邢臺(tái)市東部平原區(qū)作物灌溉定額分析

張猛

【摘 要】通過(guò)調(diào)整種植制度、采用作物品種與土壤水資源分配相吻合等措施，充分利用土壤水資源進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，尤其是對(duì)于水資源短缺的區(qū)域，通過(guò)調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，精確確定灌溉定額，可以減少地下水的抽取，提高節(jié)水效益，促進(jìn)水資源的可持續(xù)利用。

【關(guān)鍵詞】土壤水資源量；灌溉定額；土壤水量平衡

Xingtai City， the eastern plains area of crop irrigation quota

Zhang Meng

（Hebei Xingtai Hydrology and Water Resources Survey Bureau Xingtai Hebei 054000）

【Abstract】By adjusting cropping systems， the use of crop varieties and soil water distribution and other measures consistent with full use of soil water resources for agricultural production， especially in the area for water shortages by adjusting the agricultural structure， accurately determine the irrigation quota can reduce groundwater extraction， improve water efficiency， and promote the sustainable use of water resources.

【Key words】Soil water resources；Irrigation quota；Soil water balance

1. 區(qū)域地理氣候特征

1.1 地理特征。

邢臺(tái)市位于河北省南部，總面積12456Km2。西部為太行山區(qū)，面積3545Km2，東部平原區(qū)面積8911Km2，總?cè)丝?47.97萬(wàn)人，耕地面積1.52萬(wàn)hm2，其中水澆地1.14萬(wàn)hm2。西部為太行山區(qū)，山脈連綿，崗坡起伏，海拔高程多在1000m以下，最高山峰1822m，平均坡降1%左右，山區(qū)與平原間地形變化急驟，沒(méi)有明顯緩沖地段。由西向東，可分為山前沖、洪積扇平原和沖積、湖積平原兩部分，二者基本上以滏陽(yáng)河為界。滏陽(yáng)河以西稱為滏西平原區(qū)，面積3229 Km2，海拔高程一般在75～40m之間，坡度2.5‰～1‰。滏陽(yáng)河以東為黑龍港平原和滹滏平原（簡(jiǎn)稱滏東區(qū)）。黑龍港平原面積4934Km2，主要是古黃河與海河水系長(zhǎng)期泛濫淤積而成，地勢(shì)平坦，坡度1/10000左右，高程多在35～30m之間，最低處24m。滹滏平原面積748 Km2，環(huán)境與黑龍港平原類似。本區(qū)主要種植小麥、玉米、棉花和谷子等。

1.2 降水量時(shí)空分布及年內(nèi)分配。

邢臺(tái)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)型氣候，四季分明，全市多年平均年降水量530.6mm（1956～1997年系列）。干旱指數(shù)1.5～2.9之間，平原大于山區(qū)。降水量區(qū)域分布不均，山區(qū)大于平原。降水量年內(nèi)分配集中，全年降水的75～80%形成于6～9月的汛期。降水量年際變化大，單站年降水量最大最小之比，山區(qū)一般在5～9倍，平原3～6倍。全市多年平均年徑流深44.1mm，折合年徑流量5.49億m3，其時(shí)空分布和變化特點(diǎn)與降水相似，但更顯劇烈。

2. 土壤水資源評(píng)價(jià)原理

2.1 土壤水資源的概念及其特點(diǎn)。

（1）土壤水資源作為土壤層內(nèi)經(jīng)常參與陸地水分交換水量，特別是根系帶中能為植物所利用并可恢復(fù)的水量。它表現(xiàn)為土壤水分不斷補(bǔ)給與消耗的動(dòng)態(tài)水量，與常用的土壤儲(chǔ)水能力、土壤儲(chǔ)水量以及土壤有效水分等有所不同。

