武建虎

(山西省運(yùn)城市水文水資源勘測(cè)分局，山西運(yùn)城 044000)

1 農(nóng)田土壤水分變化動(dòng)態(tài)及其特征

農(nóng)田是作物生長(zhǎng)發(fā)育最基本的場(chǎng)所，農(nóng)田土壤水分的大小及其變化動(dòng)態(tài)直接影響作物的生長(zhǎng)與發(fā)育。作物生長(zhǎng)過(guò)程中，長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)高或過(guò)低的農(nóng)田土壤水分中，對(duì)作物的生長(zhǎng)都是不利的［1］－［2］。如果農(nóng)田土壤水分過(guò)高，土壤透氣性將變差，作物根系由于通氣量少水分高，將有可能被腐爛，致使作物無(wú)法正常生長(zhǎng)，甚至死亡;如果農(nóng)田土壤水分過(guò)低，作物根系由于缺水，將有可能因干旱而無(wú)法正常生長(zhǎng)，甚至凋萎致死［1］－［2］。因此，保持農(nóng)田土壤水分處于適宜作物生長(zhǎng)狀態(tài)，是保證作物正常生長(zhǎng)發(fā)育、作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的前提。

1.1 農(nóng)田土壤水分的變化動(dòng)態(tài)

2004、2005年在太谷小灌區(qū)25 km2的監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)，對(duì)農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)以及作物生長(zhǎng)情況進(jìn)行了全面監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)資料表明:不同深度農(nóng)田土壤含水量變化具有相似的波動(dòng)曲線。特別是10 cm深度的土壤含水量，在降雨和蒸散發(fā)的交替作用下，不斷發(fā)生變化，降雨期土壤含水量增加，無(wú)雨期，在蒸散發(fā)作用下，土壤含水量緩慢減少，呈現(xiàn)出和降雨周期相似周期性波動(dòng)。土壤深度越小，波動(dòng)越明顯，土壤深度越大。含水量變化越平緩，30 cm深度的土壤含水量波動(dòng)已經(jīng)很小，60 cm深度的土壤含水量基本平穩(wěn)。2005年無(wú)作物覆蓋(自然)條件下0～60 cm深度農(nóng)田土壤平均含水動(dòng)態(tài)以及降雨動(dòng)態(tài)見圖1，小麥、玉米、高粱、大豆等作物覆蓋條件下0～60 cm深度農(nóng)田土壤平均含水動(dòng)態(tài)見圖2，作物生長(zhǎng)期農(nóng)田土壤含水特征見表1。

圖1 2005年無(wú)作物覆蓋(自然)條件下的農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)

圖2 2005年不同作物覆蓋條件的下農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)

2005年無(wú)論有無(wú)作物覆蓋、無(wú)論何種作物，農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)均呈現(xiàn)出劇烈的季節(jié)性變化。無(wú)作物覆蓋(自然)條件下的農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)，在春季的3、4月份基本能維持在適宜作物生長(zhǎng)含水量24.0%附近，5月進(jìn)入夏季以后，農(nóng)田土壤水分急劇下降，8月份由于降雨較多，土壤水分才有所增大，5～9月農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)形成了一個(gè)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的下凹曲線。年內(nèi)有近80%的時(shí)間土壤水分低于適宜作物生長(zhǎng)土壤含水量。土壤含水量最大值27.8%、最小值14.2%。土壤平均含水量在小麥生長(zhǎng)的3～6月為21.8%，在秋作物生長(zhǎng)的5～9月為19.6%，兩個(gè)時(shí)段的土壤平均含水量均小于適宜作物生長(zhǎng)含水量。

作物覆蓋條件下的農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài):種植小麥的農(nóng)田土壤水分從3月小麥返青開始就一路走低，3、4月份人為灌水的影響，使農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)曲線形成兩個(gè)峰值，到6月份小麥成熟時(shí)農(nóng)田土壤平均含水量27.1%，最大值33.3%、最小值22.0%，高于無(wú)作物覆蓋(自然)條件下的同期土壤平均含水量。生長(zhǎng)期內(nèi)，有近75%的時(shí)間土壤含水量維持在適宜作物生長(zhǎng)含水量附近，保證了小麥的正常生長(zhǎng)。種植玉米的農(nóng)田在玉米的整個(gè)生長(zhǎng)期5～9月內(nèi)，同樣由于人為灌溉的作用，土壤平均含水量27.3%，土壤最大含水量33.6%、最小含水量19.6%，生長(zhǎng)期內(nèi)，有近90%的時(shí)間土壤含水量基本維持在適宜作物生長(zhǎng)含水量附近，保證了玉米的正常生長(zhǎng)。而與玉米同期種植的高粱和黃豆，由于沒有灌溉，農(nóng)田土壤水分變化與無(wú)作物覆蓋(自然)條件下的基本一致。高粱農(nóng)田土壤平均含水量?jī)H為22.4%，最大值32.7%、最小值僅有19.2%，生長(zhǎng)期內(nèi)僅有近一半的時(shí)間土壤含水量維持在

