地下水淺埋條件下毛烏素沙地農(nóng)田土壤水分動態(tài)特征

高月升 ，董振國 ，朱貴兵

(1.陜西省水務集團有限公司，陜西 西安 710000；2.長安大學公路學院，陜西 西安 710000；3.中國地質(zhì)大學(北京)水資源與環(huán)境學院，北京 100083)

毛烏素沙地位于干旱半干旱地區(qū)，降雨量少，地下水資源相對豐富，種植區(qū)地下水埋深較淺[1，2]。農(nóng)業(yè)是毛烏素沙區(qū)國民經(jīng)濟的主要支撐點，然而水資源嚴重制約著該地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展，由于該地區(qū)在作物生長期內(nèi)降雨并不總能滿足其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，導致作物生長過程中大量的人工漫灌，當?shù)卮址艧o定準的漫灌形式，不僅對埋深較淺的地下水帶來污染風險而且不合理的灌溉亦會造成水資源的浪費。探究農(nóng)田土壤水分動態(tài)特征可為減少人工漫灌、提高灌溉利用率提供科學依據(jù)，因此相關(guān)研究對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動極為重要。

淺埋的地下水與上層土壤水之間通過毛細作用、重力下滲等方式進行著水分遷移互換[3，4]，其動態(tài)過程受降雨、蒸發(fā)、地下水埋深等因素影響[5,6]。目前針對毛烏素沙地地下水淺埋區(qū)土壤內(nèi)水分動態(tài)特征規(guī)律已有大量學者進行研究，但這些研究主要針對生長油蒿、檸條等耐旱植物的土壤[7,8,9]。有關(guān)春玉米等當?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟作物種植過程中的土壤水分動態(tài)特征的研究尚匱乏[10]。

本文針對陜西省榆林市榆陽區(qū)補浪河鄉(xiāng)那泥灘村玉米田，開展農(nóng)田土壤水分動態(tài)特征研究，為農(nóng)田灌溉以及地下水資源保護提供科學合理的依據(jù)。

1 試驗設計

1.1 試驗區(qū)概況

實驗地點位于海流兔河流域榆林市榆陽區(qū)補浪河鄉(xiāng)那泥灘村(圖1)，位置(N38°22′34″，E109°12′48″，H1239m)，屬溫帶大陸性季風氣候，年均降雨量約為 349.37 mm， 多年平均氣溫為 7.6℃， 多年平均水面蒸發(fā)量(200 mm 蒸發(fā)皿)2 035.19 mm。試驗田所在區(qū)域內(nèi)土壤主要為砂質(zhì)土，土質(zhì)疏松，地下水豐富且埋藏較淺，植被主要是沙生植物和農(nóng)作物，農(nóng)作物以春玉米為主。

圖1 試驗區(qū)地理位置

1.2 試驗方案

試驗區(qū)設有2個處理對照區(qū)，為梯度灌溉區(qū)與農(nóng)家漫灌區(qū)。如圖2所示，梯度灌溉區(qū)分為為A、B、C、D、E五個小區(qū)，灌溉水量分別為60 mm、 45 mm、 30 mm、15 mm、 0 mm，每個小區(qū)又分為3～4小塊，每小塊面積均為 25 m2；農(nóng)家漫灌區(qū)為F小區(qū)。本文取B小區(qū)與F小區(qū)進行對照試驗，因不同年份安裝的試驗試驗儀器有所差異，B1、B3、B4小塊各鉆取一個含水率測管，取3處含水率平均值作為B小區(qū)含水率監(jiān)測值；F小區(qū)鉆取3個含水率測管，含水率取其平均值。梯度灌溉區(qū)中間隔水帶安裝一個氣象站，用以監(jiān)測大氣降雨情況。氣象站左右兩側(cè)各鉆取一個地下水埋深觀測孔，用以監(jiān)測B、F小區(qū)的地下水埋深波動情況。

圖2 試驗區(qū)布置

含水率使用北京奧作生態(tài)儀器有限公司生產(chǎn)的Trime含水率傳感器進行采集，從地表10 cm深度至100 cm每隔10 cm作為一個測點，測量頻率一般為每5 d一次，并在灌溉降水前和灌溉降水后的 12 h、24 h、48 h、72 h加測。地下水埋深動態(tài)的監(jiān)測由荷蘭Eijkelkam公司生產(chǎn)的 MiniDiver水位傳感器自動記錄， MiniDiver水位傳感器置于試驗場觀測孔內(nèi)地下水埋深以下，配以 MiniBaro氣壓傳感器進行氣壓校正。氣象站主要用于監(jiān)測降雨量測量頻率為1h一次，由CR1000數(shù)字采集儀自動采集。

