水源置換對(duì)引洮受益區(qū)高原夏芹菜土壤水分及水分利用效率的影響分析

陳志丕，李虹彩，董海霞，李擁軍，崔循臻

(定西市水利科學(xué)研究所，甘肅 定西 743000)

1 概述

由于甘肅省定西市具備高原夏菜栽培的特別氣候條件，近年來(lái)在北部區(qū)域，特別是安定區(qū)大力培育以高原夏菜為主的蔬菜產(chǎn)業(yè)，形成了內(nèi)官鎮(zhèn)為中心，輻射香泉、符川、鳳翔、團(tuán)結(jié)、巉口、李家堡等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的標(biāo)準(zhǔn)化種植片帶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年全市芹菜種植面積8.3萬(wàn)畝(安定區(qū)6.89萬(wàn)畝)，總產(chǎn)量36.16萬(wàn)噸，產(chǎn)值10.08億元，高原夏芹菜已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入的一大支柱，是助推精準(zhǔn)脫貧的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)。因芹菜種植區(qū)地表水資源貧乏，而地下水灌溉具有水量相對(duì)穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。而隨著引洮供水項(xiàng)目的全面建成，為加強(qiáng)受益區(qū)水生態(tài)環(huán)境保護(hù)，加快地下水資源的恢復(fù)和涵養(yǎng)，需分期分批關(guān)閉受益區(qū)范圍內(nèi)原有自備水源井。

“灌溉水質(zhì)對(duì)高原夏芹菜生長(zhǎng)指標(biāo)和農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的影響”項(xiàng)目以引洮外調(diào)水和淺層地下水分別為灌溉水源，分析不同灌溉水質(zhì)對(duì)夏芹菜和土壤理化性質(zhì)的影響，評(píng)估引洮外調(diào)水在安定區(qū)夏芹菜灌溉中的可行性，并探索引洮外調(diào)水配合施肥的夏芹菜灌溉技術(shù)，該項(xiàng)目既符合定西市“引洮供水一期工程受益區(qū)地下水取水井關(guān)閉”的政策，也可進(jìn)一步發(fā)揮引洮外調(diào)水灌溉效益，強(qiáng)化引洮受益區(qū)地下水資源的恢復(fù)和涵養(yǎng)，并促進(jìn)水生態(tài)環(huán)境保護(hù)和特色產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在水資源特別是地下水嚴(yán)重匱乏的定西市具有顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。

通過(guò)試驗(yàn)分析，相比較淺層地下水，芹菜用引洮外調(diào)水灌溉后，更有利于根系的呼吸和生長(zhǎng)，有利于后期抗旱。同時(shí)，能使土壤保持較好的理化性質(zhì)，顯著提高芹菜發(fā)芽期土壤表層平均地溫，有利于種子萌發(fā)和芹菜食用品質(zhì)的提高。但相比較淺層地下水，引洮外調(diào)水源中，部分作物生長(zhǎng)所需大量營(yíng)養(yǎng)元素(氮、磷、鉀)不足，易造成產(chǎn)量下降。因此，為確保高原夏芹菜產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展和群眾收益，在引洮受益區(qū)地下水井關(guān)閉時(shí)，特別在夏芹菜種植區(qū)水源置換過(guò)程中，需配合水井關(guān)閉配合做好芹菜種植測(cè)土配方和高效節(jié)水研究示范等工作，以確保水源置換之后芹菜特色產(chǎn)業(yè)的量和質(zhì)都能大幅提高。

