溫室大棚內(nèi)不同灌溉量條件下水分遷移特征研究

鈔錦龍張冬暉劉玉鵬路亞敏張鵬飛雷添杰

(1.太原師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院，山西 晉中 030619；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081)

引言

農(nóng)業(yè)是我國第一產(chǎn)業(yè)，是國民經(jīng)濟中的一個重要產(chǎn)業(yè)部門，以土地資源為生產(chǎn)對象，支撐國民經(jīng)濟的建設(shè)和發(fā)展。在影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的眾多因素當(dāng)中，合理種植、科學(xué)灌溉對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著至關(guān)重要的作用。

目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對土壤和水分的研究越來越多，正是因為土壤和水作為一個系統(tǒng)，不斷地與外界進行能量交換。田間土壤含水率的施測和監(jiān)測是農(nóng)田用水管理化和區(qū)域水資源管理的一項基礎(chǔ)工作，對于農(nóng)田灌溉排水的合理實施、農(nóng)作物的增產(chǎn)與節(jié)約用水、四水轉(zhuǎn)化關(guān)系的分析和提高水資源的利用率等均有重要作用[1]。田間土壤存在很大的變異性，灌溉可以對土壤水分進行有針對性的調(diào)控[2]。但與此同時，不可忽視的一點是，當(dāng)今資源短缺問題日益嚴(yán)重，尤其是水資源供需矛盾突出，如何使水資源最大化地被土壤及植物吸收利用便成為了需要關(guān)注的一大重點問題。綜上分析，研究土壤中水分的遷移特征有利于對土壤中水分變化系統(tǒng)規(guī)律的發(fā)掘分析，以此來指導(dǎo)田間灌溉，為作物的生長提供更有利的條件；有利于節(jié)約資源，使水資源的利用效率發(fā)揮到最大化。

自20世紀(jì)80年代以來，土壤含水率的空間變異性就受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Seyfried等在研究中就提到過土壤含水量的空間變異性隨尺度的增大而增大[3，4]。許多學(xué)者針對土壤中水分的變化結(jié)合養(yǎng)分遷移以及植物生長狀況來進行綜合分析，如丁運韜等[5]在研究中通過控制滴灌灌水下限來分析其對農(nóng)田水鹽分布和玉米生長的影響，得出河套灌區(qū)夾砂農(nóng)田的最適膜下滴灌灌水下限。依照目前的相關(guān)試驗來看，更多的傾向于自然條件下的綜合研究，對小尺度水分單獨空間變異的分析相對較少。因此，以此為切入點設(shè)計實驗對土壤中水分的遷移方向、路徑及特征進行研究。同時針對山西省所處的地理位置、氣候條件和農(nóng)業(yè)發(fā)展，溫室大棚的應(yīng)用近幾年越來越廣泛，因其具有很好的保溫、增溫效應(yīng)，所以采用塑料大棚進行保護地栽培，不僅為作物提供了適宜的小環(huán)境，而且明顯增加了晝夜溫差，有利于蔬菜的干物質(zhì)積累、提高產(chǎn)量和品質(zhì)[6]。所以，選取山西晉中為研究樣地，研究以期為區(qū)域設(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供指導(dǎo)。

1 研究目標(biāo)及內(nèi)容

本次實驗研究以當(dāng)?shù)厝展鉁厥掖笈镏性O(shè)置的實驗樣地為對象，安排不同的灌溉梯度，通過對各組樣地土壤濕重、干重、蒸發(fā)率等數(shù)據(jù)的測量和整理，得到土壤中不同灌溉量及不同深度土壤含水率的折線圖。以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)分析水分在土壤中的遷移方向(橫向與縱向遷移情況)和遷移特征(不同深度的土壤中的含水率)，按照得出的規(guī)律來指導(dǎo)田間灌溉，節(jié)約用水，創(chuàng)造更有利于作物生長的條件。同時確定植物根系能夠獲得最有效水分的深度。

2 材料和方法

2.1 研究區(qū)概況

榆次區(qū)隸屬山西省晉中市，處于太原盆地西北端，地形東部高西部低，海拔768～1814m，從東至西依次為中低山區(qū)、黃土丘陵區(qū)和平川區(qū)。土壤以褐土為主，研究區(qū)氣候類型為典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。實驗在榆次區(qū)北胡村清泰園附近的日光溫室大棚中進行，地理坐標(biāo)為E112°46′12″，N37°40′48″，區(qū)域年均氣溫9.8℃，降水量418～483mm，年日照時數(shù)2662h，無霜期158d。該實驗區(qū)降水有明顯的旱、雨兩季，該地適宜糧食作物生長。

