北京地区渗灌条件下冬小麦田间土壤水分动态及节水机理的研究_地理论文

提　要　根据对渗灌条件下冬小麦田间土壤水分、冬小麦生长发育状况及产量的观测，研究了渗灌条件下冬小麦田间土壤水分动态及节水机理。试验结果表明，渗灌条件下田间土壤水分动态变化与灌溉、冬小麦生长发育状况及气象条件密切相关；渗灌用于冬小麦灌溉可以明显起到节约灌溉用水的作用，并有利于冬小麦的生长发育及产量形成。在冬小麦的整个生育期，采用渗灌比喷灌田间耗水量减少了 44.4mm，灌溉用水节约了 1200m³/hm²，而最终产量提高了 714kg/hm²，渗灌条件下作物水分利用效率为 21.11kg/(hm²·mm)，比喷灌条件下高 4.49kg/(hm²·mm)。渗灌用于冬小麦灌溉的节水机理主要表现为两个方面：①每次灌溉后，地表湿度较喷灌条件下要小得多，减小了土壤水分的无效物理蒸发；②渗灌利于冬小麦根系向地中供水层（20～120cm）延伸，提高了冬小麦根系对灌溉供水层的水分利用。

关键词　渗灌；冬小麦；土壤水分动态；节水机理

中图分类号　S152.7；S275

文献标识码　A

文章编号　1000－3037(2000)03－0246－06

　　北京地区粮食生产大都以小麦、玉米一年二作为主，其中在冬小麦生长季节因降雨量少（多年平均 120mm 左右，不到全年的 20%），不能满足其生长发育的
需要^[1、2]，均需进行灌溉。据估计，每年用于冬小麦灌溉的水量约 7亿m³，占全市总用水量的 17.5%，占农业用水的 28%^[3]。目前，北京地区冬小麦灌溉以喷灌为主，而喷灌仍存在一定量的水分浪费。为此，我们对一种新型的节水灌溉技术——渗灌用于北京地区冬小麦灌溉的效果进行了试验研究。所谓渗灌是将渗水毛管埋入耕层 30～50cm 深处，灌溉水通过毛管壁，借助水压力慢慢渗入土壤，供作物使用^[4、5]。本文通过研究渗灌条件下，田间土壤水分动态、灌溉水的损失及灌溉水在土壤中的再分布规律，分析了渗灌的节水机理^[6～9]，旨在为北京地区农业节水灌溉的进一步发展，为面向 21 世纪的节水技术的研究提供理论依据。

1 概述

1.1 材料与方法

　　试验于 1997～1998 年在北京市昌平县史各庄乡北郊农场试验地进行。试验地面积 1.8hm²，地下水位深 10.5m，土壤质地以中壤为主，0～200cm 土层平均凋萎湿度为 0.125cm³/cm³，平均田间持水量为 0.343cm³/cm³。渗灌设备采用中国灌溉技术开发公司生产的渗灌系统，喷灌设备为移动式旋转喷头喷灌系统。在试验区，灌溉时灌水量用水表计量。供试作物为冬小麦，品种为京核－3 号。

1.2 试验方法

　　试验完全在大田条件下进行，共设两个处理，其中渗灌处理面积 1.1hm²，渗管间距为 1.2m，渗管埋深为 40cm。以喷灌为对照处理，面积 0.7hm²，其灌溉完全按当地现行的灌溉制度进行，灌溉时间及灌溉量见表 1。

表 1 不同处理的灌溉时间及灌溉量
Table 1 Irrigation date and norm in different treatments

　　用中子仪测 2m 深土层各层（10～20cm、20～30cm、30～40cm、40～50cm、50～60cm、60～80cm、80～100cm、100～120cm、120～160cm、160～200cm）的土壤容积含水量，表层 0～5cm、5～10cm 由于用中子仪测定误差较大，采用烘干法测定，日常每周观测两次，越冬期每月两次，遇到降水或灌溉加测。灌溉的前一天、当天及灌水后几天连续测定，直到灌水在土壤中的再分布稳定为止。

　　观测不同处理冬小麦的生育期和产量，采用田间剖面挖掘法测定根系在土壤中的分布。冬小麦生育期内的降水资料采用北郊农场气象观测站的数据。

2 结果与分析

2.1 渗灌条件下土壤水分动态

2.1.1 土壤水分的时间变化规律

　　图 1 是渗灌及喷灌处理冬小麦全生育期 0～200cm 土壤含水量的变化。从图中可以看出，不同处理的土壤水分随时间的变化规律，有明显的共同之处。但由于灌溉方法和灌水量不同，在一定时期（主要是每次灌溉后）又有一定的差异：