2 試驗(yàn)方法

2.1 芹菜生育期劃分

本次試驗(yàn)主要研究芹菜營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段不同灌溉水質(zhì)對(duì)芹菜生長(zhǎng)指標(biāo)和農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的影響，按照SL 13—2015《灌溉試驗(yàn)規(guī)范》中作物生育階段劃分標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合當(dāng)?shù)厍鄄俗魑锏膶?shí)際生育進(jìn)程，將芹菜營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段劃分為發(fā)芽期、幼苗期、葉叢生長(zhǎng)期、心葉肥大期4個(gè)生育階段。所有試驗(yàn)小區(qū)芹菜于2021年5月23日播種，至6月18日出苗率達(dá)到90%以上，6月23日進(jìn)入幼苗期，7月18日進(jìn)入葉叢生長(zhǎng)期，8月28日進(jìn)入心葉肥大期，9月16日采收，整個(gè)生育期117d。其中：發(fā)芽期31d，幼苗期25d，葉叢生長(zhǎng)期41d，心葉肥大期20d。

2.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)芹菜籽品種為美國(guó)西芹，該品種早熟，生長(zhǎng)快速，定植后70～75d可收獲。收獲時(shí)，葉片黃綠、葉柄寬厚，表面光滑，不空心，纖維少，品質(zhì)脆嫩，且耐寒、耐熱、抗病，株型緊湊，株高70cm左右，葉柄長(zhǎng)30～35cm，單株重可達(dá)1kg左右，一般畝產(chǎn)7000～8000kg。經(jīng)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民試種，該品種適合在定西市安定區(qū)區(qū)域內(nèi)春、夏、秋露地栽培，是主栽品種之一。

2.3 灌溉水源水質(zhì)

2.3.1淺層地下水水質(zhì)

試驗(yàn)區(qū)處關(guān)川河中上游左岸，區(qū)域潛水層隨河谷分布，寬度1～1.5km，含水層埋深一級(jí)階地及漫灘2～5m，二級(jí)階級(jí)15～25m，含水層為略含泥質(zhì)的砂礫卵石層，結(jié)構(gòu)松散，厚度3～6m。該河段潛水水質(zhì)復(fù)雜，礦化度在近河床地帶一般為3～6g/L，局部可達(dá)6～8.5g/L，在河谷邊緣均在5g/L以上，屬S04“-CI′-Na.-Mg”型水。因潛水量小、水質(zhì)差，沒(méi)有開(kāi)采價(jià)值，也未被利用。近年來(lái)，隨著芹菜大面積的種植，大部分區(qū)域開(kāi)始開(kāi)采利用。

2.3.2引洮外調(diào)水水質(zhì)

引洮外調(diào)水資源從位于甘肅省臨潭、卓泥兩縣交界處的洮河干流九甸峽峽水利樞紐取水。引洮一期定西市灌區(qū)由安定區(qū)內(nèi)官、西寨2個(gè)井灌區(qū)和東峪溝、秦祁河、大咸河、團(tuán)結(jié)溝、關(guān)川河五個(gè)河谷灌區(qū)組成，設(shè)計(jì)灌溉面積17.342萬(wàn)畝，其中安定區(qū)12.25萬(wàn)畝。目前，安定區(qū)芹菜種植片帶除東河、西鞏河、稱(chēng)溝河沿岸外，其它區(qū)域全部在引洮供水一期受益區(qū)范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)九甸峽上游岷縣出境段水質(zhì)分析，洮河干流天然水化學(xué)特性礦化度總體在300mg/L左右，除總氮外含量多年平均值1.92mg/L較高外，其它指標(biāo)全部能達(dá)到GB 3838—2020《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅰ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.3主要化學(xué)及有機(jī)物含量

選擇GB 5084—2005《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》、GB 3838—2020中對(duì)土壤理化性質(zhì)及作物生長(zhǎng)發(fā)育所需大量元素有影響的全鹽量、pH、總氮、氨氮、總磷、鐵、鉀、鈣、鎂等指標(biāo)對(duì)不同灌溉水源水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同灌溉水源主要化學(xué)及有機(jī)物含量狀況

