摘要:易澇易漬農田是我國南方平原地區重要的農業土地資源,通過改造具有較大的生產潛力,影響這類農田生產水平的關鍵因素是農田水分季節性過多。對易澇易漬農田水文學問題研究進行了總結分析,明確了在今后的研究中需要注意的問題和有待完善的地方。
關鍵詞:易澇易漬農田;水文過程;作物
中圖分類號:S271 文獻標識碼:A 文章編號:0439-8114(2011)20-4174-04
Analysis of Trend in Hydrological Research of Farmland Vulnerable to Waterlogging
LI Ling-zhi,ZHU Jian-qiang
(Engineering Research Center of Wetland Agriculture in the Middle Reaches of the Yangtze River, Ministry of Education / College of Agriculture, Yangtze University, Jingzhou 434025, Hubei,China)
Abstract: Farmland vulnerable to waterlogging is important agricultural land resource in southern China plains which has significant production potential through transformation. The key factor affecting the farmland production level is too much soil water seasonally. The hydrological research of farmland vulnerable to waterlogging was analyzed and summarized and explicitly articulated issues that need attention and need to be perfected in the future research were explicited.
Key words: farmland vulnerable to waterlogging; hydrological process; crop
1易澇易漬農田的概念
通常將農田淹水超過作物耐淹水深和耐淹歷時,進而影響作物正常生長時的農田水分狀況稱作“澇”;把因地下水位過高引起作物根系層土壤水分含量過高、造成根系層土壤肥力因素失調,導致作物不能正常生長的水分狀況稱為“漬”;稱常年或經常性有淺薄水層滯留,在一年中的大部分時間內其水層小于水產養殖需要的最小深度的土地為澇地,在農業生產上將澇地多作為種稻和發展水生經濟植物用地,或經過一定工程整理后辟為水產養殖用地;漬地指常年地下水位偏高、雨季又容易受澇的土地,對種植作物特別是旱地作物有較大影響,農業利用上以種植水稻居多,經過初步工程治理后也可實行水旱輪作,在我國南方平原地區習慣上稱這類農田為漬害田。在農田水利和農業災害學上,可以將地下水位埋深小于50~60 cm,土壤經常或間歇性覆水,對作物的正常生長形成障礙并導致嚴重損失的農業用地統稱為易澇易漬農田[1]。這類土地大多分布在大江大河的中下游地區,丘崗地帶則有零星片狀分布。在南方平原地區,易澇易漬農田一般占耕地面積25%~30%,特殊地段占到60%左右。如果從水分對土壤剖面特性的影響加以區分,可將易澇易漬農田分為季節性澇漬農田和典型漬害田。季節性澇漬農田指:季節性受澇漬影響僅造成作物產量有一定損失,而未明顯影響土壤剖面層次發生質變的易澇易漬耕地;典型漬害田是指受澇漬危害比較嚴重,使土壤剖面發生了質變,對作物生長發育以及最終產量均構成不良影響的易澇易漬耕地。
2關于易澇易漬農田水文過程的研究
農田水文過程與農業生產有密切的關系,是農業水文學研究的核心內容,長期以來備受重視。在淺層地下水存在條件下,地下水、土壤水、植物水、大氣水是一個連續的水分過程[2],它們在一起構成了一個完整的農田水分系統。現代農業水文學多以連續、系統、動態的觀點和定量分析的方法為基礎研究農田水分循環,即把土壤-植物-大氣作為一個物理上的連續體,把大氣水、地表水、土壤水、植物水、地下水當作一個相互聯系的整體,研究農田“五水”轉化的過程和規律,揭示農田水分循環的各個方面,探求以土壤水和作物關系為中心的農田土壤水分調控機理[3]。
