冷浸田地下水位與農(nóng)田小氣候生境特征研究*

王 飛，李清華，林營志，林 誠，林新堅，劉玉潔

冷浸田為福建省一種特殊的中低產(chǎn)田，屬潛育性水稻土，面積約16.7萬hm2，約占全省耕地總面積的12.0%[1]。與黃泥田、沙漏田等福建中低產(chǎn)田土壤類型不同，冷浸田土壤有機質(zhì)含量高，預示著其增產(chǎn)潛力較大，如能對冷浸田進行科學的改造利用，對于提升福建農(nóng)田生產(chǎn)力、提高福建水稻總產(chǎn)，進而緩解福建十分緊張的人地矛盾具有現(xiàn)實的意義。冷浸田改良的目標是向灰黃泥田、灰泥田或烏泥田等較高生產(chǎn)水平的農(nóng)田土壤類型演變，因而對冷浸田的治理首先應建立在摸清冷浸田生境條件的基礎上，尤其是要掌握同一流域分布的冷浸田與非冷浸田生境的差異，包括地下水位發(fā)生的變化、農(nóng)田小氣候等特點，以提出針對性的治理措施。為此，本研究以福建閩侯典型冷浸田為例，通過農(nóng)田地下水位監(jiān)測裝置與野外自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)開展連續(xù)監(jiān)測比較，以期明確同一小流域內(nèi)冷浸田與非冷浸田的地下水位與農(nóng)田小氣候生境特征及其差異，進而為冷浸田改良提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

研究區(qū)位于福建閩侯縣農(nóng)業(yè)部福建耕地保育科學觀測實驗站。地理位置為 119°04′E，26°13′N，區(qū)域年平均溫度19.5℃，年均降雨量1350.9 mm，蒸發(fā)量1495.1mm，年日照時數(shù)：1812.5 h，年無霜期311 d，≥10℃的活動積溫6422℃。該區(qū)域處于福建南亞熱帶與中亞熱帶過渡區(qū)，分布有水田、旱地、經(jīng)濟林果等多種生態(tài)系統(tǒng)。土壤成土母質(zhì)為低丘紅壤坡積物、殘積物與沖積物。小流域內(nèi)灰泥田（非冷浸田）所處的位置為山前平原，平坦開闊，田塊規(guī)整，而冷浸田則分布于山壟谷地，兩側(cè)山高林蔭，田塊狹小破碎。

1.2 研究方法

以灰泥田為對照，分別在灰泥田與冷浸田上安裝設立TRM-ZS2型農(nóng)田小氣候自動氣象站（錦州陽光氣象科技有限公司生產(chǎn)），自動監(jiān)測環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、地溫、光合有效輻射等農(nóng)田小氣象要素。另在灰泥田與冷浸田觀測點分別安裝農(nóng)田地下水位監(jiān)測裝置（課題組試制ZL201120062566.9）。監(jiān)測管由PVC管材制作而成，其筒狀體長150cm，上開口設有密封蓋，筒狀體下部周側(cè)開設有滲水孔，滲水孔外圍包覆有防止?jié)B水孔堵塞的棕毛濾網(wǎng)。埋管時，管體埋入田面下100cm，管體露出田面50cm，并將周圍土壤沿管體堆高，防止受地表徑流影響，監(jiān)測每10d 1次。農(nóng)田自動氣象站與地下水位測管監(jiān)測時間為2011年5月至2013年4月。四季的劃分方法以公歷3月-5月為春季，6月-8月為夏季，9月-11月為秋季，12月至次年2月為冬季[2]。

于2012年春季，測定二者土壤類型地下水還原性物質(zhì)總量與Fe2+。還原性物質(zhì)總量采用硫酸鋁溶液浸-重鉻酸鉀溶液容量法測定，F(xiàn)e2+采用硫酸鋁溶液浸，光度法測定[3]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理采用Excel進行平均數(shù)與標準差計算，并利用DPS統(tǒng)計軟件進行t檢驗分析[4]。

