三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地水量平衡研究.pdf

1、三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)以旱作糧食作物為主，坡耕地是庫(kù)區(qū)主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，降水是該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要來(lái)源，降水總量大，但降水時(shí)間分布不均，徑流損失大，該區(qū)域季節(jié)性干旱十分突出，基本上是十年九旱，干旱缺水嚴(yán)重制約該區(qū)域農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。紫色土坡耕地是庫(kù)區(qū)重要的耕地資源，耕作頻繁，人為擾動(dòng)劇烈，水土流失嚴(yán)重，以雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)為主，土層薄，蓄水保肥能力差，水分虧缺是作物生長(zhǎng)的主要障礙因子。如何合理調(diào)節(jié)利用降水資源，解決該區(qū)域季節(jié)性干旱與植物生長(zhǎng)發(fā)育協(xié)調(diào)性差的矛

2、盾，作物耗水特性和農(nóng)田水量平衡研究就顯得特別重要。國(guó)內(nèi)外有關(guān)農(nóng)田水量平衡的研究早已不只局限于理論本身，而是將相關(guān)理論用于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐，并取得了豐碩的成果，但是，國(guó)內(nèi)的研究主要集中于干旱、半干旱的華北平原和黃土高原地區(qū)，而在南方季節(jié)性干旱地區(qū)，特別是三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地水量平衡的研究未見(jiàn)詳細(xì)報(bào)道。目前，紫色土坡耕地水量平衡要素研究中徑流的研究較多、較深入，但在地表徑流模擬計(jì)算方面仍過(guò)程復(fù)雜，同時(shí)對(duì)最主要也是最難確定的農(nóng)田蒸散量這一平衡

3、要素，特別是涉及農(nóng)田蒸散量的確定方面未見(jiàn)詳細(xì)研究。為此，本研究針對(duì)紫色土坡耕地水量平衡研究中的不足，選擇重慶市開(kāi)縣竹溪鎮(zhèn)石碗小流域坡耕地（坡式梯地）為研究對(duì)象，以紫色砂巖、泥巖發(fā)育形成的中性紫色土為供試土壤，開(kāi)展坡耕地水量平衡分析研究，為今后全面開(kāi)展三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地水量平衡的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)等深入研究打下基礎(chǔ)，同時(shí)希望能為庫(kù)區(qū)坡耕地分類改造，坡耕地集、蓄、供、管的降水資源化集成利用體系的建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。
　　試驗(yàn)研究以為三峽庫(kù)區(qū)季

4、節(jié)性干旱問(wèn)題的解決提供可靠數(shù)據(jù)為出發(fā)點(diǎn)，以2007～2012年盆栽試驗(yàn)、測(cè)坑試驗(yàn)和徑流小區(qū)試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，以坡面產(chǎn)流匯流理論、水量平衡原理為理論基礎(chǔ)，采用試驗(yàn)觀測(cè)、理論分析計(jì)算等方法，對(duì)三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地水量平衡要素進(jìn)行了探討，對(duì)常規(guī)種植模式下單作小麥、油菜、玉米、紅薯和小麥/玉米‖紅薯、油菜/玉米‖紅薯間套作模式的作物耗水特性和坡耕地水量平衡狀況進(jìn)行初步研究。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)水分下滲過(guò)程主要受控于降水強(qiáng)度的變

5、化過(guò)程
　　2007～2012年作物生長(zhǎng)期內(nèi)降水呈現(xiàn)出夏秋多、冬春少，夏秋季多暴雨，降水量集中的特點(diǎn)。6～8月占年均降水量的43.4％，7、8月暴雨量占月均降水量的55.2％、44.5％。降水分布特征參數(shù)(σ、Cv、Cs)分析結(jié)果表明作物生長(zhǎng)期內(nèi)降水在時(shí)間分布上呈不均勻性，One-SampleK-S檢驗(yàn)表明作物生長(zhǎng)期年內(nèi)各月降水呈正態(tài)分布。
　　坡耕地單點(diǎn)土壤水分下滲在時(shí)空分布上存在變異性，坡面不同位置初始下滲率和穩(wěn)定下滲率

6、具有較大差異，下滲歷時(shí)60min擬合第1分鐘末下滲率8.03～20.83mm.min-1(Kostiakov公式擬合值)，穩(wěn)定下滲率0.76～3.81mm.min-1，均值1.42mm.min-1(實(shí)測(cè)值)，耕作對(duì)土壤下滲影響顯著。初始下滲的0～10min時(shí)段，土壤下滲率迅速下降，而且下降幅度較大，10～25min時(shí)段，下降幅度明顯減小，下滲歷時(shí)25min后，逐漸趨于穩(wěn)定，在27.7～35.4min內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定下滲階段。單點(diǎn)下滲特性可用K

