非鹽堿地農田土壤水分的監測
——以巴彥淖爾市山旱區為例

于宇婷，云耀新，孫 龍，楊秀花，陳 敏

（1.巴彥淖爾市水利科學研究所，內蒙古自治區 巴彥淖爾 015000；2.巴彥淖爾市農牧業機械化服務中心，內蒙古自治區 巴彥淖爾 015000）

隨著水資源的日益緊缺，節水農業的發展刻不容緩。土壤水分含量作為農作物干旱程度的指標，對作物生長至關重要，對農業節水灌溉具有重要意義。此外，土壤水分含量與洪澇、山體滑坡、泥石流等災害息息相關[1]。因此，及時、準確地監測土壤水分含量，對高效進行農業節水灌溉和災害的防治發揮非常重要的作用。目前，土壤水分監測的方法主要有人工現場測量法和探測儀器現場測量法。人工現場測量法主要的缺點是耗時耗力、勞動強度大、工作效率較低；探測儀器現場測量法存在大多數儀器會對土壤原始結構產生破壞，不利于在農田等作物覆蓋較多的土壤中進行監測等不足；星載、機載微波遙感數據監測存在受天氣、光照等自然因素與表層植被覆蓋情況影響較大、空間與時間分辨率較低、監測精度較低等缺點[2]。農業現代化發展對農業灌溉提出了“精細”的要求，即要求精細灌水時間、灌水位置和灌水水量等，并對土壤水分測量方法提出了實時監測的要求，即要求土壤水分測量方法可以實時動態地了解土壤含水量，為差異化的農業灌溉提供數據指導，為水資源的合理分配提供依據，進行科學管理，避免過多或過少量的低效灌溉。因此，探索一種既可以指導農業精細灌溉又可以及時、準確、快速、高效地監測土壤水分含量的方法尤為重要。本文通過分析一體化水分自動監測儀智墑（以下簡稱“智墑”）在不擾動土壤原始結構的情況下對巴彥淖爾市山旱區農田土壤水分進行快速高效的監測情況，為農業精細灌溉監測提供借鑒。

1 巴彥淖爾市山旱區概況

巴彥淖爾市位于內蒙古自治區西部，東接包頭市，西連阿拉善盟、烏海市，南隔黃河與鄂爾多斯市相望，北與蒙古國接壤，廣闊的河套平原便位于此。巴彥淖爾市山旱區位于巴彥淖爾市北部、陰山以北地區，總面積36 946.67 km2，占全市總土地面積的56%，是內蒙古高原的一部分，海拔900～1 500 m，最大風速27.7 m/s，年均風速5.6 m/s，極端最低氣溫-41℃，極端最高氣溫34.8℃，年平均氣溫3.8℃，年降水量77～270 mm，年蒸發量2 957～3 178 mm[3]。山旱區的農業生產地區，主要分布在烏拉特前旗的大小佘太鎮、烏拉特中旗的石哈河鎮及前山沿山一帶，東與固陽縣、包頭市毗鄰，中有陰山支脈查石太山，西與黃河后套相連，全屬陰山丘陵區的一部分。山旱區農業生產地區的主要特點是：土地廣闊，地勢高；降水少，日照較長，蒸發大，十年九旱，無霜期短；土壤鹽堿化程度輕，質地以砂土為主，間有砂壤土，并伴有粗砂，有機質含量低，持水性差；農村勞動力少，農民主要采用傳統種植，機井灌溉。近年引進先進的灌滴灌溉方式，農業生產獲得較大發展，水分利用率也有所提高。

