié)果. 6 實際棵間蒸發(fā)的估算在模擬計算中，上邊界通量包括實際棵間蒸發(fā)量，但比較準(zhǔn)確地確定實際棵間蒸發(fā)量目前仍很困難，為此本文采用一種試算方法，即根據(jù)實測葉面積指數(shù)按康紹忠的棵間蒸發(fā)，葉面蒸騰分配公式求出各個階段中棵間蒸發(fā)與葉面蒸騰的比例值，然后在計算中先輸入潛在棵間蒸發(fā)，則有一個葉面蒸騰值(等于根系吸水)的輸出，得出一個模擬的棵間蒸發(fā)與根系吸水的比值Es/S，判斷兩個比值的大小，如果不一致，則改變輸入的棵間蒸發(fā)值，再進(jìn)行模擬計算，至直兩個比值比較接近.由式(13)可推導(dǎo)出：(14)式中Es棵間蒸發(fā)，s葉面蒸騰.表2 各個生育階段的Es/S值生育階段播種-出苗出苗-拔節(jié)拔節(jié)-抽穗抽穗-

12、灌漿成熟平均LAI0.42255.386.48Es/ETc0.9140.2100.062Es/S10.6280.2660.0667 模型的可靠性驗證本文選用1995年河北雄縣試驗站作物灌溉試驗資料進(jìn)行了實際模擬，模擬結(jié)果見圖1.模擬時把自由排水的下邊界選在3.0m處，模擬中上邊界采用通量已知的第二類邊界條件，在作物各生育階段內(nèi)遂日輸入通過上界面的變量值，包括降水量、灌溉水量、作物潛在蒸騰量和棵間蒸發(fā)量，模擬的土體由3類土壤分4層構(gòu)成.由圖可知，用Hydrus模型模擬土壤水分運(yùn)動是可靠的.圖1 玉米田間土壤剖面負(fù)壓實測值與模擬值比較8 田間水分轉(zhuǎn)分分析8.1 不同水文年田間水分轉(zhuǎn)化模擬 表3和4

13、分別為特旱年，干旱年、平水年和豐水年以及不同灌溉處理的模擬結(jié)果，結(jié)果表明：(1)夏玉米生長期降水量雖然占全年的7085%，但通過模擬計算表明其不同年份的實際騰發(fā)量相差仍然較大，特旱年只占作物最大騰發(fā)量的55%，灌13次水即可提高到80%左右；干旱年占79%，灌1次水可提高到90%，所以對夏玉米進(jìn)行灌溉是提高其產(chǎn)量所必需的.(2)供水量越大，作物吸水作用越強(qiáng)，而棵間無效消耗(棵間蒸發(fā))增加較緩慢.(3)夏玉米的生育階段需水量是由棵間土壤蒸發(fā)與葉面蒸騰量組成，在不同生育階段，它們之間的比例變化很大，從夏玉米播種到拔節(jié)，恰處于6月中下旬至7月上旬，氣溫高，大氣干燥.此時植株矮小，葉面積指數(shù)小，葉面蒸

14、騰量很低，棵間土壤蒸發(fā)量卻占較大的比例，從表4看出：該階段棵間蒸發(fā)量比例達(dá)90%以上，從全生育期看，玉米棵間土壤蒸發(fā)量占總需水量的40%左右.棵間土壤蒸發(fā)量對產(chǎn)量形成基本上無意義，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)脑耘啻胧?，盡量降低它所占的比例.80年代以來，采用地膜覆蓋進(jìn)行節(jié)水的田間管理，基本上消除了棵間土壤蒸發(fā)量，減少了農(nóng)田耗水量，有利于提高水的利用效率，應(yīng)盡量推廣應(yīng)用.(4)從表3看出棵間蒸發(fā)與深層滲漏之和占總供水一般在3545%之間，所以從供水角度來講，降低二者所占比例，節(jié)水用水意義很大.表3 不同水文年田間水分轉(zhuǎn)化模擬結(jié)果水文年處 理EsSETaETa/ETcDD/(P+I)WD+Es(D+Es)/(P

15、+I)特旱年不灌82.11126.6208.75524.410.4106.545.0灌1水92.78178.9271.77229.29.48.8122.039.3灌2水94.13198.7292.97742.0210.951.4136.235.3灌3水99.91219.5319.48474.816.365.7174.738.0干旱年不灌104.5172.0276.67926.38.5130.942.3灌1水106.2201.4316.79036.29.618.0142.437.8灌2水108.5215.5324.19381.61848.0190.144.3平水年不灌79.66185.5265.

