變化地下水埋深與灌水量對(duì)土壤水與地下水交換的影響

劉鵬，楊樹青*，樊美蓉，張萬鋒，

變化地下水埋深與灌水量對(duì)土壤水與地下水交換的影響

劉鵬1，楊樹青1*，樊美蓉2，張萬鋒1，

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程建筑學(xué)院，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)永濟(jì)灌域管理局永濟(jì)試驗(yàn)站，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000）

【】探究不同地下水埋深和灌水量對(duì)土壤水與地下水交換的影響，提高灌溉水利用效率。在河套灌區(qū)開展了不同地下水埋深與灌水量對(duì)土壤含水率、地下水埋深及土壤水與地下水交換影響的田間試驗(yàn)，分析變化地下水埋深與灌水量對(duì)土壤水與地下水交換的影響。不同灌水量下，灌水前后0～60 cm土壤含水率變化明顯，灌水主要補(bǔ)充耕作層，生育期第3次灌水入滲量約占灌水總量25%，灌水量越大，土壤水對(duì)地下水入滲補(bǔ)給量越大。地下水埋深隨灌水量增加而顯著減?。?0.05），地下水補(bǔ)給量與灌溉量的比值依次為L1處理＞L2處理＞L3處理＞L4處理＞L5處理＞L6處理＞L7處理＞L8處理＞L9處理。在河套灌區(qū)年均地下水埋深為1.8 m的區(qū)域，生育期單次灌水量110 mm，秋澆300 mm，可顯著減少灌溉水下滲，以達(dá)到充分利用潛水蒸發(fā)，提高水資源利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)水增產(chǎn)的目的。

灌水量；地下水埋深；交換；入滲量

0 引言

【研究意義】內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是我國3個(gè)特大型灌區(qū)之一[1]，地處西北干旱區(qū)，當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)完全依賴于引黃灌溉。灌溉對(duì)灌區(qū)水循環(huán)影響顯著[2]，造成了灌區(qū)土壤水和地下水的顯著變化[3-5]。內(nèi)蒙古河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的74%，由于受灌溉、技術(shù)和水資源條件等因素的影響，灌溉水利用效率相對(duì)較低，有效利用系數(shù)僅為0.43[6]，造成嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)。史海濱等[7]指出灌區(qū)地面灌溉仍會(huì)是主要的灌溉方式，但地面灌溉造成水資源浪費(fèi)等問題仍比較嚴(yán)重。引黃水量銳減等問題導(dǎo)致河套灌區(qū)節(jié)水灌溉與作物增產(chǎn)間矛盾日益嚴(yán)重，因此，如何合理高效的利用灌溉水與地下水，為作物生長提供水分補(bǔ)給，提高水資源利用率，對(duì)河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?！狙芯窟M(jìn)展】土壤水與地下水轉(zhuǎn)換是水文循環(huán)中必不可少的一環(huán)[8-9]，二者間轉(zhuǎn)化規(guī)律研究一直是農(nóng)業(yè)水土領(lǐng)域的重要方向。韓雙平等[10]通過人工改變潛水埋深，分析不同地下水埋深條件下土壤水和地下水相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，結(jié)果表明潛水埋深對(duì)土壤水和地下水相互轉(zhuǎn)化以及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境具有重要影響。宮兆寧等[11]指出地下水通過毛細(xì)作用進(jìn)入土壤層并參與土壤水的循環(huán)，對(duì)土壤-植物-大氣連續(xù)體（SPAC）系統(tǒng)水分循環(huán)過程的研究要從單過程分析向多過程綜合分析發(fā)展。徐英等[12]發(fā)現(xiàn)秋澆儲(chǔ)水、季節(jié)性土壤凍融及春季消融時(shí)的蒸發(fā)對(duì)播種前土壤水鹽空間變異性影響強(qiáng)烈，REN等[13]指出河套灌區(qū)淺層地下水系統(tǒng)在干旱灌區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展中的重要作用?？追比鸬萚14]指出地下水埋深控制在2.0 m左右對(duì)于河套灌區(qū)節(jié)水改造具有重要意義，顯著提高水分利用效率；毛麗萍等[15]指出虧缺灌溉作物雖然產(chǎn)量降低，但由于耗水量的大幅降低，水分利用效率顯著提高。張志杰等[16]通過田間試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)合的方法分析了灌溉水入滲補(bǔ)給地下水系數(shù)，表明入滲補(bǔ)給量與灌溉水量顯著相關(guān)；姚玲等[17]通過地統(tǒng)計(jì)分析方法發(fā)現(xiàn)，灌溉水量及降雨量的多少?zèng)Q定其對(duì)地下水的補(bǔ)給程度，影響著地下水位的變化，灌溉水入滲補(bǔ)給會(huì)使地下水埋深減小；楊建鋒等[18]研究表明，淺埋區(qū)現(xiàn)行灌溉方式未利用地下水對(duì)土壤水的補(bǔ)給作用，過多的灌溉量不僅會(huì)削弱地下水對(duì)土壤水的補(bǔ)給，而且多余的土壤水分還會(huì)下滲補(bǔ)給地下水；帥品等[19]利用溴離子示蹤法研究埋深較淺的區(qū)域潛水蒸發(fā)時(shí)，發(fā)現(xiàn)示蹤劑在降雨灌溉入滲作用下，隨土壤水分運(yùn)動(dòng)下移；郝芳華等[5]研究河套灌區(qū)水平衡指出灌溉是土壤水補(bǔ)給的主要組成部分，灌溉水的垂向入滲和潛水蒸發(fā)消耗是田間水平衡的主要影響因素。

