淮北平原農(nóng)作物對地下水利用量實驗研究

朱 梅，王振龍，2

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥 230036;2.安徽省水利水資源重點實驗室，安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院，安徽蚌埠 233000)

淮北平原農(nóng)作物對地下水利用量實驗研究

朱 梅1，王振龍1，2

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥 230036;2.安徽省水利水資源重點實驗室，安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院，安徽蚌埠 233000)

從長系列水文信息資料分析入手，利用五道溝實驗站大型地中蒸滲儀設(shè)備，以冬小麥和大豆的潛水蒸發(fā)實驗為基礎(chǔ)，將作物的耗水量研究與作物生育期緊密結(jié)合進(jìn)行分析，給出了用作物各生育期和埋深的利用量計算農(nóng)作物對地下水的利用量的建議，為進(jìn)一步研究農(nóng)作物對地下水的利用量關(guān)系奠定基礎(chǔ)。

地中蒸滲儀;潛水蒸發(fā);地下水;耗水量

淮北平原是安徽省主要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地，也是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)之一，水資源是農(nóng)業(yè)發(fā)展最大的制約因素之一。該區(qū)土壤以砂礓黑土和黃潮土為主，各占54%和33%。試驗區(qū)為北亞熱帶和暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，冬季干旱少雨，夏季炎熱多雨，降水量年際變化大，年內(nèi)分配很不均勻，多年平均降雨量840 mm，其中汛期6～9月降水量占年總量的63%左右，多年蒸發(fā)量為1 181.3 mm。受區(qū)域構(gòu)造條件所決定，本地區(qū)主要含水層為淺層全新統(tǒng)含水巖組以及中深部更新統(tǒng)含水巖組，含水層厚度分別為0～40 m和40～150 m。地下水位埋深一般在1.5～3.5 m變化，地下水資源相對較豐富。

五道溝水文實驗站大型地中蒸滲儀是研究潛水蒸發(fā)規(guī)律和水轉(zhuǎn)化的理想場所。實驗站內(nèi)設(shè)地中蒸滲儀原狀土測筒60套，代表土壤為砂礓黑土和黃潮土，0.3 m2～4.0 m25種不同器口面積，0～5.0 m 15種不同地下水控制埋深，其中有作物和無作物生長測筒各30個，相同埋深的每種試驗處理有3個重復(fù)。據(jù)水量平衡原理，通過蒸滲儀逐日水量平衡觀測試驗，測試冬小麥和大豆作物，在不同土壤不同地下水位控制埋深條件下潛水蒸發(fā)量，采用多項式擬合和疊加多項式法，研究不同條件下的利用量規(guī)律，分析作物對地下水的利用量［1－2］。

供實驗用的地中蒸滲儀裝置是一個較完美的降雨一徑流一入滲一作物蒸騰蒸發(fā)(簡稱騰發(fā))量等水平衡要素相互轉(zhuǎn)化的觀測試驗裝置。降雨后從徑流量觀測筒中測得的水量為地表徑流量;降雨入滲并使包氣帶土壤達(dá)到田間持水量后的降水量，在重力作用下入滲補(bǔ)給地下水，即從滲漏量觀測筒中測得的水量為滲漏量。地中蒸滲儀的工作原理見圖1。

圖1 是地中蒸滲儀的工作原理圖

1 作物對地下水的利用量實驗結(jié)果與分析

一般情況下，有作物的潛水蒸發(fā)比裸土潛水蒸發(fā)要多一些，首先看一下這部分多出來的潛水蒸發(fā)量是否有規(guī)律。把有作物時的潛水蒸發(fā)量減去同期同埋深的裸土潛水蒸發(fā)量，就是作物導(dǎo)致潛水多蒸發(fā)掉的水量，本文簡稱“作物利用量”。

