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摘 要： 提要:水分是沙區農田的主要限制因子，研究灌溉對沙區農田土壤水分的影響，對該區域農業水資源利用以及農業生產具有指導意義。為揭示烏蘭布和沙漠不同土壤類型農田土壤水分規律及深層滲漏損失，分析播種-拔節期土壤體積含水量變化特征與深層滲漏規律。研究結
提要:水分是沙區農田的主要限制因子，研究灌溉對沙區農田土壤水分的影響，對該區域農業水資源利用以及農業生產具有指導意義。為揭示烏蘭布和沙漠不同土壤類型農田土壤水分規律及深層滲漏損失，分析播種-拔節期土壤體積含水量變化特征與深層滲漏規律。研究結果:1)觀測期內不同土壤類型農田土壤含水量大小順序依次為:砂土農田<壤土農田<粘土農田。4月17日灌溉211.5mm對不同土壤類型0～150cm層土壤含水量均產生顯著影響(p<0.01)，影響大小依次為:砂土農田、壤土農田、粘土農田。2)不同土壤類型農田在監測期內150cm土層均持續有深層滲漏，且211.5mm灌溉量使砂土農田與壤土農田深層滲漏量增大，粘土農田無明顯變化。觀測期內砂土農田共產生深層滲漏138.2mm，壤土農田共產生深層滲漏74.6mm，粘土農田共產生深層滲漏3mm。
關鍵詞: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與農區過渡地帶，因該地區擁有得天獨厚的條件使其成為我國荒漠化防治、農業水土資源利用等相關研究的熱點地區[1，2]。該地區地處我國西北內陸，在自然條件下，往往因降水量不足且分布的不均勻，不能滿足作物對水分要求[3，4]。因此，在該地區沒有灌溉就沒有農業。土壤水分是作物生長的重要影響因子，同時也是聯系地表水與地下水的紐帶，農田土壤水分通常在灌溉與降水后發生變化[5，6]。降水量或灌溉量過多時便會產生作物無法直接利用的深層滲漏水，農田的深層滲漏損失是影響農業用水效率的主要原因之一[7]。研究灌溉農田深層滲漏特征及對灌水量的響應，對農業水資源利用以及農業生產具有指導意義。
土壤水分作為荒漠植被維持生命活動的重要水源保證，只有進行合理充分的利用，才能滿足作物生長的需求[8]。針對灌溉對土壤水分的影響，目前國內外學者對農田土壤垂直空間土壤水分及對玉米產量等因素的影響[9-10]做了研究。部分學者研究了灌溉水量和水質對土壤水鹽分布及春玉米耗水的影響[11]。但從研究區的空間分布范圍看，目前針對干旱區沙區農田土壤水分動態及深層滲漏特征的研究相對缺乏;從研究內容來看，對深層土壤水分的動態平衡及滲漏損失過程研究尚處于探索階段，對干旱區沙漠農田土壤水分平衡中深層滲漏損失這一關鍵問題仍需進一步研究;從研究方法上來看，已有研究多為大范圍、定時、定點取樣觀測，缺乏連續性、可持續、系統的動態監測及深層滲漏水量監測，缺乏系統分析干旱區不同土壤類型沙區農田土壤水分對灌溉的響應以及灌溉對土壤水的補給作用。
文中以烏蘭布和沙漠東緣不同土壤類型農田為研究對象，研究時間貫穿玉米的播種-拔節期，通過采用自動監測系統，連續監測不同土壤質地農田土壤在灌溉后0～150cm土壤含水量、150cm以下滲漏量以及灌溉量，分析農田土壤水分對灌溉的響應，以及灌溉對農田土壤水分的補給作用。以期望對該地區農業水資源合理利用以及農業生產提供理論依據。
1研究區域與方法
1.1研究區概況
該試驗在烏蘭布和沙漠東北部磴口縣中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心實驗一場進行。地理坐標為北緯40°19'10.78″，東經106°56'13.86″，海拔1056.0m。研究區地處中國西北內陸，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℃，年均日照時數3181h，年均無霜期146d，多年平均降水量140.3mm。土壤類型主要為灌淤土、風沙土和鹽土[12-13]。該地區具有豐富的黃河水資源，試驗區灌溉主要水源為黃河。
1.2實驗設計
1.2.1樣地設置
農田表層土壤(0～50cm)常年受耕作活動的影響，導致耕作層土壤與耕作層以下的土壤理化性質(土壤容重和機械組成等)發生分異，進而影響到土壤水分的動態變化與保持特征。為模擬該地區自然狀態下不同土壤類型的農田，分別將50cm以下土層客土換成典型的風沙土、壤土、粘土。選取普通農田，垂直挖出長:200cm、寬:200cm、深:300cm見方試驗坑，150cm以下布設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沙土、壤土、粘土。為防止因土壤異質性導致的水分誤差，土坑四周剖面上用塑料棚膜將客土與原狀土壤隔離開。50cm到地表土壤保持原耕作土回填并整平地面，以此來保證作物的正常生長不受影響。