【切入點(diǎn)】前人多從單一變量研究土壤水與地下水轉(zhuǎn)化的變化規(guī)律，而灌水量和地下水埋深互作對(duì)土壤水與地下水間交換的影響研究有待于進(jìn)一步深入。【擬解決的關(guān)鍵問題】本文設(shè)置不同地下水埋深與灌水量2個(gè)因素試驗(yàn)，研究土壤水和地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，分析農(nóng)田土壤水和地下水交換關(guān)系，為緩解河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水與作物增產(chǎn)間的矛盾和農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

河套灌區(qū)具有明顯的干旱氣候帶沉降盆地型水文地質(zhì)特征[20]。灌區(qū)地下水埋深動(dòng)態(tài)受氣象和灌溉水的影響[21]，表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性周期變化，年內(nèi)變化在1.36～2.41 m之間，其中11月地下水埋深最淺, 多年平均埋深為1.36 m。

試驗(yàn)于2017年4―11月開展，試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)臨河區(qū)雙河鎮(zhèn)進(jìn)步村農(nóng)業(yè)試驗(yàn)示范區(qū)（40°42′ N、107°24′ E，海拔1 040 m），隸屬永濟(jì)灌域，年均降水量158 mm，年均蒸發(fā)量2 132 mm，平均氣溫6.8 ℃，多年日照時(shí)間為3 229 h。光、熱、水同期，無霜期130 d左右。試驗(yàn)區(qū)0～200 cm土壤屬于粉砂壤土，平均體積質(zhì)量為1.42～1.53 g/cm3。夏玉米生育期內(nèi)示范區(qū)日降水量及溫度變化如圖1所示。2017年全年降水量為143.9 mm，比歷年平均降水量低10%，屬于平水年，當(dāng)?shù)赜衩坠嗨~為135 mm。

圖1 2017年夏玉米生育期內(nèi)日降水量和溫度

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選定4 km×3 km范圍為試驗(yàn)區(qū)，據(jù)試驗(yàn)區(qū)現(xiàn)狀及前期地下水埋深資料，將試驗(yàn)區(qū)分為3個(gè)試驗(yàn)分區(qū)，地下水年均埋深分別為1.8、1.9和2.0 m，在每個(gè)分區(qū)中設(shè)3個(gè)處理，共9個(gè)處理，3次重復(fù)。在試驗(yàn)分區(qū)四周布置觀測(cè)井，試驗(yàn)指示作物為玉米，施肥采用當(dāng)?shù)厮?25 kg/hm2，在玉米生育期灌水3次，等額灌溉，灌水定額135、110和90 mm。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1）土壤含水率及土壤基質(zhì)勢(shì)：在玉米播種前和每次灌水前、后（下雨后2～3 d加測(cè)1次）采用土鉆在田間取樣。測(cè)定深度為100 cm，取5層土（0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm），相同深度取3個(gè)樣，采用烘干（105 ℃）稱質(zhì)量法測(cè)定每層土壤質(zhì)量含水率。在田間0～110 cm分土層埋設(shè)負(fù)壓計(jì)，測(cè)定土壤基質(zhì)勢(shì)；測(cè)定試驗(yàn)區(qū)各觀測(cè)井地下水埋深，計(jì)算各處理平均埋深。