2 結果與分析

2.1 農(nóng)田地下水位變化與化學成分特征

對發(fā)育于同一流域山垅田的冷浸田與發(fā)育于平洋田的灰泥田連續(xù)兩年的地下水位監(jiān)測結果表明（圖1），2011年5月至2013年4月，灰泥田地下水位變化范圍為地表之下1.1-48.0cm，平均23.4cm，而相應的山垅冷浸田地下水位變化范圍為地表之上17.3-36.3cm，平均25.9cm，較灰泥田地下水位平均高49.3cm。從季節(jié)性變化來看，冷浸田春季、夏季、秋季、冬季的地下水位分別為地表之上28.6cm、31.9cm、22.3cm、20.8cm,比灰泥田分別高出41.3cm、46.8cm、63.3cm、46.1cm。從中也可看出，冷浸田地下水位波動較小，且長期漬水于地表之上10-40cm，導致土壤長期處于還原狀態(tài)，而非冷浸田地下水位波動較大，變化于地表之下0-50cm，土壤常處于干濕交替狀態(tài)，從而有利于土壤滲育或潴育化過程，這是灰泥田與冷浸田土壤發(fā)生過程的主要差異。

圖1 農(nóng)田地下水位動態(tài)變化

高濃度的Fe2+脅迫能明顯抑制水稻地上部和根系的生長、降低下位葉片葉綠素含量[5]。對灰泥田與冷浸田地下水還原性物質(zhì)總量與Fe2+監(jiān)測表明（表1），冷浸田地下水還原性物質(zhì)總量與Fe2+含量均高于灰泥田，其中還原性物質(zhì)總量是灰泥田的2.8倍，F(xiàn)e2+是非冷浸田的1.8倍，從中表明，與灰泥田相比，冷浸田高地下水位也伴隨著水質(zhì)的強還原性特征。

表1 冷浸田與灰泥田地下水化學特征比較

2.2 光合有效輻射變化特征

光合有效輻射是太陽輻射中能被綠色植物用來進行光合作用的那部分能量，他是植物生命活動、有機物質(zhì)合成和產(chǎn)量形成的能量來源[6]。連續(xù)兩年的監(jiān)測結果表明（表2），同一流域冷浸田與灰泥田的光合有效輻射呈顯著差異，冷浸田的光合有效輻射年均值較灰泥田降低20.9w/m2,降幅26.9%。另從福建單季稻區(qū)水稻生育期（6-10月）來看，冷浸田水稻生育期平均光合有效輻射較灰泥田降低48.2w/m2,降幅39.0%，降幅明顯高于年均值。冷浸田光合有效輻射較低，這主要與周圍山地對谷地冷浸田的遮蔽作用而影響光照有關。

表2 冷浸田與灰泥田光合有效輻射量比較 （單位：w/m2）

2.3 環(huán)境溫、濕度變化特征

環(huán)境溫度監(jiān)測結果表明（表3），相近區(qū)域冷浸田與灰泥田環(huán)境氣溫無明顯差異，但從福建單季稻區(qū)6-10月水稻生育期來看，冷浸田較灰泥田6-10月的平均氣溫降低0.6℃，這可能對谷地冷浸田的水稻生長造成一定影響。

從環(huán)境濕度來看（表4），冷浸田的環(huán)境濕度明顯高于灰泥田，其年均環(huán)境相對濕度較灰泥田高出3.2%，可能原因是：一方面冷浸田所處山地陰蔽，水氣不易散發(fā)，另一方面冷浸田長年處于土壤水分飽和狀態(tài)，受水面蒸發(fā)的影響，水分易 逸入空氣而形成較高的空氣濕度。

表3 冷浸田與灰泥田環(huán)境溫度比較(單位：℃)

