地下水埋深對作物產(chǎn)量與水分利用效率的影響及作物系數(shù)變化

武朝寶

(山西省汾河灌溉管理局中心試驗(yàn)站，山西 文水032107)

作物生長狀況和產(chǎn)量是光、水、土、肥、氣、熱諸因素的協(xié)調(diào)及農(nóng)業(yè)措施綜合的結(jié)果。地下水埋深不同，不僅影響作物對地下水的利用，而且還影響土壤中肥、氣、熱、鹽的分布和運(yùn)動，影響作物生長的根際微環(huán)境，對作物產(chǎn)量和水分利用效率造成影響。汾河灌區(qū)地下水埋深較淺，研究地下水對作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源管理有很好的實(shí)際意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于山西省中部太原盆地(111°55'～112°37'E，37°7'～37°53'N)，為溫帶大陸性半干旱氣候類型，海拔高程749 m，土壤母質(zhì)為汾河沖洪積物，土壤類型為潮土。試驗(yàn)區(qū)年太陽輻射為54.5～56.5 J/m2，最高氣溫39.4℃，最低氣溫 －25.5℃ ，年平均氣溫 10.4℃ ，最大凍土深0.95 m，全灌區(qū)平均無霜期為 171 d。多年平均降水量453.1 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 031.9 mm。常年地下水埋深在0.5～5.0 m間變化，地下水礦化度 896 mg/L，pH值8.3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)于1992～1996年在汾河灌溉管理局中心試驗(yàn)站測坑試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行。測坑為有底的全封閉坑，土體表面尺寸為2 m×2 m，其深度隨不同的地下水埋深而不同，地下水埋深分別控制為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 和 3.0 m 共 6 個處理，每個處理重復(fù)3次。測坑地下水水位采用采用自制的Mariotte瓶裝置嚴(yán)格控制。

測坑回填土壤為當(dāng)?shù)氐脑瓲钔寥溃寥澜Y(jié)構(gòu):0～30 cm為耕作土壤，容重為1.32 g/c m3，30～77 cm為黏土層，容重為1.39 g/cm3，77 ～150 cm 為細(xì)沙土，容重為1.46 g/cm3。0～100 cm土壤質(zhì)地為沙壤土，土壤平均容重1.36 g/cm3，田間持水量26.9%。土壤含鹽量平均0.3%，有機(jī)質(zhì)平均1.38% ，速效磷 20.6 mg/kg 。

冬小麥每年10月播種，翌年6月收獲。冬小麥的生育期劃分為5個階段，分別為苗期、返青期、拔節(jié)期、孕穗期和成熟期。春玉米種植為每年的4月，當(dāng)年的9月份收獲。春玉米的生育期劃分為4個階段，即苗期、拔節(jié)期、抽雄期和成熟期。生育期內(nèi)根據(jù)土壤水分狀況灌水，采用傳統(tǒng)畦灌方法，灌水量用水表計(jì)量。為了研究作物在不同地下水埋深條件下的土壤水分動態(tài)，在每一個測坑安裝有中子管，用中子儀測定試驗(yàn)期間測坑剖面的土壤含水量。

1.3 觀測項(xiàng)目及方法

(1)地下水利用量和測坑底部排水量。采用Mariotte補(bǔ)水裝置進(jìn)行觀測，每天觀測2次。

(2)土壤含水量0～20 cm采用取土烘干法測定，20 cm土層以下采用中子水分儀(L520－D型智能，江蘇農(nóng)科院原子能所)測定每20 cm土層測定一個數(shù)據(jù)，每10 d測定1次，測定深度到地下水位處，灌水或降水前后加測。

(3)氣象資料。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)設(shè)有常規(guī)的氣象觀測場，主要項(xiàng)目有:降水、蒸發(fā)、風(fēng)速、風(fēng)向、日照、氣溫、地溫、濕度、氣壓等，具體的觀測方法及要求按國家陸地氣象觀測規(guī)范進(jìn)行。

(4)作物需水量。采用水量平衡方程計(jì)算:

ET=⊿W+P+I+SG－DP

式中:ET為作物生育期內(nèi)某時(shí)段的需水量，mm;⊿W為時(shí)段內(nèi)土壤儲水量變化量，mm;P為時(shí)段內(nèi)有效降雨量，mm;I為時(shí)段內(nèi)灌水量，mm;SG為時(shí)段內(nèi)地下水利用量，mm;DP為時(shí)段內(nèi)深層滲漏量，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地下水埋深對作物生長和產(chǎn)量構(gòu)成的影響

2.1.1 對冬小麥生長與產(chǎn)量構(gòu)成的影響

不同地下水埋深條件下冬小麥出苗、分蘗、穗數(shù)、干物質(zhì)、千粒重等狀況的觀測結(jié)果(以1996年為例)如表1所示。

表1 1996年不同地下水埋深條件下冬小麥生長和產(chǎn)量構(gòu)成狀況

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出:地下水位嚴(yán)重影響冬小麥的生長和產(chǎn)量構(gòu)成狀況，地下水埋深較淺時(shí)，如0.5 m和1.0 m時(shí)，出苗、分蘗、畝穗數(shù)、干物質(zhì)都低于地下水埋深大于或等于1.5 m的處理，其中干物質(zhì)降低1倍多，只有千粒重不受埋深的影響。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是，地下水埋深過淺，冬小麥根區(qū)長期保持較高的土壤含水率，通氣性差，惡化了根際微環(huán)境;另一方面，由于冬小麥生育期內(nèi)的降雨量少，土壤水分運(yùn)動呈蒸發(fā)型，地下水中的鹽分不斷被帶到近地表，產(chǎn)生次生鹽堿化，也影響了冬小麥的出苗和分蘗。

2.1.2 對玉米生長和產(chǎn)量構(gòu)成的影響

表2 1992～1993年不同地下水埋深的玉米生長與產(chǎn)量構(gòu)成狀況

玉米的出苗、株高、穗高、單穗粒重及千粒重等狀況如表2所示。由于玉米需水量較大，且生育期內(nèi)氣溫較高，蒸發(fā)較強(qiáng)，土壤水分運(yùn)動強(qiáng)烈，維持了根區(qū)水、氣、熱的協(xié)調(diào)，根系活動層中較高的土壤含水量對玉米生長和產(chǎn)量構(gòu)成狀況影響不大。如在1992年的首次試驗(yàn)中，玉米出苗在所有地下水埋深的處理中一樣，在埋深0.5和1.0 m的處理中，由于地下水上升到根系活動層，根區(qū)一直保持較高的土壤水分，玉米生長表現(xiàn)出株高較高、單株穗重增大的特點(diǎn)。但在以后的試驗(yàn)中，并沒有得到與1992年相同的結(jié)果。主要是由于試驗(yàn)區(qū)灌溉水和地下水含鹽量較高，地下水埋深較淺時(shí)容易引起土壤的次生鹽堿化，鹽害成為玉米生長受抑制的主要原因。1992年為試驗(yàn)小區(qū)的首次運(yùn)行，鹽害并不嚴(yán)重，但隨著時(shí)間的延長，地下水埋深較淺的處理地表鹽分的積累不斷增加，對玉米生長的影響越來越嚴(yán)重。從1993年試驗(yàn)結(jié)果可以看出，出苗和株高已開始受到地下水埋深的影響，與地下水埋深較深(大于1 m)玉米相比，0.5 m埋深的出苗率、株高降低，單株穗重和千粒重也有一定幅度的減少。隨后的幾年試驗(yàn)中，由于降雨的一定淋洗作用和采取措施處理，玉米生長呈現(xiàn)一定的波動，但都表現(xiàn)出地下水埋深淺(小于1 m)時(shí)的玉米生長受到抑制。

