劉鵬,楊樹青*,樊美蓉,張萬鋒,
變化地下水埋深與灌水量對土壤水與地下水交換的影響
劉鵬1,楊樹青1*,樊美蓉2,張萬鋒1,
(1.內蒙古農業大學 水利與土木工程建筑學院,呼和浩特 010018;2.內蒙古河套灌區永濟灌域管理局永濟試驗站,內蒙古 巴彥淖爾 015000)
【】探究不同地下水埋深和灌水量對土壤水與地下水交換的影響,提高灌溉水利用效率。在河套灌區開展了不同地下水埋深與灌水量對土壤含水率、地下水埋深及土壤水與地下水交換影響的田間試驗,分析變化地下水埋深與灌水量對土壤水與地下水交換的影響。不同灌水量下,灌水前后0~60 cm土壤含水率變化明顯,灌水主要補充耕作層,生育期第3次灌水入滲量約占灌水總量25%,灌水量越大,土壤水對地下水入滲補給量越大。地下水埋深隨灌水量增加而顯著減?。?0.05),地下水補給量與灌溉量的比值依次為L1處理>L2處理>L3處理>L4處理>L5處理>L6處理>L7處理>L8處理>L9處理。在河套灌區年均地下水埋深為1.8 m的區域,生育期單次灌水量110 mm,秋澆300 mm,可顯著減少灌溉水下滲,以達到充分利用潛水蒸發,提高水資源利用效率,實現節水增產的目的。
灌水量;地下水埋深;交換;入滲量
【研究意義】內蒙古河套灌區是我國3個特大型灌區之一[1],地處西北干旱區,當地農業生產完全依賴于引黃灌溉。灌溉對灌區水循環影響顯著[2],造成了灌區土壤水和地下水的顯著變化[3-5]。內蒙古河套灌區農業用水量占總用水量的74%,由于受灌溉、技術和水資源條件等因素的影響,灌溉水利用效率相對較低,有效利用系數僅為0.43[6],造成嚴重的水資源浪費。史海濱等[7]指出灌區地面灌溉仍會是主要的灌溉方式,但地面灌溉造成水資源浪費等問題仍比較嚴重。引黃水量銳減等問題導致河套灌區節水灌溉與作物增產間矛盾日益嚴重,因此,如何合理高效的利用灌溉水與地下水,為作物生長提供水分補給,提高水資源利用率,對河套灌區農業可持續發展具有重要的現實意義。【研究進展】土壤水與地下水轉換是水文循環中必不可少的一環[8-9],二者間轉化規律研究一直是農業水土領域的重要方向。韓雙平等[10]通過人工改變潛水埋深,分析不同地下水埋深條件下土壤水和地下水相互轉化關系,結果表明潛水埋深對土壤水和地下水相互轉化以及農業生態環境具有重要影響。宮兆寧等[11]指出地下水通過毛細作用進入土壤層并參與土壤水的循環,對土壤-植物-大氣連續體(SPAC)系統水分循環過程的研究要從單過程分析向多過程綜合分析發展。