蔬菜大棚墑情傳感器垂向埋設位置研究

韓紅亮，繳錫云，王雪梅

(1.楊凌職業技術學院 水利工程學院，陜西 楊凌 712100；2. 河海大學 水利水電學院，南京 210098；3. 河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098)

0 引 言

墑情監測和預報是精準灌溉的基礎，是發展節水農業的重要技術手段。國內外學者針對土壤墑情監測做了大量的研究。楊詩秀等根據田間試驗資料分析了田間水分的時空變化特征，表明墑情的空間變異性隨時間序列有一定的波動[1]。Tansey 等利用遙感的合成孔徑雷達(SAR)信號對農作物生長季節的農田和裸地的土壤表層濕度進行了研究，建立了SAR信號與土壤濕度之間的預測模型[2,3]。楊風亮研究了棉花滴灌條件下墑情傳感器的水平定位，表明當墑情傳感器布置在離滴灌帶70 cm處時，監測結果與根系層平均含水率有顯著的差異性[4]。針對土壤垂直方向的墑情監測，史巖等通過試驗分析，確定墑情傳感器幾個較適宜的埋設深度，表明在垂直深度10、30、60和100 cm處的含水率與臨近(垂直)的含水率無顯著差異[5]，依據這個研究結果，可以將墑情傳感器埋設在這幾個深度，以減少墑情傳感器的數量，節約成本。也有學者根據多年的經驗，總結了土壤墑情監測點的數目與埋深的關系，譬如，如果只埋設一個墑情傳感器，通常埋設在15cm深度處，如果埋設兩個墑情傳感器，通常埋設在15 cm和25 scm深度處[6]，但這只是根據經驗確定的，并未從理論上加以說明，研究人員仍常采用分層埋設墑情傳感器的方法。分層埋設墑情傳感器的方法雖然能得到較準確的監測結果，卻也因為使用了較多的墑情傳感器而使成本增加。

本文研究了蔬菜大棚單個墑情傳感器的垂向布設問題。通過研究灌水后土壤含水率的垂向分布規律，來確定埋設單個墑情傳感器最合理的深度，以其測量值代表根系層的平均含水率，為單個墑情墑情傳感器的垂直布置提供了理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區與土壤

試驗在宿遷市宿城區百利蔬菜基地進行。宿城區地處淮北平原，多年平均降水量為900.6 mm，多年平均日照總時數為2 291.6 h，高程約為20 m，地下水位埋深約1.5 m。試驗區的土壤為粉砂壤土，土壤容重1.43 g/cm3。

試驗所選的試驗大棚為百利蔬菜基地10號棚，該大棚為日光暖棚，大棚規格為8 m×75 m。棚內種植番茄，每棟45壟，每壟種植2行。灌溉水源為機井供水，采用滴灌的方式灌溉，每行作物配1條滴灌帶，滴頭間距30 cm。

土壤顆粒分析見表1。

表1 試驗區土壤顆粒分析 %

1.2 計算方法

利用Hydrus-1D模型軟件分別對項目區大棚番茄的苗期、開花坐果期和盛果采摘期某次灌水后水分消退過程進行模擬。由于試驗大棚的灌水周期通常在15 d左右，故對灌水后的模擬天數為15 d。根據國內的研究結果和實際生產經驗，取番茄苗期、開花坐果期和盛果采摘期的歷時天數分別為35，55和125 d[7,8]。

根據試驗區土壤顆粒分析，利用Hydrus-1D模型得到VG模型的各個參數[9,10]：土壤的飽和含水率(體積)θs=0.45，殘余含水率(體積)θr=0.067，特性參數α=0.02(1/cm)，n=1.41，土壤飽和導水率Ks=10.8(cm/h)。由VG模型查得土壤吸力10 kPa所對應體積含水率為33%，即田間持水量(體積)為33%[11]。

根據飽和含水率和田間持水量設置模擬的初始含水量，根據劉雪芹的研究結果，灌水1d后土壤水分達到暫時的平衡[12]。假設灌水1 d后土壤含水率的分布規律為0～1 m深度范圍內為田間持水量，即均為0.33；1～1.5 m范圍內含水率從田間持水量線性增加到飽和含水率，即0.33～0.45。并將以上假設作為土壤含水率的初始條件。同時選定大氣邊界為上邊界條件；地下水上界面，即飽和含水率邊界為下邊界條件。

根據大棚番茄一般的耗水規率和生長規律，取苗期的潛在騰發量為Etpini=1.5 mm/d，開花坐果期的日騰發量為Etpmid=2.5 mm/d，盛果采摘期的日騰發量為Etpend=3 mm/d[13-14]；取苗期的根系長度為20cm，開花坐果期的根系長度為30cm，盛果采摘期的根系長度為40 cm[15,16]。根據國內學者試驗研究的結論，確定番茄不同生 育期的葉面積指數[17]如圖1。

將以上數據輸入Hydrus-1D模型，進行模擬運算。

圖1 番茄各生育期的葉面積指數Fig.1 Leaf area index of tomato in different growth stages

2 結果分析

2.1 模擬結果

模擬結果顯示，各個生育期的零通量面以上的土層，土壤含水率隨時間減少，零通量面和地下水之間的土壤含水率隨時間增加。各生育階段灌后每天的土壤含水率分布見圖2。

圖2 各生育階段灌水后水分消退過的含水率分布Fig.2 Soil moisture distribution of water subsided process after irrigation at different growth stage

2.2 不同垂直分層的土壤含水率的代表性分析

表2 各層含水率與根系層平均含水率的相關顯著性分析Tab. 2 Correlation significance analysis between sublayers soilmoisture and average moisture of main root zoon

注：“*”表示在0. 1顯著性水平下具有顯著相關，t0.05(13)=1.771； “**”表示在0.05顯著性水平下具有顯著相關，t0.025(13)=2.160。

