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        河套灌區(qū)節(jié)水灌溉對土壤鹽分累積規(guī)律的模擬研究

        2016-03-23 00:41:15柯雋迪黃權(quán)中任東陽冀乃超黃冠華呂玲嬌中國農(nóng)業(yè)大學(xué)中國農(nóng)業(yè)水問題研究中心北京100083中國以色列國際農(nóng)業(yè)研究培訓(xùn)中心北京100083
        節(jié)水灌溉 2016年8期
        關(guān)鍵詞:河套等量葵花

        柯雋迪,黃權(quán)中,任東陽,冀乃超,黃冠華,徐 旭,呂玲嬌(1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)中國農(nóng)業(yè)水問題研究中心,北京 100083; 2.中國-以色列國際農(nóng)業(yè)研究培訓(xùn)中心,北京 100083)

        我國是一個水資源短缺的國家,水資源在空間分布上不均衡,具有南多北少,東多西少的特征。此外,節(jié)水作為我國的基本國策,農(nóng)業(yè)節(jié)水更是其中的關(guān)鍵[1]。內(nèi)蒙古河套灌區(qū)自從節(jié)水改造工程實施以來,引水量將從52億m3減少到40億m3[2]。滴灌能有效提高灌溉水分利用效率,但少量多次的灌溉難以將鹽分淋洗到地下水中,可能導(dǎo)致表層土壤的鹽分累計。因此,研究河套灌區(qū)滴灌作物土壤鹽分累積對灌溉的響應(yīng)規(guī)律有非常重要的意義。

        國內(nèi)外學(xué)者開展了較多的相關(guān)研究,郝遠遠等[3]在水鹽運移模型HYDRUS-1D的基礎(chǔ)上耦合了作物生長模型EPIC,建立了HYDRUS-EPIC模型,并結(jié)合GIS建立了分布式水文模型;李中昊等[4]通過野外監(jiān)測實驗發(fā)現(xiàn)土壤全鹽量與年平均溫度呈現(xiàn)一定相關(guān)性,且有明顯的增加趨勢;管孝艷等[5]結(jié)合GIS與統(tǒng)計學(xué)方法,由灌域土壤EC值分析了河套灌區(qū)沙壕渠地下水埋深對土壤鹽分分布的影響,發(fā)現(xiàn)鹽分隨著地下水埋深增大而減小,且二者呈指數(shù)關(guān)系;張永平等[6]通過野外實驗,探索最適合河套灌區(qū)的春小麥灌溉制度;范雅君等[7]研究了河套灌區(qū)膜下滴灌條件下玉米高產(chǎn)、節(jié)水的灌溉制度,發(fā)現(xiàn)玉米膜下滴灌灌溉定額為275~325mm;蔣貴英等[8]通過田間試驗探索滴灌頻率對西北地區(qū)滴灌小麥水分利用效率的影響,得出滴灌小麥采用375 mm的灌水量和7 d 1次的灌水頻率較適合;杜斌[9]通過在河套灌區(qū)滴灌種植玉米和葵花,得到了最適宜當(dāng)?shù)氐挠衩缀涂ǖ喂嘀贫?,但是以上學(xué)者均未結(jié)合分析鹽分累對地面灌溉以及滴灌的響應(yīng)規(guī)律。本文以土壤鹽分累積對不同灌水模式的響應(yīng)規(guī)律為研究對象,通過田間取樣并結(jié)合水鹽運移模型模擬分析鹽分累積規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上提出適合該地區(qū)控制土壤鹽漬化的適宜措施。

        1 研究區(qū)概況

        河套灌區(qū)位于黃河中游,是中國最大的一首制灌區(qū)。灌區(qū)(見圖1)屬于典型的溫帶大陸性氣候,地勢平坦,海拔高度為1 007~1 050 m,西南較高,東北較低,自然坡降1/5 000~1/8 000;灌區(qū)多年平均降雨量為140 mm,而年平均蒸發(fā)量達2 056 mm,是典型的無灌溉便無農(nóng)業(yè)的地區(qū)。灌區(qū)總土地面積112萬hm2,現(xiàn)有耕地面積55.46萬hm2,農(nóng)牧用地占總土地面積的66.72%[10]。由于地下水埋深淺、灌排措施的限制,灌區(qū)土壤鹽漬化問題較為嚴重。

        圖1 研究區(qū)示例Fig.1 Location of the study area

        2 研究方法

        2.1 典型區(qū)的選取

        為了分析河套灌區(qū)作物生育期的土壤鹽分變化情況,選取典型研究區(qū)域采集土樣分析本底值。典型區(qū)采用土鉆法取樣,取樣深度為0~10、10~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm。土壤機械組成由激光粒度儀測定,為粉砂壤土。土壤含水率由烘干法測得,全鹽量由1∶5的土壤/蒸餾水配比溶液測其電導(dǎo)率換算而來,換算所采樣的經(jīng)驗公式為:SSC=EC1∶5×2.882/1 000+0.183[11]。土壤水力及溶質(zhì)運移參數(shù)由Rosetta模型確定,灌區(qū)地下水埋深由地下水位觀測井的數(shù)據(jù)得到。典型區(qū)的初始含水率以及鹽分濃度見表1,土壤剖面水力參數(shù)以及溶質(zhì)運移參數(shù)見表2,典型區(qū)的地下水埋深見圖2。

        表1 典型區(qū)0~100 cm的初始含水率以及鹽分濃度Tab.2 Soil water content and salinity concentration in 0~100 cm profile of typical area

        表2 河套灌區(qū)典型區(qū)的土壤水力特征參數(shù)以及溶質(zhì)運移參數(shù)Tab.2 Soil hydraulic properties and solute transport parameters of the typical area in hetao