2）灌溉對(duì)地下水的補(bǔ)給量：河套平原在地形及地質(zhì)構(gòu)造上均為一個(gè)封閉的盆地，水力坡度小，排泄量微弱，因此灌區(qū)下游地下水幾乎處于停滯狀態(tài)。河套灌區(qū)的地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律以垂直交替為主的地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，屬垂直入滲蒸發(fā)型，忽略側(cè)向補(bǔ)給，地下水是土壤水的重要來源，而土壤水又是地下水不可缺少的補(bǔ)給量[22]。試驗(yàn)區(qū)全年降水量為143.9 mm，單次降水量小于10 mm，雨強(qiáng)較小，無法產(chǎn)生入滲并補(bǔ)給地下水，因此地下水主要補(bǔ)給來自灌溉水入滲。本研驗(yàn)區(qū)土質(zhì)為粉砂壤土，根據(jù)相關(guān)研究[23]取給水度=0.07，灌溉后地下水位上升值為?，則灌溉對(duì)地下水補(bǔ)給量r及灌溉入滲補(bǔ)給系數(shù)計(jì)算式為：

rΔ， （1）

=rg，（2）

式中：r為灌溉對(duì)地下水的補(bǔ)給量（mm）；為粉砂壤土的給水度，無單位，取經(jīng)驗(yàn)值0.07；?為灌溉后地下水上升值（mm）；g為生育期灌溉水量（mm）；為入滲補(bǔ)給系數(shù)。

3）地下水對(duì)土壤水補(bǔ)給量：本試驗(yàn)采用定位通量法[24]計(jì)算地下水對(duì)土壤水的補(bǔ)給量，土壤水分運(yùn)動(dòng)遵循達(dá)西定律和質(zhì)量守恒原理，田間土壤水分運(yùn)動(dòng)可近似視為一維垂直向的流動(dòng)，連續(xù)方程可簡化為：

式（3）由至積分，得：

式中：()與()分別表示高度為和處的土壤水分運(yùn)動(dòng)通量。當(dāng)時(shí)間由1變到2時(shí)，以()和()分別表示在此時(shí)段內(nèi)通過單位土壤斷面面積上的水量，由式（4）積分或者質(zhì)量守恒原理寫出無源匯情況下的水量平衡方程為：

本試驗(yàn)中，田間土壤含水率的分布(,)用負(fù)壓計(jì)監(jiān)測(cè)，土壤中任一斷面處的通量()及水量()便可由式（5）計(jì)算出。

根據(jù)定位通量法及相關(guān)資料，該處土壤的非飽和導(dǎo)水率與基質(zhì)勢(shì)的關(guān)系為[（1+2）/2]。=(1+2)/2，?=2-1，由達(dá)西定律可知處的通量為：

式中：1和2為負(fù)壓計(jì)安裝的兩點(diǎn)深度，分別取1=110 cm，2=90 cm；1、2分別為斷面1和2處負(fù)壓計(jì)的值（cm）；為試驗(yàn)用砂壤土的滲透系數(shù)，取2.43×10-3cm/min。由此，可以得到1至2時(shí)段內(nèi)單位面積上流過的土壤水的水量()，而任一斷面處相應(yīng)的水量()計(jì)算式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水率動(dòng)態(tài)

全生育期土壤含水率整體表現(xiàn)為玉米生長初期，表層土壤水分損耗較多，土壤含水率降幅較大，隨著生育期推進(jìn)，土壤含水率降幅較大的土層逐漸向土層深處發(fā)展，直到秋澆前，80～100 cm土層含水率下降到25.0%～27.8%之間，在3次灌水前后，除水分損耗較大的土層逐漸向下發(fā)展外，其他趨勢(shì)基本一致，本文以第1次灌水和秋澆前后土壤含水率變化為例進(jìn)行分析。