表3 各分層含水率與根系層平均含水率的差異顯著性分析Tab.3 Diffrence significance analysis between sublayers soilmoisture and average moisture of main root zoon

注：“*”表示在0.1顯著性水平下具有顯著性差異；“**”表示在0.05顯著性水平下具有顯著性差異。

由表2、表3可知，作物的3個生長期內，雖然所有的土層與根系層平均含水率都高度相關，但是在不同的生育期內，第1層或第5～10層的含水率和根系層平均含水率存在顯著性的差異，因此墑情傳感器不宜布置在這些深度范圍內。2～4層土壤含水率與根系層平均含水率始終無顯著性差異，是布置單個墑情傳感器的待選范圍。

2.3 合理監測范圍的確定

在上節分析的基礎上，選擇2～4層范圍內的12個整數深度測點(5 cm深度、6 cm深度、…、16 cm深度)逐一進行誤差分析。結果表明，這個區域內的12個測點的殘差平均值、最大殘差值和殘差平方和差距較大。誤差分析結果見表4。

表4 誤差分析表Tab.4 Error analysis

注：①誤差為各測點的含水率減同時間根系層平均含水率的值；②加權平均值是指根據不同生育期的時間歷時進行加權平均。

分析表明，5～10 cm范圍內的含水率誤差都為負值，說明這個范圍內的灌后含水率總是低于根系層平均含水率。10～13 cm范圍內，苗期的含水率高于根系層平均含水率，絕對值最大的誤差為1.1；開花坐果期和盛果采摘期的含水率均低于根系層平均含水率，絕對值最大的誤差值為-1.1。13～16 cm范圍內，苗期和開花坐果期的含水率高于根系層平均含水率，絕對值最大的誤差值為1.9；盛果采摘期的含水率小于根系層平均含水率，絕對值最大的誤差值為-0.2。

在番茄整個生育期中，10～16 cm的范圍的含水率在90%以上的天數內含水率誤差絕對值均小于1.0，這個范圍內的加權平方和均小于4.2。在作物整個生育期內，該區域內的含水率與根系層平均含水率比較接近，故認為10～16 cm的范圍是埋設單個墑情傳感器的較合理的范圍。

3 結論與討論

通過Hydrus-1D模型模擬和計算，確定了蔬菜大棚內單個監測點合理布置深度。結果表明，蔬菜大棚單個觀測點布置在10～16 cm,該區域的土壤含水率與根系層平均含水率沒有顯著性的差異，誤差較小，誤差絕對值不超過1.0，故認為10～16 cm深度范圍比較適合布置單個墑情傳感器。

本文只是針對特定地點、特定作物的灌后土壤水分消退過程做了模擬，在分析不同深度與根系層含水率的關系的基礎上，確定了單個墑情傳感器的垂向埋設位置。而事實上，土壤水分消退和作物種類和發育期、土質、地下水 位的變化等多個因素同時具有密切的關系，這些因素的變化也必然會對傳感器合理位置的布置產生間接的影響，如何確定在多個因素影響條件下墑情傳感器的垂向位置，有待今后的研究者研究。

[1] 楊詩秀, 雷志棟, 吳婉如, 等. 農田尺度土壤水分的監測[J]. 水科學進展, 1996,(1):14-19.

[2] Maltthewa.K.B. Climate soil moisture deficit climate and soil data integration in a GIS[J]. Climate, 1994,28:273-283.

[3] Giacomelli A, Bacchiega U, Troch P A, et al. Evaluation of surface soil moisture distribution by means of SAR remote sensing techniques and conceptual hydrological modelling[J]. Journal of Hydrology, 1995,166:445-459.

[4] 楊風亮, 繳錫云, 劉一休, 等. 棉花膜下滴灌墑情監測點的定位[J]. 灌溉排水學報, 2010,(3):29-31.

[5] 史 巖, 李 帆, 孫 凱, 等. 墑情監測中土壤水分傳感器埋設位置研究[J]. 萊陽農學院學報, 2006,(3):179-184.

[6] 王振龍, 高建峰. 實用土壤墑情監測預報技術[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2006:74-75.

[7] 倪紀恒, 羅衛紅, 李永秀, 等. 溫室番茄發育模擬模型研究[J]. 中國農業科學, 2005,(6):1 219-1 225.

[8] 徐 剛, 張昌偉, 李德翠, 等. 溫室長季節栽培番茄發育動態模擬模型的研究[J]. 農業工程學報, 2005,(S2):243-246.

[10] 肖建英, 李永濤, 王 麗. 利用Van Genuchten模型擬合土壤水分特征曲線[J]. 地下水, 2007,(5):46-47.

[11] 依艷麗. 土壤物理研究法[M]. 北京: 北京大學出版社, 2009:91.

[12] 劉雪芹, 范興科. 滴灌條件下土壤水分再分布過程研究[J]. 干旱地區農業研究, 2006,(4):42-45.

[13] 王聰聰. 日光溫室番茄優質高效灌溉控制指標研究[D]. 河北邯鄲：河北工程大學, 2011.

[14] 原保忠, 康躍虎. 番茄滴灌在日光溫室內耗水規律的初步研究[J]. 節水灌溉, 2000,(3):25-27，40.

[15] 齊廣平, 張恩和. 膜下滴灌條件下不同灌溉量對番茄根系分布和產量的影響[J]. 中國沙漠, 2009,(3):463-467.

[16] 栗巖峰, 李久生, 饒敏杰. 滴灌施肥時水肥順序對番茄根系分布和產量的影響[J]. 農業工程學報, 2006,(7):205-207.

[17] 倪紀恒. 溫室番茄生長發育模擬模型研究[D]. 南京：南京農業大學, 2005.