3 試驗(yàn)結(jié)論與分析

試驗(yàn)設(shè)引洮外調(diào)水灌溉(WS)、引洮外調(diào)水和淺層地下水交替灌溉(WA)、當(dāng)?shù)販\層地下水灌溉(WG)3個(gè)處理。通過(guò)查閱網(wǎng)絡(luò)信息，有提出芹菜生長(zhǎng)適宜土壤相對(duì)含水量70%～80%，空氣相對(duì)濕度為60%～70%的建議。本試驗(yàn)地點(diǎn)處西北黃土高原區(qū)，氣候及芹菜生長(zhǎng)土壤環(huán)境與華北及中原區(qū)域差異較大，由于無(wú)試驗(yàn)設(shè)計(jì)參考資料，試驗(yàn)以當(dāng)?shù)厝罕娊?jīng)驗(yàn)灌溉制度作為試驗(yàn)依據(jù)，不設(shè)置土壤含水率上下限。土壤水分含量測(cè)定的具體辦法是每隔3d用土鉆取樣烘干法測(cè)定。

3.1 試驗(yàn)灌水定額

試驗(yàn)小區(qū)為4m×4m小畦，試驗(yàn)地田間持水率通過(guò)“圍框淹灌法”測(cè)定為24%，土壤容重平均值1.5g/cm3。土壤濕潤(rùn)比為1，計(jì)劃濕潤(rùn)層深度為1m，凈灌水定額為36m3/畝(54mm)。灌水時(shí)用管道輸水到小區(qū)，水量用水表測(cè)得，便于控制。

芹菜在田間水分消耗包括芹菜葉莖的蒸騰、棵間蒸發(fā)、土壤深層滲漏、地表淺層徑流流失等主要途徑。其中芹菜蒸騰是芹菜體內(nèi)水分通過(guò)葉片氣孔擴(kuò)撒到大氣中的現(xiàn)象，是芹菜葉莖及根部的有效水量。由于芹菜棵與棵之間的蒸發(fā)可以增加地面附近空氣的濕度，對(duì)芹菜生長(zhǎng)周?chē)h(huán)境有利，但絕大部分是無(wú)益的消耗，在缺水地區(qū)或降雨量少的季節(jié)盡量采取措施，避免減少棵間蒸發(fā)。當(dāng)葉面積指數(shù)較低時(shí)，土壤蒸發(fā)可占蒸騰蒸發(fā)量的很大比例，尤其是在土壤表面經(jīng)常潮濕的情況下。同時(shí)，還隨灌水方法、灌水技術(shù)的不同而變化顯著。該試驗(yàn)研究不同灌溉水質(zhì)對(duì)土壤水分、農(nóng)田耗水特征的影響，探討不同灌溉水質(zhì)下的芹菜的水分利用效率。

3.2 生育期內(nèi)灌溉及降雨情況

2019年芹菜生育期內(nèi)各處理共灌水16次(發(fā)芽期6次、幼苗期4次、葉叢伸長(zhǎng)期4次、心葉肥大期2次)，灌溉定額864mm(發(fā)芽期324mm、幼苗期216mm、葉叢伸長(zhǎng)期216mm、心葉肥大期108mm)，合576.28m3/畝，全生育期內(nèi)超過(guò)10cm的有效降雨10次200.3mm(發(fā)芽期2次41.7mm、幼苗期2次34.7mm、葉叢伸長(zhǎng)期5次110.5mm、心葉肥大期1次13.4mm)。如圖1所示。

圖1 芹菜生育期內(nèi)灌溉及降雨情況

3.3 生育期內(nèi)土壤水分變化動(dòng)態(tài)

土壤水分是土壤4大主要生態(tài)要素——水、肥、氣、熱中最為活躍的要素。它不僅是各種土壤養(yǎng)分的溶劑，而且還會(huì)影響土壤的通氣性和熱狀況以及土壤養(yǎng)分在土體中的運(yùn)移和轉(zhuǎn)化。土壤含水量的時(shí)空變化也會(huì)對(duì)土壤的物理、化學(xué)和生物過(guò)程產(chǎn)生綜合影響，而這種綜合作用必然會(huì)影響土壤氣體中O2的消耗、CO2等氣體的產(chǎn)生和排放，從而影響土壤通氣性。另外，土壤中有效水含量和通氣性的時(shí)空變化也會(huì)影響根系的結(jié)構(gòu)和活性。芹菜生育期內(nèi)土壤水分變化動(dòng)態(tài)如圖2所示。

