三峡库区农业以旱作粮食作物为主,坡耕地是库区主要的农业生产用地,降水是该区域农业生产的主要来源,降水总量大,但降水时间分布不均,径流损失大,该区域季节性干旱十分突出,基本上是十年九旱,干旱缺水严重制约该区域农业的持续发展。紫色土坡耕地是库区重要的耕地资源,耕作频繁,人为扰动剧烈,水土流失严重,以雨养农业为主,土层薄,蓄水保肥能力差,水分亏缺是作物生长的主要障碍因子。如何合理调节利用降水资源,解决该区域季节性干旱与植物生长发育协调性差的矛盾,作物耗水特性和农田水量平衡研究就显得特别重要。国内外有关农田水量平衡的研究早已不只局限于理论本身,而是将相关理论用于指导农业生产实践,并取得了丰硕的成果,但是,国内的研究主要集中于干旱、半干旱的华北平原和黄土高原地区,而在南方季节性干旱地区,特别是三峡库区紫色土坡耕地水量平衡的研究未见详细报道。目前,紫色土坡耕地水量平衡要素研究中径流的研究较多、较深入,但在地表径流模拟计算方面仍过程复杂,同时对最主要也是最难确定的农田蒸散量这一平衡要素,特别是涉及农田蒸散量的确定方面未见详细研究。为此,本研究针对紫色土坡耕地水量平衡研究中的不足,选择重庆市开县竹溪镇石碗小流域坡耕地(坡式梯地)为研究对象,以紫色砂岩、泥岩发育形成的中性紫色土为供试土壤,开展坡耕地水量平衡分析研究,为今后全面开展三峡库区紫色土坡耕地水量平衡的监测和预测等深入研究打下基础,同时希望能为库区坡耕地分类改造,坡耕地集、蓄、供、管的降水资源化集成利用体系的建设提供科学依据。试验研究以为三峡库区季节性干旱问题的解决提供可靠数据为出发点,以2007-2012年盆栽试验、测坑试验和径流小区试验观测数据为依据,以坡面产流汇流理论、水量平衡原理为理论基础,采用试验观测、理论分析计算等方法,对三峡库区紫色土坡耕地水量平衡要素进行了探讨,对常规种植模式下单作小麦、油菜、玉米、红薯和小麦/玉米‖红薯、油菜/玉米‖红薯间套作模式的作物耗水特性和坡耕地水量平衡状况进行初步研究。主要研究结果如下(1)水分下渗过程主要受控于降水强度的变化过程2007-2012年作物生长期内降水呈现出夏秋多、冬春少,夏秋季多暴雨,降水量集中的特点。6-8月古年均降水量的43.4%,7、8月暴雨量占月均降水量的55.2%、44.5%。降水分布特征参数(σ、Cv、Cs)分析结果表明作物生长期内降水在时间分布上呈不均匀性,One-Sample K-S检验表明作物生长期年内各月降水旱正态分布。坡耕地单点土壤水分下渗在时空分布上存在变异性,坡面不同位置初始下渗率和稳定下渗率具有较大差异,下渗历时60min拟合第1分钟末下渗率8.03～20.83mm.min-1(Kostiakov公式拟合值),稳定下渗率0.76～3.81mm.min-1,均值1.42mm.min-1(实测值),耕作对土壤下渗影响显著。初始下渗的0～10min时段,土壤下渗率迅速下降,而且下降幅度较大,10～25min时段,下降幅度明显减小,下渗历时25min后,逐渐趋于稳定,在27.7～35.4min内达到稳定下渗阶段。单点下渗特性可用Kostiakov公式来描述,公式中第1分钟末的下渗速率与初始含水量呈高度负相关关系(可用指数函数关系式表达),下渗率和下渗量表达式如下：自然降水条件下土壤下渗特性与降水强度有密切的关系,下渗率的变化过程主要受控于降水强度的变化过程,坡面下渗特性受诸多因素的影响,在空间上和时间上都呈现出不稳定和不连续性变化。暴雨时段前后降水强度不能满足下渗率要求,降水全部下渗,即f(t)=i(t),降水强度大时,土壤的下渗率大,降水强度小时,下渗率则小。在暴雨时段内,前时段降水强度大时,即i(t)≥fp(t),土壤的下渗率大,即f(t)=fp(t),但维持较高下渗率的时间较短,以后就逐渐减小；在暴雨时段内,前时段降水强度小时,即i(t)≤fp(t),降水全部渗入土壤,即f(t)=i(t),此时下渗率小,当降水强度增大到i(t)≥fp(t)时,下渗率达最大f(t)=fp(t),随后又逐渐减小,维持这种较低或较高下渗率的时间长短,取决于暴雨时段内前时段小强度降水历时。