發(fā)布時(shí)間：2019-12-05所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 提要:水分是沙區(qū)農(nóng)田的主要限制因子，研究灌溉對(duì)沙區(qū)農(nóng)田土壤水分的影響，對(duì)該區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源利用以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。為揭示烏蘭布和沙漠不同土壤類型農(nóng)田土壤水分規(guī)律及深層滲漏損失，分析播種-拔節(jié)期土壤體積含水量變化特征與深層滲漏規(guī)律。研究結(jié)
提要:水分是沙區(qū)農(nóng)田的主要限制因子，研究灌溉對(duì)沙區(qū)農(nóng)田土壤水分的影響，對(duì)該區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源利用以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。為揭示烏蘭布和沙漠不同土壤類型農(nóng)田土壤水分規(guī)律及深層滲漏損失，分析播種-拔節(jié)期土壤體積含水量變化特征與深層滲漏規(guī)律。研究結(jié)果:1)觀測(cè)期內(nèi)不同土壤類型農(nóng)田土壤含水量大小順序依次為:砂土農(nóng)田<壤土農(nóng)田<粘土農(nóng)田。4月17日灌溉211.5mm對(duì)不同土壤類型0～150cm層土壤含水量均產(chǎn)生顯著影響(p<0.01)，影響大小依次為:砂土農(nóng)田、壤土農(nóng)田、粘土農(nóng)田。2)不同土壤類型農(nóng)田在監(jiān)測(cè)期內(nèi)150cm土層均持續(xù)有深層滲漏，且211.5mm灌溉量使砂土農(nóng)田與壤土農(nóng)田深層滲漏量增大，粘土農(nóng)田無(wú)明顯變化。觀測(cè)期內(nèi)砂土農(nóng)田共產(chǎn)生深層滲漏138.2mm，壤土農(nóng)田共產(chǎn)生深層滲漏74.6mm，粘土農(nóng)田共產(chǎn)生深層滲漏3mm。
關(guān)鍵詞:烏蘭布和沙漠;土壤體積含水量;滲漏
烏蘭布和沙漠東緣為牧區(qū)與農(nóng)區(qū)過(guò)渡地帶，因該地區(qū)擁有得天獨(dú)厚的條件使其成為我國(guó)荒漠化防治、農(nóng)業(yè)水土資源利用等相關(guān)研究的熱點(diǎn)地區(qū)[1，2]。該地區(qū)地處我國(guó)西北內(nèi)陸，在自然條件下，往往因降水量不足且分布的不均勻，不能滿足作物對(duì)水分要求[3，4]。因此，在該地區(qū)沒(méi)有灌溉就沒(méi)有農(nóng)業(yè)。土壤水分是作物生長(zhǎng)的重要影響因子，同時(shí)也是聯(lián)系地表水與地下水的紐帶，農(nóng)田土壤水分通常在灌溉與降水后發(fā)生變化[5，6]。降水量或灌溉量過(guò)多時(shí)便會(huì)產(chǎn)生作物無(wú)法直接利用的深層滲漏水，農(nóng)田的深層滲漏損失是影響農(nóng)業(yè)用水效率的主要原因之一[7]。研究灌溉農(nóng)田深層滲漏特征及對(duì)灌水量的響應(yīng)，對(duì)農(nóng)業(yè)水資源利用以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。
土壤水分作為荒漠植被維持生命活動(dòng)的重要水源保證，只有進(jìn)行合理充分的利用，才能滿足作物生長(zhǎng)的需求[8]。針對(duì)灌溉對(duì)土壤水分的影響，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)農(nóng)田土壤垂直空間土壤水分及對(duì)玉米產(chǎn)量等因素的影響[9-10]做了研究。部分學(xué)者研究了灌溉水量和水質(zhì)對(duì)土壤水鹽分布及春玉米耗水的影響[11]。