適宜作物生長(zhǎng)含水量附近，一定程度上影響了高梁的正常生長(zhǎng)。黃豆農(nóng)田土壤平均含水量20.5%，最大值26.9%、最小值15.0%，生長(zhǎng)期內(nèi)僅有近20%的時(shí)間土壤含水量維持在適宜作物生長(zhǎng)含水量附近，嚴(yán)重影響了黃豆的正常生長(zhǎng)?？傮w上看，灌溉改變了農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)，有灌溉的農(nóng)田土壤水分整體高無(wú)灌溉的。在排除人為灌溉的影響后，不同作物覆蓋的農(nóng)田土壤水分在時(shí)間上與無(wú)作物覆蓋的農(nóng)田土壤水分呈基本相似的變化趨勢(shì);并且有作物覆蓋土壤的持水能力高于無(wú)作物覆蓋的;高桿作物農(nóng)田土壤的持水能力高于低桿作物。

表1 作物生長(zhǎng)期農(nóng)田土壤水分特征統(tǒng)計(jì)

1.2 農(nóng)田土壤水分的年內(nèi)和年際變化

2004、2005年同種作物農(nóng)田土壤(0～60 cm土層)水分動(dòng)態(tài)對(duì)照見圖3。由圖3可知，由于受降水(灌溉)和蒸散發(fā)的影響，同種作物的農(nóng)田土壤水分隨年內(nèi)季節(jié)和年際變化而變化。年份不同、農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)不同;同一年份內(nèi)，季節(jié)不同，農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)也不同。2004年種植小麥、玉米、高粱、黃豆的農(nóng)田土壤平均含水量分別為 31.9%、32.8%、23.2%和 22.5%，而 2005 年為 27.1%、27.3%、22.4% 和20.5%，2004年的農(nóng)田土壤含水量普遍高于2005年，說(shuō)明農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)是隨年際變化的。土壤水分的年內(nèi)變化則更為明顯，無(wú)論種植何種作物，在作物生長(zhǎng)期內(nèi)，隨著季節(jié)和作物的生長(zhǎng)，蒸散發(fā)量逐漸增大，土壤含水量不斷下降，只有在有降水、灌溉和作物基本成熟時(shí)，土壤含水量才有所增加。因此，農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)出了上下波動(dòng)狀態(tài)，波動(dòng)情況取決于年內(nèi)季節(jié)變化、降水、灌溉和蒸散發(fā)情況。

圖3 2004、2005年同種作物農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)對(duì)照?qǐng)D

2 影響農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)的主要因素

影響農(nóng)田土壤水分變化的因素有兩方面，一方面是自然因素，另一方面是人為因素。自然因素對(duì)農(nóng)田土壤水分的影響是持續(xù)的、不斷的，是客觀因素;人為因素對(duì)農(nóng)田土壤水分的影響是間斷的、有時(shí)間性，是輔助因素。自然因素中，氣象因子降水和蒸散發(fā)是影響農(nóng)田土壤水分的主要因素;人為因素中，農(nóng)田灌溉、作物種植種類以及種植密度是影響農(nóng)田土壤水分的主要因素。

2.1 降水和蒸散發(fā)對(duì)農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)的影響

根據(jù)水量平衡原理，對(duì)于每個(gè)地下水面以上的土壤柱而言，在某段時(shí)間內(nèi)的水量平衡方程為:

式中:P為降水量(mm);Cg為地下水毛細(xì)上升量(mm);Pg為土壤水對(duì)地下水入滲量(mm);ET為蒸散發(fā)量(mm);△S為土壤蓄存水量變化量(mm)。于是有:

由上式可知，土壤蓄存水量不僅與降水、蒸散發(fā)有關(guān)，而且還與發(fā)生在土壤水—地下水界面上的水分轉(zhuǎn)化包括地下水毛細(xì)上升量和土壤水對(duì)地下水入滲量有關(guān)。有關(guān)文獻(xiàn)研究表明:地下水毛細(xì)上升量微小，僅在地下水淺埋深時(shí)存在，并隨地下水埋深的加大而減少;土壤水對(duì)地下水入滲量稍多，但最大也僅占土壤水總消耗的8.0%左右;土壤水和地下水的交換非常緩慢，當(dāng)?shù)叵滤裆钤诖笥?.5 m時(shí)，地下水對(duì)0～60 cm深度土壤水分動(dòng)態(tài)沒有明顯的影響［3］。監(jiān)測(cè)區(qū)地下水埋深在25～40 m之間，因此，土壤水和地下水的交換幾乎為零，土壤水量平衡的主要要素為降水量和蒸散發(fā)量。土壤蒸散發(fā)消耗的水分主要來(lái)源是降水。在降雨后農(nóng)田土壤含水動(dòng)態(tài)呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，在兩次降雨期間，農(nóng)田土壤含水動(dòng)態(tài)呈減少態(tài)勢(shì)。農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)變化主要驅(qū)動(dòng)力是短瞬降雨作用和長(zhǎng)時(shí)間蒸散發(fā)作用的交替進(jìn)行。

