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冬小麦降雨利用过程及其模拟

刘战东  
【摘要】:随着我国社会经济的快速发展,水资源短缺越来越严重,农业水资源供需矛盾也在不断加剧。灌溉用水是农业用水的主体,在整个社会的水资源消耗中占有很大的比重,但目前我国的灌溉水利用效率与效益都还较低,用水浪费现象仍较普遍。因此,发展节水高效的灌溉技术与管理模式对于缓解水资源供需矛盾,保障国家粮食安全都具有十分重要的意义。在这样的背景下,深入研究作物生育期间的降雨利用过程,分析降水利用影响因子及其作用机制,并对相关因子的影响进行数值模拟,可为科学估计作物生育期间降雨的有效转化程度,以及制定优化灌溉制度提供重要的理论依据,对于农业水资源的高效利用也具有重要的理论和现实意义。 研究工作于2009-2011年在河南焦作市广利灌区灌溉试验站进行。选取冬小麦作为研究对象,通过三年的田间试验,对冬小麦的降雨冠层截留特性,降雨产流、入渗特征,降水的蒸发及进入土壤后的再分布规律等内容进行了试验观察及定量模拟,并通过试验探讨分析了不同覆盖方式和降雨特性对降雨利用过程和利用效率的影响,取得的主要研究结果如下:(1)采用“简易吸水法”分别研究了冬小麦单株和群体的降雨截留性能。结果表明:冬小麦抽穗前,叶片数量对单株截留量影响显著(P0.05);而在相同叶片数的情况下,不同生育时期的单株截留量也有显著的差异(P0.01)。冬小麦单株截留量分别与株高、叶面积、鲜重呈线性正相关关系,吸水率则与株高、鲜重呈线性负相关关系。冬小麦群体截留量分别与LAI、地上部生物量呈线性正相关关系,吸水率则分别与它们呈线性负相关关系。从拔节至成熟,冬小麦冠层截留量呈现先增加后减少的趋势,最大冠层截留量出现在抽穗期(1.28mm),不同生育期的冠层截留量之间差异极显著(P0.01)。 模拟降雨试验结果显示,冬小麦生育期透过冠层落在棵间的雨量与降雨总量呈显著的正相关关系(P0.01);冠层截留量与降雨总量呈显著的幂函数关系(P0.01)。降雨强度与落在棵间的雨量占总降水量的百分比呈负指数函数关系(P0.01),与冠层截留量所占百分比呈负幂函数关系(P0.01)。不同降雨强度下冬小麦冠层截留过程趋势一致,降雨强度越小,其达到冠层截留容量所需时间越长。降雨强度对冠层截留容量没有明显影响。在雨量恒定条件下,截留量随雨强的增加而减小,呈明显的负相关关系。通过分析试验数据构建了冬小麦冠层降雨截留过程模型: 基于实测数据,确定了模型中表征冬小麦降雨蒸发能力的参数α为0.008。模型的模拟值和实测值有较好的一致性,显示建立的模型适用于冬小麦冠层截留的计算。 (2)通过模拟降雨试验,研究了冬小麦田降雨强度(RI)、冠层覆盖度(用Leaf area index表示,LAI)及0-40cm初始土壤剖面含水量(θ40)对降雨产流、入渗特征的影响。结果表明:在其他影响因子保持稳定的条件下,径流强度、累积径流量、入渗速率和累积入渗量分别与降雨历时(t)具有显著的负指数函数、幂函数、幂函数和对数函数关系(P0.01)。产流时间随RI增大而提前,两者呈显著幂函数关系(P0.01);径流强度、累计径流量和径流系数随RI增大而增大;平均入渗率、稳定入渗率和入渗量随RI增大而增大,入渗率趋于稳定值的时间随RI增大而提前,降雨蓄积系数则随RI增大而减小。产流时间随LAI的减少而提前,两者呈显著线性函数关系(P0.01);径流强度、径流量及径流系数随LAI的增加而减小;平均入渗率、稳定入渗率、入渗量和降雨蓄积系数随LAI增大而增大,入渗率趋于稳定值的时间则随LAI的增大而延长;当降雨强度增大时,LAI对麦田产流、入渗过程的影响减弱。