由圖2中看出，不同灌溉水質(zhì)，芹菜生育期內(nèi)土壤含水率變化趨勢(shì)基本相同，顯示為灌水與降雨前后上升和下降的交替出現(xiàn)。所有處理一次灌水或降雨后，土壤水分陡然增大，之后1～2d內(nèi)快速降低，之后降低速率變緩，并達(dá)到較穩(wěn)定的狀態(tài)。在發(fā)芽期(約30d)，WS、WA處理灌溉后土壤水分含量峰值、谷值明顯高于WG處理；在幼苗期前期(約15d)，WS、WA、WG處理灌溉后土壤水分含量峰值、谷值基本重合，之后WG處理灌溉后土壤水分含量峰值、谷值明顯高于WS、WA處理，直到心葉肥大期后期。整個(gè)生育期內(nèi)，所有處理土壤水分在20%以上的區(qū)間變化，峰值超過(guò)24%(田間持水量)，主要原因是灌水后土壤水分未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所致。芹菜生育期內(nèi)平均土壤水分含量見(jiàn)表2。

圖2 芹菜生育期內(nèi)土壤水分變化動(dòng)態(tài)

在灌溉時(shí)間、灌溉次數(shù)、灌水定額相同的情況下，各處理生育期內(nèi)土壤水分含量平均值分別為WS處理22.93%、WG處理23%、WA處理22.91%，分別為田間持水量24%的95.53%、95.83%、95.47%。從表2看出，在發(fā)芽期用地表水灌溉的WS、WG處理土壤水分含量23.03%，較用淺層地下水灌溉的WG處理土壤水分含量22.43%高0.6%，有利于種子萌發(fā)。而在幼苗期及之后，在保持土壤較高水分含量的情況下，WS處理較WG處理土壤水分含量低，其中：幼苗期WS、WA處理土壤水分含量平均值22.95%，為田間持水量的95.63%，較WG處理23.35%低0.4%。葉叢伸長(zhǎng)期WS處理土壤水分含量平均值23.06%，為田間持水量的96.08%，較WG處理23.46%低0.3%。心葉肥大期WS處理土壤水分含量平均值22.93%，為田間持水量的95.54%，較WG處理23%低0.07%，有利于根系的呼吸及作物生長(zhǎng)。

表2 芹菜生育期內(nèi)平均土壤水分含量統(tǒng)計(jì)

3.4 灌水對(duì)土壤水分變化的影響

以播種后5月24日第一次灌水為例，分析不同灌溉水源水質(zhì)灌溉前(5月23日)后(5月24日)土壤水分變化情況。第一次灌溉時(shí)，田間無(wú)作物，灌溉水量主要為蒸發(fā)。灌水前后土壤水分含量變化統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3，變化趨勢(shì)如圖3所示。

表3 灌水前后土壤水分含量變化統(tǒng)計(jì)

圖3 灌水前后土壤水分含量變化趨勢(shì)

從圖1灌水后不同深度水分變化曲線看，WG處理水分曲線與灌溉前相似，均呈“S”型，WS處理呈“<”型，WS處理主要增加了土層表面10cm處的土壤水分含量，WG處理增加了20cm及以下土層土壤水分含量。WS處理表層土壤水分含量較高，有利于種子萌發(fā)。同時(shí)，100cm處土壤水分在第一次灌水后土壤水分含量變化較大，可能存在水分向計(jì)劃濕潤(rùn)層以下滲漏的可能，應(yīng)當(dāng)對(duì)田間持水量和灌水定額進(jìn)行復(fù)核。