2.2 灌溉對(duì)農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)的影響

農(nóng)田灌溉是除降雨外農(nóng)田土壤水分增長(zhǎng)的又一來(lái)源，是為了減少作物受旱而采取的必要的田間管理措施。從前面的分析知道，農(nóng)田灌溉對(duì)農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)的影響是明顯的［4］，它可以改變土壤墑情，促進(jìn)作物生長(zhǎng)。農(nóng)田灌溉的水量和時(shí)間一般是由農(nóng)民根據(jù)氣候和所種 作物對(duì)水分的要求決定的，年灌溉次數(shù)與降水量的年內(nèi)分配有關(guān)，灌溉定額沒有限制，完全出自經(jīng)驗(yàn)灌溉。因此，農(nóng)田灌溉對(duì)農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)的影響是人為的、間斷的和有時(shí)間性的。根據(jù)監(jiān)測(cè)資料，對(duì)同種作物(春玉米)有灌溉與無(wú)灌條件下(灌溉日期為7月2日)的農(nóng)田土壤含水動(dòng)態(tài)進(jìn)行了分析(見圖4)。由該圖可以看出，農(nóng)田均無(wú)灌溉時(shí)，有灌溉與無(wú)灌條農(nóng)田的土壤含水動(dòng)態(tài)呈平穩(wěn)且相似的變化趨勢(shì)，當(dāng)其中的一塊農(nóng)田灌溉后，其土壤含水量比無(wú)灌溉的農(nóng)田明顯增大，維持一段時(shí)間后，兩塊農(nóng)田的土壤含水動(dòng)態(tài)變化又基本趨于一致。農(nóng)田灌溉的作用不但及時(shí)補(bǔ)充了土壤水分，緩解了作物旱情，而且使土壤水分較長(zhǎng)時(shí)間的維持在了適宜作物生長(zhǎng)的土壤含水量之上，保證了作物的正常生長(zhǎng)。

圖4 春玉米有灌溉與無(wú)灌溉條件農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)

2.3 作物種植密度對(duì)農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)的影響

作物種植密度的大小，影響作物單位面積的株數(shù)以及蒸散發(fā)量的大小。同種作物種植密度不同時(shí)，農(nóng)田土壤含水動(dòng)態(tài)會(huì)有很大差異。圖5即為2005年春玉米不同種植密度的農(nóng)田土壤含水動(dòng)態(tài)對(duì)照?qǐng)D。由該圖可以看出，定苗前，由于作物種植密度基本相同，苗期的蒸騰量也不大，農(nóng)田土壤含水動(dòng)態(tài)比較接近。定苗后，由于作物種植密度不同，隨著作物生長(zhǎng)，需水和耗水有了很大差異，使土壤含水動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)出明顯的層次變化。在作物生長(zhǎng)最旺盛期，大密度的農(nóng)田，作物相對(duì)密集，覆蓋度較大，抑制了土壤蒸發(fā)，其土壤含水動(dòng)態(tài)超過(guò)了比它密度稍小的農(nóng)田。隨著作物的成熟，枝葉枯萎和凋零，覆蓋度減小，大密度作物的土壤蒸發(fā)恢復(fù)，又呈現(xiàn)出按作物密度由小到大，土壤含水動(dòng)態(tài)由大到小的分層變化。總之，作物種植密度，一方面影響作物的散發(fā)量，另一方面影響土壤的蒸發(fā)量，并且隨著作物的生長(zhǎng)過(guò)程的變化而變化，對(duì)農(nóng)田土壤水分的動(dòng)態(tài)變化影響很大。

圖5 作物(春玉米)不同密度土壤水分動(dòng)態(tài)

3 結(jié)論

農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)在自然因素和人為因素的作用下，處于上下波動(dòng)狀態(tài)，埋深越淺，波動(dòng)越明顯。并且具有年內(nèi)季節(jié)性和年際變化特征。它的變化不僅與降水、蒸散發(fā)有關(guān)，而且與田間有無(wú)種植作物、作物種植種類、作物種植密度以及有無(wú)灌溉有關(guān)。灌溉改變了農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)，改善了作物生長(zhǎng)環(huán)境。農(nóng)田土壤水分就是在短瞬降雨、灌溉和長(zhǎng)時(shí)間蒸散發(fā)的交替作用下，發(fā)生著動(dòng)態(tài)變化，供給著作物的生長(zhǎng)。

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