2 項目實施背景

灌溉水有效利用系數能夠反映灌溉工程狀況、灌溉技術水平，以及用水管理水平等，是正確評估灌溉水有效利用程度、評價灌溉節水潛力的重要數據，國家將灌溉水有效利用系數列為嚴格水資源管理制度中“三條紅線”的考核指標之一[4]。水利部推薦采用首尾測算分析法測算灌溉水有效利用系數，即通過分析測算得到的田間實際凈灌溉用水總量與直接測量統計得到的灌區從水源引入（取用）的毛灌溉用水總量的比值[5]。其中田間實際凈灌溉用水總量需通過田間試驗獲得，即在作物灌水前、灌水后分別測量土壤含水率，取土深度為0～100 cm，計算該次灌水的單位面積凈灌用水量，全年各種作物歷次田間實際凈灌溉用水量累加即為田間實際凈灌溉用水總量。因此，在灌溉水有效利用系數的測算過程中，獲得作物灌水前、后土壤含水率至關重要。

巴彥淖爾市山旱區農田灌溉水有效利用系數測算分析項目中，利用傳統烘干法測量山旱區的土壤含水率，存在路途遙遠、取樣不方便、不及時等缺點。由內蒙古河套灌區水利事業發展中心主持的獲內蒙古自治區科技進步一等獎的“河套灌區農業精準化配水集成技術研究與示范”項目，主要針對突破傳統技術開展試驗與研究中的“突破傳統的監測手段，開展以研發智能化監測設備為重點的試驗與研究”，重點通過利用智能化監測設備，確定精準化供水閾值，實現精確化配水，較好地解決了大型灌區明渠灌溉中水量浪費嚴重、水事糾紛多、管理成本高等生產難題，取得了節約用水、化解矛盾、降低管理成本等顯著成效[6]。但若想將這一成果大范圍推廣使用，指導農業生產灌溉，那么自動監測實時上傳土壤水分動態值這一底層數據至為關鍵。

3 項目土壤含水率測定方法

基于推進現代化農業發展、打造智慧河套灌區和巴彥淖爾市山旱區農田灌溉水有效利用系數測算分析項目的切實需要，2017 年至今，巴彥淖爾市先后購置了20 余臺智墑儀器應用于山旱區農田土壤水分監測，分別用于烏拉特中旗、烏拉特后旗、烏拉特前旗的農田灌溉水有效利用系數測算分析項目中。

3.1 儀器簡介

試驗所用智墑是一種可監測多深度土壤水分變化的管式土壤水分傳感器智能終端。它采用高頻振蕩原理，可以實時監測同一位置多個土層深度的土壤水分、溫度參數，并將所監測的數據實時傳輸到云端進行計算處理，通過微信掃描二維碼關注儀器即可以隨時掌握儀器所在地塊的水分狀態，具有方便、快捷、準確、實時等特點。

3.2 測定方法

（1）按照儀器安裝說明將智墑安裝于待測土壤含水率的田塊。

（2）通過手機微信端小程序或電腦網頁端查看智墑實時設備狀態、水分含量曲線及溫度變化曲線等參數，也可導出不同時段溫度、水分（體積含水率）數值，保存水分含量曲線等。

（3）查看水分含量曲線即可獲得各土層實時土壤水分含量、歷次灌水前和灌水后各層土壤含水率及0～100 cm土層土壤含水率總和等數據。

（4）通過以上數據，判斷農田是否需要灌溉，計算所選田塊的歷次灌水量、每667 m2凈灌溉用水量等。

3.3 儀器校準

采用人工取樣烘干稱質量與智墑直接讀數的水分數值相比較的方法對智墑進行校準。

（1）灌水前和灌水后在智墑附近進行人工跟蹤取樣，以滿足對低含水量和高含水量2個不同層次水分含量的校準。取樣深度：100 cm，分10層進行，每層取2個平行樣，即：0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm、60～70 cm、70～80 cm、80～90 cm、90～100 cm，以對應智墑的10 個感應層。