7、ostiakov公式來(lái)描述，公式中第1分鐘末的下滲速率與初始含水量呈高度負(fù)相關(guān)關(guān)系（可用指數(shù)函數(shù)關(guān)系式表達(dá)），下滲率和下滲量表達(dá)式如下:f=85.66e-0.08θ0·t-0.52和F=178.46e-0.08θ0·t0.48
　　自然降水條件下土壤下滲特性與降水強(qiáng)度有密切的關(guān)系，下滲率的變化過(guò)程主要受控于降水強(qiáng)度的變化過(guò)程，坡面下滲特性受諸多因素的影響，在空間上和時(shí)間上都呈現(xiàn)出不穩(wěn)定和不連續(xù)性變化。暴雨時(shí)段前后降水強(qiáng)度不能滿足下

8、滲率要求，降水全部下滲，即f(t)=i(t)，降水強(qiáng)度大時(shí)，土壤的下滲率大，降水強(qiáng)度小時(shí)，下滲率則小。在暴雨時(shí)段內(nèi)，前時(shí)段降水強(qiáng)度大時(shí)，即i（t)≥fp(t),土壤的下滲率大，即f(t）=fp(t)，但維持較高下滲率的時(shí)間較短，以后就逐漸減小;在暴雨時(shí)段內(nèi),前時(shí)段降水強(qiáng)度小時(shí)，即i(t)≤fp(t)，降水全部滲入土壤，即f(t)=i(t)，此時(shí)下滲率小，當(dāng)降水強(qiáng)度增大到i(t)≥fp(t)時(shí)，下滲率達(dá)最大f(t)=fp(t)，隨后又逐漸

9、減小，維持這種較低或較高下滲率的時(shí)間長(zhǎng)短，取決于暴雨時(shí)段內(nèi)前時(shí)段小強(qiáng)度降水歷時(shí)。
　　(2)分時(shí)段凈雨模擬方法能較好反映的坡面產(chǎn)流過(guò)程
　　不同降水特性、雨前土壤含水量和耕作狀況等對(duì)產(chǎn)流時(shí)間、產(chǎn)流量和徑流成分組成有影響。雨峰靠前、強(qiáng)度大的降水，地表徑流出流時(shí)間早而且地表徑流量大，若土壤初始含水量高，暴雨時(shí)段后小強(qiáng)度降水歷時(shí)長(zhǎng)，則壤中流產(chǎn)流量也較大;雨峰靠中的降水，暴雨前土壤含水量高，即使是中等強(qiáng)度的降水，如果降水量大、歷時(shí)長(zhǎng)

10、也將產(chǎn)生大量的地表徑流和壤中流;雨峰靠后的降水，如果暴雨時(shí)段內(nèi)前期降水未使土壤含水量明顯提高，降水首先滿足表層土壤的缺水量，當(dāng)降水強(qiáng)度超過(guò)下滲能力時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生地表徑流，若降水量不大、暴雨歷時(shí)較短，降水損失量大，則地表徑流和壤中流出流量偏小。
　　地表徑流主要為暴雨產(chǎn)生的超滲產(chǎn)流，7、8月以地表徑流為主，月均徑流系數(shù)分別為0.36、0.30;5、6月和9月以壤中流為主，耕作后土壤以壤中流產(chǎn)流為主，試驗(yàn)區(qū)坡耕地壤中流較發(fā)育，壤中流徑流系

11、數(shù)0.15～0.34。壤中流的產(chǎn)生與降水強(qiáng)度無(wú)直接關(guān)系，與土壤前期含水量、土壤中是否存在自由重力水和暴雨前后小強(qiáng)度降水特性有關(guān)。2008～2012年降水徑流主要出現(xiàn)在5～9月，月均徑流系數(shù)分別為0.15、0.28、0.36、0.30、0.07，5～9月月均降水徑流關(guān)系可表示為:R=0.559P-44.03R2=0.948
　　以坡面水流運(yùn)動(dòng)波理論、流量過(guò)程的倍比假定和疊加假定原理為理論依據(jù)，以暴雨時(shí)段平均下滲率代替瞬時(shí)下滲率的分時(shí)