圖2（a）和圖2（b）分別為各處理第1次灌溉（6月初）前、后土壤含水率的變化。

圖2 第1次灌溉前后各處理土壤含水率變化

播前土壤平均含水率為25%，播種后玉米生長初期蒸騰作用較弱、耗水量較小，但棵間蒸發(fā)隨氣溫升高而增加，導(dǎo)致土層水分損失加快。第1次灌水前各土層含水率變化趨勢(shì)基本一致，各土層整體呈隨土壤深度增加而增大的趨勢(shì)。各處理在0～20 cm土層含水率變化范圍為14.7%～19.7%，平均含水率為17.4%，相對(duì)播種前下降了7%左右；20～40 cm土層含水率變化區(qū)間為17.5%～21.6%，平均含水率為19.1%，0～40 cm在整個(gè)土層中水分流失最多，含水率降幅最大，但各處理間無明顯差異；60～100 cm隨土層深度增加呈增大趨勢(shì)，各處理含水率在22.7%～31.0%之間波動(dòng)，且各處理含水率呈隨地下水埋深增大而減小的趨勢(shì)，分析可知，第1次灌水前，土壤蒸發(fā)和作物吸水是土壤水分流失的主要原因，而且玉米根系發(fā)育不完整，主要分布在表層，導(dǎo)致0～40 cm土壤含水率降幅最大，地下水通過潛水蒸發(fā)補(bǔ)給土壤水，但地下水埋深不同，導(dǎo)致補(bǔ)給量及各處理60～100 cm土壤含水率存在差異，且表現(xiàn)出含水率與地下水埋深呈負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)。

第1次灌水后各處理土壤含水率增大且均大于灌前，各處理0～20 cm土層含水率在18.6%～21.4%間波動(dòng)，在整個(gè)土層中含水率最低，各處理間無明顯差異；20～40 cm土層含水率范圍為21.5%～26.3%，40～60 cm土層含水率變化區(qū)間為25.3%～30.9%，60～100 cm土層含水率均增大到30%左右，40～80 cm土層含水率有隨灌水量增加而增大的趨勢(shì)。究其原因，0～20 cm土層在灌水時(shí)含水率增大至田間持水率，但灌水后蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，含水率降幅無差別，各處理間也基本沒有差異。20～40 cm土層含水率介于0～20、40～60 cm土層之間，是因?yàn)樵撏翆佑衩赘捣植驾^多，能起到保持水分的作用。40～80 cm土層受到灌溉水下滲的影響，灌水量越大，入滲量越大，因此，表現(xiàn)出含水率隨灌水量增大的趨勢(shì)。

圖3（a）和圖3（b）為秋澆前、后各處理土壤含水率，秋澆前，各處理0～20 cm土層含水率在11.6%～15.3%區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，土層含水率接近田間持水率的下限，處理間無差異，雖然秋澆前玉米耗水量大幅下降，但成熟期葉面積指數(shù)減低、風(fēng)速增加，導(dǎo)致土壤蒸發(fā)加強(qiáng)，從而導(dǎo)致表層土壤含水率達(dá)到玉米生育期最低水平。20～40 cm土層含水率變化范圍為13.8%～17.9%，40～80 cm土層含水率相近，在17.4%～23.8%間波動(dòng)，且含水率隨灌水量增加而增大，80～100 cm土層含水率范圍為25.0%～29.2%，處理間差異不顯著。

秋澆后各處理土壤含水率整體變化明顯，但處理間差異不明顯。各處理0～20 cm土層含水率增加到25.6%～31.0%之間，20～40 cm土層土壤含水率變化區(qū)間為27.9%～33.8%，0～40 cm土層含水率在整個(gè)土層中增幅最大，40～80 cm土層次之，各土層間差異隨土層加深變小，含水率大多超過田間持水率，達(dá)到飽和，多余水分在重力作用下，通過土壤孔隙滲漏補(bǔ)給地下水，減小地下水埋深，維持灌區(qū)水量平衡，秋澆時(shí)期各土層含水率變化為入滲補(bǔ)給型。

圖3 秋澆前后各處理土壤含水率變化

2.2 地下水埋深動(dòng)態(tài)

