地下水浅埋条件下毛乌素沙地农田土壤水分动态特征

2021-07-05高月升董振国朱贵兵

地下水 2021年3期

高月升，董振国，朱贵兵

(1.陕西省水务集团有限公司，陕西西安 710000；2.长安大学公路学院，陕西西安 710000；3.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083)

毛乌素沙地位于干旱半干旱地区，降雨量少，地下水资源相对丰富，种植区地下水埋深较浅[1，2]。农业是毛乌素沙区国民经济的主要支撑点，然而水资源严重制约着该地区的农业发展，由于该地区在作物生长期内降雨并不总能满足其农业生产的需要，导致作物生长过程中大量的人工漫灌，当地粗放无定准的漫灌形式，不仅对埋深较浅的地下水带来污染风险而且不合理的灌溉亦会造成水资源的浪费。探究农田土壤水分动态特征可为减少人工漫灌、提高灌溉利用率提供科学依据，因此相关研究对农业生产活动极为重要。

浅埋的地下水与上层土壤水之间通过毛细作用、重力下渗等方式进行着水分迁移互换[3，4]，其动态过程受降雨、蒸发、地下水埋深等因素影响[5,6]。目前针对毛乌素沙地地下水浅埋区土壤内水分动态特征规律已有大量学者进行研究，但这些研究主要针对生长油蒿、柠条等耐旱植物的土壤[7,8,9]。有关春玉米等当地农业经济作物种植过程中的土壤水分动态特征的研究尚匮乏[10]。

本文针对陕西省榆林市榆阳区补浪河乡那泥滩村玉米田，开展农田土壤水分动态特征研究，为农田灌溉以及地下水资源保护提供科学合理的依据。

1 试验设计

1.1 试验区概况

实验地点位于海流兔河流域榆林市榆阳区补浪河乡那泥滩村(图1)，位置(N38°22′34″，E109°12′48″，H1239m)，属温带大陆性季风气候，年均降雨量约为 349.37 mm，多年平均气温为 7.6℃，多年平均水面蒸发量(200 mm 蒸发皿)2 035.19 mm。试验田所在区域内土壤主要为砂质土，土质疏松，地下水丰富且埋藏较浅，植被主要是沙生植物和农作物，农作物以春玉米为主。

图1 试验区地理位置

1.2 试验方案

试验区设有2个处理对照区，为梯度灌溉区与农家漫灌区。如图2所示，梯度灌溉区分为为A、B、C、D、E五个小区，灌溉水量分别为60 mm、 45 mm、 30 mm、15 mm、 0 mm，每个小区又分为3～4小块，每小块面积均为 25 m2；农家漫灌区为F小区。本文取B小区与F小区进行对照试验，因不同年份安装的试验试验仪器有所差异，B1、B3、B4小块各钻取一个含水率测管，取3处含水率平均值作为B小区含水率监测值；F小区钻取3个含水率测管，含水率取其平均值。梯度灌溉区中间隔水带安装一个气象站，用以监测大气降雨情况。气象站左右两侧各钻取一个地下水埋深观测孔，用以监测B、F小区的地下水埋深波动情况。

图2 试验区布置

含水率使用北京奥作生态仪器有限公司生产的Trime含水率传感器进行采集，从地表10 cm深度至100 cm每隔10 cm作为一个测点，测量频率一般为每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加测。地下水埋深动态的监测由荷兰Eijkelkam公司生产的 MiniDiver水位传感器自动记录， MiniDiver水位传感器置于试验场观测孔内地下水埋深以下，配以 MiniBaro气压传感器进行气压校正。气象站主要用于监测降雨量测量频率为1h一次，由CR1000数字采集仪自动采集。

研究时段为春玉米的两次全生育期，时间从2015年4月29日至2016年9月26日。根据王健等11的研究，将玉米生长阶段划分为播种、出苗、拔节、抽穗、灌浆、蜡熟、收获七个阶段，因三年玉米品种不同，作物生育期划分略有不同。表1为试验区降雨、灌溉情况汇总。在播种-出苗、出苗-拔节和蜡熟-收获期内，玉米耗水量较少，在此生育期内玉米生长发育主要靠降雨供给水分；拔节-抽穗、抽穗-灌浆和灌浆-蜡熟期，是玉米生长发育的关键期，也是灌溉的集中期，此生长阶段内因降雨的不均，所以每年的灌溉量都略有差异；B小区次灌溉量大，灌溉频率低，F小区次灌溉量小，灌溉频率高，灌溉时间间隙较B处理短。

表1 试验区降雨、灌溉情况汇总 mm

2 土壤水分动态特征规律分析

土壤含水率变化主要受降水(灌溉)、作物根系吸水、包气带水分再分配、浅埋地下水位波动等的影响，同时研究区由于沙土保水性能弱，所以土壤含水率对降雨和灌溉的响应时间较短。本文根据2015、2016年土壤含水率的监测结果、降雨灌溉、地下水波动状况认识含水率的变化监测时间范围分别为： 2015年4月29日-2015年9月27日、2016年4月30日-2016年9月28日。