（2）采用烘干稱質量法計算土壤樣品的質量含水率，然后換算為體積含水率。

式中：θv為土壤樣品的體積含水率；θm為土壤樣品的質量含水率；γ 為所取土壤樣品田塊計劃濕潤層內土壤的干容重，t/m3。

（3）將用人工取樣烘干稱質量法計算得出的每層土壤樣品體積含水率與相應時間該地塊安裝的智墑顯示的對應土層水分數值進行比較。

4 試驗結果與分析

4.1 試驗結果

整個生育期智墑測得的田塊土壤含水率如圖1所示。由圖1可知，曲線上共有8個峰，對照降水資料，判斷右數第2個峰為降水。因此，可以確定整個生育期共灌水7 次。峰谷對應的各層含水率即為灌后和灌前各層土壤含水率，具體情況見圖2、圖3。從圖2、圖3可以直觀查看任意時刻各層土壤的含水率及100 cm 土層總含水率。由灌后和灌前土壤含水率計算某次灌水的單位面積均凈灌溉用水量，累計每次灌水每667 m2的凈灌溉用水量，即為該田塊整個生育期的單位面積均凈灌溉用水總量，再由凈灌溉用水總量與毛灌溉用水總量的比值求得某灌區的灌溉水有效利用系數。

圖1 土壤水分含量曲線（0～100 cm）Fig.1 Soil moisture content curve(0～100 cm)

圖2 灌后和灌前各層土壤含水率Fig.2 Soil moisture content of each layer after and before irrigation

圖3 100 cm土層總含水率Fig.3 Total moisture content of 100 cm soil layer

由圖1～圖3 可以看出，通過使用智墑，可以方便準確地獲知灌水位置、灌水時間、灌水水量及任一時間土壤含水量，并能為差異化的農業灌溉提供參考，避免過多或過少的灌溉，實現精確化配水及水資源的合理分配等，符合現代化農業的發展要求。

4.2 校準結果

經比對發現，智墑在巴彥淖爾市山旱區采集的含水率數據與人工取樣計算得到的數據存在一定偏差，即：當實際含水率（以烘干稱質量法計）＜10%時，智墑值高于人工取樣值4%～5%；當實際含水率（以烘干稱質量法計）＞26%時，智墑值又低于人工取樣值3%～4%，但二者質量含水率絕對誤差的平均絕對值≤4%，符合《土壤墑情監測規范（SL364—2015）》標準。

以100 cm 土層含水率為計算單位時，智墑采集的數據普遍低于人工取樣計算得到的數據。對不同灌溉方式、不同土質，智墑采集的數據與人工取樣計算得到的數據存在不同偏差。當換算為每667 m2均凈灌溉用水量時，存在以下規律：對于地面灌，壤土環境采集到的數據前者比后者低5～10 m3/667 m2，沙土環境采集到的數據前者比后者低15～20 m3/667 m2，黏土環境采集到的數據前者比后者低10～15 m3/667 m2；對于滴灌，壤土環境采集到的數據前者比后者低3～5 m3/667 m2，沙土環境采集到的數據前者比后者低5～10 m3/667 m2，黏土環境采集到的數據前者比后者低8～12 m3/667 m2。

通過比對修正，在測算2019 年—2022 年巴彥淖爾市山旱區（烏拉特中旗、烏拉特后旗、烏拉特前旗）井灌區灌溉效率中，應用該方法測得井灌地面灌的平均灌溉效率為0.75～0.80，井灌滴灌的平均灌溉效率為0.85～0.87，與人工取土法測算的灌溉效率相近，說明智墑能較準確地實時動態監測土壤水分，也證明其可以應用到現代化農業精準配水及自動化控制灌溉中。

5 結論

本研究表明，智墑設備的使用為巴彥淖爾市山旱區農田灌溉水有效利用系數測算提供了一種省時省力的監測途徑，在不擾動土壤原始結構的同時，具有較高的準確度，提高了測算工作效率，節省了工作成本。在非鹽堿地農田土壤水分自動化監測中，智墑不僅可以方便、快捷地監測土壤水分含量，還可以準確、實時地獲知灌水位置、灌水時間、灌水水量及任一時間土壤含水量，為差異化的農業灌溉提供參考。希望此項研究能為進一步實現非鹽堿地農田土壤含水量自動化監測、現代化農業精準配水及自動化控制灌溉技術提供一種選擇。