控制排水对土壤水分状况影响研究.pdf
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1、第31 卷 第1 2期 2 0 1 4年 1 2月 长 江科学 院 院报 J o u r n a l o f Ya n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c Re s e a r c h I n s t i t u t e V0 1 3 1 No 1 2 D e c 2 0 1 4 DO I : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 5 4 8 5 2 0 1 4 1 2 0 0 8 控制排水对土壤水分状况影响研究 袁念念 , 黄介生 , 谢华 , 李亚龙 ( 1 长江科学院 农业水利研究所 , 武汉4 3 0 0 1 0 ; 2 武汉
2、大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室, 武汉4 3 0 0 7 2 ) 摘要: 为研究农田控制排水措施对土壤水分状况的影响 , 2 0 1 0年在湖北 四湖工程管理局排灌试验站进行大田控 制排水和自由排水对照试验, 在棉花生育期内观测土壤含水率, 分析了控制排水对土壤含水率的影响, 并对几次典 型降雨前后土壤含水率进行了对比分析。结果表明: 控制排水措施能保持土壤水分, 减少土壤含水率的波动, 尤其 在降雨后保持田间水分的效果更为明显 , 但土壤含水率与控制水位间相关关系不明确。 关键词: 控制排水; 土壤含水率; 变异系数 中图分类号 : s 2 7 7 文献标志码 : A 文章编号 :
3、 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 4 ) 1 2 0 0 3 9 0 4 1 研究背景 控制排水是一种新型的农 田排水管理措施 _ 1 J , 通 过在排水 出 口处增设 控制装置 , 可以减少排水 量。 E v a n s 等 认为控制排水大幅度地 减少 了田块边缘 氮素运输 , 主要原 因是由于控制排水减少 了排水量 ; 俄亥俄州西北 B r a n c h 试验站提供的该站 1 9 9 6 , 1 9 9 7 年试验结果 表明实行控制排水可以使地表径流和 地下排水量减少 2 0 7 0 ; I n g r i d We s s t r o m等 在 瑞典东南部的田问试验表
4、明, 控制排水可以减少排水 量且不同年份减少量不 同。排水量的减少与控制水 位不同有关 , V L a l o n d e等 在加拿大东部2 a 的大 田试验成果表明在沙壤土中实行控制排水 , 不同的排 水水位排水减少量不同。由于排水量的减少 , 控制排 水对土壤 和排水 中氮 素含 量也会 产 生一定 影 响; M a d r a mo o t o o 等 6 通过土柱试验研究了不 同控制水位 对土壤中硝氮含量的影响, 结果表明, 水位在地表以 下0 6 0 8 IT I 之 问时 , 与 自由排水相 比, 土壤硝氮含 量减少 ; K a l i t a和 K a n w a r 对浅水位排
5、水 进行为期 3 a 的观测 , 结果表 明地下水 中硝氮浓度持续减少。 控制排水也适用于干旱地区, J E A y a r s 等 认为干 旱地区盐分虽然会在根区累积 , 但通过细致 的水位管 理可以调节累积量 , 实行控制排水将是促进干旱地区 农业水管理的一个理智选择。 目前 , 控制排水措施已在美 国、 加拿大、 瑞典 、 芬 兰 、 荷兰、 欧洲等 国得 到广泛研究和推广应用 , 在 国 内也有 广泛 的试 验 研究 。罗 纨 、 贾 忠华 、 王南 江 等 在宁夏银 南灌区开展 了大量水稻大 田控制 排水对照试验 , 认为实施控制排水可以减少排水量 、 改善排水水质, 同时也提出要进