在相同地區(qū)，玉米和冬小麥生長狀況對地下水埋深反應(yīng)差異產(chǎn)生的原因在于，該地區(qū)為1年1熟，種植玉米和冬小麥的試驗(yàn)區(qū)總有一定時(shí)間為裸地狀態(tài)，玉米收獲以后，降雨量稀少，土壤水分運(yùn)動為蒸發(fā)型，在裸露期間，地下水蒸發(fā)使地表鹽分不斷積累，因此玉米種植時(shí)就開始受到鹽害;而冬小麥剛好相反，冬小麥?zhǔn)斋@以后，該地區(qū)進(jìn)入雨季，土壤水分運(yùn)動呈入滲型，帶走了積累在地表的鹽分，降低了冬小麥種植以后地下水埋深對出苗和生長的影響。

2.2 不同地下水埋深對作物水分生產(chǎn)效率的影響

2.2.1 冬小麥水分生產(chǎn)效率

地下水埋深對冬小麥生長的影響，多年的試驗(yàn)結(jié)果相對比較穩(wěn)定，埋深在一定范圍內(nèi)(小于1.5 m)，產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率隨埋深增加而增加，當(dāng)?shù)叵滤裆顬?.5 m時(shí)，多年平均產(chǎn)量僅為 1 437 kg/hm－2，水分生產(chǎn)效率也僅為 0.24 kg/mm;當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥诨虻扔?.5 m時(shí)，產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率大幅度提高(見表3)。總的變化趨勢是隨著地下水埋深的增加，產(chǎn)量增加，水分生產(chǎn)效率也持續(xù)增加。由此，從增產(chǎn)和提高水分利用效率的角度出發(fā)，冬小麥生育期內(nèi)的地下水適宜埋深應(yīng)控制在1.5 m以下。

表3 不同地下水埋深條件下的冬小麥產(chǎn)量及水分生產(chǎn)效率

2.2.2 玉米水分生產(chǎn)效率

由于在玉米試驗(yàn)過程中，采取了補(bǔ)苗、沖洗壓鹽，加之生育期降雨量大，玉米產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率多年試驗(yàn)結(jié)果存在很大差異，見表4。從總體水平看，0.5 m埋深處理的玉米產(chǎn)量最高，與長期充分供水有關(guān)，但水分生產(chǎn)效率最低，僅為0.98，是所有處理中最高水分生產(chǎn)效率的70%;1 m埋深處理的產(chǎn)量最低，主要是因?yàn)榻涤旰凸喔热霛B深度未能到達(dá)地下水，使表層的鹽分積累在根系活動層所致，水分生產(chǎn)效率也比較低。地下水埋深為1.5 m時(shí)，雖然產(chǎn)量略低于最高產(chǎn)量，平均產(chǎn)量僅為7 221.0 kg/hm－2，但水分生產(chǎn)效率達(dá)到了最高。因此，為了達(dá)到節(jié)水高產(chǎn)高效目的，從提高作物產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率的雙重目標(biāo)出發(fā)，玉米生育期內(nèi)的適宜地下水埋深應(yīng)控制在1.0 m以下。

表4 不同地下水埋深條件下的玉米產(chǎn)量及水分生產(chǎn)效率

2.3 不同地下水埋深條件下作物系數(shù)的變化

充分供水條件下，作物蒸發(fā)蒸騰量的計(jì)算采用間接法，即通過計(jì)算參考作物蒸發(fā)蒸騰量，乘以作物不同生育階段的作物系數(shù)獲得。

2.3.1 參考作物蒸發(fā)蒸騰量的計(jì)算

Penman公式是國內(nèi)外應(yīng)用最普遍的綜合法公式。本文采用Penman公式計(jì)算參考作物蒸發(fā)蒸騰量，其形式為:

式中:P0和P分別為海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和計(jì)算地點(diǎn)的實(shí)際氣壓(hPa);Rn為太陽凈輻射，(w/m2);Δ為飽和水汽壓－溫度曲線上的斜率(hPa℃－1);γ為濕度計(jì)常數(shù)(hPa℃－1);ea為空氣實(shí)際水汽壓(hPa);es為飽和水汽壓(hPa);u2為2 m高處風(fēng)速(m/s);C為風(fēng)速修正系數(shù)。