圖1 研究區(qū)地理位置

2.2 實驗設(shè)計

在日光溫室大棚中設(shè)置有A、B、C 3組樣地，每組樣地中又有3塊1m×1m的樣地，A、B、C 3組樣地同樣都是經(jīng)過翻耕的，保證了土壤狀況符合田間條件，同時將每塊灌溉樣地東邊隔10cm、20cm的區(qū)域設(shè)置為灌溉樣地的過渡區(qū)域，與A、B、C 3組對應(yīng)的過渡區(qū)域分別為E、F、G 3組。以人工漫灌的方式對各組樣地進行灌溉，在灌溉的過程中保持一定的梯度變化，具體為A組灌水20L·m-2，B組灌水40L·m-2，C組灌水60L·m-2。灌溉完成后經(jīng)過24h和72h后分別進行取樣。整個實驗采用地理實驗法，設(shè)置重復(fù)組和對照組，借助各種方法和技術(shù)，減少或消除各種可能影響科學(xué)的無關(guān)因素的干擾。

2.3 測量方法

實驗設(shè)計好之后，采用隨機取樣法進行取樣，每個灌溉樣地隨機選取2個點，每個點從表土開始每隔10cm取1個樣品直至70cm處，每次取樣時，1個點取8個樣品，1塊樣地取16個樣品，1組樣地取48個樣品。過渡區(qū)域也按同樣的方法每隔10cm、20cm進行取樣。24h和72h各取1次樣本。將取好的土樣先進行稱重，之后帶回實驗室中置于105℃烘箱中烘8h烘干，對烘干后的土樣再次進行稱重處理。

實驗之前要對土壤的初始條件進行分析，用土鉆取未灌溉時的土壤樣品。稱重且用烘干法得到土壤的干重、濕重及土壤含水率等數(shù)據(jù)。土壤含水量采用烘干法測定，土壤體積質(zhì)量采用環(huán)刀法測定。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采集并測量各土壤樣地中樣品的背景值、灌溉后24h以及72h的干重、濕重等數(shù)據(jù)，計算出樣本所測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，進一步采用公式計算各樣地不同時段的土壤含水率。其中，數(shù)據(jù)處理采用Excel來完成，作圖采用Origin 2021軟件并進行對比分析，得出相關(guān)結(jié)論。

3 結(jié)果與分析

3.1 背景值不同深度土層土壤含水率特征

本次實驗中樣地均對表層土壤經(jīng)過翻耕，通過對大棚土樣采樣分析，由表1數(shù)據(jù)對樣地的背景值分析可知，試驗樣地在未經(jīng)灌溉之前土壤含水率約為6%～12%，在0～40cm深度的土層范圍內(nèi)土壤含水率隨土壤深度增加呈先升高后降低的態(tài)勢，在40～70cm深度的土層范圍內(nèi)土壤含水率持續(xù)升高，標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)均大致呈現(xiàn)降低趨勢，表明隨深度的增大離散程度越來越小，即水分?jǐn)U散越來越穩(wěn)定。并且土壤含水率在土壤深度達(dá)到20～30cm時達(dá)到最大值，約為10%～11%。

表1 土壤含水率描述性統(tǒng)計

3.2 土壤含水率空間變異性

3.2.1 垂直方向含水率空間變異特征

為了直觀觀察試驗地塊不同深度層次土壤含水率的分布特征，應(yīng)用Origin 2021軟件對各組樣地進行作圖分析，每組樣地求均值后不同深度土壤含水率情況如圖2所示。

圖2 不同深度土壤含水率

從圖2對土壤含水率的變化進行縱向分析可以看出，與灌溉前的背景值相比，A、B、C 3組經(jīng)過灌溉之后樣地土壤含水率均較土壤樣地背景值呈現(xiàn)增長趨勢，以24h后為例，灌溉后，土壤含水率最大值A(chǔ)組達(dá)到22.42%，B組達(dá)到26.30%，C組達(dá)到29.96%，即表現(xiàn)為灌溉量越大，土壤含水率的最大值也會越大，且不同時間影響程度不同。這一表現(xiàn)與萬爽等[7]在研究中的發(fā)現(xiàn)一致。

灌溉后隨著深度的增加，各組樣地大致呈現(xiàn)由表層向下土壤含水率逐步降低的趨勢。同樣，楊曉瀟等[8]在實驗研究中發(fā)現(xiàn)，隨著土層深度的增加，土壤水分變異性遞減，其主要原因是表層土壤易受降水及蒸發(fā)等因素影響，隨土層深度的增加，土壤結(jié)構(gòu)緊實，入滲能力下降，呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的狀態(tài)。這一結(jié)論與本實驗結(jié)果表現(xiàn)一致。