        圖2 典型區(qū)作物生長期內(nèi)的地下水埋深Fig.2 Groundwater depth during crop growth in the typical area

        2.2 節(jié)水情景設(shè)置

        為了考慮節(jié)水措施可能帶來的影響。用現(xiàn)狀灌溉模式對HYDRUS-EPIC模型[3]進行模型率定,并選用3種不同的灌溉制度開展模擬,研究典型區(qū)不同灌水制度下水土環(huán)境以及作物產(chǎn)量的響應(yīng)規(guī)律。3種情形分別為:傳統(tǒng)地面灌溉(C1)、等量地面灌溉(總水量與滴灌同)、現(xiàn)狀滴灌(C3)。傳統(tǒng)地面灌溉用水量[12]如表3所示,生育期灌水量為502 mm;現(xiàn)狀滴灌灌溉制度如表4所示[9],生育期灌水量為240 mm,滴灌濕潤比為0.58[13]。

        表3 2014年典型區(qū)葵花的地面灌溉制度Tab.3 Present irrigation schedule of sunflower in the typical area

        表4 研究區(qū)葵花的滴灌灌溉制度Tab.4 Drip irrigation schedule of sunflower in study area

        3 結(jié)果與分析

        3.1 鹽分累積規(guī)律

        圖3給出了3種灌溉制度下葵花土壤全鹽量的變化情況??梢钥闯觯ㄉ趦?nèi)滴灌條件下土壤全鹽量一直都保持著較高的水平;與傳統(tǒng)地面灌相比,滴灌表層土壤(0~10 cm)鹽分累積嚴重,在葵花生育期末是傳統(tǒng)地面灌的2.15倍。與等量地面灌相比,葵花生育期末0~10 cm土壤全鹽量較大,比等量地面灌土壤全鹽量高39%;10~20 cm土壤全鹽量則相對接近,僅高出2%;而20~80 cm土壤全鹽量比等量地面灌低20%。模擬結(jié)果表明現(xiàn)狀滴灌條件下葵花表層土壤(0~20 cm)鹽分累積嚴重,甚至高于等量地面灌,但總體上鹽分累計程度要低于等量地面灌。

        圖3 葵花土壤含鹽量對不同灌溉制度響應(yīng)情況Fig.3 Responsiveness of sunflower soil salinity to different irrigation systems

        3.2 水鹽均衡

        圖4為葵花生育期內(nèi)的土壤水鹽均衡分析。從圖4(a)可以看出,在作物生育期內(nèi),滴灌條件下水分深層滲漏和毛管上升量為等量地面灌的1.13和1.07,表明滴灌條件下灌溉水與地下水的交互作用比等量地面灌大;而水分深層滲漏和毛管上升量僅為傳統(tǒng)地面灌的0.37和1.04。由此可見,傳統(tǒng)地面灌產(chǎn)生了大量的深層滲漏,水分浪費嚴重。鹽分的深層滲漏及毛管上升規(guī)律與水分相似[圖4(b)],滴灌條件下鹽分深層滲漏和毛管上升量僅為傳統(tǒng)地面灌的0.51和0.91。滴灌條件下葵花生育期土壤全鹽增加量(ΔC)比傳統(tǒng)地面灌高305%,表明滴灌對鹽分的淋洗效果較差,生育期末土壤根區(qū)鹽分累積情況嚴重;但全鹽增加量(ΔC)比等量地面灌溉低23%,表明相同灌水量條件下滴灌有利于減輕葵花根區(qū)鹽分的積累,淋洗是灌區(qū)滴灌必不可少的抑鹽措施。

        圖4 葵花生長期內(nèi)土壤水分平衡分量和鹽分平衡分量Fig.4 Soil water and salinity balances for sunflower

        3.3 水分生產(chǎn)率

        表5給出了葵花生育期內(nèi)C1、C2、C3三種灌溉方式產(chǎn)量的模擬結(jié)果,分別為3 277.1,2 742.9,3 064.4 kg/hm2。相同灌水量條件下,滴灌產(chǎn)量比地面灌溉高11.7%,為傳統(tǒng)地面灌的93.5%。相同灌水量條件下,滴灌可以顯著的提高葵花產(chǎn)量;而與傳統(tǒng)地面灌相比,現(xiàn)狀滴灌制度葵花的生長可能受到水分和鹽分的脅迫,因此產(chǎn)量較低;三種灌溉模式下傳統(tǒng)地面灌的作物實際蒸騰量ETa最大,但WPI最??;滴灌葵花的WPET比等量地面灌溉(C2)高11.1%。

        4 結(jié) 語

        本文通過在河套灌區(qū)選取典型研究區(qū)開展了葵花在3種灌溉模式下的模擬研究,得到如下研究結(jié)果。

        表5 葵花生長期內(nèi)的水分生產(chǎn)率Tab.5 Water productivity of sunflower

        (1)現(xiàn)狀滴灌條件可導(dǎo)致葵花表層(0~10 cm)鹽分累積嚴重,生育期末時表層鹽分比傳統(tǒng)地面灌高115%,比等量地面灌溉高37%;0~100 cm土壤全鹽增加量(ΔC)比傳統(tǒng)地面灌高305%,但比等量地面灌低23%,淋洗是灌區(qū)滴灌必不可少的抑鹽措施。

        (2)從產(chǎn)量上看,現(xiàn)狀滴灌為傳統(tǒng)地面灌的93.5%,略為降低;在相同灌水量下,滴灌葵花產(chǎn)量比等量地面灌高11.7%,增產(chǎn)效果明顯;滴灌條件下葵花的WPI最大。

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