1.1 作物生育期對地下水利用量分析

利用數(shù)據(jù)質(zhì)量最完整的1993年和2007年、2010年資料為基礎(chǔ)，分析作物利用量。

1)小麥耗水分析

以1993年、2007年和2010年資料為例，點匯逐日的潛水埋深0.4 m、0.8 m和1.5 m的小麥利用量。從結(jié)果可發(fā)得出，三年小麥利用量在潛水埋深0.4 m處最大，隨著埋深的增加小麥利用量逐漸減少。在冬小麥返青期(3月6日－3月20日)，小麥潛水蒸發(fā)量與裸地潛水蒸發(fā)量的差值較小。小麥進(jìn)入拔節(jié)期冬小麥與裸地潛水蒸發(fā)量的差異漸漸加大，在灌漿期兩者之間的差值達(dá)到了最大，此時也是小麥的生長盛期，是作物蒸騰耗水強(qiáng)度最大的階段。而裸地潛水蒸發(fā)量的變化僅僅是隨著氣溫的回升有所增加，但是增加的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于冬小麥的增加量，所以使得二者之間的差異加大。小麥在5月25日左右進(jìn)入乳熟期，隨著小麥的黃熟，小麥葉面積減小，根系死亡，潛水蒸發(fā)量減少并逐漸與裸地的潛水蒸發(fā)量相接近。

利用量變化的年際差異主要體現(xiàn)在埋深1.5 m的耗水量，2007年冬小麥整個生長期在1.5 m埋深的耗水量較1993年、2010年明顯偏少，和裸地潛水蒸發(fā)相近。2010年乳熟期時在0.8 m埋深的耗水量較1993年有明顯增幅，說明由于品種的更新?lián)Q代，作物各階段的生長耗水會產(chǎn)生細(xì)微差異。在每個埋深的小麥利用量圖可以用多項式近似擬合。

2)大豆耗水分析

以1993年、2007年和2010年資料為例，點匯逐日的潛水埋深0.4 m、0.6 m 和 1.0 m 的大豆利用量，其中利用量數(shù)據(jù)已經(jīng)扣除了灌溉水量。從結(jié)果可以得出，大豆苗期潛水蒸發(fā)量和裸地潛水蒸發(fā)量的差異較小，趨勢線比較平緩。由于大豆在7月28日進(jìn)入開花－結(jié)莢期，大豆的潛水蒸發(fā)量逐漸加大，并逐漸超過裸地潛水蒸發(fā)量，使得二者的差異加大，大豆進(jìn)入黃熟期，大豆?jié)撍舭l(fā)量與裸地的差異又逐漸減小。

作物利用量變化的差異體現(xiàn)在，1993年，埋深1.0 m時利用量最大，埋深0.6 m時次之，0.4 m埋深時大豆的利用量最小，和2010年的利用量埋深規(guī)律恰恰相反。究其原因在于隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，大豆品種的改良，導(dǎo)致作物耗水特性發(fā)生改變。這說明，作物利用量與作物品種和土壤質(zhì)地都有關(guān)系。每個埋深的大豆利用量圖可以用多項式近似擬合。

3)有作物潛水蒸發(fā)量擬合與驗證

根據(jù)上述分析結(jié)果，可以把有作物情況下的潛水蒸發(fā)分為兩部分計算:①同樣條件下的裸土蒸發(fā)量，可根據(jù)公式和參數(shù)計算。②作物利用量，用擬合出的多項式計算。把兩部分的結(jié)果相加就可以得到有作物的潛水蒸發(fā)擬合結(jié)果，見表1。

表1 疊加多項式法獲得1993年作物潛水蒸發(fā)量擬合決定性系數(shù)

由表可見，這一方法擬合出潛水蒸發(fā)，決定性系數(shù)均在0.7以上，最大達(dá)到0.82，比經(jīng)驗公式法直接計算出的結(jié)果要好得多。但是該方法在不同年份之間擬合出的多項式系數(shù)差別較大，比如用1993年擬合出的參數(shù)預(yù)報1994年的潛水蒸發(fā)，決定性系數(shù)都在0.5以下，可見該方法通用型很差，不推薦使用。

1.2 作物生育期耗水量與地下水埋深關(guān)系

上述分析表明，作物對地下水利用量與生育期密切相關(guān)，于是分析逐生育期的作物利用量規(guī)律，并嘗試以此擬合有作物潛水蒸發(fā)量。

1)作物逐生育期利用量分析

統(tǒng)計1994－1998年砂姜黑土、黃潮土不同埋深下小麥、大豆各生育期的利用量，見表2、表3，表中每個生育期、每個埋深下所列的數(shù)據(jù)都是5年的平均值。個別數(shù)據(jù)出現(xiàn)負(fù)值，主要是因為那些時間的作物活性較低，而且作物的遮蔽抑制了棵間蒸發(fā)，從而導(dǎo)致潛水蒸發(fā)較少。

