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不同种植方式下黄土塬区土壤水分变化特征.pdf
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1、WaterResourcesandHydropowerEngineeringVol.54No.1059CEditorial Department of Water Resources and Hydropower Engineering.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license.PlateauJ.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(10):59-7 0.YUANRiping,GAN Yongde,WANG Shangtao,et al.Variati
2、on characteristics of soil moisture under different planting patterns in Loess袁日萍,甘永德王尚涛,等不同种植方式下黄土塬区土壤水分变化特征 J.水利水电技术(中英文),2 0 2 3,54(10):59-7 0.水利水电技术(中英文)第54卷2023年第10 期不同种植方式下黄土塬区土壤水分变化特征袁日萍,甘永德,王尚涛,郑丽萍(青海大学水利电力学院,青海西宁810016)摘要:【目的】从土壤水分变化的角度探究不同种植方式对黄土区水资源的影响,以期为雨养旱作农业的可持续发展、水资源的高效利用以及水分管理措施的改进提
3、供理论依据。【方法】选取长武源区三种不同种植方式下的土壤水分为研究对象,通过对2 0 14一2 0 17 年对0 30 0 cm土层土壤含水量进行监测,分析单作小麦、单作玉米和小麦-玉米轮作三种种植方式下0 30 0 cm土壤剖面水分垂直分布特征、土壤水分季节变化特征和土壤干燥化指数。【结果】结果表明:(1)不同种植方式下,剖面上的土壤水分垂直分布动态表现出一定的层次性,活跃层分别为单作玉米0 6 0 cm,单作小麦030cm,麦玉轮作0 10 cm,最大耗水深度从大到小依次为麦玉轮作,单作小麦和单作玉米。(2)三种种植方式都将在大量消耗期内引发土壤含水量下降,生育期内平均月储水量从大到小依次
4、为单作玉米(6 0 7.7 mm),单作小麦(554.5mm)和麦玉轮作(47 4.6 mm)。(3)三种种植方式都将造成短期土壤干燥化,其中麦玉轮作干燥化指数最高,为18 7.5,其次是单作小麦18 6.5,最低是单作玉米162.3。【结论】研究认为,不同种植方式下土壤水分的垂直分布动态表现出一定的层次性,且土壤水分具有明显的季节性波动变化特征,相比降雨和含水量变化,储水量变化更为滞后;土壤干燥化指数能够反映不同种植方式的水分利用状况,且受降雨量的影响较大,麦玉轮作方式将最不利于土壤水分的恢复。因此,在黄土区开展农业生产时,应合理选择种植方式,减少对土壤水分的消耗和破坏,以达到高效利用水资源
5、的目的。关键词:种植模式;土壤水分特征;土壤干燥化;土壤有效储水量;黄土区;水资“与作者互动源;干旱;降水D0I:10.13928/ki.wrahe.2023.10.005开放科学(资源服务)标志码(OSID):中图分类号:S152.7文献标志码:A文章编号:10 0 0-0 8 6 0(2 0 2 3)10-0 0 59-12Variation characteristics of soil moisture under different planting patterns in Loess PlateauYUAN Riping,GAN Yongde,WANG Shangtao,ZHENG
6、 Liping(School of Water Resources and Electric Power,Qinghai University,Xining810016,Qinghai,China)Abstract:Objective JInvestigating the impact of different planting method on soil moisture changes in the loess hilly-gully region收稿日期:2 0 2 3-0 3-0 9;修回日期:2 0 2 3-0 4-2 1;录用日期:2 0 2 3-0 4-2 1;网络出版日期:2
7、 0 2 3-0 5-2 2基金项目:国家自然科学基金项目(519 0 9 12 9);青海省重大科技专项(2 0 2 1-SF-134);清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室开放基金资助课题(sklhse-2022-A-04)作者简介:袁日萍(19 9 5一),女,硕士研究生,主要从事生态水文方面研究。E-mail:y r p 0 8 2 x 16 3.c o m通信作者:甘永德(19 8 5一),男,副教授,硕士研究生导师,博士,主要从事水文模型、干旱区水土调控技术研究。E-mail:b j g a n y d 60第54卷2023年第10 期水利水电技术(中英文)袁日萍,等/不同
8、种植方式下黄土区土壤水分变化特征can provide a theoretical basis for the further development of rainfed agriculture,efficient water resource utilization,and improve-ment of water management measures.Methods J Three different planting method in Changwu hillygully region were selected asthe research objects,and the so
9、il water content in the soil layer of 0 300 cm was monitored from 2014 to 2017.The verticaldistribution characteristics of soil moisture,seasonal variation of soil moisture,and soil drying index were analyzed under threeplanting method of monoculture wheat,monoculture maize,and wheat-maize rotation.
