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(jì)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(jì)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?yàn)橥寥篮退鳛橐粋€系統(tǒng)，不斷地與外界進(jìn)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(shí)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(jìn)行有針對性的調(diào)控[2]。但與此同時，不可忽視的一點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行綜合分析，如丁運(yùn)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(yàn)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(dú)空間變異的分析相對較少。因此，以此為切入點(diǎn)設(shè)計實(shí)驗(yàn)對土壤中水分的遷移方向、路徑及特征進(jìn)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(jìn)行保護(hù)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(shí)驗(yàn)研究以當(dāng)?shù)厝展鉁厥掖笈镏性O(shè)置的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)在榆次區(qū)北胡村清泰園附近的日光溫室大棚中進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行取樣。整個實(shí)驗(yàn)采用地理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計好之后，采用隨機(jī)取樣法進(jìn)行取樣，每個灌溉樣地隨機(jī)選取2個點(diǎn)，每個點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行取樣。24h和72h各取1次樣本。將取好的土樣先進(jìn)行稱重，之后帶回實(shí)驗(yàn)室中置于105℃烘箱中烘8h烘干，對烘干后的土樣再次進(jìn)行稱重處理。

實(shí)驗(yàn)之前要對土壤的初始條件進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(jìn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(kuò)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(yùn)移，使得土壤水分的再分布狀況不同[9]。在本次實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(fèi)，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(jìn)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(yùn)動非?；钴S，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(yàn)樣地中所表現(xiàn)出來的特點(diǎn)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(shí)驗(yàn)中主要是由于灌溉方式為人工漫灌，且進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(bǔ)充且蒸發(fā)力度不夠，同時還因?yàn)楸韺油寥澜?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(yùn)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(yàn)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(jìn)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(shí)際樣地進(jìn)行試驗(yàn)相對實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(yàn)的下一步進(jìn)行。

用軟件Origin 2021作圖對數(shù)據(jù)進(jìn)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(yàn)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(shí)驗(yàn)是在日光溫室大棚中進(jìn)行的，溫室大棚具有一定的保溫作用，但本次實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中存在一個較大的問題就是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(jìn)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(jìn)行下滲過程。至于具體下滲過程的研究還需要進(jìn)行進(jìn)一步探討。水分遷移與營養(yǎng)元素的遷移結(jié)合度較高，實(shí)驗(yàn)設(shè)計可適當(dāng)結(jié)合，結(jié)果會更有說服力。