12、段凈雨模擬方法能較好反映自然降水條件下的地表徑流產(chǎn)流過(guò)程，簡(jiǎn)化了模擬過(guò)程，可操作性強(qiáng)，模擬結(jié)果較好，模擬地表徑流量與實(shí)測(cè)值相吻合。雨峰靠前、靠中和靠后的三次降水模擬產(chǎn)流過(guò)程與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果大致吻合，模擬地表徑流量分別為34.4mm、39.7mm和10.2mm，與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果也大致相同。
　　(3)農(nóng)田蒸散量采用作物系數(shù)法確定
　　太陽(yáng)輻射采用Hargreaves公式計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)的Penman-Monteith計(jì)算公式以能量平衡和

13、水汽擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)，既考慮了作物的生理特征，又考慮了空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化，較為全面地考慮了影響蒸散發(fā)的各種因素，具有較充分的理論依據(jù)。試驗(yàn)區(qū)參考作物蒸散量主要由空氣動(dòng)力學(xué)項(xiàng)ET0(aero)貢獻(xiàn)，約占70％，輻射項(xiàng)ET0(rad)約占30％。2001～2012年日、月、年參考作物蒸散量的變化趨勢(shì)均與溫度的變化趨勢(shì)相同，而年參考作物蒸散量的變化趨勢(shì)與日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)相反。相關(guān)性分析和敏感性分析結(jié)果，最高溫度和日照時(shí)數(shù)與參考作物蒸散量的相關(guān)

14、性一致，同時(shí)日照時(shí)數(shù)與最高溫度具有較大的相關(guān)性，飽和水汽壓差與參考作物蒸散量具有高度相關(guān)性，而飽和水汽壓差是溫度和相對(duì)濕度對(duì)參考作物蒸散量影響的綜合反映;最高溫度的變化對(duì)參考作物蒸散量的影響最大，敏感性最強(qiáng)，而日照時(shí)數(shù)的變化對(duì)參考作物蒸散量幾乎無(wú)影響，敏感性最弱，結(jié)果體現(xiàn)出試驗(yàn)區(qū)溫度對(duì)參考作物蒸散量的影響遠(yuǎn)大于日照時(shí)數(shù)，而日照時(shí)數(shù)對(duì)參考作物蒸散量的影響主要通過(guò)溫度間接體現(xiàn);最高溫度(Tmax)、最高相對(duì)濕度(RHmax）和最低相對(duì)濕度（

15、RHmin）是參考作物蒸散量三個(gè)最主要的敏感性因子。顯著性分析結(jié)果，Angstrom公式、Hargreaves輻射計(jì)算公式和重慶地區(qū)擬合經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算太陽(yáng)輻射所得日、月、年參考作物蒸散量值均無(wú)顯著差異(α=0.05）。確定采用Penman-Monteith公式計(jì)算參考作物蒸散量時(shí)，采用Hargreaves公式計(jì)算太陽(yáng)輻射。
　　作物系數(shù)采用雙值作物系數(shù)。單值作物系數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)單，各個(gè)階段取其平均值，反映不出作物蒸騰量和土壤蒸發(fā)量的大小;

16、雙值作物系數(shù)不僅能反映各生長(zhǎng)階段作物蒸騰量和土壤蒸發(fā)量的大小，也能反映基本作物系數(shù)（Kcb）和土壤蒸發(fā)系數(shù)（Ke）的時(shí)程變化特征，而且雙值作物系數(shù)的日變化過(guò)程，有利于分時(shí)段（如:日、旬、月）作物系數(shù)的確定以及間套作模式作物系數(shù)的確定，從而有利于坡耕地各旬、各月水量平衡分析。經(jīng)調(diào)整后小麥、油菜、玉米、紅薯全生長(zhǎng)期作物系數(shù)分別為0.92、0.93、1.06、0.98。
　　權(quán)重系數(shù)法確定間套作模式作物系數(shù)。間套作模式田間結(jié)構(gòu)為—人工復(fù)

17、合群體，有主、副作物之分，涉及不同作物的不同生育期，單位面積上不同作物在田間結(jié)構(gòu)中占的面積比例將直接決定其農(nóng)田蒸散量的多少，而權(quán)重系數(shù)能反映出單位面積上不同作物在田間結(jié)構(gòu)中占有的面積比例。采用權(quán)重系數(shù)計(jì)算小麥/玉米‖紅薯、油菜/玉米‖紅薯間套作模式下各月作物系數(shù)，從而解決了利用作物系數(shù)法計(jì)算農(nóng)田蒸散量時(shí)，間套作模式下作物系數(shù)難確定的問(wèn)題。具體為，以作物幅寬與間距之和占帶寬的比作為權(quán)重系數(shù)，分別乘以間套作模式的不同作物的作物系數(shù)，取其和作