研究時段為春玉米的兩次全生育期，時間從2015年4月29日至2016年9月26日。根據(jù)王健等11的研究，將玉米生長階段劃分為播種、出苗、拔節(jié)、抽穗、灌漿、蠟熟、收獲七個階段，因三年玉米品種不同，作物生育期劃分略有不同。表1為試驗區(qū)降雨、灌溉情況匯總。在播種-出苗、出苗-拔節(jié)和蠟熟-收獲期內(nèi)，玉米耗水量較少，在此生育期內(nèi)玉米生長發(fā)育主要靠降雨供給水分；拔節(jié)-抽穗、 抽穗-灌漿和灌漿-蠟熟期，是玉米生長發(fā)育的關(guān)鍵期，也是灌溉的集中期，此生長階段內(nèi)因降雨的不均，所以每年的灌溉量都略有差異；B小區(qū)次灌溉量大，灌溉頻率低，F(xiàn)小區(qū)次灌溉量小，灌溉頻率高，灌溉時間間隙較B處理短。

表1 試驗區(qū)降雨、灌溉情況匯總 mm

2 土壤水分動態(tài)特征規(guī)律分析

土壤含水率變化主要受降水(灌溉)、作物根系吸水、包氣帶水分再分配、淺埋地下水位波動等的影響，同時研究區(qū)由于沙土保水性能弱，所以土壤含水率對降雨和灌溉的響應時間較短。本文根據(jù)2015、2016年土壤含水率的監(jiān)測結(jié)果、降雨灌溉、地下水波動狀況認識含水率的變化監(jiān)測時間范圍分別為： 2015年4月29日-2015年9月27日、2016年4月30日-2016年9月28日。

圖3為2015年田間土壤含水率與地下水埋深動態(tài)變化圖。2015年玉米生育期內(nèi)降雨稀少，全生育期內(nèi)降雨190.7 mm，次最大降雨量為21.2 mm。地下水埋深波動于85.8～144.7 cm之間，于監(jiān)測期內(nèi)6月3日21.2 mm的次降雨量之后水位埋深達到最淺，之后地下水埋深總體呈持續(xù)下降趨勢，直至生育期最后一次灌溉完結(jié)(9月3日)降至最低，之后逐漸恢復。

圖3 2015年田間土壤含水率與地下水埋深動態(tài)變化圖

可以發(fā)現(xiàn)，B、F小區(qū)含水率變化規(guī)律較為相似。0～50 cm土壤含水率隨季節(jié)變化明顯，玉米拔節(jié)期至灌漿期需水量增大，降雨滿足不了作物耗水，灌溉次數(shù)增多，引起其含水率上升；隨著作物生長發(fā)育，作物蒸騰作用增強加之土壤蒸發(fā)耗水導致0-50cm含水率下降，二者綜合作用下0～50 cm土壤含水率雖波動起伏明顯但整體趨于恒定；60 cm以下土壤含水率則主要隨地下水埋深的的變化而變化，在玉米拔節(jié)期之前60 cm以下土壤含水率隨降雨灌溉而增大，拔節(jié)期之后由于灌水頻繁而造成當?shù)氐叵滤裆钕陆?，形成含水率隨地下水埋深的下降而下降的趨勢，在玉米灌漿后期及之后，灌溉減少，地下水埋深逐漸恢復，含水率亦隨之上升。 總體來看， 0～50 cm土壤含水率隨深度增加而減小，50～100 cm土壤含水率隨深度增加而增大。由此可見50深度土壤含水率受降雨、蒸發(fā)、灌溉、地下毛細水上升等作用綜合影響最小。

當?shù)叵滤裆钌禃r，土壤含水率亦會相應變化，但不同深度土壤含水率的變化與地下水埋深波動變化相關(guān)性并不相同。表2為2015年土壤含水率變化規(guī)律與地下水埋深變化規(guī)律相關(guān)系數(shù)?？梢钥闯?，B小區(qū)90 cm、80 cm深度相關(guān)系數(shù)均大于0.9，說明相關(guān)性很強，其中90 cm相關(guān)系數(shù)最大，為0.945，淺層土壤相關(guān)性很弱，10 cm、20 cm為負相關(guān)。F小區(qū)50～80 cm深度相關(guān)系數(shù)均大于0.9，其中70 cm相關(guān)系數(shù)最大，為0.949，淺層土壤相關(guān)性比較弱。由此可見，枯水年深層土壤含水率變化規(guī)律與地下水埋深變化規(guī)律相關(guān)性要比淺層強，但相關(guān)性最強的深度并不是距離地下水埋深最近的土層。