图3为2015年田间土壤含水率与地下水埋深动态变化图。2015年玉米生育期内降雨稀少，全生育期内降雨190.7 mm，次最大降雨量为21.2 mm。地下水埋深波动于85.8～144.7 cm之间，于监测期内6月3日21.2 mm的次降雨量之后水位埋深达到最浅，之后地下水埋深总体呈持续下降趋势，直至生育期最后一次灌溉完结(9月3日)降至最低，之后逐渐恢复。

图3 2015年田间土壤含水率与地下水埋深动态变化图

可以发现，B、F小区含水率变化规律较为相似。0～50 cm土壤含水率随季节变化明显，玉米拔节期至灌浆期需水量增大，降雨满足不了作物耗水，灌溉次数增多，引起其含水率上升；随着作物生长发育，作物蒸腾作用增强加之土壤蒸发耗水导致0-50cm含水率下降，二者综合作用下0～50 cm土壤含水率虽波动起伏明显但整体趋于恒定；60 cm以下土壤含水率则主要随地下水埋深的的变化而变化，在玉米拔节期之前60 cm以下土壤含水率随降雨灌溉而增大，拔节期之后由于灌水频繁而造成当地地下水埋深下降，形成含水率随地下水埋深的下降而下降的趋势，在玉米灌浆后期及之后，灌溉减少，地下水埋深逐渐恢复，含水率亦随之上升。总体来看， 0～50 cm土壤含水率随深度增加而减小，50～100 cm土壤含水率随深度增加而增大。由此可见50深度土壤含水率受降雨、蒸发、灌溉、地下毛细水上升等作用综合影响最小。

当地下水埋深升降时，土壤含水率亦会相应变化，但不同深度土壤含水率的变化与地下水埋深波动变化相关性并不相同。表2为2015年土壤含水率变化规律与地下水埋深变化规律相关系数。可以看出，B小区90 cm、80 cm深度相关系数均大于0.9，说明相关性很强，其中90 cm相关系数最大，为0.945，浅层土壤相关性很弱，10 cm、20 cm为负相关。F小区50～80 cm深度相关系数均大于0.9，其中70 cm相关系数最大，为0.949，浅层土壤相关性比较弱。由此可见，枯水年深层土壤含水率变化规律与地下水埋深变化规律相关性要比浅层强，但相关性最强的深度并不是距离地下水埋深最近的土层。

表2 2015年土壤含水率与地下水埋深相关系数

图4为2016年田间土壤含水率与地下水埋深动态变化图。2016年玉米生育期内降雨繁多，仅生育期内降雨量就达到503.5 mm，次最大降雨量达到74.4 mm，自8月14日暴雨之后试验区地下水埋深急速上升达到地表以下40 cm左右，毛细水上升到达地表，整个土壤层含水率均居高不下，导致含水率数据无法采集，因此2016年缺少8月8日-8月25日含水率数据。

图4 2016年田间土壤含水率与地下水埋深动态变化图

2016年春玉米生长期内地下水埋深波动于39.4～119.1 cm之间，4月30日至7月7日地下水埋深总体随着春玉米的生长发育呈下降趋势，并于7月7日达到观测期内最深，7月7日之后随着降雨增多，地下水逐渐上升。

由图4可知，8月8日前，B小区10～40 cm土壤含水率随深度增加而减小，50～100 cm土壤含水率随深度增加而增大；F小区0～40 cm土壤含水率较相近，且土壤相对干燥，40-100土壤含水率随深度增加而增大；8月8日至8月25日因降雨较多，地表积水严重，未能采集到含水率数据；从8月26日后采集的数据可以发现30～100 cm土壤含水率比较相近，且处于高位，10～20 cm土壤含水率相对较少。

表3为2016年土壤含水率变化规律与地下水埋深变化规律相关系数，由表中可以看出，B小区10～70 cm深度相关系数大于0.9，其中60 cm相关系数相关系数最大，为0.974，90 cm、100 cm深度相关性很小，而且为负相关；F小区10～40 cm相关系数大于0.9，其中40 cm相关系数最大，为0.959，深层相关性很弱，100 cm为负相关。由此说明，丰水年浅层土壤含水率变化规律与地下水埋深变化规律相关性较强，90 cm、100 cm土壤含水率变化与地下水埋深波动几乎不相关。

表3 2016年土壤含水率与地下水埋深相关系数

总体分析2015、2016年含水率与地下水埋深变化情况可知，浅层土壤含水率是随深度增加而变小，深层土壤含水率是随深度增大而变大，然而深浅层的分界线因不同年份降雨量差异而有所不同，枯水年分界线为50 cm。浅层土壤含水率主要受外界环境影响，含水率因外界因素的改变而容易产生强烈波动，深层土壤含水率主要受地下水埋深升降影响，变化平稳。不同深度的土壤含水率变化规律与地下水埋深变化规律的相关性不同，枯水年深层土壤中相关性比浅层强，但相关系数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，不同位置有所差异；丰水年浅层土壤中相关性比深层强。