同時，從時間層面來看，分別觀察A、B、C 3組樣地24h和72h土壤含水率的變化來看，隨著時間的推移，由于蒸發(fā)作用和水分下滲作用，72h后樣地各深度土壤含水率普遍低于24h時各深度的含水率，得出的這一結(jié)果與大部分學(xué)者的研究結(jié)論是一致的。但B組表現(xiàn)卻恰恰相反，72h后土壤含水量仍大于24h后的土壤含水量，這一點具體在后續(xù)討論中分析。

24h后，A、B、C 3組樣地的增幅分別達(dá)到2.8%～11.01%、2.62%～21.18%和2.79%～26.05%。72h后，A、B、C 3組樣地的增幅分別為0.79%～12.87%、3.81%～24.87%和2.86%～23.35%。由此可見，隨著灌溉量的增大，土壤含水率增長量幅度也不斷擴大。同目前大量研究表明相似，土壤含水量、土水勢隨著深度的增加，變幅逐漸降低。持續(xù)降雨模式、灌溉模式和地下水位波動均影響著包氣帶土壤水分的運移，使得土壤水分的再分布狀況不同[9]。在本次實驗中各組樣地灌溉后土壤含水率的增幅也有所不同。

以上分析證明，土壤剖面中各土層含水量與灌水量相關(guān)，并且水分在土壤中存在垂直方向上的遷移，同時，大量灌水會增加水分向土壤深層遷移。正如郭全忠等[10]和尹志榮等[11]研究認(rèn)為，試驗地農(nóng)戶常規(guī)灌水量經(jīng)常過量，在常規(guī)灌水量的基礎(chǔ)上再增加灌水量，對水資源是浪費，且不但增加水分向深層土壤的遷移從而降低水分利用率，甚至?xí)档宛B(yǎng)分從而降低作物的產(chǎn)量。由此可見，灌溉量不宜求多，因根據(jù)作物根系在土壤中的深度選擇能被作物進行最大利用的灌溉量。

A、B、C 3組灌溉樣地土壤含水率的最大值均出現(xiàn)在0～30cm的土壤深度中，以24h后土壤含水率為例，A、B、C 3組土壤含水率最大值分別可達(dá)到22.42%、26.3%以及29.96%，均出現(xiàn)在0～30cm土壤深度處，由此可見淺層土壤的保水性相對深層土壤來說較好。淺層土壤受氣象條件和土壤質(zhì)地本身的影響，土壤水分運動非常活躍，虧損量大的同時增量也很大，受氣象要素和耕作方式的影響最為顯著。正如賀軍奇等[12]在研究中將土壤濕度的垂直變化分層，分別是0～30cm為活躍層，30～60cm為貯水層，60～100cm為緩變層，本次試驗樣地中所表現(xiàn)出來的特點與這一分類相似。

同時表現(xiàn)出來的還有在0～30cm各樣地土壤含水率波動幅度較大，差異明顯，在40～70cm各樣地土壤含水率幅度變化差異不顯著，保持一定的穩(wěn)定性。即上層土壤含水率明顯大于下層且波動幅度大，牛一錦[13]在其研究中也同樣表明，降雨條件下各層土壤含水率變化幅度基本上呈現(xiàn)隨深度增加而逐漸減小的特征，且隨著土壤深度的增加滯后效應(yīng)越明顯。

在本次實驗中主要是由于灌溉方式為人工漫灌，且進行實驗是幾天為陰雨天氣，土壤蒸發(fā)速率相對較弱，0～30cm土壤的含水量得到有效的補充且蒸發(fā)力度不夠，同時還因為表層土壤經(jīng)過翻耕，土壤孔隙度增大，土壤孔隙連通性較好，便于水分遷移和活動。40～70cm的深層土壤未受到翻耕或翻耕作用相對較小，同時在用土鉆取土的過程中發(fā)現(xiàn)內(nèi)部含有大顆粒石塊和雜物，使垂直方向的孔隙連通性較差，從而對水分的垂直遷移產(chǎn)生一定的影響。魏建濤等[14]研究發(fā)現(xiàn)，犁底層可以阻礙水分向下運移，減緩水分向下移動的速度。韋安培等[15]研究發(fā)現(xiàn)，深松耕作較傳統(tǒng)耕作能提高土壤入滲性能，使土壤中含水量得到明顯增加。正如本試驗設(shè)計，證明深層土壤含水率變化幅度小與未經(jīng)翻耕、存在犁底層和土壤孔隙連通性差有一定的關(guān)系。