徐英等[12]發現秋澆儲水、季節性土壤凍融及春季消融時的蒸發對播種前土壤水鹽空間變異性影響強烈,REN等[13]指出河套灌區淺層地下水系統在干旱灌區農業生態系統可持續發展中的重要作用。孔繁瑞等[14]指出地下水埋深控制在2.0 m左右對于河套灌區節水改造具有重要意義,顯著提高水分利用效率;毛麗萍等[15]指出虧缺灌溉作物雖然產量降低,但由于耗水量的大幅降低,水分利用效率顯著提高。張志杰等[16]通過田間試驗和數值模擬結合的方法分析了灌溉水入滲補給地下水系數,表明入滲補給量與灌溉水量顯著相關;姚玲等[17]通過地統計分析方法發現,灌溉水量及降雨量的多少決定其對地下水的補給程度,影響著地下水位的變化,灌溉水入滲補給會使地下水埋深減小;楊建鋒等[18]研究表明,淺埋區現行灌溉方式未利用地下水對土壤水的補給作用,過多的灌溉量不僅會削弱地下水對土壤水的補給,而且多余的土壤水分還會下滲補給地下水;帥品等[19]利用溴離子示蹤法研究埋深較淺的區域潛水蒸發時,發現示蹤劑在降雨灌溉入滲作用下,隨土壤水分運動下移;郝芳華等[5]研究河套灌區水平衡指出灌溉是土壤水補給的主要組成部分,灌溉水的垂向入滲和潛水蒸發消耗是田間水平衡的主要影響因素。
【切入點】前人多從單一變量研究土壤水與地下水轉化的變化規律,而灌水量和地下水埋深互作對土壤水與地下水間交換的影響研究有待于進一步深入?!緮M解決的關鍵問題】本文設置不同地下水埋深與灌水量2個因素試驗,研究土壤水和地下水動態變化規律,分析農田土壤水和地下水交換關系,為緩解河套灌區農業用水與作物增產間的矛盾和農業水資源可持續發展提供一定的理論參考。
河套灌區具有明顯的干旱氣候帶沉降盆地型水文地質特征[20]。灌區地下水埋深動態受氣象和灌溉水的影響[21],表現出明顯的季節性周期變化,年內變化在1.36~2.41 m之間,其中11月地下水埋深最淺, 多年平均埋深為1.36 m。
試驗于2017年4―11月開展,試驗區位于內蒙古河套灌區臨河區雙河鎮進步村農業試驗示范區(40°42′ N、107°24′ E,海拔1 040 m),隸屬永濟灌域,年均降水量158 mm,年均蒸發量2 132 mm,平均氣溫6.8 ℃,多年日照時間為3 229 h。光、熱、水同期,無霜期130 d左右。試驗區0~200 cm土壤屬于粉砂壤土,平均體積質量為1.42~1.53 g/cm3。夏玉米生育期內示范區日降水量及溫度變化如圖1所示。2017年全年降水量為143.9 mm,比歷年平均降水量低10%,屬于平水年,當地玉米灌水定額為135 mm。

