1、三峽庫區(qū)農業(yè)以旱作糧食作物為主，坡耕地是庫區(qū)主要的農業(yè)生產用地，降水是該區(qū)域農業(yè)生產的主要來源，降水總量大，但降水時間分布不均，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，干旱缺水嚴重制約該區(qū)域農業(yè)的持續(xù)發(fā)展。紫色土坡耕地是庫區(qū)重要的耕地資源，耕作頻繁，人為擾動劇烈，水土流失嚴重，以雨養(yǎng)農業(yè)為主，土層薄，蓄水保肥能力差，水分虧缺是作物生長的主要障礙因子。如何合理調節(jié)利用降水資源，解決該區(qū)域季節(jié)性干旱與植物生長發(fā)育協(xié)調性差的矛

2、盾，作物耗水特性和農田水量平衡研究就顯得特別重要。國內外有關農田水量平衡的研究早已不只局限于理論本身，而是將相關理論用于指導農業(yè)生產實踐，并取得了豐碩的成果，但是，國內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)，特別是三峽庫區(qū)紫色土坡耕地水量平衡的研究未見詳細報道。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算方面仍過程復雜，同時對最主要也是最難確定的農田蒸散量這一平衡

3、要素，特別是涉及農田蒸散量的確定方面未見詳細研究。為此，本研究針對紫色土坡耕地水量平衡研究中的不足，選擇重慶市開縣竹溪鎮(zhèn)石碗小流域坡耕地（坡式梯地）為研究對象，以紫色砂巖、泥巖發(fā)育形成的中性紫色土為供試土壤，開展坡耕地水量平衡分析研究，為今后全面開展三峽庫區(qū)紫色土坡耕地水量平衡的監(jiān)測和預測等深入研究打下基礎，同時希望能為庫區(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提供科學依據。
　　試驗研究以為三峽庫區(qū)季

4、節(jié)性干旱問題的解決提供可靠數據為出發(fā)點，以2007～2012年盆栽試驗、測坑試驗和徑流小區(qū)試驗觀測數據為依據，以坡面產流匯流理論、水量平衡原理為理論基礎，采用試驗觀測、理論分析計算等方法，對三峽庫區(qū)紫色土坡耕地水量平衡要素進行了探討，對常規(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行初步研究。主要研究結果如下:
　　(1)水分下滲過程主要受控于降水強度的變

5、化過程
　　2007～2012年作物生長期內降水呈現出夏秋多、冬春少，夏秋季多暴雨，降水量集中的特點。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(σ、Cv、Cs)分析結果表明作物生長期內降水在時間分布上呈不均勻性，One-SampleK-S檢驗表明作物生長期年內各月降水呈正態(tài)分布。
　　坡耕地單點土壤水分下滲在時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(實測值)，耕作對土壤下滲影響顯著。初始下滲的0～10min時段，土壤下滲率迅速下降，而且下降幅度較大，10～25min時段，下降幅度明顯減小，下滲歷時25min后，逐漸趨于穩(wěn)定，在27.7～35.4min內達到穩(wěn)定下滲階段。單點下滲特性可用K

7、ostiakov公式來描述，公式中第1分鐘末的下滲速率與初始含水量呈高度負相關關系（可用指數函數關系式表達），下滲率和下滲量表達式如下: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度有密切的關系，下滲率的變化過程主要受控于降水強度的變化過程，坡面下滲特性受諸多因素的影響，在空間上和時間上都呈現出不穩(wěn)定和不連續(xù)性變化。暴雨時段前后降水強度不能滿足下

8、滲率要求，降水全部下滲，即f(t)=i(t)，降水強度大時，土壤的下滲率大，降水強度小時，下滲率則小。在暴雨時段內，前時段降水強度大時，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間較短，以后就逐漸減小;在暴雨時段內,前時段降水強度小時，即i(t)≤fp(t)，降水全部滲入土壤，即f(t)=i(t)，此時下滲率小，當降水強度增大到i(t)≥fp(t)時，下滲率達最大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間長短，取決于暴雨時段內前時段小強度降水歷時。
　　(2)分時段凈雨模擬方法能較好反映的坡面產流過程
　　不同降水特性、雨前土壤含水量和耕作狀況等對產流時間、產流量和徑流成分組成有影響。雨峰靠前、強度大的降水，地表徑流出流時間早而且地表徑流量大，若土壤初始含水量高，暴雨時段后小強度降水歷時長，則壤中流產流量也較大;雨峰靠中的降水，暴雨前土壤含水量高，即使是中等強度的降水，如果降水量大、歷時長

10、也將產生大量的地表徑流和壤中流;雨峰靠后的降水，如果暴雨時段內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，當降水強度超過下滲能力時開始產生地表徑流，若降水量不大、暴雨歷時較短，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生的超滲產流，7、8月以地表徑流為主，月均徑流系數分別為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流為主，試驗區(qū)坡耕地壤中流較發(fā)育，壤中流徑流系

11、數0.15～0.34。壤中流的產生與降水強度無直接關系，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度降水特性有關。2008～2012年降水徑流主要出現在5～9月，月均徑流系數分別為0.15、0.28、0.36、0.30、0.07，5～9月月均降水徑流關系可表示為:R=0.559P-44.03R2=0.948
　　以坡面水流運動波理論、流量過程的倍比假定和疊加假定原理為理論依據，以暴雨時段平均下滲率代替瞬時下滲率的分時