圖4為玉米全生育期3次灌水及秋澆前、后地下水埋深變化。試驗(yàn)區(qū)地下水平均埋深在0.92～2.62 m。從時(shí)間上看，地下水埋深在第1次灌水前達(dá)到第1個(gè)波峰，最大達(dá)2.35 m，究其原因，是氣溫升高及土壤蒸發(fā)等作用增強(qiáng)，表層土壤水分流失嚴(yán)重，土壤含水率顯著降低，淺層地下水主要通過土壤毛細(xì)作用向耕作層補(bǔ)給水分，導(dǎo)致地下水埋深逐漸增大，潛水蒸發(fā)強(qiáng)度減弱，為保證作物水分供給，進(jìn)行地面灌溉。第1次灌水后，灌溉水入滲補(bǔ)給地下水，各處理地下水埋深降幅在0.28～0.67 m，L1、L2、L3處理間差異不顯著，L4、L7處理與其他處理間差異較顯著。第2次灌水前地下水埋深達(dá)到第2個(gè)波峰，最大達(dá)2.38 m，L1、L2、L3處理增幅大于其他處理，L7與L8、L9處理間差異顯著。灌水后，地下水埋深減少0.23～0.46 m，L3處理降幅最大，L4處理降幅最小，L1、L2與L3處理差異顯著，L4與L5、L6處理差異顯著。第3次灌水前地下水埋深達(dá)到第3個(gè)波峰，各處理地下水埋深較二水后增幅0.24～0.59 m，各處理間差異較顯著。第3次灌水后，地下水受到土壤水下滲補(bǔ)給，地下水埋深降幅0.20～0.42 m，降幅低于前2次灌水，L1、L2、L3處理間差異顯著，L4、L5、L6處理間差異顯著，L7與L8、L9處理差異顯著。秋澆前，地下水埋深逐漸增至全年最大值，但增速較前期減緩，一方面是由于玉米需水量減小，另一方面是由于地下水埋深增大，潛水蒸發(fā)強(qiáng)度減弱。各處理埋深增幅0.35～0.68 m，L7處理埋深最大達(dá)2.62 m，L1與L2、L3處理間差異顯著，L4與L5、L6處理間差異較顯著，L7、L8與L9處理間差異顯著。秋澆后，各處理地下水埋深減小到0.78～1.08 m，降幅1.23～1.80 m，其中L7、L8、L9處理降幅最大，L1、L2、L3處理降幅最小?？傮w看，玉米生育期，地下水埋深主要受到地面灌溉及騰發(fā)作用影響，各處理間存在不同程度的差異，灌水后地下水埋深減小程度整體上與灌水定額呈正相關(guān)；第3次灌水后，相同地下水埋深，灌水定額90 mm與110、135 mm處理間差異顯著，110 mm與135 mm處理間差異不顯著。

2.3 土壤水與地下水的交換

2.3.1 灌溉水對(duì)地下水入滲補(bǔ)給

各次灌水后灌溉水對(duì)地下水入滲補(bǔ)給量的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。各處理生育期灌溉水入滲量變化區(qū)間為10.5～54.6 mm，秋澆各處理灌溉水入滲量在83～120 mm間變化。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，各處理前3次灌水為等額灌溉，而圖中所示第1次灌溉水入滲量變化區(qū)間為28～54.6 mm，入滲量整體較大，是因?yàn)?月氣溫均值剛達(dá)到20℃，土壤蒸發(fā)較弱，苗期玉米根系主要分布在土壤表層，且蒸騰作用較弱，無法直接吸收深層土壤中的水分，灌水時(shí)主要補(bǔ)充土壤表層水分，其余灌溉水入滲，導(dǎo)致第1次灌水入滲量偏大。第2次灌水土壤水入滲變化區(qū)間為17.5～52.5 mm，L1、L2、L3處理間無顯著差異，L5與L6處理存在差異，L7、L8、L9處理間差異顯著。第3次灌水后入滲量變化區(qū)間為10.5～37.8 mm，入滲量均值比第1次灌水低39%，應(yīng)該是第2、第3次灌水間隔時(shí)間過短且當(dāng)時(shí)蒸散發(fā)最強(qiáng)烈所致。秋澆灌溉水入滲量最大，是因?yàn)榍餄补嗨~為全年最大，幾乎是生育期灌水定額的3倍，而土壤儲(chǔ)水量一定，當(dāng)灌水定額過大時(shí)，灌溉水入滲量增加。

圖6為2017年玉米生育期3次灌溉水入滲總量及3次灌水入滲總量與生育期3次灌水總量比值。各處理生育期3次灌水入滲總量變化范圍為57～95 mm，總體看，同一地下水埋深下，灌水入滲量與灌水定額成正比，究其原因，地下水埋深相同時(shí)，潛水蒸發(fā)消耗量相近，當(dāng)灌水定額超出土壤儲(chǔ)水承受量時(shí)，多余的水分都會(huì)入滲到地下水。由圖6可知，在0.17～0.35之間波動(dòng)，其中L1、L2、L3處理的比值偏大，均值達(dá)0.32，說明L1、L2、L3處理中有1/3的灌溉水入滲補(bǔ)給地下水。