圖1 2017年夏玉米生育期內日降水量和溫度
選定4 km×3 km范圍為試驗區,據試驗區現狀及前期地下水埋深資料,將試驗區分為3個試驗分區,地下水年均埋深分別為1.8、1.9和2.0 m,在每個分區中設3個處理,共9個處理,3次重復。在試驗分區四周布置觀測井,試驗指示作物為玉米,施肥采用當地水平225 kg/hm2,在玉米生育期灌水3次,等額灌溉,灌水定額135、110和90 mm。具體試驗設計見表1。

表1 試驗設計
1)土壤含水率及土壤基質勢:在玉米播種前和每次灌水前、后(下雨后2~3 d加測1次)采用土鉆在田間取樣。測定深度為100 cm,取5層土(0~20、20~40、40~60、60~80和80~100 cm),相同深度取3個樣,采用烘干(105 ℃)稱質量法測定每層土壤質量含水率。在田間0~110 cm分土層埋設負壓計,測定土壤基質勢;測定試驗區各觀測井地下水埋深,計算各處理平均埋深。
2)灌溉對地下水的補給量:河套平原在地形及地質構造上均為一個封閉的盆地,水力坡度小,排泄量微弱,因此灌區下游地下水幾乎處于停滯狀態。河套灌區的地下水運動規律以垂直交替為主的地下水運動規律,屬垂直入滲蒸發型,忽略側向補給,地下水是土壤水的重要來源,而土壤水又是地下水不可缺少的補給量[22]。試驗區全年降水量為143.9 mm,單次降水量小于10 mm,雨強較小,無法產生入滲并補給地下水,因此地下水主要補給來自灌溉水入滲。本研驗區土質為粉砂壤土,根據相關研究[23]取給水度=0.07,灌溉后地下水位上升值為?,則灌溉對地下水補給量r及灌溉入滲補給系數計算式為:
rΔ, (1)
=rg,(2)
式中:r為灌溉對地下水的補給量(mm);為粉砂壤土的給水度,無單位,取經驗值0.07;?為灌溉后地下水上升值(mm);g為生育期灌溉水量(mm);為入滲補給系數。
3)地下水對土壤水補給量:本試驗采用定位通量法[24]計算地下水對土壤水的補給量,土壤水分運動遵循達西定律和質量守恒原理,田間土壤水分運動可近似視為一維垂直向的流動,連續方程可簡化為:

式(3)由至積分,得:

式中:()與()分別表示高度為和處的土壤水分運動通量。當時間由1變到2時,以()和()分別表示在此時段內通過單位土壤斷面面積上的水量,由式(4)積分或者質量守恒原理寫出無源匯情況下的水量平衡方程為:

本試驗中,田間土壤含水率的分布(,)用負壓計監測,土壤中任一斷面處的通量()及水量()便可由式(5)計算出。
根據定位通量法及相關資料,該處土壤的非飽和導水率與基質勢的關系為[(1+2)/2]。=(1+2)/2,?=2-1,由達西定律可知處的通量為:

式中:1和2為負壓計安裝的兩點深度,分別取1=110 cm,2=90 cm;1、2分別為斷面1和2處負壓計的值(cm);為試驗用砂壤土的滲透系數,取2.43×10-3cm/min。由此,可以得到1至2時段內單位面積上流過的土壤水的水量(),而任一斷面處相應的水量()計算式為:

全生育期土壤含水率整體表現為玉米生長初期,表層土壤水分損耗較多,土壤含水率降幅較大,隨著生育期推進,土壤含水率降幅較大的土層逐漸向土層深處發展,直到秋澆前,80~100 cm土層含水率下降到25.0%~27.8%之間,在3次灌水前后,除水分損耗較大的土層逐漸向下發展外,其他趨勢基本一致,本文以第1次灌水和秋澆前后土壤含水率變化為例進行分析。
圖2(a)和圖2(b)分別為各處理第1次灌溉(6月初)前、后土壤含水率的變化。

圖2 第1次灌溉前后各處理土壤含水率變化
播前土壤平均含水率為25%,播種后玉米生長初期蒸騰作用較弱、耗水量較小,但棵間蒸發隨氣溫升高而增加,導致土層水分損失加快。第1次灌水前各土層含水率變化趨勢基本一致,各土層整體呈隨土壤深度增加而增大的趨勢。各處理在0~20 cm土層含水率變化范圍為14.7%~19.7%,平均含水率為17.4%,相對播種前下降了7%左右;20~40 cm土層含水率變化區間為17.5%~21.6%,平均含水率為19.1%,0~40 cm在整個土層中水分流失最多,含水率降幅最大,但各處理間無明顯差異;60~100 cm隨土層深度增加呈增大趨勢,各處理含水率在22.7%~31.0%之間波動,且各處理含水率呈隨地下水埋深增大而減小的趨勢,分析可知,第1次灌水前,土壤蒸發和作物吸水是土壤水分流失的主要原因,而且玉米根系發育不完整,主要分布在表層,導致0~40 cm土壤含水率降幅最大,地下水通過潛水蒸發補給土壤水,但地下水埋深不同,導致補給量及各處理60~100 cm土壤含水率存在差異,且表現出含水率與地下水埋深呈負相關的趨勢。
第1次灌水后各處理土壤含水率增大且均大于灌前,各處理0~20 cm土層含水率在18.6%~21.4%間波動,在整個土層中含水率最低,各處理間無明顯差異;20~40 cm土層含水率范圍為21.5%~26.3%,40~60 cm土層含水率變化區間為25.3%~30.9%,60~100 cm土層含水率均增大到30%左右,40~80 cm土層含水率有隨灌水量增加而增大的趨勢。究其原因,0~20 cm土層在灌水時含水率增大至田間持水率,但灌水后蒸發作用強烈,含水率降幅無差別,各處理間也基本沒有差異。20~40 cm土層含水率介于0~20、40~60 cm土層之間,是因為該土層玉米根系分布較多,能起到保持水分的作用。40~80 cm土層受到灌溉水下滲的影響,灌水量越大,入滲量越大,因此,表現出含水率隨灌水量增大的趨勢。
圖3(a)和圖3(b)為秋澆前、后各處理土壤含水率,秋澆前,各處理0~20 cm土層含水率在11.6%~15.3%區間內波動,土層含水率接近田間持水率的下限,處理間無差異,雖然秋澆前玉米耗水量大幅下降,但成熟期葉面積指數減低、風速增加,導致土壤蒸發加強,從而導致表層土壤含水率達到玉米生育期最低水平。20~40 cm土層含水率變化范圍為13.8%~17.9%,40~80 cm土層含水率相近,在17.4%~23.8%間波動,且含水率隨灌水量增加而增大,80~100 cm土層含水率范圍為25.0%~29.2%,處理間差異不顯著。
秋澆后各處理土壤含水率整體變化明顯,但處理間差異不明顯。各處理0~20 cm土層含水率增加到25.6%~31.0%之間,20~40 cm土層土壤含水率變化區間為27.9%~33.8%,0~40 cm土層含水率在整個土層中增幅最大,40~80 cm土層次之,各土層間差異隨土層加深變小,含水率大多超過田間持水率,達到飽和,多余水分在重力作用下,通過土壤孔隙滲漏補給地下水,減小地下水埋深,維持灌區水量平衡,秋澆時期各土層含水率變化為入滲補給型。