16、27839.211.524.4118.134.5灌1水80.26191.9272.28068.51663.0148.734.7豐水年不灌101.1198.5299.89399.820100200.940.3注：Es棵間蒸發(fā)，S根系吸水，ETa實際騰發(fā)量，ETc作物潛在騰發(fā)量，D深層滲漏，P降雨，I灌溉，W1m土層儲水變化.表4 不同水文年棵間蒸發(fā)值水文年生長階段播種-出苗出苗-拔節(jié)拔節(jié)-抽穗抽穗-灌漿全生育期特旱年ETa26.0535.7896.250.68208.7Es26.0532.720.213.1582.11S03.0875.9947.53126.6Es/ETa(%)100912163

17、9干旱年ETa18.5757.08143.857.1276.53Es18.5752.3530.23.4104.5S04.73113.653.7172.03Es/ETa(%)1009221638平水年ETa14.1746.62143.9580.2272.2Es14.1742.3831.654.8280.26S04.24112.375.38191.92Es/ETa(%)1009122629豐水年ETa17.451.42154.0476.84299.8Es17.446.8833.922.99101.2S04.5412.1275.85198.59Es/ETa(%)10091224348.2 不同灌水定

18、額在不同階段的模擬 本文選用20m/畝、30m/畝，40m/畝，50m/畝，60m/畝，70m/畝，80m/畝，100m/畝，120m/畝等不同灌水定額在不同生育階段進(jìn)行了模擬，模擬分兩種情況，一種選擇各生長階段無雨情況下的15天進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果見圖2和圖3；另一種選擇實際降雨情況按各階段的實際天數(shù)模擬，模擬結(jié)果見圖4.(1) 隨著灌水定額的增加，棵間蒸發(fā)所占灌水量的比例(耗水比例，下同.)逐漸減小，而深層滲漏所占灌水量的比例則逐漸增大，但二者之和總存在一個最小值，相應(yīng)于此最小比值的灌水定額，即為最省水的灌水定額，對應(yīng)于不同生育階段其灌水定額亦不同，分別為60m/畝，50m/畝，和40m/畝

19、(見圖2).圖2 不同生育階段灌水定額與耗水關(guān)系(2) 在不同灌水定額條件下，土層內(nèi)儲水量，棵間蒸發(fā)量變化較小，主要變化為深層滲漏量，以1m土層為例，60m/畝與50m/畝兩種方案比較，儲水量之差、棵間蒸發(fā)量之差，深層滲漏量之差在不同生育階段分別是出苗至拔節(jié)階段為5mm,0.75mm,9mm；拔節(jié)至抽雄階段為3.5mm，0.15mm，11.02mm；灌漿至成熟階段為4.5mm,0.015mm,10.5mm，說明灌的越多，滲漏的越多，多灌是無益的(3) 考慮的土層深度不同，最省水灌水定額的值也不同，以灌漿至成熟期為例(見圖3)，對應(yīng)土層深度為120cm,100cm和80cm的省水灌水定額分別為5

20、0m/畝，40m/畝和30m/畝.夏玉米的有效根深最大可達(dá)到100cm，本文模擬計算時平衡區(qū)(土層深度)選用100cm. 圖3 不同下邊界條件下灌水定額與耗水關(guān)系(4) 降雨量較多的年份如平水年和豐水年，棵間蒸發(fā)與深層滲漏之和所占灌水的比例隨灌水量增加雖單調(diào)緩慢遞減，不存在一個最小值(見圖4)，這是因為棵間蒸發(fā)在水份較多情況下，隨著供水量的增加不再變化，深層滲漏占供水量的比例變化也不大，但在灌水定額為40m/畝是一個變化快慢的轉(zhuǎn)折點，所以可把省水灌水定額選為40m/畝.圖4 不同水文年耗水與灌水定額的關(guān)系 參 考 文 獻(xiàn)1雷志棟, 楊詩秀, 謝森傳. 土壤水動力學(xué).北京：清華大學(xué)出版社，198

21、8.2康紹忠. 土壤-植物-大氣連續(xù)體水分傳輸理論及其應(yīng)用.北京：水利電力出版社，1994.3康紹忠. 無地下水補(bǔ)給條件下玉米田水分循環(huán)過程的動力學(xué)模式及應(yīng)用.水利學(xué)報1993，(5).4康紹忠, 張富倉, 劉曉明. 作物葉面蒸騰與棵間蒸發(fā)分?jǐn)傁禂?shù)的計算方法.水科學(xué)進(jìn)展1995，(4).5Genuchten R V. Calculating the unsaturaeted hydraulic conductivity with a new closed form analytical mode.1.W.S.salinity laboratory.1978，(9).6Allen R G, Smith M, Perier A, and Perira L S. An update for the definition of reference evapotranspiration.ICID Bulletin 1994，143(2).7Childs S W etal. Mode of soil salinity effects on crop growth,soil sci.soc.Am