（2）土壤水是四水轉(zhuǎn)化的中樞. 無(wú)論是灌溉水， 還是天然降水， 都要轉(zhuǎn)化為土壤水后才能被作物根系吸收[1]。我們把可被作物根系吸收利用的地表淺層土壤空隙中的水稱為土壤水資源。土壤水資源，通過(guò)“土壤水庫(kù)”的調(diào)節(jié)被植物連續(xù)不斷的利用。土壤水的補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水、農(nóng)田灌溉、地下水補(bǔ)給和大氣中的水汽凝結(jié)，而其消耗主要為植物蒸騰和土壤蒸發(fā)。土壤水資源具有與其它資源不同的特點(diǎn)：其一，土壤水普遍存在于陸地表面的土壤中，具有分布的廣泛性和連續(xù)性，使土壤水資源得到充分的利用；其二，土壤水資源更新更快，具有不斷補(bǔ)給與排泄的動(dòng)態(tài)特征；其三，土壤水資源為非重力水，雖然具有“液態(tài)”特性，但并不能作為開采資源加以利用和管理；其四，土壤水更新周期一般為一年，其變化過(guò)程與植物生長(zhǎng)過(guò)程較適應(yīng)[3]。

2.2 土壤水量平衡方程。

在天然狀態(tài)下，土壤水份循環(huán)過(guò)程中，不斷得到大氣降水和凝結(jié)水的補(bǔ)給，又以植物蒸騰和土壤蒸發(fā)形式不斷消耗；當(dāng)土壤含水量超過(guò)田間持水量時(shí)，以重力水形式補(bǔ)給地下水；當(dāng)蒸發(fā)使土壤含水量小于田間持水量，地下水埋深小于極限埋深時(shí)，又會(huì)從地下水得到補(bǔ)充。因而，在某 一時(shí)段ΔT內(nèi)土壤水量平衡方程為：

ΔWεR=（P+ε+Cm）-（EP+RS+Pγ+Pz+E+T）

由于 P-EP-Rs-Pγ-Pz=Ps

所以 ΔWεR= Ps +ε+ Cm-（E+T）

式中： ΔWεR——某一時(shí)段內(nèi)土層蓄水變量（mm）；P——降水量（mm）；Ps——降水滯留在土壤中的水量（mm）；ε——地下水通過(guò)毛管輸送到土壤中的水量（mm）；Ep——雨期蒸發(fā)量（mm）；Cm——大氣中或表層土壤顆粒間的水汽（mm）；Pz——植物截留量（mm）；Rs——降水產(chǎn)生的地面徑流量（mm）；Pγ——降水入滲補(bǔ)給地下水量（mm）；E——土壤蒸發(fā)量（mm）；T——植物蒸騰量（mm）；

取一年為周期，在一年內(nèi)土壤水的總蓄水變量為ΣΔWεR= Σ（Ps +ε+ Cm）-Σ（E+T）

3. 土壤水資源的評(píng)價(jià)方法

3.1 評(píng)價(jià)范圍。

由土壤水資源的含義可知，土層中經(jīng)常參與陸地水分交換的那部分動(dòng)態(tài)水量作為評(píng)價(jià)對(duì)象。從土壤水分在垂直剖面上的變化情況，可以確定其變化范圍，但在不同地區(qū)，不同土壤巖性情況下，其評(píng)價(jià)范圍不同。根據(jù)對(duì)本區(qū)土壤水分垂直變化規(guī)律分析，發(fā)現(xiàn)位于地表至以下130cm深度土層間的土壤水分，常處于不斷的補(bǔ)給、蒸發(fā)動(dòng)態(tài)中，該土層以下的土壤水分基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。參照一般作物主要根系深度，確定本地本項(xiàng)評(píng)價(jià)范圍為地表至地表下130cm深度之間的土壤水。

3.2 土壤水資源分項(xiàng)評(píng)價(jià)。

3.2.1 降水補(bǔ)給量（Ps）對(duì)每一個(gè)流域分區(qū)選擇相當(dāng)于50%頻率降水頻率的2006年降水補(bǔ)給觀測(cè)資料進(jìn)行分析計(jì)算。