表2 2015年土壤含水率與地下水埋深相關(guān)系數(shù)

圖4為2016年田間土壤含水率與地下水埋深動態(tài)變化圖。2016年玉米生育期內(nèi)降雨繁多，僅生育期內(nèi)降雨量就達到503.5 mm，次最大降雨量達到74.4 mm，自8月14日暴雨之后試驗區(qū)地下水埋深急速上升達到地表以下40 cm左右，毛細水上升到達地表，整個土壤層含水率均居高不下，導致含水率數(shù)據(jù)無法采集，因此2016年缺少8月8日-8月25日含水率數(shù)據(jù)。

圖4 2016年田間土壤含水率與地下水埋深動態(tài)變化圖

2016年春玉米生長期內(nèi)地下水埋深波動于39.4～119.1 cm之間，4月30日至7月7日地下水埋深總體隨著春玉米的生長發(fā)育呈下降趨勢，并于7月7日達到觀測期內(nèi)最深，7月7日之后隨著降雨增多，地下水逐漸上升。

由圖4可知，8月8日前，B小區(qū)10～40 cm土壤含水率隨深度增加而減小，50～100 cm土壤含水率隨深度增加而增大；F小區(qū)0～40 cm土壤含水率較相近，且土壤相對干燥，40-100土壤含水率隨深度增加而增大；8月8日至8月25日因降雨較多，地表積水嚴重，未能采集到含水率數(shù)據(jù)；從8月26日后采集的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)30～100 cm土壤含水率比較相近，且處于高位，10～20 cm土壤含水率相對較少。

表3為2016年土壤含水率變化規(guī)律與地下水埋深變化規(guī)律相關(guān)系數(shù)，由表中可以看出，B小區(qū)10～70 cm深度相關(guān)系數(shù)大于0.9，其中60 cm相關(guān)系數(shù)相關(guān)系數(shù)最大，為0.974，90 cm、100 cm深度相關(guān)性很小，而且為負相關(guān)；F小區(qū)10～40 cm相關(guān)系數(shù)大于0.9，其中40 cm相關(guān)系數(shù)最大，為0.959，深層相關(guān)性很弱，100 cm為負相關(guān)。由此說明，豐水年淺層土壤含水率變化規(guī)律與地下水埋深變化規(guī)律相關(guān)性較強，90 cm、100 cm土壤含水率變化與地下水埋深波動幾乎不相關(guān)。

表3 2016年土壤含水率與地下水埋深相關(guān)系數(shù)

總體分析2015、2016年含水率與地下水埋深變化情況可知，淺層土壤含水率是隨深度增加而變小，深層土壤含水率是隨深度增大而變大，然而深淺層的分界線因不同年份降雨量差異而有所不同，枯水年分界線為50 cm。淺層土壤含水率主要受外界環(huán)境影響，含水率因外界因素的改變而容易產(chǎn)生強烈波動，深層土壤含水率主要受地下水埋深升降影響，變化平穩(wěn)。不同深度的土壤含水率變化規(guī)律與地下水埋深變化規(guī)律的相關(guān)性不同，枯水年深層土壤中相關(guān)性比淺層強，但相關(guān)系數(shù)最大的深度并不是距地下水埋深最近的深度，而是70～90 cm某一深度，不同位置有所差異；豐水年淺層土壤中相關(guān)性比深層強。

3 結(jié)語

根據(jù)2015、2016年農(nóng)田土壤水分動態(tài)變化的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及前面的對比分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)毛烏素沙地種植區(qū)淺層土壤含水率隨深度增加而變小，深層土壤含水率隨深度增加而變大，在枯水年淺層和深層的分界線為50 cm。

(2)淺層土壤含水率變化主要受降雨、蒸發(fā)、灌溉等外界因素影響，含水率波動較大。深層土壤含水率隨地下水埋深的升降而相應地增減，這與地下水毛細上升作用有關(guān)。

(3)枯水年深層土壤含水率變化規(guī)律與地下水埋深變化規(guī)律相關(guān)性比淺層強，但距地下水埋深最近的深度并不是最大；豐水年淺層相關(guān)性比深層強。