2.3.2 地下水對(duì)土壤水的補(bǔ)給

各處理玉米生育期潛水蒸發(fā)量及潛水蒸發(fā)量與灌溉定額（生育期3次灌水量與秋澆灌水量之和）比值如圖7所示。9個(gè)處理年均潛水蒸發(fā)量為202.5 mm，L3處理＞L2處理＞L1處理＞L6處理＞L5處理＞L4處理＞L9處理＞L8處理＞L7處理，潛水蒸發(fā)量隨地下水埋深增大而減小，同一埋深下，潛水蒸發(fā)量隨灌水量成正比。潛水蒸發(fā)受氣溫、氣壓、地下水埋深等因素影響，地下水埋深是最主要的影響因素，本研究當(dāng)年均地下水埋深在1.8～2.0 m時(shí)，地下水埋深越淺，潛水蒸發(fā)量越大，對(duì)土壤水的補(bǔ)給效果越好，對(duì)于作物生長發(fā)育有積極作用，這與前人研究得出的河套灌區(qū)種植玉米地下水臨界埋深1.0 m，極限埋深2.51 m的結(jié)論一致，因?yàn)榈叵滤裆钤綔\，潛水蒸發(fā)輸送水分所需毛細(xì)管道越短，反之，地下水臨界面到土壤距離過大，毛細(xì)管道增長，輸水能力下降，潛水蒸發(fā)量隨之降低。在0.27～0.41之間波動(dòng)。其中L1處理最大0.41，L9處理最小0.27，整體上與灌溉定額、地下水埋深呈負(fù)相關(guān)。同一灌水定額下，地下水埋深越小，潛水蒸發(fā)量在灌溉定額中占比越大；同一埋深灌溉定額越大，潛水蒸發(fā)量與灌溉定額的比值越小。

圖5 灌溉水對(duì)地下水入滲補(bǔ)給量

圖6 生育期3次灌溉入滲總量及α值

圖7 潛水蒸發(fā)量及β值

3 討論

趙景波等[25]發(fā)現(xiàn)，上層土壤水分受外界環(huán)境影響最大，隨土層深度增加而逐漸減弱。土壤含水率從上到下的變化趨勢(shì)[26]一般分為增長型和降低型。試驗(yàn)結(jié)果表明，各處理土壤含水率隨土壤深度增加而增加，100 cm土層含水率最大。各處理100 cm土層含水率在第1次灌水前隨地下水埋深增大而減小，在秋澆前與灌水定額成正相關(guān)，因?yàn)榈?次灌水前深層土壤的水分補(bǔ)給通過地下水潛水蒸發(fā)來完成，地下水埋深越淺，潛水蒸發(fā)對(duì)土壤的補(bǔ)給作用越強(qiáng)土壤儲(chǔ)水越多，土壤含水率越大；而秋澆前，各處理地下水埋深均已達(dá)到全年峰值，潛水蒸發(fā)對(duì)土壤的補(bǔ)給作用大幅減弱，土壤水分補(bǔ)給更加依賴地面灌溉，灌溉定額越大入滲量越大，深層土壤含水率越大，與張義強(qiáng)[27]研究所得規(guī)律基本一致。

河套灌區(qū)沙壕渠試驗(yàn)站的潛水蒸發(fā)資料表明，地下水埋深為3 m時(shí)，已經(jīng)充分發(fā)揮了潛水蒸發(fā)的利用潛力[28]，有研究[29]表明，玉米生育期適宜的地下水埋深為1.03～2.51 m，當(dāng)?shù)叵滤裆钚∮?.03 m時(shí)，大量地下水消耗于無效的潛水蒸發(fā)；當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥?.51 m時(shí)，地下水無法對(duì)土壤水進(jìn)行有效補(bǔ)給，蒸散發(fā)大量消耗土壤水，作物無法在土壤中吸收足夠水分，需要灌溉補(bǔ)充水分。Chen等[30]發(fā)現(xiàn)，在地下水埋深較大的地區(qū)，地下水對(duì)土壤水的影響較小，反之影響較大。本研究中，一水前，各處理地下水埋深差異不顯著，灌溉后土壤水與地下水交換頻繁，灌溉水入滲補(bǔ)給地下水減小地下水埋深，從而地下水在灌溉結(jié)束通過潛水蒸發(fā)持續(xù)補(bǔ)給土壤水，灌水定額為90 mm處理與110、135 mm處理的地下水埋深差異顯著，說明當(dāng)灌水定額90 mm時(shí)，土壤水對(duì)地下水的補(bǔ)給欠佳，可能使作物與土壤無法得到地下水的有效補(bǔ)給，產(chǎn)生水分虧缺，不利于作物生長。綜合考慮本試驗(yàn)中土壤含水率、地下水埋深、土壤水與地下水交換中潛水蒸發(fā)量與灌溉水入滲量等因素，地下水埋深1.8 m與灌水定額110 mm為較優(yōu)組合。

