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1、1华北地区夏玉米田间水分转化规律研究摘要：本文利用一维垂直非饱和土壤水运动计算模型，通过模拟计算夏玉米生育期各生长阶段不同水文年、不同灌水定额下田间水分转化规律，对棵间蒸发，深层渗漏与灌水定额之间的数量关系进行了定量研究，并建议华北地区夏玉米节水灌溉定额为 40m/亩. 关键词：夏玉米 田间水分转化 灌水定额 1 田间水分转化的动力学模式田间水分的转化过程主要包括降雨或灌水的入渗，径流，根区土壤水分运移，根系吸水，蒸发蒸腾，根区以下土壤水运动等.描述土壤水运动的动力学方程是根据达西定律和连续方程结合推导出来的，由于方程是非线性的，所以只有在特定的初始和边界条件下才能用解析法求解.自 60 年代
2、以来，随着电子计算机技术的发展，人们能够借助计算机运用数值模拟的方法，对一般条件下的土壤水分运动问题求解，并得到了满意的结果.本文采用 HYDRUS 模型软件进行数值模拟.1.1 HYDRUS 模型 HYDRUS 模型软件8是美国盐碱实验室在 Worm 模型的基础上的改进版，用于模拟计算一维垂直非饱和流和溶质运移，考虑了作物根系吸水和土壤持水能力的滞后影响，适应于恒定或非恒定的边界条件，具有灵活的输入输出功能，可用来模拟非匀质土壤，最多可模拟 5 种 20 层土壤.模型中方程解法采用 Gakerin 线性有限元法.21.2 方程和边界条件 在忽略土壤侧向水流运动，仅考虑一维垂向运移时，有根系吸
3、水项的土壤水分运动方程为1：c(h)(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土壤压力水头L，体积含水量L3L-3,k(h)水力传导度LT-1，s(z,t)单位体积根系吸水率T-1,z土壤深度L、向下为正，t时间T.初始条件：h(z,t)=h0(z), t=0.上边界条件：h(0,t)=h0(t), (积水条件)-k(h)(h)/(z)+k(h)/z=0=q0(t) (2)式中 h0(t)已知压力水头L，q0(t)净通量，正通量表示下渗，负通量表示蒸发(棵间蒸发).下边界条件：h(l,t)=hi(t),
4、-k(h)(h)/(z)+k(h)/z=l=q1(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)单位根据吸水率，Ep(t)作物最大蒸腾率，(h,h0)盐分应力函数，反映土壤盐分对田间根系吸水的影响.(h,h0)=(1)/(1+(h+h0)/(h50)p (5)式中 h压力水头，h0渗透压，与溶液浓度 C 有关，h0=a1c,a1 简单换算系数，其值依赖于压力水头和浓度表达的单位.h50作物潜在蒸腾率减少 50%的3土水势，对玉米而言，h50 为-0.25-0.65
5、MPa，一般取-0.43MPa(Ehler,1983),P经验常数，P3；(z)根系密度分布函数相对值.(6)其中 Lr根层深度，(z)根系密度分布函数，(z)是根深 Lr 的函数，实际应用中将 Lr 分为若干层且认为每层内根系分布是均匀的.根系密度采用层内干根重占根区总干根重的比值表示，由田间实测获得.3 非饱和导水率的确定非饱和导水率 K 是土壤水分运动的重要参数，在对非饱和土壤水运动基本方程进行数学分析时，无论用解析解或数值解的方法，都要用到它.获得 K 的方法有两种：一是实验方法，如瞬时剖面法，垂直下渗通量法，垂直土壤稳定蒸发法，结壳法等；另一种是间接法，即根据已知的水分特征曲线和其他