在RI和LAI保持不变时,产流时间随θ40增大而提前,两者呈显著线性函数关系(P0.01),而40cm以下土层的含水量对产流时间影响相对较小;径流强度、径流量及径流系数随θ40增大而增大,但稳定径流强度基本相同;入渗率趋于稳定值的时间随θ40增大而提前,平均入渗率、入渗量和降雨蓄积系数随θ40增大而减小,但稳定入渗率基本相同。 通过多元回归分析,建立了基于RI、LAI和θ40的产流时间计算模型: tp=20.3070RI-1.0761LAI1.5209θ0-1.1844 经检验,模型具有较好的模拟效果。 径流强度、累积径流量、入渗率、累积入渗量可最终表示为t、RI、LAI和θ40等四因素的函数;建立的径流系数和降雨蓄积系数多元回归计算模型如下 RC=-0.19188+0.2282RI-0.00785LAI+0.009231θ40 RSC=1.5754RI-0.5437LAI0.0430θ40-0.2339 (3)通过人工模拟小雨至特大暴雨6个降雨级别的降水过程,研究了不同降雨条件下的麦田土壤蒸发和土壤水再分布规律,结果表明:在相同的气象条件下,不同降水强度处理下的土壤蒸发过程具有相同的变化趋势。日土壤蒸发量和累积蒸发量均随着降雨量的提高呈对数函数方式增加;不同处理下白天土壤蒸发量有着显著的差异,但晚间的差异不明显;一次降水处理后,麦田土壤累计蒸发量占降雨总量的比例(E/P)随降雨总量的增加呈幂函数减小。土壤日蒸发量与气象因子的相关关系说明,降雨后麦田土壤蒸发与日照时数、20cm蒸发皿水面蒸发、日最高气温、日平均气温相关性程度较高,均达到显著和极显著水平。土壤蒸发量对各气象因子的响应程度随降雨级别(降雨量和降雨强度)的增加而变大。土壤日蒸发量与0-100cm土体内各土层的含水量呈现显著的相关性(P0.01),且相关系数随降雨级别的提高呈不断增加的趋势。 降雨级别(降雨量和降雨强度)越大,土壤水再分布影响的土层就越深,土壤含水量变化幅度越大,同时土壤水再分配过程所需的时间越长。湿润锋运移速率随降雨级别提升而增大,同时湿润锋运移深度也相应增加。在同一降雨级别下,湿润锋运移和土壤水再分布过程随着土壤初始含水量的增加而加快。从整体上看,受作物根系生长发育的影响,返青期0-100cm土层水分变化幅度不如拔节期、灌浆期明显。降雨级别越大,降水转化为土壤水的量也越多,但从转化效率上看,中等级别降雨最高。 利用HYDRUS-1D模型对受降雨、蒸发和作物根系吸水影响的土壤不饱和区含水量分布的变化进行模拟,结果表明HYDRUS-1D模型的模拟结果可以较好地反映不同降雨条件下麦田土壤水分变化的真实情况,因此可以作为实际管理中对土壤水分变化的一种预测手段使用。 (4)在大田中设置地膜覆盖(PM)、4种秸秆覆盖(覆盖量分别为1500,4500,7500,10500kg/hm2,分别标记为SM15、SM45、SM75和SM105和无覆盖处理(CK),研究不同覆盖方式和降雨特性对降雨后冬小麦棵间蒸发量、土壤剖面水分分布和降雨土壤蓄积量的影响。结果表明:模拟降雨后,各处理的日土壤蒸发量和土壤蒸发累积量有着相同的变化趋势;同一时间段内不同覆盖处理的土壤蒸发量差异明显,均表现为SM105SM75PMSM45SM15CK冬小麦群体冠层结构对雨后土壤蒸发量影响显著,同等降雨条件下,同一覆盖处理拔节期前的日土壤蒸发量明显大于拔节期后的相应数值。不同覆盖处理间0-100cm土层剖面的含水量差异明显,其中PM的最小,CK的次之,SM105的最大;降雨土壤蓄积量整体也表现为:SM105>SM75>SM45>SM15>CK>PM;受植株冠层降雨截留量增大的影响,冬小麦拔节期后各处理的土壤含水量和降雨土壤蓄积量要明显低于拔节期前的数值。同一覆盖处理,60mm/h降雨强度条件下的降雨入渗深度和入渗量要明显高于40mm/h下的降雨入渗深度和入渗量。与60mm/h降雨强度相比,40mm/h降雨强度下各处理拔节前与拨节后的降雨土壤蓄积量变化幅度要明显的大。


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