地下水埋深對作物產量與水分利用效率的影響及作物系數變化

武朝寶

(山西省汾河灌溉管理局中心試驗站，山西 文水032107)

作物生長狀況和產量是光、水、土、肥、氣、熱諸因素的協調及農業措施綜合的結果。地下水埋深不同，不僅影響作物對地下水的利用，而且還影響土壤中肥、氣、熱、鹽的分布和運動，影響作物生長的根際微環境，對作物產量和水分利用效率造成影響。汾河灌區地下水埋深較淺，研究地下水對作物產量和水分利用效率的影響對當地農業生產和水資源管理有很好的實際意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于山西省中部太原盆地(111°55'～112°37'E，37°7'～37°53'N)，為溫帶大陸性半干旱氣候類型，海拔高程749 m，土壤母質為汾河沖洪積物，土壤類型為潮土。試驗區年太陽輻射為54.5～56.5 J/m2，最高氣溫39.4℃，最低氣溫 －25.5℃ ，年平均氣溫 10.4℃ ，最大凍土深0.95 m，全灌區平均無霜期為 171 d。多年平均降水量453.1 mm，多年平均蒸發量為1 031.9 mm。常年地下水埋深在0.5～5.0 m間變化，地下水礦化度 896 mg/L，pH值8.3。

1.2 試驗設計與方法

試驗于1992～1996年在汾河灌溉管理局中心試驗站測坑試驗區進行。測坑為有底的全封閉坑，土體表面尺寸為2 m×2 m，其深度隨不同的地下水埋深而不同，地下水埋深分別控制為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 和 3.0 m 共 6 個處理，每個處理重復3次。測坑地下水水位采用采用自制的Mariotte瓶裝置嚴格控制。

測坑回填土壤為當地的原狀土壤，土壤結構:0～30 cm為耕作土壤，容重為1.32 g/c m3，30～77 cm為黏土層，容重為1.39 g/cm3，77 ～150 cm 為細沙土，容重為1.46 g/cm3。0～100 cm土壤質地為沙壤土，土壤平均容重1.36 g/cm3，田間持水量26.9%。土壤含鹽量平均0.3%，有機質平均1.38% ，速效磷 20.6 mg/kg 。

冬小麥每年10月播種，翌年6月收獲。冬小麥的生育期劃分為5個階段，分別為苗期、返青期、拔節期、孕穗期和成熟期。春玉米種植為每年的4月，當年的9月份收獲。春玉米的生育期劃分為4個階段，即苗期、拔節期、抽雄期和成熟期。生育期內根據土壤水分狀況灌水，采用傳統畦灌方法，灌水量用水表計量。為了研究作物在不同地下水埋深條件下的土壤水分動態，在每一個測坑安裝有中子管，用中子儀測定試驗期間測坑剖面的土壤含水量。

1.3 觀測項目及方法

(1)地下水利用量和測坑底部排水量。采用Mariotte補水裝置進行觀測，每天觀測2次。

(2)土壤含水量0～20 cm采用取土烘干法測定，20 cm土層以下采用中子水分儀(L520－D型智能，江蘇農科院原子能所)測定每20 cm土層測定一個數據，每10 d測定1次，測定深度到地下水位處，灌水或降水前后加測。

(3)氣象資料。試驗區內設有常規的氣象觀測場，主要項目有:降水、蒸發、風速、風向、日照、氣溫、地溫、濕度、氣壓等，具體的觀測方法及要求按國家陸地氣象觀測規范進行。

(4)作物需水量。采用水量平衡方程計算:

ET=⊿W+P+I+SG－DP

式中:ET為作物生育期內某時段的需水量，mm;⊿W為時段內土壤儲水量變化量，mm;P為時段內有效降雨量，mm;I為時段內灌水量，mm;SG為時段內地下水利用量，mm;DP為時段內深層滲漏量，mm。

2 結果與分析

2.1 不同地下水埋深對作物生長和產量構成的影響

2.1.1 對冬小麥生長與產量構成的影響

不同地下水埋深條件下冬小麥出苗、分蘗、穗數、干物質、千粒重等狀況的觀測結果(以1996年為例)如表1所示。

表1 1996年不同地下水埋深條件下冬小麥生長和產量構成狀況

從試驗結果可以看出:地下水位嚴重影響冬小麥的生長和產量構成狀況，地下水埋深較淺時，如0.5 m和1.0 m時，出苗、分蘗、畝穗數、干物質都低于地下水埋深大于或等于1.5 m的處理，其中干物質降低1倍多，只有千粒重不受埋深的影響。產生這種結果的原因是，地下水埋深過淺，冬小麥根區長期保持較高的土壤含水率，通氣性差，惡化了根際微環境;另一方面，由于冬小麥生育期內的降雨量少，土壤水分運動呈蒸發型，地下水中的鹽分不斷被帶到近地表，產生次生鹽堿化，也影響了冬小麥的出苗和分蘗。