(2)分时段净雨模拟方法能较好反映的坡面产流过程不同降水特性、雨前土壤含水量和耕作状况等对产流时间、产流量和径流成分组成有影响。雨峰靠前、强度大的降水,地表径流出流时间早而且地表径流量大,若土壤初始含水量高,暴雨时段后小强度降水历时长,则壤中流产流量也较大；雨峰靠中的降水,暴雨前土壤含水量高,即使是中等强度的降水,如果降水量大、历时长也将产生大量的地表径流和壤中流；雨峰靠后的降水,如果暴雨时段内前期降水未使土壤含水量明显提高,降水首先满足表层土壤的缺水量,当降水强度超过下渗能力时开始产生地表径流,若降水量不大、暴雨历时较短,降水损失量大,则地表径流和壤中流出流量偏小。地表径流主要为暴雨产生的超渗产流,7、8月以地表径流为主,月均径流系数分别为0.36、0.30;5、6月和9月以壤中流为主,耕作后土壤以壤中流产流为主,试验区坡耕地壤中流较发育,壤中流径流系数0.15～0.34。壤中流的产生与降水强度无直接关系,与土壤前期含水量、土壤中是否存在自由重力水和暴雨前后小强度降水特性有关。2008～2012年降水径流主要出现在5～9月,月均径流系数分别为0.15、0.28、0.36、0.30、0.07,5～9月月均降水径流关系可表示为：R=0.559P-44.03R2=0.948以坡面水流运动波理论、流量过程的倍比假定和叠加假定原理为理论依据,以暴雨时段平均下渗率代替瞬时下渗率的分时段净雨模拟方法能较好反映自然降水条件下的地表径流产流过程,简化了模拟过程,可操作性强,模拟结果较好,模拟地表径流量与实测值相吻合。雨峰靠前、靠中和靠后的三次降水模拟产流过程与实际观测结果大致吻合,模拟地表径流量分别为34.4mm、39.7mm和10.2mm,与实际观测结果也大致相同。(3)农田蒸散量采用作物系数法确定太阳辐射采用Hargreaves公式计算。标准的Penman-Monteith计算公式以能量平衡和水汽扩散理论为基础,既考虑了作物的生理特征,又考虑了空气动力学参数的变化,较为全面地考虑了影响蒸散发的各种因素,具有较充分的理论依据。试验区参考作物蒸散量主要由空气动力学项ET0(aero)贡献,约占70%,辐射项ET0(rad)约占30%。2001-2012年日、月、年参考作物蒸散量的变化趋势均与温度的变化趋势相同,而年参考作物蒸散量的变化趋势与日照时数变化趋势相反。相关性分析和敏感性分析结果,最高温度和日照时数与参考作物蒸散量的相关性一致,同时日照时数与最高温度具有较大的相关性,饱和水汽压差与参考作物蒸散量具有高度相关性,而饱和水汽压差是温度和相对湿度对参考作物蒸散量影响的综合反映；最高温度的变化对参考作物蒸散量的影响最大,敏感性最强,而日照时数的变化对参考作物蒸散量儿乎无影响,敏感性最弱,结果体现出试验区温度对参考作物蒸散量的影响远大于日照时数,而日照时数对参考作物蒸散量的影响主要通过温度间接体现；最高温度(Tmax)、最高相对湿度(RHmax)和最低相对湿度(RHmin)是参考作物蒸散量三个最主要的敏感性因子。显著性分析结果,Angstrom公式、Hargreaves辐射计算公式和重庆地区拟合经验公式计算太阳辐射所得日、月、年参考作物蒸散量值均无显著差异(α=0.05)。确定采用Penman-Monteith公式计算参考作物蒸散量时,采用Hargreaves公式计算太阳辐射。作物系数采用双值作物系数。单值作物系数计算简单,各个阶段取其平均值,反映不出作物蒸腾量和土壤蒸发量的大小：双值作物系数不仅能反映各生长阶段作物蒸腾量和土壤蒸发量的大小也能反映基本作物系数(Kcb)和土壤蒸发系数(Ke)的时程变化特征,而且双值作物系数的日变化过程,有利于分时段(如：日、旬、月)作物系数的确定以及间套作模式作物系数的确定,从而有利于坡耕地各旬、各月水量平衡分析。