模拟降雨条件下集雨补灌旱作区节水模式研究_黄梦琪

第 48 卷第 3 期 环境科学与管理 Vol. 48 No. 3

2023 年 3 月 ENVIRONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENT Mar．2023

前言

补灌技术、储水技术和集水技术是集水农业 研究中 的 重 点 ，同 时 发 展 雨 水 就 地 富 集 利 用 技 术 [ 1 ] 。在雨水就地利用理念的基础上 ，微集水种

收稿日期：2023 －02 －27

基金项目：杨凌职业技术学院自然基金研究项目(ZK21 －10) 作者简介：黄梦琪( 1976 － ) ，女，硕士，副教授，研究方向：节

水新技术、水土保持与评价。

植就是通过对农田地表地形进行适当调整 ，以此 收集雨水 。众多学者均针对该方向进行了相关研 究 ，并得出 一 定的研究成果 。如邓浩亮[2] 等人在 旱作区节水模式研究过程中将种植模式分为平作 和垄作两大类 ，其中每大类种植模式中又分为三 种种植模式 ，分析上述模式在降雨条件下的土壤 水热状况、水利用效率、耗水特性以及物候特征。 岳桐葭[3] 等人首先对研究区域的降雨量数据展开

分析 ，结合 GLIGEN 模型和回归分析方法对降雨量 · 15 ·

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数据展开处理 ，以此建立雨水收集系统的水文模 型 ，分析不同节水模式下的径流调控效应 。研究 在上述研究方法的基础上 ，模拟降水条件 ，开展给 水补灌旱作区节水模式研究。

1 材料与方法

1．1 模拟降雨装置

研 究 设 计 的 模 拟 降 雨 装 置 由以 下 两 个 部 分 构成：

第一部分为供水装置，该部分中包括备用储水 水箱、外界水管和潜水泵；

第二部分为降雨系统，主要由水箱和水箱支架 组成，为了在模拟过程中提高降雨的真实性，将医用 针头布置在水箱下部，模拟降雨条件，并在水箱侧面 设置余水排出管，其主要目的是保持水箱的基本水 位，模拟降雨装置结构图见图 1。

图 1 模拟降雨装置

1．2 降雨量确定

根据北方干旱区域的降雨时空分布特点以及降 雨量特点确定试验周期内的降雨量[4 －5] ，划分降雨 量，分为以下三类：

(1) 大降雨量：440 mm；

(2) 中降雨量：340 mm；

(3) 小降雨量：230 mm。

研究设定的降雨方案见表 1。

· 16 ·

表 1 降雨方案

1．3 设计方案

在试验中设置两种种植方式：

(1) 第一种为传统平作种植模式；

(2) 第二种为沟垄微集雨种植模式。

在试验区域内按照规划好的尺寸分割试验田， 获得若干个小区域 。将沟垄比例设置为一 比一，陇 上覆盖塑料薄膜，塑料薄膜的宽度选取 0. 08 mm 的，垄高为十五厘米，面积为 2 m × 0. 6 m，同时将 2 m 的塑料膜埋在各小区边缘，其目的是避免各小区

之间渗透水分，具有水分隔离带的作用。

1．4 土壤水分含量

在土壤水分含量测定过程中，主要测定对象为 0 cm ~ 200 cm 的土层 。文章在试验过程中引入烘 干法对土壤中存在的水分展开测定，开始测定时间 设定为降雨三天后，每隔两天测定土壤水分含量。

在农田水分平衡的基础上模拟降雨条件下集雨 补灌旱作区节水模式研究方法对水利用效率 WUE 展 开计算[6]：

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1．4．1 平作种植区

■ WUE ＝ (1)

Wc ＝ ( W1 － W2 ) ＋ A

式中，U代表的是籽粒产量；Wc 代表的是作物耗 水量；A 代表的是作物生产期的降水量；W1 、W2 分别

为两次相邻取水时的土层储水量。

1．4．2 沟垄种植区

WUE ＝

(2)

Wc ＝ A ＋ ＋ ( W1 － W2 )

式中，m1 代表的是垄宽；m2 描述的是沟宽；Rr 代表的是沟垄微集水种植过程中，垄面的集水效率。

设 E 代表的是土壤储水量，计算公式如式(3)：

E ＝ 10 × h × a × n％ (3)

式中，n％ 代表的是土壤水分总量百分数；a 描 述的是土壤容重；h 代表的是土壤深度。

2 结果与分析

2．1 土壤水分

研究区域粘壤土和沙壤土在模拟降雨条件下的 土壤储水量变化情况见图 2。

图 2 土壤储水量

为了便于分析，下面将简化描述平作方式、平作 全膜、平作半膜、垄作全膜和垄作半膜种植方式：

(1) 平作方式 －种植模式 1；

(2) 平作全膜 －种植模式 2；

(3) 平作半膜 －种植模式 3；

(4) 垄作全膜 －种植模式 4；

(5) 垄作半膜 －种植模式5。

在模拟降雨后，两种土壤的储水量均有所增加， 按照从大到小的排序为：模式 4 ＞模式 5 ＞模式 2 ＞ 模式 3 ＞模式 1 ，通过上述分析可知，在模式 4 条件 下，可增加土壤中的储水量。