但從研究區(qū)的空間分布范圍看，目前針對(duì)干旱區(qū)沙區(qū)農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)及深層滲漏特征的研究相對(duì)缺乏;從研究?jī)?nèi)容來(lái)看，對(duì)深層土壤水分的動(dòng)態(tài)平衡及滲漏損失過(guò)程研究尚處于探索階段，對(duì)干旱區(qū)沙漠農(nóng)田土壤水分平衡中深層滲漏損失這一關(guān)鍵問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究;從研究方法上來(lái)看，已有研究多為大范圍、定時(shí)、定點(diǎn)取樣觀測(cè)，缺乏連續(xù)性、可持續(xù)、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及深層滲漏水量監(jiān)測(cè)，缺乏系統(tǒng)分析干旱區(qū)不同土壤類型沙區(qū)農(nóng)田土壤水分對(duì)灌溉的響應(yīng)以及灌溉對(duì)土壤水的補(bǔ)給作用。
文中以烏蘭布和沙漠東緣不同土壤類型農(nóng)田為研究對(duì)象，研究時(shí)間貫穿玉米的播種-拔節(jié)期，通過(guò)采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，連續(xù)監(jiān)測(cè)不同土壤質(zhì)地農(nóng)田土壤在灌溉后0～150cm土壤含水量、150cm以下滲漏量以及灌溉量，分析農(nóng)田土壤水分對(duì)灌溉的響應(yīng)，以及灌溉對(duì)農(nóng)田土壤水分的補(bǔ)給作用。以期望對(duì)該地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源合理利用以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。
1研究區(qū)域與方法
1.1研究區(qū)概況
該試驗(yàn)在烏蘭布和沙漠東北部磴口縣中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)一場(chǎng)進(jìn)行。地理坐標(biāo)為北緯40°19'10.78″，東經(jīng)106°56'13.86″，海拔1056.0m。研究區(qū)地處中國(guó)西北內(nèi)陸，屬于典型的中溫帶大陸性氣候，多年平均氣溫7.8℃，≥10℃積溫為3289.1℃，年均日照時(shí)數(shù)3181h，年均無(wú)霜期146d，多年平均降水量140.3mm。土壤類型主要為灌淤土、風(fēng)沙土和鹽土[12-13]。該地區(qū)具有豐富的黃河水資源，試驗(yàn)區(qū)灌溉主要水源為黃河。
1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
1.2.1樣地設(shè)置
農(nóng)田表層土壤(0～50cm)常年受耕作活動(dòng)的影響，導(dǎo)致耕作層土壤與耕作層以下的土壤理化性質(zhì)(土壤容重和機(jī)械組成等)發(fā)生分異，進(jìn)而影響到土壤水分的動(dòng)態(tài)變化與保持特征。為模擬該地區(qū)自然狀態(tài)下不同土壤類型的農(nóng)田，分別將50cm以下土層客土換成典型的風(fēng)沙土、壤土、粘土。選取普通農(nóng)田，垂直挖出長(zhǎng):200cm、寬:200cm、深:300cm見(jiàn)方試驗(yàn)坑，150cm以下布設(shè)土壤深層滲漏水量記錄儀(YWB-01)[14]。土壤深層滲漏水量記錄儀毛管持水部以上至50cm土層客土分別換成典型的風(fēng)沙土、壤土、粘土。為防止因土壤異質(zhì)性導(dǎo)致的水分誤差，土坑四周剖面上用塑料棚膜將客土與原狀土壤隔離開(kāi)。50cm到地表土壤保持原耕作土回填并整平地面，以此來(lái)保證作物的正常生長(zhǎng)不受影響。
1.2.2測(cè)定指標(biāo)與方法