（1）根據(jù)每個(gè)分區(qū)選擇的旱情監(jiān)測(cè)站實(shí)測(cè)土壤水資源量和水量平衡原理，以次降水量為單元進(jìn)行計(jì)算，最后累加求的年補(bǔ)給量。本站土壤水分基本上5日測(cè)驗(yàn)一次，與有大雨過(guò)程（日雨量超過(guò)30mm進(jìn)行加測(cè)）。因此，對(duì)于大雨過(guò)程，由于雨后空氣濕度大，測(cè)驗(yàn)間隔時(shí)間短，期間土壤水蒸發(fā)量可以忽略，降水前后實(shí)測(cè)的土壤水增量即為次雨補(bǔ)給量。但對(duì)于小雨過(guò)程，由于雨量小，測(cè)驗(yàn)間隔時(shí)間長(zhǎng)，期間土壤水分要消耗蒸發(fā)一部分，單用實(shí)測(cè)資料計(jì)算補(bǔ)給量會(huì)偏小，實(shí)測(cè)資料中常會(huì)出現(xiàn)降雨前后土壤水增量為負(fù)值的現(xiàn)象。另外，土壤水兩測(cè)次間在即有灌溉又有降水的情況下也無(wú)法分出因降水而引起的土壤水增量。遇到上述情況，便采用水量平衡方程進(jìn)行估算。水量平衡方程式為：

Ps=P-Pz-EP-Rs-Pγ式中符號(hào)意義同前，當(dāng)雨量較小時(shí)，Ep、Rs、Pγ 均為零，此時(shí)降雨對(duì)土壤的補(bǔ)給量為： Ps=P-Pz

（2）本地?zé)o實(shí)測(cè)植物截留量Pz資料，參考有關(guān)資料確定：一次降雨植物最大截留量為3mm，當(dāng)日降雨量小于5mm時(shí)，植物截留量為降雨量的1/2。據(jù)此可求得每次小雨時(shí)的土壤水補(bǔ)給量。

（3）具體成果見(jiàn)表1，從年平均補(bǔ)給量看，年土壤水補(bǔ)給量約占年降水量的63%。

3.2.2 地下水對(duì)土壤水的補(bǔ)給量。

（1）當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)靠毛管力的作用，潛水水分不斷上移，形成對(duì)土壤水的補(bǔ)給，最終通過(guò)植物蒸騰和土壤蒸發(fā)消耗。地下水對(duì)土壤水補(bǔ)給量即為潛水蒸發(fā)量。潛水蒸發(fā)量隨著土壤性質(zhì)、土壤表層的蒸發(fā)強(qiáng)度、植物生長(zhǎng)狀況及地下水埋深等變化。土壤表層蒸發(fā)強(qiáng)度越大，地下水埋深越淺時(shí)，地下水對(duì)土壤水的補(bǔ)給量越大；反之則越小。當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥跇O限埋深時(shí)，其補(bǔ)給量為零。另外，有作物時(shí)的地下水補(bǔ)給量要比對(duì)無(wú)作物時(shí)大[2]。

地下水對(duì)土壤水的補(bǔ)給量，可通過(guò)地中蒸滲儀等實(shí)驗(yàn)裝置求得，無(wú)實(shí)驗(yàn)資料的地區(qū)，可借用經(jīng)驗(yàn)公式或其他方法求得。根據(jù)對(duì)本站幾年地中蒸滲儀的潛水蒸發(fā)資料分析，推出了本站無(wú)作物條件小的潛水蒸發(fā)計(jì)算公式：

ε=0.12*（1-Δd）1.234*ε0

式中：ε——潛水蒸發(fā)量（mm）；ε0——水面蒸發(fā)量（E601）（mm）；Δ——地下水埋深（m）；d——本年度最大埋深；

（2）以此求得典型年各流域分區(qū)逐月地下水對(duì)土壤的補(bǔ)給量，見(jiàn)表2。

3.2.3 大氣凝結(jié)水。

（1）大氣中的水汽在土壤表層的凝結(jié)，稱為大氣凝結(jié)水。它是一種特殊的降水。凝結(jié)水量的多少，決定于大氣的水分條件、溫度、風(fēng)速等氣象因素和土壤特性。冬季氣候寒冷，飽和水汽壓低，晝夜溫差大，一年中凝結(jié)水量最大。夏季降水較多，空氣濕度大，凝結(jié)水量較大，春季氣候干燥多風(fēng)，蒸發(fā)量大，凝結(jié)水量較小。

（2）目前，本站沒(méi)有進(jìn)行凝結(jié)水量的直接觀測(cè)，借用氣候和下墊面條件相似的山東禹城實(shí)驗(yàn)站凝結(jié)水量的觀測(cè)資料估算本區(qū)年凝結(jié)水量約100mm，主要分布在冬季節(jié)和夏季。詳細(xì)見(jiàn)表3。