10、Results The result showed that:(1)The vertical distribution of soil moisture under different planting method showed a certain hierarchy,and the active layers were060 cm under monoculture maize,030 cm under monoculture wheat,and 0 10 cm under wheat-maize rotation.The maxi-mum water consumption depth
11、from high to low was wheat-maize rotation,monoculture wheat,and monoculture maize.(2)Allthree planting method caused a decrease in soil water content during the period of high water consumption,and monoculture-maize(607.7 mm)had the highest average monthly water storage during the growth period,foll
12、owed by monoculture-wheat(554.5 mm),then wheat-maize rotation(474.6 mm).(3)All three planting method caused short-term soil drying,with thehighest soil drying index for wheat-maize rotation(187.5),followed by monoculture wheat(186.5),and the lowest for mono-culture maize(162.3).Conclusion J The vert
13、ical distribution of soil moisture under different planting method shows a certainhierarchy,and soil moisture under different planting method exhibits significant seasonal fluctuation characteristics,with waterstorage capacity lagging behind rainfall and soil moisture changes.The soil drying index c
14、an reflect the water utilization situationunder different planting method,it is greatly affected by rainfalland wheat-maize rotation will be the most unfavorable for soilmoisturerecovery.Keywords:planting pattern;soil moisture characteristics;soil desiccation;soil effective water storage;Loess Plate
15、au;water re-sources;drought;precipitation0引言水分是干旱半干旱区域农业发展的主要限制因子。黄土塬区属于干旱半干旱地区,降水资源有限且年际、年内分配不均 2 。其土层深厚 3,地下水埋深位于30 10 0 m之间,这些因素导致有限的降水是该地区唯一的水分来源 4-5】,农田水分供需之间的矛盾主要是降水不足和土壤水分蒸发强烈 6 。因此,准确地掌握土壤水分的变化,了解不同土地种植方式下土壤水分的垂直分布、季节变化以及土壤干燥化的特征,对于改善黄土塬区的生态环境,提高该地区水分利用效率有着极为重要的意义。近年来,对于黄土塬区的土壤水分垂直分布和季节变化的研究
16、,更多着眼于关注不同土地利用类型、不同覆盖方式和地形变化对土壤含水量的影响。如TANG等 7 和YU等 3 比较了黄土高原不同典型土地利用类型的土壤水分和温度的差异;CHEN等 8】、LI等 9 和BU等 10 研究了不同覆盖方式对土壤水分入渗和蒸发的影响;YU等 11 和MA等 12 研究了黄土坡面微地形的改变如何影响土壤水分的分布格局。同时,该地区的土壤水环境问题一直备受关注 6 ,其中土壤干层问题是黄土塬区水分生态环境恶化的直观表现,已成为构建区域良好水分生态环境的重大障碍 13土壤干层是指位于降水渗深以下,因植物蒸散导致土壤水分负平衡,形成的长期存在干燥化土层14邵明安等 15 通过研
17、究发现,降雨减少可能是土壤干层形成的直接原因,而植被类型选择失当、群落密度过大和生产力过高均会加剧土壤的干燥化进程;而谢贤群 16 认为黄土高原旱作高产农田土壤干燥化是高产田产量波动的主要原因。李玉山 13、李军等 17 和曹裕等 18 从不同角度丰富和发展了土壤干层的评价方法。之前的研究主要集中于单一植被的土壤干层,例如,李军等 17 田间实地测了黄土高原不同干旱类型区不同生长年限首草地0 10 0 0 cm土层土壤湿度,分析和比较了各类首草地深层土壤干燥化效应特征;曹裕等 18 研究了黄土高原苹果产区深层土壤干燥化特征及其区域分布规律;于晓燕等 19 等对黄土丘陵区带状柠条锦鸡儿人工林地根