農田水文過程是生態水文過程的一種。所謂生態水文過程是指水文過程與生物動力過程之間的功能關系,是揭示生態格局和生態過程變化的生態水文機理的關鍵[4]。生態水文物理過程主要是指植被覆蓋和土地利用對降雨、徑流、蒸發等水文要素影響,生態水文化學過程是指水質性研究,而水文生態效應主要指水分行為對植被生長和分布的影響。從揭示生態水文過程模型的層次看,大多數模型還處在對水文模型和生態學模型的借鑒和綜合運用上,尚未從生態水文過程的角度建立機理性模型[5]。目前,可用于農田生態水文過程研究的模型主要有[6]:①經驗模型,基于大量數據的統計方法,如Rutter模型、Cash模型、Dalton模型、DCA模型、Philip模型等;②機理模型,基于過程考慮的模型,如Penman-monteith模型、分布式水文模型、新安江模型、SVAT模型、SPAC模型等,可用于模擬土壤-植物-大氣間物質能量傳輸過程、植被的水文生態效應分析方面;③隨機模型,基于統計理論的統計方法,如Monte Carlo、馬爾科夫模型等,主要用于水文與生態過程的隨機性模擬、參數與要素模擬。
長期以來,人們對流域水文過程不乏研究,20世紀90年代以來,逐漸認識到河道植物群落的重要作用,分別研究了植物在不同水文擾動下的反應[7,8],重點集中在河道植物對水文過程的影響[9]及其生態系統服務功能[10]等方面,而對農田水文過程的系統研究則相對匱乏。我國南方平原地區是澇漬危害嚴重的地區,長期以來圍繞農業澇漬災害防治開展了大量研究工作,但是,對易澇易漬農田水文過程尚缺乏比較系統地研究,需要根據種植制度和作物生長動態,研究作物隨著季節以及倒茬輪替在形態和生理生態方面對農田水文過程的影響。
3易澇易漬農田土壤水、地下水動態及其關系
在地下水淺埋區,土壤水與地下水相互轉化頻繁,其水量交換是雙向的、動態的[11],研究作物生長條件下土壤水與地下水轉化規律對于制定合理的灌溉制度,提高水分利用效率有重要意義。楊建鋒等[12]通過對夏玉米和冬小麥生長季節期間土壤水動態觀測試驗,探討了地下水淺埋條件下土壤水動態的變化規律,指出淺埋地下水對土壤水動態具有很大影響,農田土壤水分變化主要發生在根區深度0~50 cm的土壤。朱建強[13]通過對湖北四湖流域農田水分觀測資料分析發現,當地下水位在地表以下100 cm內波動時,地下水位變化對土壤水分的影響很明顯,地下水埋深超過100 cm時則對土壤水分的影響微乎其微;還根據湖北平原湖區農田地下水觀測資料,指出該地區農田地下水動態具有以下特征:年季性、波動性、對降水的敏感性、微地形差異性以及對周邊水體的聯動性。趙學堂[14]利用1987~1994年定位觀察資料,分析了旱地兩作農田2 m土層水分的累集動態,闡述了土壤水分的宏觀趨勢,說明了在一個生長季中土壤水分累集、消耗是受季內氣候整體影響的時間函數序列;劉東等[15]采用時間序列分析方法建立了三江平原853農場(井灌水稻區)地下水埋深動態預測模型,通過對地下水埋深進行模擬和預測,揭示了該區地下水動態變化規律;申雙和等[16]根據土壤水分運動方程建立了旱地農田土壤水分動態數值模擬模式,該模式利用作物發育期和一些參數估算作物根系深度和相對根密度垂直分布動態變化,避免過去必須對根系進行測定的困難,增強了模式的應用性能。朱安寧等[17]基于時間序列法在豫北平原潮土土壤水分、地下水位觀測資料的基礎上,分析了降雨(包括灌溉)動態、地下水位動態的相關關系,揭示了該地區土壤水、地下水位對降雨的響應及其動態變化規律。李亞峰等[18]利用8 m定埋深地中蒸滲儀觀測資料,根據蓄滿產流理論,采用分層計算還原的方法研究了降水入滲補給量隨地下水埋深的變化規律,揭示了最佳埋深和穩定點的形成機理,指出在試驗條件下最佳埋深出現在3 m左右,降水入滲補給量隨地下水埋深的增大而減小,6 m以后趨于穩定。
4易澇易漬農田土壤水、地下水與降雨、蒸發的關系
農田水分動態是農業水文學和農田水利學研究的重點之一。引起農田水分變化的因素很多,它不僅與降水、蒸發、日照時數等氣象因子有關,還與土壤類型、土壤質地、土壤的前期儲水量、作物類型、作物覆蓋程度、作物所處發育期、土壤持水機制等諸多因素有關。