圖3 秋澆前后各處理土壤含水率變化
圖4為玉米全生育期3次灌水及秋澆前、后地下水埋深變化。試驗區地下水平均埋深在0.92~2.62 m。從時間上看,地下水埋深在第1次灌水前達到第1個波峰,最大達2.35 m,究其原因,是氣溫升高及土壤蒸發等作用增強,表層土壤水分流失嚴重,土壤含水率顯著降低,淺層地下水主要通過土壤毛細作用向耕作層補給水分,導致地下水埋深逐漸增大,潛水蒸發強度減弱,為保證作物水分供給,進行地面灌溉。第1次灌水后,灌溉水入滲補給地下水,各處理地下水埋深降幅在0.28~0.67 m,L1、L2、L3處理間差異不顯著,L4、L7處理與其他處理間差異較顯著。第2次灌水前地下水埋深達到第2個波峰,最大達2.38 m,L1、L2、L3處理增幅大于其他處理,L7與L8、L9處理間差異顯著。灌水后,地下水埋深減少0.23~0.46 m,L3處理降幅最大,L4處理降幅最小,L1、L2與L3處理差異顯著,L4與L5、L6處理差異顯著。第3次灌水前地下水埋深達到第3個波峰,各處理地下水埋深較二水后增幅0.24~0.59 m,各處理間差異較顯著。第3次灌水后,地下水受到土壤水下滲補給,地下水埋深降幅0.20~0.42 m,降幅低于前2次灌水,L1、L2、L3處理間差異顯著,L4、L5、L6處理間差異顯著,L7與L8、L9處理差異顯著。秋澆前,地下水埋深逐漸增至全年最大值,但增速較前期減緩,一方面是由于玉米需水量減小,另一方面是由于地下水埋深增大,潛水蒸發強度減弱。各處理埋深增幅0.35~0.68 m,L7處理埋深最大達2.62 m,L1與L2、L3處理間差異顯著,L4與L5、L6處理間差異較顯著,L7、L8與L9處理間差異顯著。秋澆后,各處理地下水埋深減小到0.78~1.08 m,降幅1.23~1.80 m,其中L7、L8、L9處理降幅最大,L1、L2、L3處理降幅最小??傮w看,玉米生育期,地下水埋深主要受到地面灌溉及騰發作用影響,各處理間存在不同程度的差異,灌水后地下水埋深減小程度整體上與灌水定額呈正相關;第3次灌水后,相同地下水埋深,灌水定額90 mm與110、135 mm處理間差異顯著,110 mm與135 mm處理間差異不顯著。
2.3.1 灌溉水對地下水入滲補給
各次灌水后灌溉水對地下水入滲補給量的計算結果如圖5所示。各處理生育期灌溉水入滲量變化區間為10.5~54.6 mm,秋澆各處理灌溉水入滲量在83~120 mm間變化。根據試驗設計,各處理前3次灌水為等額灌溉,而圖中所示第1次灌溉水入滲量變化區間為28~54.6 mm,入滲量整體較大,是因為6月氣溫均值剛達到20℃,土壤蒸發較弱,苗期玉米根系主要分布在土壤表層,且蒸騰作用較弱,無法直接吸收深層土壤中的水分,灌水時主要補充土壤表層水分,其余灌溉水入滲,導致第1次灌水入滲量偏大。第2次灌水土壤水入滲變化區間為17.5~52.5 mm,L1、L2、L3處理間無顯著差異,L5與L6處理存在差異,L7、L8、L9處理間差異顯著。第3次灌水后入滲量變化區間為10.5~37.8 mm,入滲量均值比第1次灌水低39%,應該是第2、第3次灌水間隔時間過短且當時蒸散發最強烈所致。秋澆灌溉水入滲量最大,是因為秋澆灌水定額為全年最大,幾乎是生育期灌水定額的3倍,而土壤儲水量一定,當灌水定額過大時,灌溉水入滲量增加。
圖6為2017年玉米生育期3次灌溉水入滲總量及3次灌水入滲總量與生育期3次灌水總量比值。各處理生育期3次灌水入滲總量變化范圍為57~95 mm,總體看,同一地下水埋深下,灌水入滲量與灌水定額成正比,究其原因,地下水埋深相同時,潛水蒸發消耗量相近,當灌水定額超出土壤儲水承受量時,多余的水分都會入滲到地下水。由圖6可知,在0.17~0.35之間波動,其中L1、L2、L3處理的比值偏大,均值達0.32,說明L1、L2、L3處理中有1/3的灌溉水入滲補給地下水。
2.3.2 地下水對土壤水的補給
各處理玉米生育期潛水蒸發量及潛水蒸發量與灌溉定額(生育期3次灌水量與秋澆灌水量之和)比值如圖7所示。9個處理年均潛水蒸發量為202.5 mm,L3處理>L2處理>L1處理>L6處理>L5處理>L4處理>L9處理>L8處理>L7處理,潛水蒸發量隨地下水埋深增大而減小,同一埋深下,潛水蒸發量隨灌水量成正比。潛水蒸發受氣溫、氣壓、地下水埋深等因素影響,地下水埋深是最主要的影響因素,本研究當年均地下水埋深在1.8~2.0 m時,地下水埋深越淺,潛水蒸發量越大,對土壤水的補給效果越好,對于作物生長發育有積極作用,這與前人研究得出的河套灌區種植玉米地下水臨界埋深1.0 m,極限埋深2.51 m的結論一致,因為地下水埋深越淺,潛水蒸發輸送水分所需毛細管道越短,反之,地下水臨界面到土壤距離過大,毛細管道增長,輸水能力下降,潛水蒸發量隨之降低。在0.27~0.41之間波動。其中L1處理最大0.41,L9處理最小0.27,整體上與灌溉定額、地下水埋深呈負相關。同一灌水定額下,地下水埋深越小,潛水蒸發量在灌溉定額中占比越大;同一埋深灌溉定額越大,潛水蒸發量與灌溉定額的比值越小。