6、条件推导出的函数形式，如 Van Genunchten(1980)将土壤水分特征曲线的函数形式与 Mualem(1976)导出的用来预测非饱和导水率的函数形式相结合得到如下函数关系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饱和含水量；r残余含水量；Ks饱和导水率；Sl相对饱和度，,n,m拟合参数，通过非线性最小二乘法对室内试验获得的土壤持水数据(,h)进行拟合求模糊.将式(7)代入式(8)得：k(h)=ks1+(h)n-2/m1-1-(1+h)n-m2 (10)表 1 VG 非饱和导
7、水率函数有关参数4土层深度/cm饱和含水量/cm/cm残余含水量/cm/cm /a/cm n R2080 0.49 0.12 0.018 1.33 0.9780100 0.51 0.096 0.00553 1.189 0.98100220 0.48 0.08 0.0087 1.479 0.98220400 0.43 0.064 0.0023 1.387 0.994 作物腾发量的计算5作物腾发量又称作物耗水量，是指在作物生长季节，从生长面积上失去的水量，它包括从作物体蒸腾的水量和组成作物体内的水量(所占比例很小，可忽略不计)以及从种植面积上棵间蒸发的水量.目前最常用的最大作物腾发率的计算方法是先
8、计算参考作物腾发率 ET0(t),然后将其乘以一个作物系数 Kc(t),即：ETc(t)=Kc(t)ET0(t);作物系数 Kc 由河北望都灌溉试验站的灌溉资料确定.参考作物腾发率由FAO 新近推荐的 Penman-monteith 方法计算6，FAO-Penman-monteith 方法把参考作物腾发量重新定义为“作物高度 0.12m，固定叶而阻力 70sm-1，反射率 0.23的假想参考作物的腾发量”，由此结合 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
9、)(24h) (11)式中 ET0假想草的参考腾发量(mmd-1),Rn净辐射(mJm-2-2d-1),G土壤热通量，干湿球常数，U22m 高处风速，ea饱和水汽压(kPa)，ed实际水汽压(kPa)，压力曲线斜率，P大气压力(KPa).5 棵间蒸发与植株蒸腾的划分作物腾发量中叶面蒸腾与棵间蒸发的分摊是农田水分循环以及土壤-植物-大气连续体水分传输动态模拟研究中必不可少的工作之一，同时也是一件困难的事情.Richie 和 Burnett(1971)研究了棉花和谷类作物的分摊系数和叶面积指数 LAI的关系，提出了充分供水条件下叶面蒸腾 Tp 与 ETc 关系式：Tp=(-0.21+0.7LAI1
10、/2)ETc, (0.1LAI2.7)，Tp0. (LAI0.1)， (12)国内对这方面研究工作开展不多，西北农业大学康绍忠通过研究认为4：作物蒸腾在总腾发中所占的比例依赖于提供到作物冠层和棵间土壤表面的净辐射以6及各部分的传输阻力，若叶面蒸发与腾发用波纹比能量平衡法计算：ETc=Rn/(1+1),Tp=Rnc/(1+2)，在充分质水条件下 12，由此可导出：Tp/ETc=Rnc/Rn.据田间连续几年观测，得到关系：(13)式中 t为一日中的时间，从零点开始；K、A为经验系数，对于玉米K=0.4016，A=0.9872；Tp叶面蒸腾，ETc作物腾发量.本文利用实测的 LAI 数据分别用康绍忠
11、公式和 Chids 公式计算了雄县试验站1995 年夏玉米在不同生育阶段的叶面蒸腾 Tp 并进行了线性回归分析，其相关系数 R2=0.98，说明两种公式计算 Tp 有很好的一致性，应用于实际比较可靠，本文模拟计算中潜在蒸腾率采用康绍忠公式计算结果.6 实际棵间蒸发的估算在模拟计算中，上边界通量包括实际棵间蒸发量，但比较准确地确定实际棵间蒸发量目前仍很困难，为此本文采用一种试算方法，即根据实测叶面积指数按康绍忠的棵间蒸发，叶面蒸腾分配公式求出各个阶段中棵间蒸发与叶面蒸腾的比例值，然后在计算中先输入潜在棵间蒸发，则有一个叶面蒸腾值(等于根系吸水)的输出，得出一个模拟的棵间蒸发与根系吸水的比值 Es