表4 冷浸田與灰泥田環(huán)境相對濕度比較 （單位：%）

2.4 土壤溫度變化特征

監(jiān)測表明（表5），冷浸田與灰泥田年平均地表溫度、5cm地溫、10cm地溫、15cm地溫差異不明顯，但從單季稻區(qū)水稻生育期來看，同一流域6-10月的冷浸田平均地溫均低于灰泥田的，其地表溫度、5cm地溫、10cm地溫、15cm地溫分別比灰泥田低0.4℃、0.4℃、0.5℃、0.6℃。另從表中可看出，水稻生育期地溫差異主要表現(xiàn)在9-10月期間，時值水稻抽穗、灌漿至成熟期，上述冷浸田與灰泥田不同深度地溫分別相差0.7℃、0.8℃、0.8℃、1.0℃，均高于生育期各平均地溫差異。對于福建中晚稻而言，生育前期6-7月份氣溫較高，溫度并不構成水稻生長的限制因子，而生育后期抽穗至灌漿為產(chǎn)量形成的關鍵時期，此間，氣溫由高漸低，水稻易受寒露風的威脅，冷浸田水稻生育后期降溫快，可能對水稻光合產(chǎn)物的積累生產(chǎn)造成不利影響[7]。

表5 冷浸田與灰泥田土壤溫度比較 （單位：℃）

綜合上述,與相應的非冷浸田生境特征相比,山壟冷浸田具有如下特點：地下水位高、波動小并伴隨強還原性，光合有效輻射較低與水稻生育后期地溫下降較快，這可能是冷浸田生產(chǎn)力低下的綜合原因。基于冷浸田生境特征，應從工程與農(nóng)藝措施等方面開展綜合治理與高效利用。

3 基于小氣候生境特征的改造利用對策

3.1 福建冷浸田高地下水位成因分析

本研究通過定位比較的方法，比較了同一流域不同地形發(fā)育的冷浸田與非冷浸田地下水位變化差異，結果表明，灰泥田地下水位波動較大，主要發(fā)生在地表之下0-50cm，而相應的冷浸田地下水位波動較小,主要分布在地表之上10-40cm。冷浸田高地下水位也伴隨著水質(zhì)的強還原性特征，這可能是導致冷浸田生產(chǎn)力低下的首要原因。相關研究也表明，冷浸田的基礎地力貢獻率要比非冷浸田低6.8%-7.0%[8]。從福建山區(qū)冷浸田形成原因來看，可能有以下幾點，一是福建屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，雨量充沛，由于集水面積大，降雨的地面水和豐富的地下水向洼地匯集；二是從發(fā)生地理位置來看，冷浸田多發(fā)生于山壟谷地，地形起伏狹窄，開陽率（垅開闊度/垅相對高度）多小于5[9]，山高林蔭日蔽，日照時數(shù)短，蒸散條件差；三是從水文特性來看，冷浸田受地下冷泉水影響，或測滲水多，甚至溢出地表淹灌稻田；四是人為管理方式粗放，大水漫灌與浸水過冬?？傊?，自然因素與人為管理不善的綜合作用導致了福建山區(qū)冷浸田的形成與分布，這有別于我國沿湖區(qū)的冷浸田形成原因。

3.2 排水工程，削減水害

福建冷浸田多分布于山前傾斜平原交接洼地，受地表水與地下水混合，串排串灌，常年澇漬，水位高，土壤表層或整個土體潛育化，造成土壤耕性不良，生產(chǎn)力低下。因而冷浸田治理首先應做好排水工程。根據(jù)課題組對上世紀80年代以來的福建冷浸田治理典型工程的調(diào)查總結，冷浸田開溝工程的方式類型如下：

3.2.1 按開溝工程的功能類型分 ①截洪溝（防洪溝）：沿山坑周圍的坡麓山田交界處開挖排洪溝，截洪防入侵，可達到洪水不進田的效果。②導泉溝：指在山垅低洼地，支垅交匯處，坡腳泉眼涌出處，挖一深溝，在地下水未溢出田面之前，攔截地下水并導向排水溝，達到冷泉水、毒銹水引出田的效果。③排水溝：排水溝是以排除田面積水、導出冷泉水、毒銹水、降低地下水位為目的。含干、支、斗、農(nóng)排水溝，或排灌兩用溝，排水溝的大小、密度應根據(jù)山壟大小、地下泉水量及泉眼密度而定。④輪灌溝：輪灌溝一般是在排水溝的基礎上布置的，含斗渠、農(nóng)渠或灌排兩用渠，主要是改變直流漫灌（串灌）為迂回水路引水輪灌。通常與修筑山塘水庫等水源工程相結合。

