水稻農(nóng)作物地下水埋深及土質(zhì)與全育生長(zhǎng)期入滲補(bǔ)給系數(shù)研究

楊 揚(yáng)

（盤(pán)山縣農(nóng)業(yè)水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 盤(pán)山 124000）

當(dāng)前世界總用水量的增加速率以每年3%進(jìn)行增加，人均水資源可利用量近30年來(lái)銳減了一半, 世界總用水量的70%為農(nóng)業(yè)用水量［1]。農(nóng)業(yè)節(jié)水由于水資源緊缺已經(jīng)成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題［2]。我國(guó)主要糧食作物為水稻，水稻面積在我國(guó)約為5 億畝，遼寧省水稻種植面積也達(dá)到1000 多萬(wàn)畝，水稻灌溉水量占總農(nóng)業(yè)灌溉水量的比例達(dá)到80%左右，用水量較大［3]。近些年來(lái)，由于春季河水較少且地下水位逐年下降，應(yīng)對(duì)水資源匱乏的主要方式即采用節(jié)水灌溉方式［4]。當(dāng)前遼寧地區(qū)水稻節(jié)水潛力較高，生產(chǎn)用水效率僅為0.7 kg/m3，因此，開(kāi)展遼寧地區(qū)水稻作物的節(jié)水灌溉方式對(duì)于指導(dǎo)遼寧地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大［5]。研究表明探討農(nóng)作物降雨入滲補(bǔ)給關(guān)系對(duì)于制定區(qū)域農(nóng)業(yè)節(jié)水規(guī)劃具有重要的支撐作用［6]。王忠波［7]基于CROPWAT 模型對(duì)水稻需水量及灌溉制度研究，研究表明有效降雨量難以滿足水稻需水要求，在水稻生育期內(nèi)應(yīng)根據(jù)不同典型年選擇合適灌溉制度灌溉，并在拔節(jié)孕穗、抽穗開(kāi)花兩個(gè)高耗水時(shí)期加強(qiáng)灌溉。胡娜［8]對(duì)水稻生長(zhǎng)需水影響的蒸散發(fā)和入滲補(bǔ)給系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，確定了不同土壤類型、不同埋深時(shí)水稻入滲補(bǔ)給系數(shù)和次降雨量的關(guān)系線。王樹(shù)鵬［9]對(duì)滇中水稻不同灌溉模式需水規(guī)律及水分生產(chǎn)率進(jìn)行探討，研究表明水稻灌溉節(jié)水能力主要來(lái)自于提高降雨利用率,減少滲漏量,并在一定程度上降低蒸發(fā)蒸騰量。趙揚(yáng)搏［10]對(duì)船行灌區(qū)水稻需水監(jiān)測(cè)及灌溉預(yù)報(bào)模型進(jìn)行研究，結(jié)果表明提高降雨利用率可降低水稻作物的灌溉水量。通過(guò)以上研究結(jié)果表明水稻作物降雨入滲補(bǔ)給關(guān)系分析是其節(jié)水灌溉方式探討的重要基礎(chǔ)，為此本文以遼寧地區(qū)水稻為研究實(shí)例，重點(diǎn)探討地下水埋深及土質(zhì)類型下水稻作物全育生長(zhǎng)期的降雨入滲補(bǔ)給關(guān)系。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

以遼河平原作為試驗(yàn)區(qū)域，區(qū)域第四紀(jì)含沙層厚度一般在200 mm 左右，屬于遼河沖積形成的平原區(qū)域，平原區(qū)域土壤上層為亞砂、亞粘土以及砂土三個(gè)部分組成，深層土層主要為較粗的細(xì)砂土質(zhì)，在上層和深層之間的土層為亞砂土隔水層。遼河平原多年平均降水量為630 mm，屬于大陸半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年降水量在6月～9月的比重約為75%，最大和最小年降雨量實(shí)測(cè)值分別為967 mm 和412 mm，年際之間的降水變化較大。地下水埋深由于地勢(shì)低平一般在1.0 m～2.5 m 之間，降雨入滲系數(shù)一般在0.25～0.35 之間，屬于土壤水入滲補(bǔ)給較大的區(qū)域。由于地下水埋深的影響區(qū)域地表徑流系數(shù)一般在0.1 左右，地表徑流系數(shù)較小。地下水流以垂向?yàn)橹鳎涤耆霛B是地下水主要的補(bǔ)給方式。