经调整后小麦、油菜、玉米、红薯全生长期作物系数分别为0.92、0.93、1.06、0.98。权重系数法确定问套作模式作物系数。间套作模式田间结构为一人工复合群体,有主、副作物之分,涉及不同作物的不同生育期,单位面积上不同作物在田间结构中占的面积比例将直接决定其农田蒸散量的多少,而权重系数能反映出单位面积上不同作物在田间结构中占有的面积比例。采用权重系数计算小麦/玉米‖红薯、油菜/玉米‖红薯间套作模式下各月作物系数,从而解决了利用作物系数法计算农田蒸散量时,间套作模式下作物系数难确定的问题。具体为,以作物幅宽与间距之和占带宽的比作为权重系数,分别乘以间套作模式的不同作物的作物系数,取其和作为间套作模式的作物系数,即：式中：K1为间套作模式的作物系数：Kci为间套作时第i作物的作物系数;fi为第i作物的权重系数；li为第i作物的幅宽；d、L—间距、带宽；i为间、套作时作物种类(i=1、2……n)。(4)作物耗水主要受土壤水分胁迫降水量(P)是坡耕地土壤水分的主要来源,农田蒸散量(ETc)是坡耕地土壤水分主要损失项,径流量(R)、渗漏损失量(F’d)主要产生于5-9月,试验区坡耕地水量平衡简化模型可表达为：P-ETc-R-Fd’=ΔW。标准状态下,坡耕地水量平衡值为负值(⊿W<0),水分均处于亏缺状况。2007-2012年小麦、油菜、玉米和红薯单作以及小麦/玉米‖红薯、油菜/玉米‖红薯间套作全生长期作物需水量均值为359.4mm、359.1mm、684.4mm、841.3mm、1178.3mm、1158.7mm,亏缺量为136.2mm、135.9mm、298.7mm、336.4mm、451.9mm、432.3mm,作物全生长期水量平衡值为负值(⊿W<0),十壤水分处于亏缺状态,水分亏缺时期主要为2-4月和7-9月,与试验区春旱、夏伏旱和秋旱旱情发生时期相一致。自然降水条件下,坡耕地作物耗水量受土壤水分胁迫的制约。在水分胁迫下,2008-2012年小麦、油菜、玉米和红薯单作全生长期作物耗水量均值为255.6mm、256.0mm、553.3mm、621.8mm,全生长期水分胁迫系数(Ks)均值分别为0.85、0.84、0.87、0.82。作物不同生长阶段受水分胁迫的影响及程度不一,生育中期、生长后期受水分胁迫严重。作物发生水分胁迫现象受气象因子变化的影响显著,发生水分胁迫时的土壤含水量有随参考作物蒸散量的增大而增高的趋势,即当参考作物蒸散量较大时发生水分胁迫的土壤相对含水量越高,当参考作物蒸散量较小时发生水分胁迫的相对含水量较低。小麦、油菜发生水分胁迫时土壤相对含水量约60%左右；玉米、红薯的相对含水量范围变幅大,玉米在61.1%-76.8%范围内均可发生水分胁迫现象,对应参考作物蒸散量范围3.68-10.76mm.d-1,红薯为51.2%-80.3%,对应参考作物蒸散量范围1.66--11.42mm.d-1。综上所述,基于坡面汇流理论、流量过程的倍比假定和叠加假定原理为基础,以暴雨时段平均’下渗率代替瞬时下渗率的分时段净雨模拟方法,能较好模拟自然降水条件下的地表径流产流过程,简化了模拟过程,可操作性强,便于实际应用；在详细分析研究基础上,确定Penman-Monteith公式计算参考作物蒸散量时,采用Hargreaves公式计算太阳辐射。确定作物系数采用双值作物系数法计算。权重系数法解决了间套作模式下农田蒸散量计算时作物系数难确定的问题；坡耕地土壤水分亏缺严重,作物耗水量主要受土壤水分胁迫。这些研究成果不仅丰富了紫色土丘陵区作物耗水量的研究内容,也为紫色土丘陵区深入开展农田水量平衡研究打下基础。但在自然条件下降水下渗特性、坡面曼宁糙率系数、短时段水量平衡以及水分胁迫条件下农田水量平衡等研究方面还有待于进一步完善。