基于農作物與地下水作用試驗的灌溉分區研究

王赫生，李 燕，張 慶，周鍇鍔(.中國地質調查局南京地質調查中心，南京 006；.江蘇省有色金屬華東地質勘查局八一○隊，南京 0007)

對于作物來說，地下水位控制不合理會影響產量：地下水位過高，土壤經常處于飽和狀態，土壤缺氧而導致作物減產；地下水位過低，作物不宜利用地下水，易干旱而影響產量。已有的研究成果表明：在地下水淺埋區，存在一個最優地下水埋深，使得作物的產量最高，這一最優地下水埋深是作物、土壤和氣候的函數。國內外許多學者都開展了通過控制地下水位來影響作物生長的研究，有通過控制地下水位防止土壤鹽堿化的，有控制地下水位影響作物生育過程的，更多學者關注的是通過控制地下水位提高作物對地下水的利用率和作物的產量[1-6]。

淮河流域平原區是我國重要的高標準農田建設區，大部分地區淺層地下水埋藏較淺，地下水和土壤水聯系緊密，淺層地下水對作物的補給作用很大，減少地下水的不當排泄量及農業灌溉頻次與用水量，節約水資源，顯得越來越重要[7]。本文以阜陽市為例，研究該區地下水埋深分布及其對灌溉的影響，科學調控地下水埋深，提高作物對淺層地下水利用率，對緩解淮河流域水資源緊張及糧食安全，有十分重要的價值。

1 試驗設施及原理

試驗委托安徽省水利科學研究院在安徽蚌埠五道溝實驗站地中蒸滲儀測筒中進行，試驗裝置如圖1所示。裝有原狀土柱的測筒通過連通管與地中蒸滲儀地下室內的自動補水裝置連接，使得測筒內的水位與補水裝置內的水位保持一致。降水期表層土壤飽和，產生下滲由入滲量儲水瓶計量，當降水強度大于入滲強度或土壤蓄滿時，地表水由地面徑流管排出，通過徑流瓶計量[8]。

圖1 不同地下水埋深對作物產量影響試驗原理Fig.1 The structure principle of crop yield test effecting on different depth of groundwater

2 試驗布置

作物種植試驗選擇在五道溝實驗站地中蒸滲儀的39只測筒進行。由于阜陽地區地表巖性僅有兩種，亞黏土(砂礓黑土)及亞砂土(黃潮土)，因此僅對這兩種耕作土進行測試。裝有亞黏土的有31只，測筒器口面積有0.3、0.5、1.0、2.0和4.0 m25種，地下水埋深按0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0 m共11級控制，埋深0.2、0.6、0.8、1.0、2.0、3.0 m的測筒可參照正交試驗進行數據處理，以消除測筒面積對產量的影響。裝有亞砂土的測筒有8只，測筒面積一律為0.3 m2，地下水埋深按0.2、0.4、0.6、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 m共8級控制，與亞黏土進行對比試驗。測筒試驗作物施肥水平、耕作、田間管理措施均與周邊農田相同，采用無灌溉條件下控制地下水埋深，同時輔以作物生理、生態觀測與測產、考種等。

3 試驗過程及結論

本專項試驗與農作物的生長期密切相關，專項試驗自2013年6月至2015年9月，按3種作物生長期進行，以得到本地區的平均適宜地下水埋深。

通過對小麥生育期適宜地下水埋深試驗考種資料分析，對于亞黏土，地下水埋深控制在1.0 m籽粒重和千粒重最大。對于亞砂土而言，地下水埋深控制在0.8～1.5 m的小麥千粒重和籽粒重相對較大。亞黏土里的小麥長勢普遍好于亞砂土中的小麥長勢。從高產外包線看，正常年份高產埋深在0.8～1.5 m(見圖2)。

圖2 小麥埋深與產量關系圖Fig.2 Diagram of relationship between the undergroundwater depth and wheat yield

通過對玉米的考種資料分析，對于亞黏土，地下水埋深控制在0.6～2.0 m的玉米籽粒重較大，在埋深控制在2.0 m處的玉米籽粒重最大。對于亞砂土而言，地下水埋深控制在1～3 m的玉米百粒重和籽粒重相對較大。且在亞黏土測筒中種植的玉米產量普遍比在亞砂土里種植的玉米產量高。從圖3可知，測筒玉米最適宜地下水埋深為2.0 m。

對大豆的考種資料進行分析，裝有亞黏土的測筒埋深在0.8 m控制水位下有較高的百粒重和1.0 m2的籽粒重，裝有亞砂土的測筒在地下水控制埋深在2.0 m時有較高的產量。從高產外包線看，正常年份高產埋深在0.8～1.2 m(見圖4)。這與本研究搜集的歷史成果是一致的。