2.1.2 對玉米生長和產量構成的影響

表2 1992～1993年不同地下水埋深的玉米生長與產量構成狀況

玉米的出苗、株高、穗高、單穗粒重及千粒重等狀況如表2所示。由于玉米需水量較大，且生育期內氣溫較高，蒸發較強，土壤水分運動強烈，維持了根區水、氣、熱的協調，根系活動層中較高的土壤含水量對玉米生長和產量構成狀況影響不大。如在1992年的首次試驗中，玉米出苗在所有地下水埋深的處理中一樣，在埋深0.5和1.0 m的處理中，由于地下水上升到根系活動層，根區一直保持較高的土壤水分，玉米生長表現出株高較高、單株穗重增大的特點。但在以后的試驗中，并沒有得到與1992年相同的結果。主要是由于試驗區灌溉水和地下水含鹽量較高，地下水埋深較淺時容易引起土壤的次生鹽堿化，鹽害成為玉米生長受抑制的主要原因。1992年為試驗小區的首次運行，鹽害并不嚴重，但隨著時間的延長，地下水埋深較淺的處理地表鹽分的積累不斷增加，對玉米生長的影響越來越嚴重。從1993年試驗結果可以看出，出苗和株高已開始受到地下水埋深的影響，與地下水埋深較深(大于1 m)玉米相比，0.5 m埋深的出苗率、株高降低，單株穗重和千粒重也有一定幅度的減少。隨后的幾年試驗中，由于降雨的一定淋洗作用和采取措施處理，玉米生長呈現一定的波動，但都表現出地下水埋深淺(小于1 m)時的玉米生長受到抑制。

在相同地區，玉米和冬小麥生長狀況對地下水埋深反應差異產生的原因在于，該地區為1年1熟，種植玉米和冬小麥的試驗區總有一定時間為裸地狀態，玉米收獲以后，降雨量稀少，土壤水分運動為蒸發型，在裸露期間，地下水蒸發使地表鹽分不斷積累，因此玉米種植時就開始受到鹽害;而冬小麥剛好相反，冬小麥收獲以后，該地區進入雨季，土壤水分運動呈入滲型，帶走了積累在地表的鹽分，降低了冬小麥種植以后地下水埋深對出苗和生長的影響。

2.2 不同地下水埋深對作物水分生產效率的影響

2.2.1 冬小麥水分生產效率

地下水埋深對冬小麥生長的影響，多年的試驗結果相對比較穩定，埋深在一定范圍內(小于1.5 m)，產量和水分生產率隨埋深增加而增加，當地下水埋深為0.5 m時，多年平均產量僅為 1 437 kg/hm－2，水分生產效率也僅為 0.24 kg/mm;當地下水埋深大于或等于1.5 m時，產量和水分生產效率大幅度提高(見表3)。總的變化趨勢是隨著地下水埋深的增加，產量增加，水分生產效率也持續增加。由此，從增產和提高水分利用效率的角度出發，冬小麥生育期內的地下水適宜埋深應控制在1.5 m以下。

表3 不同地下水埋深條件下的冬小麥產量及水分生產效率

2.2.2 玉米水分生產效率

由于在玉米試驗過程中，采取了補苗、沖洗壓鹽，加之生育期降雨量大，玉米產量和水分生產效率多年試驗結果存在很大差異，見表4。從總體水平看，0.5 m埋深處理的玉米產量最高，與長期充分供水有關，但水分生產效率最低，僅為0.98，是所有處理中最高水分生產效率的70%;1 m埋深處理的產量最低，主要是因為降雨和灌溉入滲深度未能到達地下水，使表層的鹽分積累在根系活動層所致，水分生產效率也比較低。地下水埋深為1.5 m時，雖然產量略低于最高產量，平均產量僅為7 221.0 kg/hm－2，但水分生產效率達到了最高。因此，為了達到節水高產高效目的，從提高作物產量和水分生產效率的雙重目標出發，玉米生育期內的適宜地下水埋深應控制在1.0 m以下。