图 1 不同处理 0～200cm 土壤含水量随时间的变化
Fig.1 The variation of soil water content from 0cm to 200cm in different treatments

　　(1) 冬灌至越冬前整层土壤失墒率不同，喷灌处理因表层土壤含水量较大，失墒率为 2.0mm/d，渗灌处理地表干燥，失墒率仅为 0.7mm/d。

　　(2)4 月初至 5 月上旬（拔节至抽穗期，4 月 1～3 日进行了灌溉），这个时期，喷灌地块土壤表层 (0～20cm) 失墒率明显大于渗灌地块，渗灌地块为 1.2mm/d，喷灌地块为 1.6mm/d，而这个时期 20～120cm 土层的失墒，渗灌处理却比喷灌处理多，渗灌处理为 0.9mm/d，喷灌处理为 0.7mm/d。

　　(3)5 月上至 6 月中（抽穗至成熟，5 月 17～18 日进行灌溉），渗灌处理的整层土壤失墒率为 2.5mm/d，喷灌处理为 3.0mm/d。

2.1.2 0～200cm 土层土壤水分的垂直变化特点

　　根据影响不同层次土壤水分变化的决定性因素，将渗灌条件下田间 0～200cm 深土壤分为三层：

　　(1) 降水及蒸发决定层（0～20cm）　图 2 是渗灌及喷灌处理 0～20cm 土层含水量随时间的变化。在冬小麦整个生育期，虽然不同处理 0～20cm 土壤含水量都有较大的波动，但渗灌处理的变化振辐明显比喷灌处理小。这是因为在渗灌条件下，该层土壤水分几乎不受灌溉的影响，降水及蒸发是影响该层土壤水分变化的决定性因素。

图 2 不同处理 0～20cm 土层含水量随时间的变化
Fig.2 The variation of soil water content from 0cm to 20cm in different treatments

　　(2) 灌溉及根系决定层 (20～120cm)　该层次的土壤水分变化主要决定于作物生长发育状况和灌溉条件。渗灌条件下每次灌水后，补充于该层上层 (20～60cm) 的水分占总灌水量的 30%～40%，喷灌条件下为 20%～35%。在该层下层 (60～120cm)，冬小麦根系已经很少，决定其土壤含水量降低的主要原因是对上层的供水，如果上层土壤中根系较多，根系吸水使其含水量降低得就多，此时含水量较为丰富的 60～120cm 土层便靠毛管作用向上层供水。图 3 是不同处理抽穗至成熟 60～120cm 土层含水量的变化，渗灌处理的变化大于喷灌处理。可见，不同层次土壤水分的变化并非孤立的，灌溉及作物根系分布造成的某一层次上土壤水分的变化，会影响到与之相邻的其它层次。

图 3 不同处理抽穗至成熟 60～120cm 土层含水量的变化
Fig.3 The variation of soil water (60～120) content from heading to mature period in different treatments

　　(3) 相对稳定层 (120～200cm)　该层土壤水分只有在灌溉量较大时，才有一些变化，其余时间含水量相对稳定。

2.2 灌溉水在土壤各层中的分配

　　灌水方式不同造成了灌溉水在土壤各层中的分配不同，在渗灌过程中，由于渗水管埋在地下 40cm 处，所以在该层次水分增加最大，随着灌溉的进行，20～120cm 的土层都有非常明显的增墒，120～200cm 土壤水分则略有增加，渗灌对上层 10～20cm 略有影响，但对土壤表层 0～10cm 几乎没有什么影响，在渗灌停止后的几天里，水分在田间进行内部调整，由于靠近渗管的土壤湿度大于四周，水分逐渐向两侧入渗，直致田间水分分布均匀，最终渗灌将 70%～80% 以上的灌水补充在 20～120cm 的土层，0～20cm 土层增加的水量只有灌溉量的 5%～10%，这样就大大减少了土壤表层水分的物理蒸发。

　　喷灌后，在整个土层土壤含水量均有明显增加，土壤水分增加最多的是 0～20cm 土层，冬灌 31% 的灌溉水被补充到 20～120cm 土层，22% 的灌水补充在 0～20cm 土层，另有 47% 的灌水增加在 120～200cm 土层（灌水一周后，这其中的 1/3 渗漏了）。拔节水的 90% 补充在 0～120cm 土壤，但 0～20cm 又占了总灌溉量的近 40%。灌浆水的情况也一样，0～20cm 土层增加的水分占总灌水量的 37%。可见喷灌地上供水的特点决定了每次灌溉都有大量的灌水被补充在 0～20cm 土层。地表湿度过大，不仅加剧了土壤表层的水分蒸发，而且对冬小麦生长发育也不利。每次灌溉后灌水在土壤中分配比例见表 2。