3.2.2 按開溝工程的方式類型分 ①明溝模式：a.全省截洪溝一般采用明溝工程，溝寬1m，溝深0.4-0.8m左右。b.排泉溝的明溝工程：一般溝寬0.3-0.5m，深1m。c.排水溝的明溝工程：一般主干溝溝寬0.8-1.5m，深1-1.5m,壟頂窄淺，壟口寬深，溝距一般40-50m，即通常所說的剖腹溝。一些地方還配套建有田間排水支溝，壟面較窄的呈“十”字形溝，壟面較寬的開“艸”或“井”或“非”字形溝，做到溝溝相通。田間排水支溝一般寬0.5-0.8m,深0.7-1.0m。d.輪灌溝一般采用明溝模式，斷面呈U形或梯形或矩形,渠高一般15-40cm，寬視來水量而定。

②暗管模式:暗管改造爛泥田具有省工、省本、減少投資、不占耕地等優(yōu)點，較適用于小片深腳爛泥田的改造。暗管主要排除地下水或冷泉水。在進行工程改造過程中，遇到遠離主溝的泉眼或典型的小片深腳爛泥田，難以進行石砌溝的田塊，多采用暗管模式。暗管主要采用瓦管、波紋管等材料，一般埋深0.9-1.2m，兩條管之間不小于60m。

在一些地方，在埋暗管的同時，還結合設暗井，通常20m左右設一個暗井，可經(jīng)常性清理井底下沉淀泥土，以防泥土流入管內(nèi)造成堵塞。暗管萬一堵塞，亦可在暗井兩頭進行疏通工作，以恢復其正常使用。

③明溝+暗管組合模式:對一些冷浸田面積大、壟口開闊的區(qū)域，冷浸田治理通常以明溝與暗管組合進行，如排水主溝、支溝多采用明溝，而導泉溝采用暗管將泉眼水導入明溝。

3.3 農(nóng)藝生物措施結合，提升生產(chǎn)力

從農(nóng)田小氣候監(jiān)測比較進一步得知，冷浸田的光合有效輻射、單季稻生育后期的地溫、氣溫均低于灰泥田，這可能也是谷地冷浸田水稻產(chǎn)量較低的原因。為此，針對冷浸田的生境特征，對無法實施或尚未開展水利工程措施治理的冷浸田，可采取適當?shù)霓r(nóng)業(yè)技術措施進行因地制宜改造以提高農(nóng)田生產(chǎn)力。如對光合有效輻射不足的谷地，可采取定期劈除田塊兩側(cè)的灌草叢來增加光照輻射范圍；對于長期漬水且地溫不足的冷浸田可采取壟作或增施熱性肥料等,如草木灰在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上主要作為鉀肥施用，它還具有防寒、殺菌消毒、抑制病蟲害發(fā)生、促進作物莖稈健壯和增強作物抗逆性等多方面作用，可用于冷浸田土壤改良。在排水的基礎上，結合起壟，開展水旱輪作，既可提高作物綜合生產(chǎn)能力，提升效益，又可提高農(nóng)田利用水平，有力支撐糧食生產(chǎn)安全；冷浸田水土溫度低，土壤礦化水平低，相應的有效磷、鉀水平較低[10,11]，增施磷鉀肥提高作物養(yǎng)分供給量也是增產(chǎn)的重要措施之一。另外，冷浸田還具有南方土壤低pH、低有效硼等共性特征，因而在排水脫潛過程中，進一步跟進改酸、補充中微量元素等措施，也是冷浸田改良利用應考慮的問題。而對于暫時還未能開展工程改造的冷浸田，應樹立大農(nóng)業(yè)的觀點，利用水源充沛等特點，發(fā)展茭白、蓮籽等水生作物，是因地制宜利用冷浸田的有效方式。此外，冷浸田多分布于丘陵山區(qū)，具有得天獨厚的自然生態(tài)條件，發(fā)展現(xiàn)代生態(tài)品牌農(nóng)業(yè)，既可滿足人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)需求，又可充分發(fā)揮冷浸田的生產(chǎn)潛力、生態(tài)潛力，促進冷浸田耕地資源的高效利用。

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