6、行长期 的、 更大范围 的观测以逐步完善控制排水理论。殷 国玺、 张展羽 等_ 】 在南方丘陵地区( 江苏省 句容市 ) 进行地表控 制排水小区试验 , 探讨最佳地表控制排水 时问和措 施 , 并提出了一系列简单实用 的地表控制排水措施 。 本文作者 前期在湖北 四湖进行控制排水 对照试 验 , 得出控制排水可以减少排水量和氮素流失量 , 且 排水量随控制水位提高而减少的结论。 控制排水能减少排水量和氮磷流失量 , 但关于 控制排水对作物整个生育期内田间土壤水分状况影 响的研究还很少。本文对控制排水条件下棉花整个 生育期内田间土壤水分状 况进 行 了观测和研究分 析 , 旨在为全面验证控制排水
7、措施 实施效果和进一 步制定合理的控制排水管理措施提供依据 。 2 材料与方 法 2 1 试验站情况简介 试验在湖北 四湖工程管理局排灌试验站进行。 试验站位于四湖水系 中区, E 1 1 2 。 3 1 , N 3 0 。 2 1 , 海 拔高程2 9 4 i n , 试验场地傍靠 四湖总干渠。地势平 坦, 土壤肥沃, 土质为中壤黏土, 耕作层氮、 磷、 钾质 量分数分别 为2 5, 1 5 , 1 5 m g k g 。多 年平均 气温 收稿 日期 : 2 0 1 4 0 5 2 6 ; 修回 日期 : 2 0 1 4一 o 7 2 2 基金项 目: 国家 自然科学基金项 目( 5 1 4
8、 0 9 0 0 7 ); “ 十二五” 国家科技支撑计划项 目( 2 0 1 2 B A D 0 8 B 0 3 ) ; 水利部公益性科研院所基本科研业务 费 项 目( C K S F 2 0 1 4 0 4 0 N S ) 作者简介 : 袁念念( 1 9 8 5一) , 女 , 湖北天门人 , 工程师, 博士 , 主要从事农 田排水与水环境研究 , ( 电话 ) 0 2 7 8 2 8 2 0 9 1 3 ( 电子信箱 ) y y y n y t b 1 6 3 com。 长 江科学 院院报 2 0 1 4丘 1 6 5 C, 降 雨 量 1 1 2 2 0 m m,水 面 蒸 发 量 为
9、 9 7 7 4 m m, 日照时数为1 5 5 2 0 h , 无 霜期 2 8 0 d左 右 , 试验区常年地下水埋深在 1 m左右, 站址在湖北 平原湖区具有一定 的代表性。试验在 2 0 1 0年 的大 田内进行 , 作物为棉花 。 大田试验 田占地 3 8 0 0 m , 分成 5个 田块进行 试验 , 图 1为 田块平面布置图 , 其 中暗管埋深 1 m, 排水间距 8 m, 不透水层深1 8 m。E田块东边为一 条灌水渠 , E田块作为缓冲带 , 旨在减少灌水渠对试 验区地下水位 的影响 ; D田块外侧为排水沟, 混凝土 衬砌护坡 。相邻 田块之 间有深 1 2 m、 宽0 2
10、m的硬 化水泥 田埂加防渗膜以防止侧向渗流干扰。 j I I I l I I I I I = _ o 二 _ l l I l l l I l I l 排 D I 1 l B A E 灌 水 l I I I I I l 水 沟 4 I 4 j 8 l 8 l l l I I I l 渠 l l l l l l l l I l f l f 。 l l f 。 l l l I o 排水暗管 田埂 。地下水位观测井 图 1 试验 小区布置示意图 Fi g 1 S c he mat i c o f e x pe r i me nt a l pl o t s 2 2试验作物 试验用棉花品种为湘杂棉 3号,
11、 生育期为 1 7 5 d , 其中苗期为5月3 0日至 7月 3日, 蕾期为 7月 4日至 7月 2 0日, 花铃期为 7月 2 1日至 8月 2 8日, 吐絮期 为 8月 2 9日至 1 1 月 2 0日。 2 3控制水位设计 表 1 为控制水位设计。 表 1 控制水位设计 Tab l e 1 Co nt r o l l e d wat e r t abl e de s i g n 注 : 表中的控制水位是指暗管出 口的控制高度低 于田面的距离 。 2 4观 测项 目和方 法 本研究 目的为通过实验观测分析不同排水水位 控制对 土 壤剖 面 含 水率 的影 响。试 验 主要 测 定 2 0