圖5 灌溉水對地下水入滲補給量

圖6 生育期3次灌溉入滲總量及α值

圖7 潛水蒸發量及β值
趙景波等[25]發現,上層土壤水分受外界環境影響最大,隨土層深度增加而逐漸減弱。土壤含水率從上到下的變化趨勢[26]一般分為增長型和降低型。試驗結果表明,各處理土壤含水率隨土壤深度增加而增加,100 cm土層含水率最大。各處理100 cm土層含水率在第1次灌水前隨地下水埋深增大而減小,在秋澆前與灌水定額成正相關,因為第1次灌水前深層土壤的水分補給通過地下水潛水蒸發來完成,地下水埋深越淺,潛水蒸發對土壤的補給作用越強土壤儲水越多,土壤含水率越大;而秋澆前,各處理地下水埋深均已達到全年峰值,潛水蒸發對土壤的補給作用大幅減弱,土壤水分補給更加依賴地面灌溉,灌溉定額越大入滲量越大,深層土壤含水率越大,與張義強[27]研究所得規律基本一致。
河套灌區沙壕渠試驗站的潛水蒸發資料表明,地下水埋深為3 m時,已經充分發揮了潛水蒸發的利用潛力[28],有研究[29]表明,玉米生育期適宜的地下水埋深為1.03~2.51 m,當地下水埋深小于1.03 m時,大量地下水消耗于無效的潛水蒸發;當地下水埋深大于2.51 m時,地下水無法對土壤水進行有效補給,蒸散發大量消耗土壤水,作物無法在土壤中吸收足夠水分,需要灌溉補充水分。Chen等[30]發現,在地下水埋深較大的地區,地下水對土壤水的影響較小,反之影響較大。本研究中,一水前,各處理地下水埋深差異不顯著,灌溉后土壤水與地下水交換頻繁,灌溉水入滲補給地下水減小地下水埋深,從而地下水在灌溉結束通過潛水蒸發持續補給土壤水,灌水定額為90 mm處理與110、135 mm處理的地下水埋深差異顯著,說明當灌水定額90 mm時,土壤水對地下水的補給欠佳,可能使作物與土壤無法得到地下水的有效補給,產生水分虧缺,不利于作物生長。綜合考慮本試驗中土壤含水率、地下水埋深、土壤水與地下水交換中潛水蒸發量與灌溉水入滲量等因素,地下水埋深1.8 m與灌水定額110 mm為較優組合。
1)生育期3次灌溉期間,灌水定額在90~135 mm范圍內,灌水定額越大,土壤水入滲量越大,最大可達3次灌水定額總量的35%;秋澆期,各處理灌溉水入滲量在83~120 mm間變化,入滲量為全年最大。
2)在一水前和秋澆前,地下水通過潛水蒸發補給土壤水,地下水埋深越淺,毛細通道越短,潛水蒸發對土壤補給效果越好。
3)河套灌區年均地下水埋深1.8 m的玉米種植區,生育期單次灌水量110 mm,秋澆300 mm,可充分利用地下水潛水蒸發補充土壤水分,實現節水的目的。
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Groundwater Depth and Irrigation Amount Affect Water Exchange between Groundwater and Soil Water in Hetao Irrigation District
LIU Peng1, YANG Shuqing1*, FAN Meirong2, ZHANG Wanfeng1
(1. Water ConMonservancy and Civil Engineering College, Inner Golia Agricultural University, Hohhot 010018, China;2. Yongji Irrigation Area Authority of Inner Mongolia Hetao Irrigation Area, Bayannur 015000, China)
【】Hetao irrigation district is one of the three mega-irrigation districts relying on Yellow river water for irrigation in China. However, the reduced water supply for the district to take for the river in the past decade has promoted the region to develop water-saving irrigation. Different agronomic and engineering methods have been developed, and the aim of this paper is to elucidate how to improve groundwater usage by crops by manipulating irrigation amount in regions with different groundwater depths.【】The experiment was conducted over the district by irrigating the crops three time during their growth season, with the irrigation amount at each growth stage varying from 90 to 135 mm. Added to this is a further irrigation in autumn with an irrigation amount of 300mm. The average annual groundwater depth in the experimental regions varied from 1.8 m to 2.0 m. In each treatment, we measured the change in soil water content and groundwater table before and after the irrigation. 【】Average water content in the 0~60 cm soil changed significantly following irrigation, regardless of the irrigation amount. The first two irrigations in the crop growth season replenished the water in the tillage layer, while in the third irrigation 25% of the irrigation water leached to the subsoils. Overall, the larger the irrigation amount was, the more water would leach into the groundwater. The proportion of irrigation water leached to the groundwater increased with irrigation amount when the average annual groundwater depth was the same, and decreased with the groundwater depth when the irrigation amount was the same. 【】 For areas with annual groundwater depth of 1.8 m, irrigating 90 mm in each of the three irrigations during the crop growth season, together with a 300 mm autumn irrigation, can significantly reduce irrigation water leaching and increase groundwater usage by the crops.
irrigation amount; groundwater depth; water exchange; soil water leaching
S274
A
10.13522/j.cnki.ggps.2020259
1672 - 3317(2021)07 - 0066 - 08
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2020-09-15
國家自然科學基金項目(51669019);國家自然科學基金重點項目(51539005)
劉鵬(1996-),男,內蒙古人。碩士研究生,主要從事農業水土資源利用與水土環境調控研究,E-mail: 2024728612@qq.com
楊樹青(1966-),女,內蒙古人。教授,博士生導師,主要從事農業水土資源利用與水土環境調控研究。E-mail: nmndysq@126.com
責任編輯:陸紅飛