從表3看，第一次灌水后各處理0～100cm土壤水分含量明顯增加，其中WS處理、WG處理灌溉后土壤水分含量分別為21.04%、22.16%，為田間持水量的87.67%、92.33%。較灌溉前土壤水分含量18.68%分別增加了2.36%、3.48%，相比較淺層地下水灌溉的WG處理，WS處理蒸發(fā)耗水更多。主要因素是水分的蒸發(fā)不但會(huì)受到水量的影響，還會(huì)對(duì)水質(zhì)也有影響。因此，采用地表水灌溉后，在發(fā)芽期，為減少土壤水分蒸發(fā)損失，應(yīng)采取抑制蒸發(fā)的措施。

3.5 不同水源灌溉的水質(zhì)對(duì)芹菜種植蒸散量的影響

芹菜在田間水分消耗包括芹菜葉莖的蒸騰、棵間蒸發(fā)、土壤深層滲漏、地表淺層徑流流失等主要途徑。

3.5.1不同灌溉水質(zhì)對(duì)田間水利用系數(shù)的影響

田間水利用系數(shù)是田間有效利用的水量(指計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)實(shí)際灌入的水量，也即凈灌溉水量)與進(jìn)入毛渠的水量的比值，是衡量田間工程質(zhì)量和灌水技術(shù)水平的指標(biāo)[7]。各處理生育期內(nèi)滲漏水量分別為：WS處理383.7mm，WG處理421.8mm，WA處理359.7mm。其中發(fā)芽期WS處理146.7mm，WG處理114.3mm，WA處理146.7mm；幼苗期WS處理67.2mm，WG處理102.8mm，WA處理67.2mm；葉叢伸長(zhǎng)期WS處理122.1mm，WG處理161.1mm，WA處理89.4mm；心葉肥大期WS處理47.7mm，WG處理43.7mm，WA處理56.4mm。生育期內(nèi)農(nóng)田水量變化見(jiàn)表4。

表4 芹菜生育期內(nèi)農(nóng)田水量變化

各處理生育期內(nèi)田間水利用系數(shù)分別為：WS處理0.639，WG處理0.604，WA處理0.662。其中發(fā)芽期WS處理0.599，WG處理0.687，WA處理0.599；幼苗期WS處理0.732，WG處理0.590，WA處理0.732；葉叢伸長(zhǎng)期WS處理0.626，WG處理0.507，WA處理0.726；心葉肥大期WS處理0.607，WG處理0.640，WA處理0.535。對(duì)比分析如圖4所示。

田間水利用系數(shù)的影響因素較多，而且錯(cuò)綜復(fù)雜。其主要因素可歸納為4個(gè)，即土壤土質(zhì)的情況、田間布置、計(jì)算灌水濕潤(rùn)層深度。本研究在田間工程狀況、計(jì)劃濕潤(rùn)層深度、灌水定額相同的情況下，引起田間水利用系數(shù)差異的主要是土壤質(zhì)地。從圖4看出，不同處理田間水利用系數(shù)在生育期內(nèi)變化隨機(jī)性較大，無(wú)明顯規(guī)律。但從整個(gè)生育期來(lái)看，利用地表水灌溉的WS處理較淺層地下水灌溉的WG處理田間水利用系數(shù)高0.035。

圖4 不同灌溉水質(zhì)田間水利用系數(shù)對(duì)比分析

3.5.2不同灌溉水質(zhì)對(duì)農(nóng)田蒸散特征的影響

農(nóng)田蒸散是指土壤蒸發(fā)和植物蒸騰的總和，是土壤-植物-大氣連續(xù)體系中水分運(yùn)動(dòng)的重要過(guò)程，是農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要的水分和能量來(lái)源，是陸面生態(tài)系統(tǒng)與水文過(guò)程的重要紐帶，其強(qiáng)度大小與下墊面條件、植物等有密切的關(guān)系。蒸散特征見(jiàn)表5。