以農業氣象因子與農田水分關系為基礎的統計預報方法,在國外發展比較早也很成熟[19],樂益龍等[20]研究發現,土壤濕度的季節性異常對大氣的季節變化有重要作用;在Manabe等[21,22]的早期研究中,曾對陸面水文過程和氣候的關系進行過探討。國內無論是干旱半干旱區還是濕潤半濕潤區,對農田水分與氣象因子以及與土壤、作物等關系的研究均有開展,也取得了不少成果。楊新民等[23]在研究陜西黃土區土壤水分特性的分布特點及其相關因素的基礎上,根據土壤的物理黏粒含量、100 cm土層的絕對含水量和年降水蒸發差為主導指標,用模糊數學等價聚類把陜西黃土區分為7個區,對其農業土壤的水文特性進行了分析評述,并提出了相應的改良措施和辦法;韓雙平等[24]人為控制不同潛水埋深,選擇天山北麓平原兩種代表性作物冬小麥和玉米進行了種植試驗,分析研究了種植條件下土壤水和地下水相互轉化機理,計算了不同潛水埋深條件下冬小麥和玉米各生育期和全生長期的實際蒸發蒸騰量、潛水補耗差、包氣帶土壤儲水量變化量及同期的潛在蒸發量,結果表明潛水埋深對土壤水和地下水相互轉化及農業生態環境具有重要影響;吳啟俠等[25]根據多年定位觀測資料,結合湖北平原湖區氣候特點及農田水文環境,建立了考慮降水、蒸發、土壤水等因素的地下水動態模擬模型。
目前關于土壤水、地下水、降雨、蒸發關系研究既有傳統的以水動力學模型[26]和平衡模型[27]為代表的確定性方法以及以機理模型[28]和時間序列模型[29]為代表的隨機方法,也有諸如遙感技術[30-34]、神經網絡技術[35-37]等新興方法。就易澇易漬農田而言,需要從宏觀和微觀兩個層面繼續開展研究,尤其需要通過定位試驗比較系統地研究作物層生態因子對土壤水、地下水、降雨和蒸發的影響,以便為澇漬災害防治提供更為準確的信息。
5易澇易漬農田地下水動態對作物生長的影響
易澇易漬農田的主要特征之一就是地下水埋深淺、土壤水分在某些時段過高,特別對旱地作物影響比較大。農田水文過程與作物聯系在一起,具有復雜性和明顯的區域性。在地下水埋深較淺的地區,土壤-植物-大氣連續體中的水分因自然和人為的作用必然要和地下水發生聯系,不同埋深地下水對土壤水分分布和農作物產量、水分利用效率等有著不同程度的影響[38]。
關于地下水埋深對作物土壤水分變化、水分利用效率及產量的影響研究,國內外學者做了大量的工作。研究表明,對于地下水作用下作物產量和地下水利用之間存在一個最優地下水位埋深,最優地下水位埋深是氣候、土壤和作物的函數。對于高粱最優地下水位埋深是0.90 m[39];對于谷子和甜菜,最優地下水位埋深大約為1.3 m[40];對于冬小麥和移栽棉存在的最優的地下水埋深分別為1.5 m和1.3 m[41];朱建強等[42]研究指出,地下水埋深為50 cm是江漢平原棉區棉花維持正常代謝的敏感水位,低于50 cm時棉花凈光合速率低,現蕾少,蕾鈴脫落率高,吐絮少,衣分也低。地下水埋深對作物生長發育的影響包括生態指標和生理指標。王曉紅等[43]的研究表明,地下水埋深越深玉米株高越高,不同埋深間玉米的葉面積指數也有較大差異,1 m埋深條件下,玉米的騰發量與其他處理的差異顯著。地下水位過高,作物的蒸騰速率降低,原因是作物根系過濕,易發生漬害,影響到作物根系的發育和吸水能力,從而降低作物騰發量。水位過低,很容易形成強烈向表層輸水的毛管作用,通過土壤表層直接蒸發散失大量水分,從而提高了作物騰發量。趙正宜等[44]的研究表明,把水稻的地下水位控制在0.3 m以下,有效莖數、有效分蘗率、干物質重、葉面積指數、呼吸強度等均比對照有所提高。目前荷蘭等國根據不同地下水埋深時作物的產量,求得了地下水埋深與作物產量關系曲線[45],Bouman等[46]建立了水稻生產模型ORYZA2000,較好的模擬了不同地下水深對水稻產量相關指標的影響。
6易澇易漬農田排水水文學問題研究的方向
目前在易澇易漬農田排水水文學研究上,環境脅迫與農業生產系統之間的相互作用研究是一個薄弱環節。針對澇漬逆境,在作物生理、營養調控及形態學方面的研究,主要是用盆(缽)培養條件來模擬土壤淹水或充分受漬環境,對于非充分受漬以及結合生產實際在大田水平上研究很少;再者,缺乏從水、土、氣和作物的統一體中進行有學科交叉性的系統研究。因此,在易澇易漬農田排水水文學研究上需要提升深度和廣度,要從點走向面、從小規模走向適度規模,從研究單個作物響應到研究作物群體及農業模式的響應;要從農業水文、農田水利、土壤、農學、生態和農業氣象等學科的交叉滲透和有機結合上實現新的突破,并根據區域降水特點、農業模式、土壤環境變異、作物生理及形態變化等情況,進行大視野、有深度的研究,以便為農業澇漬災害防御提供科學的理論與方法。
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