1.2.2測定指標與方法
(1)滲漏水量監測。利用楊文斌等研發的YWB-01型土壤深層滲漏水量記錄儀對不同樣地深層滲漏進行連續監測，該儀器能夠實時連續準確的監測土壤水分的深層滲漏量[15-17]。為避免儀器安裝過程中對土壤擾動的影響，使測試數據盡量符合自然狀態下的真實值，因此試驗儀器在安裝后需要經歷一段時間的自然沉降過程(一般采用3個月到1年時間)。本研究選擇2017年1月1日-6月15日數據作為結果分析的有效數據。
(2)土壤含水量監測。利用EC-5土壤水分傳感器監測土壤體積含水量，105土壤溫度傳感器監測地表溫度同步監測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)土壤物理性質調查。在安裝滲漏儀器時，對滲漏觀測深度150cm以上土壤質地進行調查，分別采集土壤粒度和孔隙度樣品。土壤機械組成利用Malvernmastersizer2000激光粒度儀測定;土壤持水量與田間持水量利用環刀法測定。在灌溉過程中利用LS300-A型便攜式流速測算儀對灌溉水量進行測量。2017年4月17日灌溉211.5mm。
1.3數據處理與分析
1.3.1數據獲取與校正
近年來，EC-5土壤水分傳感器在森林、沙漠等地區均有運用，但是有學者提出EC-5土壤水分傳感器在干旱環境運用時需要對其進行校準。李清河等(2012)在自然條件下考慮多方面因素對EC-5土壤水分傳感器進行了更精確的校正，校正地點為烏蘭布和沙漠，校正點與本研究試驗點相隔20km，自然氣候狀況一致，土壤物理狀況與校正點基本一致，因此可以將其校正方程直接應用于本試驗EC-5傳感器在砂土和粘土中監測的數據，壤土監測數據需根據李清河等(2012)提供的取樣測定方法進行補充校正。即在土壤剖面上每10cm設一個標定點，挖至響應深度，立可埋設EC-5土壤水分傳感器，實時讀取傳感器記錄的數值，同時在附近用環刀取土帶回室內烘干稱重。數據調整后精度達±1%。
期刊推薦：《干旱區資源與環境》Journal of Arid Land Resources and Environment(月刊)1987年創刊，是綜合性學術刊物。特點是綜合性強、審稿快、發文量大，凡研究干旱半干旱甚至季節性干旱區的論文，研究干旱半干旱問題及防治技術的論文，特別是綠洲建設的論文，不論屬于社會科學領域或者自然科學領域均可刊用。有這方面論文投稿需求的作者，可以直接與期刊天空在線編輯聯系。
1.3.2數據處理
試驗數據采用EXCEL和IBMSPSSStatistics19處理分析。
2結果與分析
2.1土壤含水量對灌溉的動態響應
農田土壤水分變化特征決定了作物對水分的吸收利用強度和難易程度，直接影響著農業用水的利用率，對于水資源的持續利用、農業生產的持續發展有著重要的意義。通過研究農田灌溉后土壤水分狀況，可以進一步掌握灌溉水空間分布與轉化規律(觀測期內共有降水42mm，均為無效降水)。
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田各層之間土壤含水量動態變化，逐層分析土壤水分垂直變化特征。表1為監測期間不同土壤類型農田各層土壤含水量統計參數。不同土壤類型農田土壤體積含水量(下稱含水量)從2017年1月1日至6月15日均值看，不同土壤類型農田土壤含水量大小順序依次為:砂土農田<壤土農田<粘土農田，其數值依次為10.43%、14.64%和22.42%。不同土壤類型土壤含水量垂直分布規律為，砂土農田:150cm>5cm>100cm>50cm;壤土農田:5cm>100cm>150cm>50cm;粘土農田:100cm>150cm>5cm>50cm。方差分析結果顯示，各層土壤體積含水量的日平均最大值與最小值之間均達到極顯著性(p<0.01)，表明全年4月17日211.5mm的灌溉水對不同土壤類型農田0～150cm層土壤水分均產生了極顯著影響。
變異系數可比較三組數據自身的離散程度，含水量變異系數越大證明灌溉對含水量影響越大。結合三種土壤含水量變異系數分析，含水量變異程度:砂土農田(25.79%)>壤土農田(21.78%)>粘土農田(18.95%)，表明灌溉對各土壤類型農田0～150cm土層含水量影響大小依次為:砂土農田、壤土農田、粘土農田。不同土壤類型土壤含水量垂直變異程度為，砂土農田:50cm>5cm>100cm>150cm;壤土農田:50cm>5cm>150cm>100cm;粘土:5cm>50cm>100cm>150cm。