18、系、土壤水分特征及深层土壤进行了干化研究。在黄土高原,不当的植被类型选择是导致土壤干化扩大和加剧的一个重要原因 2 0 。黄土塬区农业生产以旱作农业为主,冬小麦和春玉米是该地区主要的粮食作物,其产量高低对该区乃至整个黄土高原的粮食安全和农业可持续发展关系重大 2 1。如今,针对该地区土壤干燥化的研究多集中于草本植物及果树,对于农田土壤干燥化还缺乏相应的研究。例如,胡伟等 2 2 研究了春小麦、春玉米、马铃薯的产量和深层土壤水分动态变化,评价了旱作粮田不同肥力水平下土壤干燥化效应;牛俊杰等 2 3 以单作小麦和单作玉61水利水电技术(中英文)第54卷2023年第10 期袁日萍,等/不同种植方式下
19、黄土塬区土壤水分变化特征米为研究对象,发现农田季节性干层、深层土壤干层的出现严重影响了农田土壤的水循环。调整作物种植布局和实行合理轮作,也是提高区域水分利用效率的一种重要且有效的手段 2 4。黄土塬区是典型的农牧混作区,目前该地区轮作的研究多集中于草粮轮作,而对于轮作农田土壤干燥化效应的系统化定量研究还鲜见报道。王美艳等 2 5 分析了首草地土壤干燥化特征和粮草轮作对土壤水分的恢复效应;孙剑等 2 6 分析了不同年限的首草地和粮食作物的轮作对0 10 0 0 cm深层土壤水分的变化规律;倪红 2 7 研究了冬小麦连作、紫花首-冬小麦轮作和紫花首草地3个种植模式对土壤水分及其利用的影响。但针对黄
20、土塬区不同粮食作物的种植模式对土壤水分垂直分布、季节变化及干燥化的影响还研究较少。本文通过对黄土塬区2 0 14一2 0 17 年单作小麦、单作玉米和小麦-玉米轮作三种不同种植模式下的土壤水分垂直分布、季节变化及干燥化情况进行相应分析,比较了不同种植模式对土壤干燥化的影响,思考如何能够在促进作物生长的同时提高土壤的保水能力,从而增强黄土塬区的水资源利用效率,以期能够探讨黄土区天然雨养模式下旱作农业的进一步发展,为水资源高效利用及改善水分管理提供理论依据,推动黄土塬区的可持续农业发展和水资源管理。1数据和方法1.1试验地概况试验地点位于长武农业生态试验站(3514 2 5 N,1074059E)
21、,海拔12 2 0 m。年平均降水量496.3mm,年平均气温7.9,6 9 月降水量占全年6 0%以上,整体属暖温带半干旱大陆性季风气候。该地区农业生产用水以天然降水为主,为典型雨养旱作农业区。2 0 142 0 17 年降水量分别为6 33.7 mm、567.1mm、545.3m m 和6 51.2 mm,19 9 9 2 0 17 年平均年降水量为52 4.5mm,根据降水年型划分标准 2 8 ,2 0 14年及2 0 17 年为丰水年,2 0 15及2 0 16 年为平水年。冬小麦生育期(9 月一次年6 月)降水量分别为36 6.1mm、2 50.1m m 和37 9.9 mm,春玉米
22、生育期(59 月)降雨量分别为42 3.7 mm、352.3m m和56 0.0 mm。试验地土壤以中壤质黑土和轻壤质黄绵土为主,孔隙率约为49.7%1.2试验材料与设置供试冬小麦品种为“长旱58”,于每年9 月中旬或下旬播种,次年5月下旬或6 月上旬收获。春玉米品种为“先玉335”和“榆单9”,于每年4月中旬播种,9 月中旬收获。长武前塬面农田播种面积为0.2hm,2 0 14年和2 0 17 年单作春玉米,2 0 152 0 16年实施冬小麦-春玉米轮作制。长武杜家坪梯田播种面积为0.1hm,2 0 14一2 0 17 年单作冬小麦。试验期间不进行灌溉和施肥,植物所需水分来源主要是降雨。根
23、据气象资料与观测作物长势变化,将冬小麦划分为小麦营养生长期(播种一返青)、小麦营养生长与生殖生长并进期(返青一抽穗)和小麦生殖生长期(抽穗一成熟)三个生育阶段 2 9】,春玉米则划分为玉米营养生长期(播种一拔节)、玉米营养生长与生殖生长并进期(拔节一开花)和玉米生殖生长期(开花一成熟)三个生育阶段 2 9 1.3测定项目与方法1.3.1土壤体积含水量测定试验区装设中子管,测量0 30 0 cm土壤体积含水量,每隔五天进行一次数据收集,其中0 10 0 cm土层每隔10 cm测得数据,10 0 30 0 cm土层每隔20cm测得数据,每个深度做三次重复处理取得平均值。1.3.2土壤容重测定土壤水
24、分测定用土钻取土,每隔两个月月底在各试验区行间分层采集0 30 0 cm土层土样(其中0 100cm土层以10 cm为间隔取样,10 0 30 0 cm土层以2 0 cm为间隔取样,样地随机取样,重复3次),全年共采样6 次,土壤容重用环刀法测定。1.4各类指标计算1.4.1作物耗水量试验区无地下水补给和深层渗漏,各处理耗水量采用水量平衡公式计算 30 ET=P+(W,-W.)(1)式中,ET为耗水量(mm);P为降水量(mm);W,为生长季初0 30 0 cm土层的储水量(mm);W 为生长季末0 30 0 cm土层储水量(mm)。1.4.2土壤储水量土壤储水量(SWS,mm)为一定厚度土壤
25、中所含的水量 31,计算公式如下(0.h.)nSWS(2)式中,,为第i层(共n层)土壤的体积含水量(%);h为该土层厚度(mm)1.4.3土壤干燥化程度农田土壤的干化状况用土壤干燥化指数(SoilDesiccation Index,SD I)评定,公式如下 1462第54卷2023年第10 期水利水电技术(中英文)袁日萍,等/不同种植方式下黄土塬区土壤水分变化特征SSM-SMSDI(3)SSM-WM式中,SDI为土壤干燥化指数(%);SM为土壤含水率(%);W M 为调萎湿度(%);SSM为土壤稳定湿度(%)。土壤稳定含水量指黄土高原干旱气候、土壤质地、自然植被等因素作用下,通常旱地土壤能够
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