由表5可見(jiàn)，芹菜生育期內(nèi)，WS處理農(nóng)田蒸散655.3mm，較WG處理604.9mm高50.4mm，較WA處理669.7mm低14.4mm。從各生育期來(lái)看，所有處理芹菜在葉叢伸長(zhǎng)期農(nóng)田蒸散量最大，占整個(gè)生育期的比例分別為WS處理31.03%、WG處理27.02%、WA處理34.8%。在心葉肥大期農(nóng)田蒸散量最小，占整個(gè)生育期的比例分別為WS處理16.35%、WG處理17.09%、WA處理13.72%。主要原因是葉叢伸長(zhǎng)期歷時(shí)長(zhǎng)，達(dá)41d，心葉肥大期歷時(shí)短，僅20d。從生育期耗水強(qiáng)度看，WS處理全生育期平均耗水強(qiáng)度5.6mm/d，較WG處理5.17mm/d高0.4mm/d，較WA處理5.72mm/d低0.12mm/d。從各生育期耗水強(qiáng)度趨勢(shì)線看，各處理在不同生育均不相同，WS處理呈橫向“S”型，WG處理呈“V”型，WA處理呈倒“V”型。WS、WA處理在幼苗期耗水強(qiáng)度最大，達(dá)7.12mm/d，較WG處理耗水強(qiáng)度5.54mm/d高1.58mm/d。特別在發(fā)芽期，地面裸露無(wú)作物覆蓋，此時(shí)期田間耗水主要以棵間蒸發(fā)為主。為確保種子萌發(fā)所需濕度要求，同時(shí)為節(jié)約用水，在這個(gè)時(shí)段適當(dāng)采用地面水分蒸發(fā)控制方法。

表5 不同灌溉水質(zhì)芹菜生育階段農(nóng)田蒸散特征

3.5.3不同灌溉水質(zhì)對(duì)芹菜水分利用效率的影響

產(chǎn)量是蔬菜耗水(蒸騰蒸發(fā))和產(chǎn)量形成(光合作用)在蔬菜整個(gè)生育期積累的結(jié)果。蔬菜灌溉不僅對(duì)農(nóng)田蒸發(fā)有重要的影響，同時(shí)也對(duì)蔬菜產(chǎn)量起決定性的作用，因此必須把耗水與蔬菜產(chǎn)量結(jié)合起來(lái)，才能深層次地分析農(nóng)田灌溉對(duì)蔬菜水分利用的影響。

表6列出了不同灌溉水質(zhì)在全生育期內(nèi)的田間蒸散量、產(chǎn)量及水分利用效率。在同一耕作方式、灌溉制度相同的情況下，利用淺層地下水灌溉的WG處理芹菜產(chǎn)量達(dá)到9057.97kg/畝，較地表水灌溉的WS處理高1400.31kg/畝，較使用地表水與淺層地下水混灌的WA處理高181.71kg/畝。水分利用效率WG處理為22.48kg/m3，較使用地表水灌溉的WS處理17.52kg/m3高4.96kg/m3，較使用地表水與淺層地下水混灌的WA處理19.86kg/m3低2.34kg/m3。

表6 不同灌溉水質(zhì)的水分利用效率

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究不同灌溉水質(zhì)對(duì)土壤水分、農(nóng)田耗水特征的影響，探討不同灌溉水質(zhì)下的芹菜的水分利用效率，得到結(jié)論主要有：

(1)通過(guò)對(duì)影響芹菜單株產(chǎn)量的葉鮮重、莖鮮重進(jìn)行通徑分析，鮮莖重對(duì)芹菜產(chǎn)量的直接影響最大，鮮莖重量越大，平均單株產(chǎn)量越高；鮮葉重對(duì)產(chǎn)量有影響，但直接影響較小，其主要是通過(guò)提高莖的產(chǎn)量間接影響產(chǎn)量的，因此提高這2個(gè)因素都能使產(chǎn)量顯著增加。

(2)相對(duì)于當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)淺層地下水灌溉，采用引洮外調(diào)水灌溉后，不但更有利于芹菜根系的呼吸和生長(zhǎng)，有利于后期抗旱。而且能使土壤保持較好的理化性質(zhì)，顯著提高芹菜發(fā)芽期土壤表層平均地溫，有利于種子萌發(fā)，并有利于芹菜食用品質(zhì)的提高。