由圖2可知不同土壤類型農田土壤水分變化特征。不同土壤類型農田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。三種土壤類型的農田在試驗期間均有兩次較明顯的土壤含水量增高過程，分別在3月和4月。3月份不同土壤類型5cm與50cm土層均出現一次較明顯的增高現象，100cm與150cm土壤含水量均無明顯波動，4月份不同土壤類型農田0～150cm層土壤均出現較大波動，但不同土壤類型農田與不同土層波幅存在差異。
3月份5cm與50cm土層出現一次較明顯的增高現象可能是因為研究區冬季寒冷，11月～3月土壤結凍，且研究區凍土最大下限為84cm(即100cm以下土層無凍土)。因此2017年1月、2月氣溫較低，土壤地表水結凍，降雪對土壤水分的補給以及水分入滲均存在時間差，同時凍融與消融作用會影響土壤水分的傳導過程，從而導致5cm與50cm土層3月份土壤含水量增加[18]。4月份作物生長需要大量水分，但研究區屬干旱區降雨稀少，所以4月份不同土壤類型農田0～150cm層土壤均出現較大波動主要是由于人工灌溉水補給。
2.2不同土壤類型農田深層滲漏量特征
圖3為不同土壤類型農田150cm土層深層滲漏變化特征。不同土壤類型農田在監測期內150cm土層均持續有深層滲漏，但在灌溉后砂土農田與壤土農田的滲漏速率明顯增大，證明211.5mm灌溉量在砂土農田與壤土農田產生深層滲漏損失。砂土農田在灌溉開始后13h出現深層滲漏，滲漏持續了157h，至觀測期結束滲漏量為138.2mm。
壤土農田在灌溉開始后分別在72h出現深層滲漏，至觀測期結束滲漏量為50.6mm。壤土農田在觀測期結束時，滲漏并未結束，為準確估算該次灌溉壤土農田的滲漏總量，可將滲漏最大值(4月27日)至觀測期結束(6月15日)深層滲漏日變化數值進行擬合，可得簡單回歸方程，表達式為: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(d)。回歸方程可決系數R2為0.8497，表現出較好的擬合度。根據擬合方程可估算出該次灌溉造成深層滲漏量總和為74.6mm。粘土農田在灌溉開始后257h出現深層滲漏，至觀測期結束滲漏量為3mm。
砂土農田在灌溉后迅速出現滲漏，滲漏速度先升高后降低，整個過程持續時間短;壤土農田在灌溉到出現滲漏水有一定時間間隔，滲漏總體表現為迅速升高緩慢降低，滲漏持續時間較長;粘土農田滲漏緩慢，灌溉前后滲漏速度變化不大。
3討論
對于降水稀少的西北干旱區而言，人工灌溉是該地區農業生產的關鍵。減少農業灌溉過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，該地區常見三種不同土壤類型農田在播種-拔節期灌溉的211.5mm，均顯著影響了0～150cm土層含水量且在150cm以下土層均出現深層滲漏。試驗區域地處西北干旱區，冬季與春季降水稀少且無灌溉補給，4月份隨著氣溫上升，降水量卻無明顯增大，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根系縱深發展并且抑制禾苗長高，有利于產量的提高[19]。且該時期玉米處于苗期，作物根系主要分布在淺層土壤，深層土壤水分無法直接被玉米利用。因此，苗期灌溉過多不但不利于玉米產量同時會造成水分深層滲漏損失。三種土壤類型農田因自身性質(機械組成、容重、孔隙度等)不同造成在相同灌溉下深層滲漏量的差異。優化灌溉水量可從減少水資源滲漏損失的角度假設當年所有灌溉水均用于作物生長，無其他損失。因此優化灌溉量應為最大限度減少灌溉水滲漏量與當年農田土壤凈蓄水量，因此出苗-拔節期的優化灌水量應該與該時期農田蒸散量相等。
4結論
(1)觀測期內不同土壤類型農田土壤含水量大小順序依次為:砂土農田<壤土農田<粘土農田。4月17日灌溉211.5mm對不同土壤類型0～150cm層土壤含水量均產生顯著影響(p<0.01)，影響大小依次為:砂土農田、壤土農田、粘土農田。
(2)不同土壤類型農田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土層均出現一次較明顯的增高現象，100cm與150cm土壤含水量均無明顯波動，該現象主要由凍融引起;4月份不同土壤類型農田0～150cm層土壤均出現較大波動，但不同土壤類型農田與不同土層波幅存在差異，該現象主要原因是春季灌溉補充土壤水分。
(3)不同土壤類型農田在監測期內150cm土層均持續有深層滲漏，且211.5mm灌溉量使砂土農田與壤土農田深層滲漏量增大，粘土農田無明顯變化。觀測期內砂土農田共產生深層滲漏138.2mm，壤土農田共產生深層滲漏74.6mm，粘土農田共產生深層滲漏3mm。