3.2.2 水平方向含水率空間變異特征

過渡區(qū)域E、F、G 3組樣本的土壤含水率在24h和72h內(nèi)均相較背景值有所升高，以24h后各組過渡區(qū)域土壤含水量變化為例，10cm處過渡區(qū)域E組最大值為15.14%，G組最大值為17.46%；20cm處E組最大值為21.34%，G組最大值為26.02%，表現(xiàn)為隨著灌溉量的增大，受其影響的過渡區(qū)域的土壤含水量也逐漸增大，這些都說明水平方向上存在水分的遷移。但隨著時間推移，水勢梯度逐漸減小，水分含量變化逐漸減小趨于穩(wěn)定。所以不論是灌溉樣地還是過渡區(qū)域，土壤含水量隨時間變化總會慢慢趨向穩(wěn)定，見圖3。這與馬芳等[16]在研究中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律一致。

圖3 不同灌溉量樣地過渡區(qū)域土壤含水率

從時間層面看，各組過渡區(qū)域基本表現(xiàn)為72h后的土壤含水量大于24h后，且在20cm深度以下規(guī)律更加明顯且表現(xiàn)穩(wěn)定，隨著深度的增加，土壤含水量會呈現(xiàn)微小的增加，基本呈現(xiàn)斜向遷移的趨勢。即水平遷移和垂直遷移同時存在、同時進行，且水平遷移速率大于垂直。同樣的，李建波等[17]研究發(fā)現(xiàn)，重力勢對垂直方向上的水分遷移作用大于水平方向。同時，與灌溉樣地表現(xiàn)的規(guī)律相似，過渡區(qū)域的水分波動變化情況也是在0～30cm較為顯著，證明翻耕對作物生長的有利。

4 結(jié)論

以大棚中的實際樣地進行試驗相對實驗室的條件來說更貼近農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對土壤背景值數(shù)據(jù)的掌握和分析表現(xiàn)出樣地的原始狀況，易于與灌溉后樣地進行對比，并且溫室大棚具有很好的保溫、增溫效應(yīng)，更有利于試驗的下一步進行。

用軟件Origin 2021作圖對數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)與背景值相比，經(jīng)過灌溉的樣地與過渡區(qū)域的土壤含水率均有所變化，說明土壤中同時存在水分的橫向遷移和縱向遷移，且垂直方向上的遷移速度大于水平方向上的速度。

隨著灌溉量的增大，土壤含水率也隨之增大，且灌溉后隨著深度的增加，各組樣地大致呈現(xiàn)由表層向下土壤含水率逐步降低的趨勢。同時，土壤含水率的增長變化幅度也逐漸變小。由此得出結(jié)論：相較于深層土壤，水分在淺層土壤中較為活躍。

試驗樣地的表層均經(jīng)過翻耕，相對于未翻耕的深層土壤來說土壤含水率變動差異明顯。李建波等[17]研究表明，在翻耕作用下水平方向的土壤含水率連續(xù)性較好。

5 討論與不足

由于實驗是在日光溫室大棚中進行的，溫室大棚具有一定的保溫作用，但本次實驗的結(jié)果對不同的土壤質(zhì)地也可能存在不同的表現(xiàn)情況，應(yīng)具體情況具體對待。同時，本次實驗中存在一個較大的問題就是進行實驗時間選擇存在一定的問題，由于當(dāng)時山西正處于連綿陰雨天氣，大棚出現(xiàn)漏雨情況，導(dǎo)致每組樣地設(shè)置的3組重復(fù)試驗有一組數(shù)據(jù)不可用，所以上述結(jié)果建立在2組重復(fù)的基礎(chǔ)上進行分析。

灌溉樣地B組表現(xiàn)出72h后各土層土壤含水量仍大于24h后的含水量，與其他2組表現(xiàn)出來的結(jié)果恰恰相反。這一現(xiàn)象可推測為此時由于陰雨天氣蒸發(fā)量不高的同時，40L的灌溉量未使土壤孔隙達(dá)到完全飽和狀態(tài)以至于形成重力水進行下滲過程。至于具體下滲過程的研究還需要進行進一步探討。水分遷移與營養(yǎng)元素的遷移結(jié)合度較高，實驗設(shè)計可適當(dāng)結(jié)合，結(jié)果會更有說服力。