2．2 集雨效应

不同降雨强度下粘壤土和沙壤土的集雨效果变

化情况见图 3。

由图3( a) 中数据可知，当降雨强度为 12 mm、 16 mm 和 20 mm 时，土层中土壤含水量的变化较 小，在 13％ ~ 16％ 范围内波动，当降雨强度为 4 mm 和 8 mm 时，由于作物蒸腾作用和地表蒸发作用会 蒸发一部分雨水，因此地膜和垄收集的雨水较少，无 法完全的渗入到土壤中 。通过上述分析可知，土壤 含水量受土层深度的影响，随着后者的加深，前者不 断减小。

分析图 3( b) 可知，在沙壤土条件下，土层深度 与土壤 含 水 量 之 间 呈 反 比 关 系，当 降 雨 强 度 为 16 mm和 20 mm 时，沙壤土中的含水量变化较小。

因此，种植模式 4 可以在粘壤土表层蓄积 12 mm 以 · 17 ·

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上的降水，但土壤中的水分变化不明显，表明沙土壤 在模拟降雨条件下的集雨效果较差。

图 3 集雨效果

2．3 水分动态变化 ⑤ 作物蒸腾量 Rc ，表示作物通过光合作用蒸发

在物质守恒定律的基础上将整体系统设定为一 的水分。

定深度的土体，分析一定时间内土体系统中蓄水变 根据 上 述 参 数，建 立 土 体 系 统 的 水 分 平 衡

化的分量，以此确定水量在土体系统中的输出和输 方程[7－8]：

入关系 。 ΔE ＝ ( P ＋ Os ＋ Og ＋ I) －

设 ΔE 表示蓄水变化量，可根据固定时间内土体

系统的支出水量 Eo 和收入水量 Ej 计算得到： 在平地的干旱区域，垂直方向是农田水分循环

(1) 收入水量 Ej 由以下四个部分组成： 的主要方向。在循环过程中，由于疏松的土层会拦截

① 地上水上升补给量 I，表示地下水在蒸发过

程中进入土壤中的水分；

② 土壤中水流入量 Og ，表示土壤中进入到土体

系统中的水分；

与交换 ，即 Os → 0、Og → 0、Ts → 0、Tg → 0。由于地下

③ 地表水流入量 Os ，表示地表水渗入到土壤中

水位所处的位置较深，因此可不考虑 F。此时可将土

的水分；

体系统的水分平衡方程改为式(5)：

④ 降雨量 P，表示降雨渗入到土壤中的水分 。

ΔE ＝ P － ( Rs ＋ Rc ) (5)

① 深层渗透量 F，表示土壤中渗入到深层土层 用 RTi ~j 表示土壤在平作种植模式下的蒸发量，

可通过式(6) 计算得到：

② 土壤蒸发量 Rs ，表示在阳光照射和高温条件 RTi ~j ＝ ( Dwi － Dwj ) ＋ P (6)

下土壤中蒸发的水分； 式中，Dwi 、Dwj 分别表示土层在第 i天和第j天的

③ 土壤中水流出量 Tg ，表示在外部环境作用下 需水量。

土壤中流出的水分； 用 RT′i ~j 表示土壤在微集水种植模式下的蒸发

④ 从农田表面流出水量 Ts ，表明从农田中流走 量，计算公式如(7)：

的水分； RT′i ~j ＝ ( Dwi － Dwj ) ＋ ( 1 ＋ sm1／m2 ) P (7)

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分析表 2 中的数据可知，平作种植区、微集水种 植沟垄交界处和沟中的水分含量由于受到表土层蒸 发和模拟降雨的影响，随着时间的推移变化较为显 著 。随着时间的推移，集水垄下的水分由于种植沟 的侧渗作用不断增加。

3 结语

二十世纪九十年代中国提出了集水农业理念， 主要是通过提高降水利用效率和利用率，通过降水 径流调控实现雨水利用的一种技术，受到了专家和 学者的广泛关注，随着集雨补灌技术的发展，在干旱 地区积累了较多经验，对增加农业产量具有显著作 用 。在此背景下，提出模拟降雨条件下集雨补灌旱 作区节水模式研究 。研究设计了模拟降雨装置，根 据北方干旱区域的降雨时空分布特点以及降雨量特 点确定降雨量，并对比传统平作种植模式与沟垄微 集雨种植模式在不同模拟降雨条件下的土壤水分、 集雨效应和水分动态变化，研究结果表明，微集水种 植模式下的垄作全膜种植模式储水能力最佳，优于 平作种植模式 。因此，微集水种植模式下的垄作全 膜种植模式表现出良好的性能。

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