(1)滲漏水量監(jiān)測(cè)。利用楊文斌等研發(fā)的YWB-01型土壤深層滲漏水量記錄儀對(duì)不同樣地深層滲漏進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，該儀器能夠?qū)崟r(shí)連續(xù)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)土壤水分的深層滲漏量[15-17]。為避免儀器安裝過(guò)程中對(duì)土壤擾動(dòng)的影響，使測(cè)試數(shù)據(jù)盡量符合自然狀態(tài)下的真實(shí)值，因此試驗(yàn)儀器在安裝后需要經(jīng)歷一段時(shí)間的自然沉降過(guò)程(一般采用3個(gè)月到1年時(shí)間)。本研究選擇2017年1月1日-6月15日數(shù)據(jù)作為結(jié)果分析的有效數(shù)據(jù)。
(2)土壤含水量監(jiān)測(cè)。利用EC-5土壤水分傳感器監(jiān)測(cè)土壤體積含水量，105土壤溫度傳感器監(jiān)測(cè)地表溫度同步監(jiān)測(cè)土壤水分與溫度情況。分別在距地表5cm、50cm、100cm、150cm土層安裝EC-5土壤水分傳感器，在距地表5cm安裝105土壤溫度傳感器。
(3)土壤物理性質(zhì)調(diào)查。在安裝滲漏儀器時(shí)，對(duì)滲漏觀測(cè)深度150cm以上土壤質(zhì)地進(jìn)行調(diào)查，分別采集土壤粒度和孔隙度樣品。土壤機(jī)械組成利用Malvernmastersizer2000激光粒度儀測(cè)定;土壤持水量與田間持水量利用環(huán)刀法測(cè)定。在灌溉過(guò)程中利用LS300-A型便攜式流速測(cè)算儀對(duì)灌溉水量進(jìn)行測(cè)量。2017年4月17日灌溉211.5mm。
1.3數(shù)據(jù)處理與分析
1.3.1數(shù)據(jù)獲取與校正
近年來(lái)，EC-5土壤水分傳感器在森林、沙漠等地區(qū)均有運(yùn)用，但是有學(xué)者提出EC-5土壤水分傳感器在干旱環(huán)境運(yùn)用時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。李清河等(2012)在自然條件下考慮多方面因素對(duì)EC-5土壤水分傳感器進(jìn)行了更精確的校正，校正地點(diǎn)為烏蘭布和沙漠，校正點(diǎn)與本研究試驗(yàn)點(diǎn)相隔20km，自然氣候狀況一致，土壤物理狀況與校正點(diǎn)基本一致，因此可以將其校正方程直接應(yīng)用于本試驗(yàn)EC-5傳感器在砂土和粘土中監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，壤土監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需根據(jù)李清河等(2012)提供的取樣測(cè)定方法進(jìn)行補(bǔ)充校正。即在土壤剖面上每10cm設(shè)一個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，挖至響應(yīng)深度，立可埋設(shè)EC-5土壤水分傳感器，實(shí)時(shí)讀取傳感器記錄的數(shù)值，同時(shí)在附近用環(huán)刀取土帶回室內(nèi)烘干稱重。數(shù)據(jù)調(diào)整后精度達(dá)±1%。
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1.3.2數(shù)據(jù)處理
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用EXCEL和IBMSPSSStatistics19處理分析。
2結(jié)果與分析
2.1土壤含水量對(duì)灌溉的動(dòng)態(tài)響應(yīng)
農(nóng)田土壤水分變化特征決定了作物對(duì)水分的吸收利用強(qiáng)度和難易程度，直接影響著農(nóng)業(yè)用水的利用率，對(duì)于水資源的持續(xù)利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。通過(guò)研究農(nóng)田灌溉后土壤水分狀況，可以進(jìn)一步掌握灌溉水空間分布與轉(zhuǎn)化規(guī)律(觀測(cè)期內(nèi)共有降水42mm，均為無(wú)效降水)。