綜合作物對地下水的利用量、作物根系的發育以及作物產量三方面的考慮，最終確定阜陽地區亞黏土種植條件下，小麥、大豆、玉米適宜的地下水埋深分別為0.6～1.5，0.4～1.0，0.4～1.0 m；亞砂土種植條件下小麥、大豆、玉米適宜地下水埋深分別為0.4～1.5，0.6～1.5，1.5～2 m。

4 基于試驗結果的灌溉分區研究

4.1 地下水埋深特征

阜陽地區地下水埋深在時空分布上具有以下一些特點： ①年內地下水埋深最大時出現在6月份，地下水埋深最小出現在9月份，②3-5月：淺層地下水埋深緩慢增大。由于降雨較少，而隨著氣溫變暖，農作物灌溉用水和潛水蒸發使得淺層地下水位緩慢下降，③6-9月：淺層地下水埋深迅速減小。這個階段降雨多而且集中，使得地下水位迅速抬高。④10月-次年2月：地下水位相對穩定。氣溫逐漸降低，作物需水量減少，潛水蒸發減弱，地下水位變化很小，相對穩定。

圖3 玉米埋深與產量關系圖Fig.3 Diagram of relationship between the undergroundwater depth and corn yield

圖4 大豆埋深與產量關系圖Fig.4 Diagram of relationship between the undergroundwater depth and soybean yield

4.2 灌溉分區研究

當水位較淺時，地下水可以不斷地補充根系吸水層中的水分消耗，從而減少灌水定額和灌水次數。但一般不允許上升至根系吸水層，否則易造成漬害，只能以上升毛管水的形式補給根系吸水層。

根據2016年野外實測數據(172組)做出阜陽地區5月及8月平均地下水埋深等值線，綜合考慮作物適宜地下水埋深、灌溉水井密度、地表水分布、地表巖性等因素，采用定量定性結合的方法，進行阜陽地區小麥及大豆的灌溉分區。

小麥灌溉分區見圖5，非灌溉區：自然條件下，亞黏土分布區地下水埋深0.6～1.5 m，亞砂土分布區地下水埋深0.4～1.5 m；井灌河灌區：地下水埋深>1.5 m，灌溉機井密度<1眼/km2，且地表河流發育地區；井灌區：地下水埋深>1.5 m，灌溉機井密度>1眼/km2，且地表河流不發育地區。

圖6 大豆灌溉分區圖Fig.6 The irrigation division map of soybean

大豆灌溉分區見圖6，非灌溉區：自然條件下，亞黏土分布區地下水埋深0.4～1.0 m，亞砂土分布區地下水埋深0.6～1.5 m；井灌河灌區：亞黏土分布區地下水埋深>1.0 m或亞砂土分布區地下水埋深>1.5 m，灌溉機井密度<1 眼/km2，且地表河流發育地區；井灌區：亞黏土分布區地下水埋深>1.0 m或亞砂土分布區地下水埋深>1.5 m，灌溉機井密度>1 眼/km2，且地表河流不發育地區；排澇區：亞黏土水位埋深<0.4 m，或亞砂土水位埋深<0.6 m。

5 結論及建議

5.1 結 論

(1)綜合作物對地下水的利用量、作物根系的發育以及作物產量三方面的考慮，最終確定淮河平原區亞黏土種植條件下，小麥、大豆、玉米適宜的地下水埋深分別為0.6～1.5，0.4～1.0，0.4～1.0 m；亞砂土種植條件下小麥、大豆適宜地下水埋深分別為0.4～1.5，0.6～1.5 m。

(2)綜合考慮作物適宜地下水埋深、灌溉水井密度、地表水分布、地表巖性等因素，對阜陽地區進行灌溉分區，分為排澇區、非灌溉區、井灌河灌區、井灌區，對該地區節約地下水資源及科學灌溉提供一定借鑒。

5.2 建 議

(1)阜陽地區地下水埋藏較淺，一般在0.5～3.0 m，根據地下水位分布既可合理規劃農作物種植，又可制定灌溉定額。不僅要強調對地下水的利用，還要重視灌溉。

由于本次主要是對不同埋深下作物產量的影響研究，對作物根系的研究不夠全面和深入；另僅將5月、8月作為小麥和大豆灌溉分區的地下水埋深依據，仍不夠全面，可進一步對阜陽地區作物的根系吸水規律、潛水蒸發特征及土壤水分消退等研究，這將有助于掌握作物對地下水的利用規律，促進淮北平原高標準農田的高產高效[9-11]。

(2)限于資料，本次僅研究了阜陽地區兩種主要耕作土壤亞黏土和亞砂土，小麥、玉米、大豆3種旱作物生長適宜地下水埋深及灌溉分區，淮河平原其他地區相關內容有待進一步研究。

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