18、為間套作模式的作物系數(shù)，即:K(')=n∑i=1fi·Kci和fi=li+d/L
　　式中:K(')為間套作模式的作物系數(shù);Kci為間套作時(shí)第i作物的作物系數(shù);fi為第i作物的權(quán)重系數(shù);li為第i作物的幅寬;d、L—間距、帶寬;i為間、套作時(shí)作物種類(i=1、2……n）。
　　(4)作物耗水主要受土壤水分脅迫
　　降水量(P）是坡耕地土壤水分的主要來(lái)源，農(nóng)田蒸散量(ETc）是坡耕地土壤水分主要損失項(xiàng)，徑流量(R）、滲漏

19、損失量（F'd）主要產(chǎn)生于5～9月，試驗(yàn)區(qū)坡耕地水量平衡簡(jiǎn)化模型可表達(dá)為:P-ETc-R-F'd=△Ws(
　　)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，坡耕地水量平衡值為負(fù)值（⊿W＜0），水分均處于虧缺狀況。2007～2012年小麥、油菜、玉米和紅薯單作以及小麥/玉米‖紅薯、油菜/玉米‖紅薯間套作全生長(zhǎng)期作物需水量均值為359.4mm、359.1mm、684.4mm、841.3mm、1178.3mm、1158.7mm，虧缺量為136.2mm、135.9mm

20、、298.7mm、336.4mm、451.9mm、432.3mm，作物全生長(zhǎng)期水量平衡值為負(fù)值(⊿W＜0)，土壤水分處于虧缺狀態(tài)，水分虧缺時(shí)期主要為2～4月和7～9月，與試驗(yàn)區(qū)春旱、夏伏旱和秋旱旱情發(fā)生時(shí)期相一致。
　　自然降水條件下，坡耕地作物耗水量受土壤水分脅迫的制約。在水分脅迫下，2008～2012年小麥、油菜、玉米和紅薯單作全生長(zhǎng)期作物耗水量均值為255.6mm、256.0mm、553.3mm、621.8mm，全生長(zhǎng)期水分

21、脅迫系數(shù)（Ks）均值分別為0.85、0.84、0.87、0.82。作物不同生長(zhǎng)階段受水分脅迫的影響及程度不一，生育中期、生長(zhǎng)后期受水分脅迫嚴(yán)重。作物發(fā)生水分脅迫現(xiàn)象受氣象因子變化的影響顯著，發(fā)生水分脅迫時(shí)的土壤含水量有隨參考作物蒸散量的增大而增高的趨勢(shì)，即當(dāng)參考作物蒸散量較大時(shí)發(fā)生水分脅迫的土壤相對(duì)含水量越高，當(dāng)參考作物蒸散量較小時(shí)發(fā)生水分脅迫的相對(duì)含水量較低。小麥、油菜發(fā)生水分脅迫時(shí)土壤相對(duì)含水量約60％左右;玉米、紅薯的相對(duì)含水量范

22、圍變幅大，玉米在61.1％～76.8％范圍內(nèi)均可發(fā)生水分脅迫現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)參考作物蒸散量范圍3.68～10.76mm.d-1，紅薯為51.2％～80.3％，對(duì)應(yīng)參考作物蒸散量范圍1.66～11.42mm.d-1。
　　綜上所述，基于坡面匯流理論、流量過(guò)程的倍比假定和疊加假定原理為基礎(chǔ)，以暴雨時(shí)段平均下滲率代替瞬時(shí)下滲率的分時(shí)段凈雨模擬方法，能較好模擬自然降水條件下的地表徑流產(chǎn)流過(guò)程，簡(jiǎn)化了模擬過(guò)程，可操作性強(qiáng)，便于實(shí)際應(yīng)用;在詳細(xì)分析

23、研究基礎(chǔ)上，確定Penman-Monteith公式計(jì)算參考作物蒸散量時(shí)，采用Hargreaves公式計(jì)算太陽(yáng)輻射。確定作物系數(shù)采用雙值作物系數(shù)法計(jì)算。權(quán)重系數(shù)法解決了間套作模式下農(nóng)田蒸散量計(jì)算時(shí)作物系數(shù)難確定的問(wèn)題;坡耕地土壤水分虧缺嚴(yán)重，作物耗水量主要受土壤水分脅迫。這些研究成果不僅豐富了紫色土丘陵區(qū)作物耗水量的研究?jī)?nèi)容，也為紫色土丘陵區(qū)深入開(kāi)展農(nóng)田水量平衡研究打下基礎(chǔ)。但在自然條件下降水下滲特性、坡面曼寧糙率系數(shù)、短時(shí)段水量平衡以及