利用2017年1月1日至6月15日166天土壤體積含水量，分析不同土壤類型農(nóng)田各層之間土壤含水量動(dòng)態(tài)變化，逐層分析土壤水分垂直變化特征。表1為監(jiān)測(cè)期間不同土壤類型農(nóng)田各層土壤含水量統(tǒng)計(jì)參數(shù)。不同土壤類型農(nóng)田土壤體積含水量(下稱含水量)從2017年1月1日至6月15日均值看，不同土壤類型農(nóng)田土壤含水量大小順序依次為:砂土農(nóng)田<壤土農(nóng)田<粘土農(nóng)田，其數(shù)值依次為10.43%、14.64%和22.42%。不同土壤類型土壤含水量垂直分布規(guī)律為，砂土農(nóng)田:150cm>5cm>100cm>50cm;壤土農(nóng)田:5cm>100cm>150cm>50cm;粘土農(nóng)田:100cm>150cm>5cm>50cm。方差分析結(jié)果顯示，各層土壤體積含水量的日平均最大值與最小值之間均達(dá)到極顯著性(p<0.01)，表明全年4月17日211.5mm的灌溉水對(duì)不同土壤類型農(nóng)田0～150cm層土壤水分均產(chǎn)生了極顯著影響。
變異系數(shù)可比較三組數(shù)據(jù)自身的離散程度，含水量變異系數(shù)越大證明灌溉對(duì)含水量影響越大。結(jié)合三種土壤含水量變異系數(shù)分析，含水量變異程度:砂土農(nóng)田(25.79%)>壤土農(nóng)田(21.78%)>粘土農(nóng)田(18.95%)，表明灌溉對(duì)各土壤類型農(nóng)田0～150cm土層含水量影響大小依次為:砂土農(nóng)田、壤土農(nóng)田、粘土農(nóng)田。不同土壤類型土壤含水量垂直變異程度為，砂土農(nóng)田:50cm>5cm>100cm>150cm;壤土農(nóng)田:50cm>5cm>150cm>100cm;粘土:5cm>50cm>100cm>150cm。
由圖2可知不同土壤類型農(nóng)田土壤水分變化特征。不同土壤類型農(nóng)田100cm以上土層1月、2月土壤含水量較低，3月～6月土壤含水量整體較高。三種土壤類型的農(nóng)田在試驗(yàn)期間均有兩次較明顯的土壤含水量增高過(guò)程，分別在3月和4月。3月份不同土壤類型5cm與50cm土層均出現(xiàn)一次較明顯的增高現(xiàn)象，100cm與150cm土壤含水量均無(wú)明顯波動(dòng)，4月份不同土壤類型農(nóng)田0～150cm層土壤均出現(xiàn)較大波動(dòng)，但不同土壤類型農(nóng)田與不同土層波幅存在差異。
3月份5cm與50cm土層出現(xiàn)一次較明顯的增高現(xiàn)象可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)冬季寒冷，11月～3月土壤結(jié)凍，且研究區(qū)凍土最大下限為84cm(即100cm以下土層無(wú)凍土)。因此2017年1月、2月氣溫較低，土壤地表水結(jié)凍，降雪對(duì)土壤水分的補(bǔ)給以及水分入滲均存在時(shí)間差，同時(shí)凍融與消融作用會(huì)影響土壤水分的傳導(dǎo)過(guò)程，從而導(dǎo)致5cm與50cm土層3月份土壤含水量增加[18]。4月份作物生長(zhǎng)需要大量水分，但研究區(qū)屬干旱區(qū)降雨稀少，所以4月份不同土壤類型農(nóng)田0～150cm層土壤均出現(xiàn)較大波動(dòng)主要是由于人工灌溉水補(bǔ)給。
2.2不同土壤類型農(nóng)田深層滲漏量特征
圖3為不同土壤類型農(nóng)田150cm土層深層滲漏變化特征。不同土壤類型農(nóng)田在監(jiān)測(cè)期內(nèi)150cm土層均持續(xù)有深層滲漏，但在灌溉后砂土農(nóng)田與壤土農(nóng)田的滲漏速率明顯增大，證明211.5mm灌溉量在砂土農(nóng)田與壤土農(nóng)田產(chǎn)生深層滲漏損失。砂土農(nóng)田在灌溉開(kāi)始后13h出現(xiàn)深層滲漏，滲漏持續(xù)了157h，至觀測(cè)期結(jié)束滲漏量為138.2mm。
壤土農(nóng)田在灌溉開(kāi)始后分別在72h出現(xiàn)深層滲漏，至觀測(cè)期結(jié)束滲漏量為50.6mm。壤土農(nóng)田在觀測(cè)期結(jié)束時(shí)，滲漏并未結(jié)束，為準(zhǔn)確估算該次灌溉壤土農(nóng)田的滲漏總量，可將滲漏最大值(4月27日)至觀測(cè)期結(jié)束(6月15日)深層滲漏日變化數(shù)值進(jìn)行擬合，可得簡(jiǎn)單回歸方程，表達(dá)式為:y=0.0003x2-0.0373x+1.4858