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流過程，簡化了模擬過程，可操作性強，模擬結果較好，模擬地表徑流量與實測值相吻合。雨峰靠前、靠中和靠后的三次降水模擬產流過程與實際觀測結果大致吻合，模擬地表徑流量分別為34.4mm、39.7mm和10.2mm，與實際觀測結果也大致相同。
　　(3)農田蒸散量采用作物系數法確定
　　太陽輻射采用Hargreaves公式計算。標準的Penman-Monteith計算公式以能量平衡和

13、水汽擴散理論為基礎，既考慮了作物的生理特征，又考慮了空氣動力學參數的變化，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。試驗區(qū)參考作物蒸散量主要由空氣動力學項ET0(aero)貢獻，約占70％，輻射項ET0(rad)約占30％。2001～2012年日、月、年參考作物蒸散量的變化趨勢均與溫度的變化趨勢相同，而年參考作物蒸散量的變化趨勢與日照時數變化趨勢相反。相關性分析和敏感性分析結果，最高溫度和日照時數與參考作物蒸散量的相關

14、性一致，同時日照時數與最高溫度具有較大的相關性，飽和水汽壓差與參考作物蒸散量具有高度相關性，而飽和水汽壓差是溫度和相對濕度對參考作物蒸散量影響的綜合反映;最高溫度的變化對參考作物蒸散量的影響最大，敏感性最強，而日照時數的變化對參考作物蒸散量幾乎無影響，敏感性最弱，結果體現出試驗區(qū)溫度對參考作物蒸散量的影響遠大于日照時數，而日照時數對參考作物蒸散量的影響主要通過溫度間接體現;最高溫度(Tmax)、最高相對濕度(RHmax）和最低相對濕度（

15、RHmin）是參考作物蒸散量三個最主要的敏感性因子。顯著性分析結果，Angstrom公式、Hargreaves輻射計算公式和重慶地區(qū)擬合經驗公式計算太陽輻射所得日、月、年參考作物蒸散量值均無顯著差異(α=0.05）。確定采用Penman-Monteith公式計算參考作物蒸散量時，采用Hargreaves公式計算太陽輻射。
　　作物系數采用雙值作物系數。單值作物系數計算簡單，各個階段取其平均值，反映不出作物蒸騰量和土壤蒸發(fā)量的大小;

16、雙值作物系數不僅能反映各生長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（Kcb）和土壤蒸發(fā)系數（Ke）的時程變化特征，而且雙值作物系數的日變化過程，有利于分時段（如:日、旬、月）作物系數的確定以及間套作模式作物系數的確定，從而有利于坡耕地各旬、各月水量平衡分析。經調整后小麥、油菜、玉米、紅薯全生長期作物系數分別為0.92、0.93、1.06、0.98。
　　權重系數法確定間套作模式作物系數。間套作模式田間結構為—人工復

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構中占的面積比例將直接決定其農田蒸散量的多少，而權重系數能反映出單位面積上不同作物在田間結構中占有的面積比例。采用權重系數計算小麥/玉米‖紅薯、油菜/玉米‖紅薯間套作模式下各月作物系數，從而解決了利用作物系數法計算農田蒸散量時，間套作模式下作物系數難確定的問題。具體為，以作物幅寬與間距之和占帶寬的比作為權重系數，分別乘以間套作模式的不同作物的作物系數，取其和作

18、為間套作模式的作物系數，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;Kci為間套作時第i作物的作物系數;fi為第i作物的權重系數;li為第i作物的幅寬;d、L—間距、帶寬;i為間、套作時作物種類(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源，農田蒸散量(ETc）是坡耕地土壤水分主要損失項，徑流量(R）、滲漏

19、損失量（F'd）主要產生于5～9月，試驗區(qū)坡耕地水量平衡簡化模型可表達為:P-ETc-R-F'd=△Ws(
　　)標準狀態(tài)下，坡耕地水量平衡值為負值（⊿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，作物全生長期水量平衡值為負值(⊿W＜0)，土壤水分處于虧缺狀態(tài)，水分虧缺時期主要為2～4月和7～9月，與試驗區(qū)春旱、夏伏旱和秋旱旱情發(fā)生時期相一致。
　　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期作物耗水量均值為255.6mm、256.0mm、553.3mm、621.8mm，全生長期水分

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

22、圍變幅大，玉米在61.1％～76.8％范圍內均可發(fā)生水分脅迫現象，對應參考作物蒸散量范圍3.68～10.76mm.d-1，紅薯為51.2％～80.3％，對應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、流量過程的倍比假定和疊加假定原理為基礎，以暴雨時段平均下滲率代替瞬時下滲率的分時段凈雨模擬方法，能較好模擬自然降水條件下的地表徑流產流過程，簡化了模擬過程，可操作性強，便于實際應用;在詳細分析

23、研究基礎上，確定Penman-Monteith公式計算參考作物蒸散量時，采用Hargreaves公式計算太陽輻射。確定作物系數采用雙值作物系數法計算。權重系數法解決了間套作模式下農田蒸散量計算時作物系數難確定的問題;坡耕地土壤水分虧缺嚴重，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)作物耗水量的研究內容，也為紫色土丘陵區(qū)深入開展農田水量平衡研究打下基礎。但在自然條件下降水下滲特性、坡面曼寧糙率系數、短時段水量平衡以及