12、 0 4 年棉花全生育期内田问土壤剖面含水率和地 下水位 。选定 6个深度 的土层进行含水率测定 , 分 别是: 表层 、 地面 以下 2 O , 4 0, 6 0 , 8 0 , 1 0 0 c m。含水 率采用烘干法测定 。从棉花移栽后开始 , 一般 5 d 取样测 1 次 , 降雨后加大取样频率用于分析次降雨 后土壤含水率。地下水位采用浮标尺观测 , 非 降雨 期间 5 d测 1次, 降雨后加大观测频率 , 降雨资料来 自站内的气象站 。 采用变异系数反映观测 时段 内含水率 变异程 度 , 变异系数为观测值标准差与平均值的比值 。 3结果与分析 3 1 土壤含水率 图 2为大田全生育期
13、内不同土层实测土壤含水 率变化图。从图中可 以看出, 控制排水 的处理措施 A、 B、 c田块各 层的土壤含水率都显著 高于 自由排 水处理的 D田块 , 控制排水在整个 生育期 内都能起 到保持土壤水分的作用 , 但控制水位与土壤含水率 之间并无明显相关关系。各处理含水率变化过程基 本一致 , 与降雨密切相关 ; 2 0, 4 0 , 6 0 , 8 0 , 1 0 0 c m 土 层土壤含水率变化波动较表层小 ; 2 0 , 6 0, 8 0 , 1 0 0 c m 土层 自由排水处理含水率明显较控制排水处理低 。 自由排水处理整个生育期 内含水率一般较控制排水 处理低 ; 控制排水各处理
14、含水率在 9月后差别较大。 4o 槲3 0 薨 2 0 墅 l o 0 : 5 0 4 0 婪 3 0 篓 2 0 l 0 0 军 军 碎 。 。 蓉 g 蓉 蓉 窘 堂 = 日期 ( a ) 表层 土壤含水率 日期 ( c ) 4 0 c m土层土壤含水率 4 0 3 0 蓑 2 0 l o 0 耳 军 荨 军 吕 g答 窘 窘 2 = 日期 ( b ) 2 0 c m土层土壤含水率 13期 ( d ) 6 0 c m土层土壤含水率 日期 日期 ( e ) 8 0 c m 土层土壤含水率 ( D 1 0 0 c m土层土壤含水率 一A田块一B田块一 C田块一 D田块 图2 棉花生育期内不同土
15、层土壤含水率变化 Fi g 2 Va r i a t i o n o f s o i l wa t e r c o n t e n t i n d i ffe r e n t l a y e r s d u rin g c o t t o n g r o wt h p e rio d i n fie l d 第 1 2期 袁念念 等 控制排水对土壤水分状况 影响研 究 4 1 表2为试验期内土壤含水率均值和变异系数。 从表可知, 6 0 c m及 以下土层含水 率较 6 0 c m 以上 土层高 ; 自由排水处理 同层土含水率 均值最低。各 处理表层含水率变异系数最大, 自由排水处理表层 以下
16、土壤含水率变异较控制排水处理大。 表 2 土壤含水 率平均值 和变异系数 Ta b l e 2 Av e r a g e v a l u e a n d v a r i a b l e c o e ffi c i e n t o f s oi l moi s t ur e A田块 B田块 C田块D田块 2 0 2 4 8 8 O 1 0 2 5 3 3 O 1 1 2 5 6 5 0 1 0 1 8 4 2 0 2 8 4 O 2 5 7 4 0 1 2 2 4 9 7 0 0 9 2 7 8 1 0 0 9 2 3 7 0 0 2 4 6 0 2 8 2 7 O 1 O 2 6 5 6 0
17、0 7 3 0 03 0 0 7 2 3 6 5 0 2 4 8 O 3 2 41 0 0 7 3 3 1 2 0 0 5 3 3 8 6 0 0 6 2 4 7 4 0 2 3 丝: 竺 : 丝: ! : 堕 : ! Q : 垄: : 垫 由于试 验期间没有灌溉 , 含水率与降雨 密切相 关。表层土壤含水率由于蒸发强烈, 因此一般在降 雨前迅速增加 , 而雨后迅速降低 , 变异系数很大 , 这 与图 3反映情况一致 。控制排水处理 2 0 c l n土层及 以下土层含水率变异系数较小, 只在0 1 左右, 说明 控制排水处理能在 降雨后减小土壤含水率 的波动 , 从而避免了土壤过于或过湿 ,