12、/S，判断两个比值的大小，如果不一致，则改变输入的棵间蒸发值，再进行模拟计算，至直两个比值比较接近.由式(13)可推导出：(14)式中 Es棵间蒸发，s叶面蒸腾.7表 2 各个生育阶段的 Es/S 值生育阶段播种-出苗出苗-拔节拔节-抽穗抽穗-灌浆成熟平均 LAI0.4225 5.38 6.48Es/ETc0.914 0.210 0.062Es/S10.628 0.266 0.0667 模型的可靠性验证本文选用 1995 年河北雄县试验站作物灌溉试验资料进行了实际模拟，模拟结果见图 1.模拟时把自由排水的下边界选在 3.0m 处，模拟中上边界采用通量已知的第二类边界条件，在作物各生育阶段内遂日
13、输入通过上界面的变量值，包括降水量、灌溉水量、作物潜在蒸腾量和棵间蒸发量，模拟的土体由 3 类土壤分 4 层构8成.由图可知，用 Hydrus 模型模拟土壤水分运动是可靠的.图 1 玉米田间土壤剖面负压实测值与模拟值比较8 田间水分转分分析8.1 不同水文年田间水分转化模拟 表 3 和 4 分别为特旱年，干旱年、平水年和丰水年以及不同灌溉处理的模拟结果，结果表明：(1)夏玉米生长期降水量虽然占全年的 7085%，但通过模拟计算表明其不同年份的实际腾发量相差仍然较大，特旱年只占作物最大腾发量的 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%，所以对夏
14、玉米进行灌溉是提高其产量所必需的.(2)供水量越大，作物吸水作用越强，而棵间无效消耗(棵间蒸发)增加较缓慢.(3)夏玉米的生育阶段需水量是由棵间土壤蒸发与叶面蒸腾量组成，在不同生育阶段，它们之间的比例变化很大，从夏玉米播种到拔节，恰处于 6 月中下旬至 7 月上旬，气温高，大气干燥.此时植株矮小，叶面积指数小，叶面蒸腾量很低，棵间土壤蒸发量却占较大的比例，从表 4 看出：该阶段棵间蒸发量比例达 90%以上，从全生育期看，玉米棵间土壤蒸发量占总需水量的 40%左右.棵间土壤蒸发量对产量形成基本上无意义，应当采取适当的栽培措施，尽量降低它所占的比例.80 年代以来，采用地膜覆盖进行节水的田间管理，
15、基本上消除了棵间土壤蒸发量，减少了农田耗水量，有利于提高水的利用效率，应尽量推广应用.(4)从表 3 看出棵间蒸发与深层渗漏之和占总供水一般在 3545%之间，所以从供水角度来讲，降低二者所占比例，节水用水意义很大.表 3 不同水文年田间水分转化模拟结果9水文年处 理Es S ETa ETa/ETc D D/(P+I) W D+Es (D+Es)/(P+I)特旱 年 不灌 82.11 126.6 208.7 55 24.4 10.4106.5 45.0灌 1 水 92.78 178.9 271.7 72 29.2 9.4 8.8 122.0 39.3灌 2 水 94.13 198.7 292.
16、91077 42.02 10.9 51.4 136.2 35.3灌 3 水 99.91 219.5 319.4 84 74.8 16.3 65.7 174.7 38.0干 旱 年 不灌 104.5 172.0 276.6 79 26.3 8.5130.9 42.3灌 1 水 106.2 201.4 316.7 90 36.2 9.6 18.0 142.4 37.8灌 2 水11108.5 215.5 324.1 93 81.6 18 48.0 190.1 44.3平水年 不灌 79.66 185.5 265.2 78 39.2 11.5 24.4 118.1 34.5灌 1 水 80.26 1
