干旱灌区土壤水分效应评析

HansJournalofSoilScience土壤科学,2019,7(1),44-58PublishedOnlineJanuary2019inHans.://doi.org/10.12677/hjss.2019.71006文章引用:周和平,王蓓,潘渝,高艳新,翟超.干旱灌区土壤水分效应评析[J].土壤科学,2019,7(1):44-58.DOI:10.12677/hjss.2019.71006EvaluationofSoilWaterEffectinAridIrrigatedAreaHepingZhou1*,BeiWang2,YuPan2,YanxinGao3,ChaoZhai11XinjiangUygurAutonomousRegionWaterConservancyManagementGeneralStation,UrumqiXinjiang2XinjiangWaterConservancyandHydropowerResearchInstitute,UrumqiXinjiang3XinjiangSantunRiverBasinManagementOffice,ChangjiXinjiangReceived:Dec.13th,2018;accepted:Jan.1st,2019;published:Jan.8th,2019AbstractInordertoexploretheeffectofdripirrigationandconventionalirrigationonfarmlandwatercontentinaridregionsofXinjiang,basedontwo-yearpositioningobservationof705,950soilwa-tercontentinformationintypicalirrigationareas,irrigationtheoryandmathematicalstatisticswereusedtotestandevaluatetheresults:1)InSantunRiverofNorthernXinjiang,GaochangofTurpaninEastXinjiangandYutianIrrigationAreaofSouthernXinjiang,thegrowthanddeclineoffarmlandsoilwatercontentwereappropriatetocropwaterrequirement.2)Theprobabilityofsoilmoisturemorethan50%andmorethan60%is0.85.Thedryandwetstateofsoilisbeneficialtocropgrowth.3)Theprobabilityofsoilwaterstorageandeffectivewaterstoragewhichaccountsformorethan60%offieldwatercapacityismorethan0.80.Itshowsthattherearefewertillagelayers,morebelow50-60cmsoillayers,lesseffectivewaterindripirrigationtillagelayersthanconventionalfurrowirrigation,andmoredripirrigationandconventionalirrigationinlowerlay-ers,whichisbeneficialfortherootsystemtoabsorbdeepwater.4)ThefieldwaterusequotaofdripirrigationformediumandheavyloamsoilinNorthernXinjiangis42mm,andthatforborderirrigationis57mm,whichis26%lessthanthatforborderirrigation;thefieldwaterusequotaforstickyandsandyloamgrapefurrowirrigationinGaochangIrrigationAreaofTurpan,EastXin-jiangis45mm,anddripirrigationforsandyloamsoilis22mm,whichis51%lessthanfurrowir-rigation;thefieldwaterusequotaforwalnutinterplantingwithwheatborderirrigationforlightsandysoilinSouthernXinjiangis51%.Fieldwaterusequotais38mm.Afterirrigation,80%ofthewaterisin40-60cmsoillayer,dripirrigationis50cmorless,andconventionalirrigationis70cmorless.Therunningstateofirrigationwaterinfarmlandprovidesabasisforwater-savingirrigationwatermanagement.KeywordsAridIrrigatedArea,WaterContentMonitoring,IrrigationWaterEffect,AnalysisandEvaluation*通讯作者。