4 結(jié)論

1）生育期3次灌溉期間，灌水定額在90～135 mm范圍內(nèi)，灌水定額越大，土壤水入滲量越大，最大可達(dá)3次灌水定額總量的35%；秋澆期，各處理灌溉水入滲量在83～120 mm間變化，入滲量為全年最大。

2）在一水前和秋澆前，地下水通過潛水蒸發(fā)補(bǔ)給土壤水，地下水埋深越淺，毛細(xì)通道越短，潛水蒸發(fā)對(duì)土壤補(bǔ)給效果越好。

3）河套灌區(qū)年均地下水埋深1.8 m的玉米種植區(qū)，生育期單次灌水量110 mm，秋澆300 mm，可充分利用地下水潛水蒸發(fā)補(bǔ)充土壤水分，實(shí)現(xiàn)節(jié)水的目的。

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Groundwater Depth and Irrigation Amount Affect Water Exchange between Groundwater and Soil Water in Hetao Irrigation District

LIU Peng1, YANG Shuqing1*, FAN Meirong2, ZHANG Wanfeng1

(1. Water ConMonservancy and Civil Engineering College, Inner Golia Agricultural University, Hohhot 010018, China;2. Yongji Irrigation Area Authority of Inner Mongolia Hetao Irrigation Area, Bayannur 015000, China)

【】Hetao irrigation district is one of the three mega-irrigation districts relying on Yellow river water for irrigation in China. However, the reduced water supply for the district to take for the river in the past decade has promoted the region to develop water-saving irrigation. Different agronomic and engineering methods have been developed, and the aim of this paper is to elucidate how to improve groundwater usage by crops by manipulating irrigation amount in regions with different groundwater depths.【】The experiment was conducted over the district by irrigating the crops three time during their growth season, with the irrigation amount at each growth stage varying from 90 to 135 mm. Added to this is a further irrigation in autumn with an irrigation amount of 300mm. The average annual groundwater depth in the experimental regions varied from 1.8 m to 2.0 m. In each treatment, we measured the change in soil water content and groundwater table before and after the irrigation. 【】Average water content in the 0～60 cm soil changed significantly following irrigation, regardless of the irrigation amount. The first two irrigations in the crop growth season replenished the water in the tillage layer, while in the third irrigation 25% of the irrigation water leached to the subsoils. Overall, the larger the irrigation amount was, the more water would leach into the groundwater. The proportion of irrigation water leached to the groundwater increased with irrigation amount when the average annual groundwater depth was the same, and decreased with the groundwater depth when the irrigation amount was the same. 【】 For areas with annual groundwater depth of 1.8 m, irrigating 90 mm in each of the three irrigations during the crop growth season, together with a 300 mm autumn irrigation, can significantly reduce irrigation water leaching and increase groundwater usage by the crops.

irrigation amount; groundwater depth; water exchange; soil water leaching

S274

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020259

1672 - 3317（2021）07 - 0066 - 08

劉鵬, 楊樹青, 樊美蓉, 等. 變化地下水埋深與灌水量對(duì)土壤水與地下水交換的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(7): 66-73.

LIU Peng, YANG Shuqing, FAN Meirong, et al. Groundwater Depth and Irrigation Amount Affect Water Exchange between Groundwater and Soil Water in Hetao Irrigation District[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(7): 66-73.

2020-09-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51669019）；國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51539005）

劉鵬（1996-），男，內(nèi)蒙古人。碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)水土資源利用與水土環(huán)境調(diào)控研究，E-mail: 2024728612@qq.com

楊樹青（1966-），女，內(nèi)蒙古人。教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)水土資源利用與水土環(huán)境調(diào)控研究。E-mail: nmndysq@126.com

責(zé)任編輯：陸紅飛