2 試驗(yàn)方案

（1）降雨入滲量測(cè)定方式

分析降雨入滲補(bǔ)給量時(shí)，入滲儀器高度考慮對(duì)水稻作物滲量的影響，安裝滑動(dòng)式儀器進(jìn)行入滲補(bǔ)給量的測(cè)定，梯度為儀器0.4 m 的間隔安裝一個(gè)入滲儀器，當(dāng)梯度達(dá)到一定高度時(shí)場(chǎng)次降雨入滲補(bǔ)給量變化逐步穩(wěn)定，這時(shí)將儀器高度逐步升高，設(shè)置的高度分別為2.5 m、2.0 m、1.5 m、1.0 m、0.5 m、0.25 m、0.15 m。在對(duì)不同高度進(jìn)行降雨入滲補(bǔ)給量的測(cè)定時(shí)，對(duì)整個(gè)觀測(cè)試驗(yàn)采用雨量計(jì)進(jìn)行同步觀測(cè)，這樣可以準(zhǔn)確把握試驗(yàn)水田整個(gè)降雨入滲情況。

（2）蒸發(fā)量測(cè)定方式

蒸發(fā)量的測(cè)定主要采用E601 蒸發(fā)器進(jìn)行水稻葉面蒸騰的測(cè)定，水稻觀測(cè)試驗(yàn)的土壤中埋入E601 蒸發(fā)器進(jìn)行具體觀測(cè)，水稻葉面的蒸騰量采用另外一個(gè)E601 蒸發(fā)器進(jìn)行測(cè)定，水稻的蒸散發(fā)量等于兩個(gè)蒸發(fā)觀測(cè)儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)相減，不同地下水埋深下的水稻潛水蒸發(fā)量采用地中滲透儀進(jìn)行觀測(cè)試驗(yàn)，按照0.30 m、0.60 m、0.80 m、1.25 m 設(shè)置儀器的埋深高度。對(duì)于以上埋深高度采取兩次觀測(cè)試驗(yàn)，不同埋深下的潛水蒸發(fā)量被儀器觀測(cè)到后，停止試驗(yàn)觀測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 水稻作物次降雨入滲補(bǔ)給和次降雨量的關(guān)系

對(duì)水稻主要生長(zhǎng)過(guò)程中地下水埋深分別為0.30 m 和0.80 m時(shí)的降雨入滲補(bǔ)給量和次降雨量的關(guān)系進(jìn)行探討，結(jié)果見(jiàn)表1和圖1。

表1 水稻作物次降雨入滲補(bǔ)給和次降雨量的關(guān)系

圖1 次降雨量和不同地下水埋深下次降雨入滲補(bǔ)給變化關(guān)系

對(duì)地下水埋深分別為為0.30 m 和0.80 m 下按照降水量大小進(jìn)行次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)的排序，確定次降雨量和不同地下水埋深下次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)的關(guān)系，從觀測(cè)數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)?shù)叵滤裆钶^低時(shí)，隨次降雨量的變化入滲補(bǔ)給系數(shù)總體變化較小，當(dāng)?shù)叵滤裆钶^高時(shí)，隨次降雨量的變化入滲補(bǔ)給系數(shù)變化曲線波動(dòng)特征增強(qiáng)，當(dāng)?shù)叵滤裆顬?.30 m 時(shí)，次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)最大值之間的差值為0.14，而當(dāng)?shù)叵滤裆顬?.80 m時(shí)，系數(shù)最大之間的差值增加到0.89。

3.2 不同土質(zhì)與地下水埋深下水稻全生育期入滲補(bǔ)給系數(shù)分析

對(duì)水稻全生育期入滲補(bǔ)給系數(shù)和入滲補(bǔ)給量（包括灌溉水和降雨入滲補(bǔ)給）關(guān)系進(jìn)行測(cè)定，見(jiàn)表2，并對(duì)不同土質(zhì)類型兩種地下水埋深條件的水稻全生育期入滲補(bǔ)給系數(shù)和入滲補(bǔ)給量關(guān)系進(jìn)行分析，見(jiàn)表3。

表2 壤土不同埋深時(shí)的全生育期入滲補(bǔ)給系數(shù)

表3 不同土不同埋深時(shí)的全生育期入滲補(bǔ)給系數(shù)