表 2 不同处理灌水在土层中的分配比例 (%)
Table 2 The distributive rate of irrigation water in soil under different treatments

2.3 渗灌条件下农田水分利用效率及总效益估算

　　表 3 根据田间耗水量及产量计算了不同处理的农田水分利用效率，采用渗灌可以提高冬小麦水分利用效率，节约灌溉用水。另外，根据灌溉设备投入、耗工费、灌溉用水量、其它投入（农药、化肥）及产量收入，对渗灌用于北京地区冬小麦灌溉的总效益进行了估算，为每年每公顷收入 5404 元人民币，比喷灌少 295 元。这主要是目前渗水管成本较高、水价却很低造成的。

表 3 不同处理冬小麦的水分利用效率
Table 3 The water utilization efficiency of winter wheat in different teratments

2.4 渗灌用于冬小麦灌溉的节水机理

2.4.1 渗灌可以大量减少土壤水分的无效物理蒸发

　　渗灌条件下，地表长时间较干燥，根据土壤水分蒸发速率的变化规律^[10]，其土壤水分蒸发基本上不能在土壤表面进行，蒸发速度很缓慢，蒸发量少。与之相比，采用喷灌使得在每次灌水后的一段时间内土壤表层相当湿润，自表层直接蒸发的水分大大多于渗灌。例如，在灌拔节水后的 20d 中（4 月 5～25 日，其间天气晴好，无降雨），渗灌处理田间 0～5cm 土壤容积含水量由 19.8% 降至 12.3%，0～40cm 土层水分损失了 14.4mm，喷灌处理由 27.7% 降至 16.2%，0～40cm 土层水分损失 24.2mm，说明由于灌溉后不同处理土壤表层含水量不同，使土壤水分蒸发量差别很大，采用渗灌可以有效避免由于灌溉后地表过湿造成的土壤水分大量蒸发，起到节约灌溉用水的作用。

2.4.2 采用渗灌有利于冬小麦根系下扎及对灌溉水的利用

　　灌溉方式不仅影响土壤的蒸发量，而且影响冬小麦的根系在土壤中的分布。我们在冬小麦越冬前、返青期及开花期，对不同处理冬小麦根系总量及其在土壤中的分布进行了观测，图 4 是两处理开花期冬小麦根系在土壤中的分布，渗灌处理的总根量略高，其 0～20cm 中根系占 59%，喷灌处理为 76%；而渗灌溉处理 20～60cm 中的根系占 39%，喷灌处理只占 21%。这种差异无疑是前期不同处理灌水方式不同造成的，根系下扎深，不仅有利于冬小麦地上部分的生长，而且可充分利用深层土壤水分，渗灌又可以将大量灌水补充在 20cm 以下土层，大大提高了灌溉水的有效性。

图 4 不同处理开花期冬小麦根系在土壤中的分布
Fig.4 The winter wheat root system distribution in soil at blooming under different treatments

3 结论与讨论

　　渗灌条件下冬小麦田间土壤水分动态变化受灌溉、作物生长发育和天气状况的影响。在冬小麦的整个生育期，两处理田间土壤水分的时间变化规律基本一致，但渗灌条件下麦田日耗水量低于同期喷灌处理；根据渗灌条件下影响田间不同层次土壤水分变化的主导因素，可将 0～200cm 土层分为降水及蒸发决定层 (0～20cm)、灌水及根系决定层 (20～120cm)、相对稳定层 (120～200cm)；采用渗灌可明显提高冬小麦的水分利用效率，渗灌条件下冬小麦的水分利用效率为 21.11kg/(hm²·mm)，比喷灌条件下高 4.49kg/(hm²·mm)，而且渗灌比喷灌增产 714kg/hm²。渗灌的节水机理主要表现在两个方面：①由于渗灌在地中供水，地表 0～20cm 在很长时间内湿度较小，大大减少了土壤水分的无效蒸发；②渗灌条件下由于灌溉水大部分被补充在 20～120cm 土层，使根系在这个层次分布比例大、量多，冬小麦对该层次水分的利用多于喷灌，提高了灌水的有效性。

　　虽然按当前情况，因渗灌投资较高，经济效益不如喷灌，但这其中也有渗水管成本高、目前水价很低等方面的原因。我们相信在 21 世纪，随着中国水资源短缺形势的日趋严峻，在科技不断提高，渗水管成本下降以后，渗灌必将以其可带来良好的生态、社会、经济效益而为人们所接受。

参考文献