周和平等DOI:10.12677/hjss.2019.7100645土壤科学干旱灌区土壤水分效应评析周和平1*，王蓓2，潘渝2，高艳新3，翟超11新疆维吾尔自治区水利管理总站，新疆乌鲁木齐2新疆水利水电科学研究院，新疆乌鲁木齐3新疆三屯河流域管理处，新疆昌吉收稿日期：2018年12月13日；录用日期：2019年1月1日；发布日期：2019年1月8日摘要为探究干旱区新疆滴灌、常规灌模式农田水分效应问题，基于典型灌区两年定位观测705,950土壤含水率信息，采用灌溉理论及数理统计检验评析表明：1)北疆三屯河、东疆吐鲁番高昌和南疆于田灌区，农田土壤含水率消长适宜作物需水要求。2)作物生长期土壤湿度50%以上且≥60%概率为0.85，土壤干湿状态利于作物生长。3)土壤贮水量、占田间持水量60%以上有效水存量概率≥0.80，呈现耕层少，50~60cm土层以下增多，滴灌耕层有效水分比常规沟畦灌少，下层滴灌和常规灌溉保持较多，利于作物根系汲取深层水分。4)北疆灌区中、重壤土质滴灌田间用水定额42mm，畦灌57mm，滴灌比畦灌减少26%；东疆吐鲁番高昌灌区粘性及沙壤葡萄沟灌，田间用水定额45mm，滴灌沙壤土22mm，滴灌比沟灌减少51%；南疆于田灌区核桃套种小麦畦灌轻沙壤，田间用水定额38mm。灌水后水量80%在40~60cm土层，滴灌50cm及以下，常规灌70cm及以下。农田灌溉水分运行状态，为节水灌溉用水管理提供了依据。关键词干旱灌区，含水率监测，灌溉水分效应，分析评估Copyright©2019byauthor(s)andHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).引言土壤水分有效性是作物生长基本水分环境条件，常规沟、畦灌，微灌(微喷、滴、渗灌)土壤水分运动遵循达西定律，符合三维土壤水分运动方程[1]。滴灌土壤水分运动数值模拟表明[2][3][4]：土壤含水量随时间增大最终趋于稳定，水分运移有明显滞后效应；竖直方向0~30cm土壤水分变化明显，40cm以下变化小且水分稳定；滴灌水分一般不产生深层渗漏，但存在地下水沿土壤毛管上升进入非饱和带。不同灌溉方式土壤水分湿润面分析表明[5][6][7][8][9]：微灌土壤含水率随湿润体半径增大而减小，滴头区域含水率大；点源滴灌土壤水分运动遵循点源入渗、湿润锋交汇和最后形成湿润带规律，灌水结束后，砂壤土灌水入渗量和深度相对壤土、黏壤土要大。微灌土壤水分运行试验表明[10][11][12]：渗灌24h后，水分至地表下70cm处，湿润体水平方向运移不明显，湿润锋运移为时间平方根线性函数，地表滴灌有类似[13]表现，渗灌毛管附近土壤含水率变幅大，灌水前田间毛管附近(20~40cm)处土壤水分均匀度OpenAccess周和平等DOI:10.12677/hjss.2019.7100646土壤科学较低，灌水后均匀度提高；地表滴灌试验表明[14][15]：随滴灌量增大水分呈半椭球体分布，湿润体大小受滴灌量和土壤质地影响，新疆棉田轻壤土多点源滴灌土壤水分运移试验，滴水4h左右地表饱和区半径最大为20~25cm，土壤径向和垂向湿润锋与灌水量关系可用幂函数描述。土壤水分有效利用，是作物生产效率技术指标之一。渭北黄土高原苹果园不同灌溉方式试验[16]结果：耕作层土壤含水率由高到低为膜下滴灌膜下沟溉≈滴灌沟灌，膜下滴灌土壤储水量、产量和水分利用效率大于滴灌；膜下滴灌棉田试验表明[17]，不同环境和土质条件下，大定额滴灌同样存在浪费用水和无显著增产情况，不同覆盖物对作物水分利用效率试验表明[18][19][20]，塑料和秸秆覆盖土壤水分含量高，裸地土壤储量低，覆膜减少土壤水分消耗水分利用效率效果好。土壤水资源是土壤水分不断补给与消耗的作物生长动态水量[21]，有限灌水量可刺激作物根系生长吸取深层水分[22]，土壤水存储、补给、更新、平衡，节水灌溉、土壤水有效利用、田间水生态环境，对微灌节水及土壤深层水资源转化利用有重要意义。农田分层土壤水资源，常规灌溉试验表明[23][24]，晋西黄土残塬沟壑区刺槐林，0~20cm土壤水分利用少、0~50cm土壤水分季节变化较大，20~100cm为土壤水分调节层；喷灌试验表明[25][26]，喷灌麦田不同水分处理，10~20cm土层受降雨、蒸散和根系等因素影响大，作物根系相对集中于表层，有上移现象，根长密度最大在20cm深度，土壤水分利用主要耕作层。滴灌西瓜、棉花试验表明[27][28]，土壤水分垂直方向分层明显，灌后土壤水分集中0~40cm土层，0~20cm土壤水分活跃，20~60cm土壤水分次之，60cm以下土壤水分稳定。渗灌试验表明[29]，新疆博乐垦区棉田土壤水分变化深度20~60cm，根系分布10~80cm范围，主要集中15~50cm。渗灌土壤水分运移，先等速移动呈圆形扩散，其次不等速呈卵形移动，下移速度快上行运移小。渗灌比地表滴灌土壤水分蒸发量减少35%，水分利用率高[30]。金世杰等[31]研究认为，土壤水分再分布可有效调节根系层土壤水分状况、丰富群落结构，提升作物对深层土壤水肥响应。综上看出，灌溉农田水分效应多以单一技术指标分析，本文基于典型灌区定位监测土壤含水率数据，着眼干旱区不同作物灌溉方式土壤水分效应，进行土壤含水率与土壤湿度、土壤贮水量、土壤有效水分、灌水定额等综合评析，为节水灌溉用水管理提供依据。2.材料与方法2.1.测区概况土壤水分监测选择北疆、东疆、南疆三处典型灌区。北疆三屯河灌区地处天山北坡带头屯河流域南缘，87˚18'E、44˚01'N，新疆膜下滴灌主要灌区。海拔600~700m，年均降水181.7mm、蒸发1739.1mm、日照7.8h，气温13.1℃，属典型内陆干旱气候。分布棕漠土，土壤质地多以轻、中壤，耕作层土壤容重1.50~1.60g/cm3，田间持水量20.1%~23.4%。地下水埋深4m以下，耕层土壤全盐0.12%无盐渍化，pH值8呈碱性。土壤水分监测6处：灌溉中心试验站(昌吉市滨湖镇13户村)，地下廊道自动监