表2 亞粘土作物各生育期利用量統(tǒng)計

表3 亞砂土作物各生育期利用量統(tǒng)計

2)有作物潛水蒸發(fā)量擬合與驗證

利用上表統(tǒng)計出的不同作物各生育期利用量相關(guān)數(shù)據(jù)，疊加到相應(yīng)條件下的裸土潛水蒸發(fā)量上，就得到了有作物時的潛水蒸發(fā)量。把計算出的所有埋深的數(shù)據(jù)與94～98年的實測值比較，決定性系數(shù)在0.7左右，見表4，小麥的擬合效果稍差一點。擬合效果比經(jīng)驗公式法直接計算出的結(jié)果要好一些，但略遜于前面的逐年多項式擬合。

根據(jù)以上的率定結(jié)果，選用1991－1993年的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，驗證結(jié)果見表4。驗證的決定性系數(shù)在0.55～0.69之間，比率定期要低0.1左右，但仍然高于經(jīng)驗公式法直接計算出的結(jié)果。驗證結(jié)果表明裸土潛水蒸發(fā)疊加生育期利用量計算有作物的潛水蒸發(fā)量，相關(guān)的參數(shù)具備較好的適用性。再加上該方法參數(shù)較少，本文推薦這一方法計算有作物潛水蒸發(fā)。

表4 生育期疊加法作物潛水蒸發(fā)量擬合與驗證決定性系數(shù)

3 結(jié)語

本文根據(jù)水量平衡原理，通過蒸滲儀逐日水量平衡觀測試驗，測試冬小麥和大豆作物，在不同土壤不同地下水位控制埋深條件下潛水蒸發(fā)量，采用多項式擬合和疊加多項式法，研究不同條件下的作物利用量規(guī)律。實驗發(fā)現(xiàn)，將作物利用量與裸土蒸發(fā)量相加擬合有作物的潛水蒸發(fā)量，用這種方法獲得1993年作物潛水蒸發(fā)量擬合決定性系數(shù)在0.7左右，與經(jīng)驗公式法直接計算出的結(jié)果相比比較簡便，但是該方法在不同年份之間擬合出的多項式系數(shù)差別較大，比如用1993年擬合出的參數(shù)預(yù)報1994年的潛水蒸發(fā)，決定性系數(shù)都在0.5以下，因此該方法通用型很差，不推薦使用。文中考慮了作物利用量與生育期的相關(guān)關(guān)系，分析了作物逐生育期的作物利用量規(guī)律，以此擬合有作物潛水蒸發(fā)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種方法參數(shù)較少，相關(guān)的參數(shù)具備較好的適用性，因此推薦這一方法計算有作物潛水蒸發(fā)。

本文通過實驗的方法比較了有作物和無作物情況下，潛水蒸發(fā)量的區(qū)別，并提出通過多項式擬合和疊加多項式法研究和計算不同條件下的作物對地下水的利用量，進(jìn)一步指出，考慮作為逐生育期的作物利用量更有利于合理計算作物的潛水蒸發(fā)量。

［1］楊學(xué)兵，農(nóng)作物種植條件下淺層地下水利用研究進(jìn)展［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(22):9650－ 9651，9673.

［2］羅治勇，農(nóng)田水分動態(tài)模擬研究［D］.長安大學(xué).2008.

A Research on Groundwater Utilization of Corps in Huaibei Plain

Zhu Mei1，Wang Zhenlong1，2
(1.School of Engineering，Anhui Agricultural University，Hefei 230036，Anhui，China;2.Key Laboratory of Water Resources，Anhui Water Resources Research Institute，Bengbu 233000，China)

By analyzing the hydrological data of phreatic evaporation experiment on winter wheat and soybean，which is collected by the lysimeter in Wudaogou Experimental Station，the paper makes a study on the relationship between crops water consumption and crops growing season.According to research result，the paper proposes to take crops growing season and burial depth into consideration when calculate the groundwater utilization amount of corps，which lays a foundation of further research in this field.

Lysimeter，phreatic evaporation，groundwater and water consumption

P641.1

A

1004－1184(2013)05－0046－03

2013-04-17

朱梅(1977-)，女，安徽懷遠(yuǎn)人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)水利工程研究工作。