18、 有利于作物吸收利用。 自由排水处理 除了表层含水率 波动较大外 , 2 0 c m 土层及 以下 土层含水率波动都在0 20 3 之间 , 较 控制排水处理大得多 , 且同层土均值一般都最低 , 不 利于作物吸收的同时也容易发生干旱或渍害。 3 2典型降雨前后土壤含水率对 比分析 为了分析控制排水措施在降雨前后对 田间水分 土壤含7 k 率 土壤含水率 0 r 曩 2 g 4 0 赛 6 0。 1 5 , ( a ) 6 月2 6 日 土壤含水率 l 5 2 5 3 5 f c )7 月 1 6 日 土壤含水率 的影响情况, 选取与降雨相距最近的几次土壤含水 率观测值进行分析 , 分别 为
19、6月 2 6日( 6月 2 4 2 6 日共降雨2 4 4 m m) 、 7月 6日( 7月 4 -5日共 降雨 2 2 5 m m) 、 7 月 1 6 日 ( 7 月 8 1 3 日共 降 雨 2 1 9 8 m m) 、 7月 2 7日( 7月 2 5日降雨3 9 3 mm) 、 8 月 1 5日( 8月 1 4 1 5日共 降雨2 6 3 m m) 及 l 0月 1 5日( 1 0月 l 0 一l 3日共降雨9 2 3 mm) 。图 3为各 处理不同土层土壤含水率观测值。各个取样E l 所观 测到的土壤含水率随土层深度变化规律都是表层土 壤含水率较高, 2 0 e m和 4 0 c m
20、土层减小, 6 0 c m和 8 0 c m土层增大, 1 0 0 c m土层又有减小趋势 ; 这与降 雨后水分在 田间人渗较慢有关。同一土层深度下 , 土壤含水率与控制水位间并没有表现 出明显的相关 性 ; 其原因为 : 由于控制排水各处理间控制水位相差 仅为 2 0 3 0 c m, 差异不明显。 从 图 3可以看 出, 在降雨后控制排水能较好地 保 留田间水分 , 而由于各处理之 问的土壤存在水力 联系 , 控制水位与土壤含水率间关系不明显 。 4 结 论 通过对土壤含水率实测数据分析和对 比, 本文得 出以下几点结论: 控制排水措施能明显改变土壤含 水率; 各处理表层含水率变异系数最大
21、, 自由排水 处理表层 以下 土壤含水率变异较控制排水处理大; 控制排水措施在降雨后能较好地保留田间水分, 减 少降雨后土壤含水率的波动, 使土壤不致于过干或过 湿 , 但控制水位与土壤含水率间相关关系不明确。 4 5 参考文献 : 1 王修贵, 魏小华 一种新型的现代小型农田水利工程介 2 o L 2 5 3 5 2 0 4 0 6 0 1 g f 赛 so O 0 1 2 0 ( d ) 7 2 7H 2 。 0 4 0 6 0 8 0 O 0 l 一 , y 、 、 、 1 2 ( e ) 8 月1 5日 l 2 ( f )1 o 月1 5日 + A田块+ B 田块+ c田块* D田块
22、图 3典型降雨前后含水率分析 Fi g 3 S o i l wa t e r c o n t e n t o n t y p i c al s a mp l i n g d a y 绍 J 水利水 电科技进展,2 0 1 0 ,3 0 ( 1 ) : 9 19 4 ( WANG Xi u g u i , WEI Xi a o h u a I n t r o d u c t i o n o f a Mo d e m S m a l l I r r i g a t i o n a n d D r a i n a g e E n g i n e e r i n g J A d v a n c e s
23、 i n S c i e n c e a n d Te c hn o l o g y o f Wa t e l Re s o u r c e s 2 01 0, 3 0 ( 1 ) : 9 19 4 ( i n C h i n e s e ) ) E V ANS R O C o n t r o l l e d Ve r s u s C o n v e n t i o n a l Dr a i n ag e E f f e c t s o n Wa t e r Q u ali t y c Wo r k s h o p A S C E I r r i g a t i o n a n d D r a
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