從表2 分析結(jié)果可看出，水稻作物隨著地下水埋深的增加次降水入滲補(bǔ)給量逐步遞減。表3 為遼寧省4 種主要土質(zhì)類型下水稻作物全生育期入滲補(bǔ)給系數(shù)和入滲補(bǔ)給量的關(guān)系，從表中可看出，在兩種地下水埋深條件下亞沙土入滲補(bǔ)給系數(shù)差異度較小，這是因?yàn)閬喩惩链嬖谥^大的裂隙，使得其土壤內(nèi)部水分在灌溉水后從縫隙迅速下滲，因此具有較大的入滲補(bǔ)給系數(shù)，且受地下水埋深影響度較小。粘土由于滲漏能力較低，在四種土質(zhì)中入滲補(bǔ)給系數(shù)最低。兩種地下水埋深條件下入滲補(bǔ)給系數(shù)也較為相似，這主要是因?yàn)檎惩量紫抖容^低，不利于水分的下滲。顆粒很細(xì)的沙土由于有很小顆粒孔隙，使得其也具有較小的入滲補(bǔ)給系數(shù)，亞粘土入滲補(bǔ)給系數(shù)和沙土較為相似。

3.3 水稻入滲補(bǔ)給強(qiáng)度的日變化分析

結(jié)合場(chǎng)次降水觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)水稻降雨補(bǔ)給和灌水補(bǔ)給日入滲量的變化過(guò)程進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。

受降雨強(qiáng)度變化，一次降雨入滲補(bǔ)給速度也逐步變化，降雨初始階段，地下水埋深較低區(qū)域首選觀測(cè)的入滲補(bǔ)給水分，隨著降雨時(shí)段的遞增，地下水埋深較大的區(qū)域逐步觀測(cè)到入滲補(bǔ)給水分，在初始入滲補(bǔ)給時(shí)段地下水埋深較低的區(qū)域入滲速率一般較高。當(dāng)入滲速率高于降雨速率，入滲時(shí)段較降雨時(shí)段有所滯后，降雨強(qiáng)度出現(xiàn)峰值之后出現(xiàn)入滲補(bǔ)給量的峰值。入滲過(guò)程在降雨停止一段時(shí)間后依舊繼續(xù)進(jìn)行，但入滲速率逐步減低。隨時(shí)間變化降雨入滲強(qiáng)度也隨之變化，單位時(shí)間的入滲水量對(duì)應(yīng)不同時(shí)刻的入滲強(qiáng)度是不相同的，大氣降水的數(shù)量、包氣帶的巖性及厚度與入滲強(qiáng)度具有較為密切的聯(lián)系。降水的時(shí)間長(zhǎng)度與入滲時(shí)間長(zhǎng)度不一致，到達(dá)潛水面的時(shí)刻作為每次降水入滲到土壤前鋒面的初始時(shí)段，可以忽略潛水面的水量受降水入滲影響而減少的水量。一般情況下降水的時(shí)間長(zhǎng)度少于入滲的時(shí)間長(zhǎng)度，其時(shí)間差與包氣帶的巖性和厚度具有較強(qiáng)的相關(guān)性。從水稻降雨補(bǔ)給日入滲量的變化過(guò)程可看出，入滲過(guò)程基本降雨停止4個(gè)小時(shí)后完成。降雨入滲補(bǔ)給不同于灌溉入滲補(bǔ)給，灌水入滲受降雨過(guò)程的影響，入滲補(bǔ)給量逐步遞減變化，入滲量高值出現(xiàn)在入滲補(bǔ)給初始階段，入滲量隨著時(shí)間的遞增而逐步減少。不同埋深下入滲速率較為相似，地下水埋深對(duì)灌溉入滲補(bǔ)給速率影響度較低。

圖2 水稻降雨補(bǔ)給和灌水補(bǔ)給日入滲量的變化過(guò)程

4 結(jié)論

（1）當(dāng)?shù)叵滤裆钶^低時(shí)，隨次降雨量的變化水稻作物入滲補(bǔ)給系數(shù)總體變化較小；當(dāng)?shù)叵滤裆钶^高時(shí)，隨次降雨量的變化入滲補(bǔ)給系數(shù)變化曲線波動(dòng)特征增強(qiáng)。

（2）水稻作物隨著地下水埋深的增加次降水入滲補(bǔ)給量逐步遞減，亞沙土由于較大的土壤顆粒裂隙，使得其水分在灌溉水后從縫隙迅速下滲，因此具有較大的入滲補(bǔ)給系數(shù)，且受地下水埋深影響度較小。

（3）隨降雨入滲強(qiáng)度變化，單位時(shí)間的入滲水量對(duì)應(yīng)的不同時(shí)刻的入滲強(qiáng)度是不相同的，大氣降水的數(shù)量、包氣帶的巖性及厚度與滲強(qiáng)度具有較為密切的聯(lián)系。灌水入滲受降雨過(guò)程的影響，入滲補(bǔ)給量逐步遞減變化，入滲量高值出現(xiàn)在入滲補(bǔ)給初始階段，入滲量隨著時(shí)間的遞增而逐步減少。