由我國氣象站常規(guī)高度的風(fēng)速測定值換算成2 m高處的風(fēng)速值時(shí)需乘以0.75的系數(shù)。為了考慮干熱空氣平流作用和溫度層結(jié)對風(fēng)速的影響，需要對風(fēng)速進(jìn)行修正，其修正系數(shù)值C 如表5所示。

表5 Penman公式中的風(fēng)速修正系數(shù)

2.3.2 作物系數(shù)的確定

作物系數(shù)Kc是作物本身生物學(xué)特性的反映，它與作物種類、品種、生育期、作物群體葉面積指數(shù)等因素有關(guān)，Kc=ET/ET0，式中符號意義同前。分析結(jié)果表明，在地下水埋深較淺條件下，作物系數(shù)與地下水埋深有密切的關(guān)系，可用下式表示，

式中，H 為地下水埋深，m;a0，b0，a，b，c 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

根據(jù)試驗(yàn)資料分析，得出的經(jīng)驗(yàn)系數(shù) a0，b0，a，b，c如表6所示。作物系數(shù)變化過程及作物系數(shù)與地下水埋深的關(guān)系見圖1。

表6 作物系數(shù)與地下水埋深的關(guān)系

圖1 冬小麥和玉米生育期作物系數(shù)(Kc)的變化過程

由圖1可看出，作物系數(shù)在整個生育期的變化過程，也有兩個峰值，出現(xiàn)的時(shí)間基本上也是對應(yīng)冬小麥和玉米的揚(yáng)花灌漿期;冬小麥和玉米的最大作物系數(shù)值大致相同，都可以達(dá)到1.6;隨著地下水埋深的變化，作物系數(shù)變化較大，仍以需水高峰期的作物系數(shù)變化為例，冬小麥作物系數(shù)變化于1.1 ～1.6之間，玉米變化于 1.0 ～1.6 之間，其變化幅度可達(dá)到0.5～0.6;最大作物系數(shù)值，不是出現(xiàn)在最小地下水埋深0.5 m處，也不是出現(xiàn)在地下水埋深3.0 m處，而是出現(xiàn)在1.2 m深度處，主要原因可能是，太淺的地下水位，使得土壤水分長期處于高水分狀態(tài)，抑制了作物根系生長和吸水，導(dǎo)致作物產(chǎn)量減低的同時(shí)，騰發(fā)量也不同程度的減小。地下水埋深較大時(shí)，毛管水難于上升到作物根系層，常使作物受旱，減小了作物的蒸發(fā)蒸騰量，也會使的作物系數(shù)減小。

3 結(jié)語

(1)地下水埋深對冬小麥生長、產(chǎn)量及水分生產(chǎn)效率的影響規(guī)律是:毛管上升水使埋深較淺的作物根系微環(huán)境惡化，同時(shí)也有鹽害作用，但鹽害不是主要影響因素;小麥生育期地下水埋深小于1.5 m時(shí)，小麥產(chǎn)量和水分利用效率受到地下水埋深的嚴(yán)重影響，其值隨埋深減小而減小，小麥生育期的地下水位應(yīng)控制在1.5 m以下。

(2)地下水埋深對春玉米生長、產(chǎn)量及水分生產(chǎn)效率的影響規(guī)律是:影響玉米生長、產(chǎn)量及水分生產(chǎn)效率的主要因素是鹽分的運(yùn)動和累積，1 m埋深的玉米受鹽害最重，產(chǎn)量最低;玉米生育期地下水埋深在0.5 m和1.0 m時(shí)能獲得較高的產(chǎn)量，但作物水分利用效率明顯小于埋深大于1.0 m的，從提高作物產(chǎn)量和水分利用效率的雙重目標(biāo)出發(fā)，玉米生育期的地下水位應(yīng)控制在1.0 m以下。

(3)無論冬小麥還是玉米，其作物系數(shù)都隨地下水埋深的變化而變化，其變化幅度可達(dá)到0.5～0.6。作物系數(shù)最大值既不在最大埋深處，也不在最小埋深處，而是處于1.2 m埋深處。

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