（3）從測(cè)定結(jié)果可知，大氣凝結(jié)水量在土壤總水資源中占相當(dāng)?shù)谋戎兀菨M足農(nóng)作物生長(zhǎng)的水源之一。

4. 總補(bǔ)給量及其評(píng)價(jià)

由上述分析可知，土壤水的總補(bǔ)給量包括降水對(duì)土壤水的補(bǔ)給量、地下水對(duì)土壤水的補(bǔ)給量以及大氣凝結(jié)水量，其和即為土壤水資源量，見(jiàn)表4，由表4可知，典型年土壤水資源量為495.3～542.8mm，流域分區(qū)平均土壤水資源量為513.5mm.降水直接補(bǔ)給是土壤水資源的主要來(lái)源，占總補(bǔ)給量的58%，地下水對(duì)土壤水的補(bǔ)給量、大氣凝結(jié)水次之。從其總量來(lái)看，接近于多年平均降水量，其更新周期和年內(nèi)分配過(guò)程與降水過(guò)程基本一致。

5. 土壤水資源量可利用量分析

土壤水資源的應(yīng)用價(jià)值主要表現(xiàn)為被植物不斷的吸收利用，因而其評(píng)價(jià)的最終目的歸結(jié)在土壤水資源量的可利用量的分析上。本文選黑龍港區(qū)域作為代表性區(qū)域?qū)υ摰貐^(qū)降水頻率50%條件下的土壤水資源可利用量進(jìn)行了分析計(jì)算，其結(jié)果見(jiàn)表5，其它區(qū)域分析方法基本一樣，不再做詳細(xì)敘述。由表5可知，作物生育期土壤水資源可利用量及灌溉補(bǔ)水量及其分配過(guò)程。小麥生育期土壤水利用率100%，需要灌溉補(bǔ)水量280.3mm；夏玉米生育期土壤水利用率為83.1%，灌溉補(bǔ)水量為54.2mm；棉花生育期土壤水利用率為77.2%，灌溉補(bǔ)水量為73.2mm。

6. 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

6.1 正確評(píng)價(jià)土壤水資源，是科學(xué)的制定灌溉制度和灌溉定額的基礎(chǔ)。目前通常采用作物需水量扣除有效雨量來(lái)確定灌溉定額的方法，而有效雨量只是土壤水資源中的一部分。本次分析，是在充分利用土壤水資源的基礎(chǔ)上，再計(jì)算灌溉定額。對(duì)于黑龍港地區(qū)來(lái)說(shuō)，較目前通用方法確定的灌溉定額，小麥可降低30%左右，玉米可降低35%左右；棉花可降低40%左右。

6.2 降水補(bǔ)給是土壤水資源的主要來(lái)源，根據(jù)作物生長(zhǎng)的需要，可采取一些措施（如平整土地、耕、耙等），在相同降雨條件下，增大降水對(duì)土壤水的補(bǔ)給量，以此來(lái)增加土壤水的資源量。

6.3 在水資源貧乏、灌溉條件較差的地區(qū)，加強(qiáng)土壤水資源的研究及評(píng)價(jià)工作尤為重要。以節(jié)水為目的的土壤水調(diào)節(jié)，就是要使灌溉既能滿足土壤水向根系活動(dòng)層及時(shí)供應(yīng)，又不產(chǎn)生深層滲漏造成灌溉水的浪費(fèi)，還要盡量減少地表 無(wú)效蒸發(fā)和提高土壤水向蒸騰儲(chǔ)水及蒸騰耗水的轉(zhuǎn)化效率。在摸清本地區(qū)土壤水資源量及其時(shí)空分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，采取合理的作物布局及相應(yīng)的耕作方法等農(nóng)業(yè)技術(shù)措施，可減少土壤水資源的無(wú)效蒸發(fā)，提高水資源的利用率[4]。

參考文獻(xiàn)

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[3] 朱福星， 王金珍. 四維治水-黃淮海平原農(nóng)業(yè)水資源綜合治理配套技術(shù). 北京： 科學(xué)出版社， 1993，57～61.

[4] 張利， 張彩英， 彭春香. 滄州地區(qū)土壤水資源研究. 自然資源學(xué)報(bào)， 1990，5 （3） ： 230～235.