表4 不同地下水埋深條件下的玉米產量及水分生產效率

2.3 不同地下水埋深條件下作物系數的變化

充分供水條件下，作物蒸發蒸騰量的計算采用間接法，即通過計算參考作物蒸發蒸騰量，乘以作物不同生育階段的作物系數獲得。

2.3.1 參考作物蒸發蒸騰量的計算

Penman公式是國內外應用最普遍的綜合法公式。本文采用Penman公式計算參考作物蒸發蒸騰量，其形式為:

式中:P0和P分別為海平面標準大氣壓和計算地點的實際氣壓(hPa);Rn為太陽凈輻射，(w/m2);Δ為飽和水汽壓－溫度曲線上的斜率(hPa℃－1);γ為濕度計常數(hPa℃－1);ea為空氣實際水汽壓(hPa);es為飽和水汽壓(hPa);u2為2 m高處風速(m/s);C為風速修正系數。

由我國氣象站常規高度的風速測定值換算成2 m高處的風速值時需乘以0.75的系數。為了考慮干熱空氣平流作用和溫度層結對風速的影響，需要對風速進行修正，其修正系數值C 如表5所示。

表5 Penman公式中的風速修正系數

2.3.2 作物系數的確定

作物系數Kc是作物本身生物學特性的反映，它與作物種類、品種、生育期、作物群體葉面積指數等因素有關，Kc=ET/ET0，式中符號意義同前。分析結果表明，在地下水埋深較淺條件下，作物系數與地下水埋深有密切的關系，可用下式表示，

式中，H 為地下水埋深，m;a0，b0，a，b，c 為經驗系數。

根據試驗資料分析，得出的經驗系數 a0，b0，a，b，c如表6所示。作物系數變化過程及作物系數與地下水埋深的關系見圖1。

表6 作物系數與地下水埋深的關系

圖1 冬小麥和玉米生育期作物系數(Kc)的變化過程

由圖1可看出，作物系數在整個生育期的變化過程，也有兩個峰值，出現的時間基本上也是對應冬小麥和玉米的揚花灌漿期;冬小麥和玉米的最大作物系數值大致相同，都可以達到1.6;隨著地下水埋深的變化，作物系數變化較大，仍以需水高峰期的作物系數變化為例，冬小麥作物系數變化于1.1 ～1.6之間，玉米變化于 1.0 ～1.6 之間，其變化幅度可達到0.5～0.6;最大作物系數值，不是出現在最小地下水埋深0.5 m處，也不是出現在地下水埋深3.0 m處，而是出現在1.2 m深度處，主要原因可能是，太淺的地下水位，使得土壤水分長期處于高水分狀態，抑制了作物根系生長和吸水，導致作物產量減低的同時，騰發量也不同程度的減小。地下水埋深較大時，毛管水難于上升到作物根系層，常使作物受旱，減小了作物的蒸發蒸騰量，也會使的作物系數減小。

3 結語

(1)地下水埋深對冬小麥生長、產量及水分生產效率的影響規律是:毛管上升水使埋深較淺的作物根系微環境惡化，同時也有鹽害作用，但鹽害不是主要影響因素;小麥生育期地下水埋深小于1.5 m時，小麥產量和水分利用效率受到地下水埋深的嚴重影響，其值隨埋深減小而減小，小麥生育期的地下水位應控制在1.5 m以下。

(2)地下水埋深對春玉米生長、產量及水分生產效率的影響規律是:影響玉米生長、產量及水分生產效率的主要因素是鹽分的運動和累積，1 m埋深的玉米受鹽害最重，產量最低;玉米生育期地下水埋深在0.5 m和1.0 m時能獲得較高的產量，但作物水分利用效率明顯小于埋深大于1.0 m的，從提高作物產量和水分利用效率的雙重目標出發，玉米生育期的地下水位應控制在1.0 m以下。

(3)無論冬小麥還是玉米，其作物系數都隨地下水埋深的變化而變化，其變化幅度可達到0.5～0.6。作物系數最大值既不在最大埋深處，也不在最小埋深處，而是處于1.2 m埋深處。

［1］郭元裕.農田水利學(第三版)［M］.北京:中國水利水電出版社，1997.

［2］陳玉民，郭國雙等.中國主要農作物需水量與灌溉［M］.北京:水利電力出版社，1995.

［3］張書函，康紹忠等.農田潛水蒸發變化規律的研究［J］.西北水資源與水工程，1994，6(1):12 －15.

［4］康紹忠，蔡煥杰.農業水管理學［M］.北京:水利電力出版社，1996.