式中:y為土壤水深層滲漏量(mm);x為滲漏天數(shù)(d)。回歸方程可決系數(shù)R2為0.8497，表現(xiàn)出較好的擬合度。根據(jù)擬合方程可估算出該次灌溉造成深層滲漏量總和為74.6mm。粘土農(nóng)田在灌溉開(kāi)始后257h出現(xiàn)深層滲漏，至觀測(cè)期結(jié)束滲漏量為3mm。
砂土農(nóng)田在灌溉后迅速出現(xiàn)滲漏，滲漏速度先升高后降低，整個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間短;壤土農(nóng)田在灌溉到出現(xiàn)滲漏水有一定時(shí)間間隔，滲漏總體表現(xiàn)為迅速升高緩慢降低，滲漏持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng);粘土農(nóng)田滲漏緩慢，灌溉前后滲漏速度變化不大。
3討論
對(duì)于降水稀少的西北干旱區(qū)而言，人工灌溉是該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵。減少農(nóng)業(yè)灌溉過(guò)程中的深層滲漏水量是提高水資源利用率的重要途徑之一。本研究中，該地區(qū)常見(jiàn)三種不同土壤類型農(nóng)田在播種-拔節(jié)期灌溉的211.5mm，均顯著影響了0～150cm土層含水量且在150cm以下土層均出現(xiàn)深層滲漏。試驗(yàn)區(qū)域地處西北干旱區(qū)，冬季與春季降水稀少且無(wú)灌溉補(bǔ)給，4月份隨著氣溫上升，降水量卻無(wú)明顯增大，為保證玉米出苗率4月17日灌溉屬于“保墑水”，有研究表明播種到出苗適度偏旱可以促進(jìn)根系縱深發(fā)展并且抑制禾苗長(zhǎng)高，有利于產(chǎn)量的提高[19]。且該時(shí)期玉米處于苗期，作物根系主要分布在淺層土壤，深層土壤水分無(wú)法直接被玉米利用。因此，苗期灌溉過(guò)多不但不利于玉米產(chǎn)量同時(shí)會(huì)造成水分深層滲漏損失。三種土壤類型農(nóng)田因自身性質(zhì)(機(jī)械組成、容重、孔隙度等)不同造成在相同灌溉下深層滲漏量的差異。優(yōu)化灌溉水量可從減少水資源滲漏損失的角度假設(shè)當(dāng)年所有灌溉水均用于作物生長(zhǎng)，無(wú)其他損失。因此優(yōu)化灌溉量應(yīng)為最大限度減少灌溉水滲漏量與當(dāng)年農(nóng)田土壤凈蓄水量，因此出苗-拔節(jié)期的優(yōu)化灌水量應(yīng)該與該時(shí)期農(nóng)田蒸散量相等。
4結(jié)論
(1)觀測(cè)期內(nèi)不同土壤類型農(nóng)田土壤含水量大小順序依次為:砂土農(nóng)田<壤土農(nóng)田<粘土農(nóng)田。4月17日灌溉211.5mm對(duì)不同土壤類型0～150cm層土壤含水量均產(chǎn)生顯著影響(p<0.01)，影響大小依次為:砂土農(nóng)田、壤土農(nóng)田、粘土農(nóng)田。
(2)不同土壤類型農(nóng)田100cm以上土層1月、2月土壤含水量較低，3月～6月土壤含水量整體較高。3月份不同土壤類型5cm與50cm土層均出現(xiàn)一次較明顯的增高現(xiàn)象，100cm與150cm土壤含水量均無(wú)明顯波動(dòng)，該現(xiàn)象主要由凍融引起;4月份不同土壤類型農(nóng)田0～150cm層土壤均出現(xiàn)較大波動(dòng)，但不同土壤類型農(nóng)田與不同土層波幅存在差異，該現(xiàn)象主要原因是春季灌溉補(bǔ)充土壤水分。
(3)不同土壤類型農(nóng)田在監(jiān)測(cè)期內(nèi)150cm土層均持續(xù)有深層滲漏，且211.5mm灌溉量使砂土農(nóng)田與壤土農(nóng)田深層滲漏量增大，粘土農(nóng)田無(wú)明顯變化。觀測(cè)期內(nèi)砂土農(nóng)田共產(chǎn)生深層滲漏138.2mm，壤土農(nóng)田共產(chǎn)生深層滲漏74.6mm，粘土農(nóng)田共產(chǎn)生深層滲漏3mm。
