地下水埋深对作物产量与水分利用效率的影响及作物系数变化

武朝宝

(山西省汾河灌溉管理局中心试验站，山西 文水032107)

作物生长状况和产量是光、水、土、肥、气、热诸因素的协调及农业措施综合的结果。地下水埋深不同，不仅影响作物对地下水的利用，而且还影响土壤中肥、气、热、盐的分布和运动，影响作物生长的根际微环境，对作物产量和水分利用效率造成影响。汾河灌区地下水埋深较浅，研究地下水对作物产量和水分利用效率的影响对当地农业生产和水资源管理有很好的实际意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于山西省中部太原盆地(111°55'～112°37'E，37°7'～37°53'N)，为温带大陆性半干旱气候类型，海拔高程749 m，土壤母质为汾河冲洪积物，土壤类型为潮土。试验区年太阳辐射为54.5～56.5 J/m2，最高气温39.4℃，最低气温 －25.5℃ ，年平均气温 10.4℃ ，最大冻土深0.95 m，全灌区平均无霜期为 171 d。多年平均降水量453.1 mm，多年平均蒸发量为1 031.9 mm。常年地下水埋深在0.5～5.0 m间变化，地下水矿化度 896 mg/L，pH值8.3。

1.2 试验设计与方法

试验于1992～1996年在汾河灌溉管理局中心试验站测坑试验区进行。测坑为有底的全封闭坑，土体表面尺寸为2 m×2 m，其深度随不同的地下水埋深而不同，地下水埋深分别控制为 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 和 3.0 m 共 6 个处理，每个处理重复3次。测坑地下水水位采用采用自制的Mariotte瓶装置严格控制。

测坑回填土壤为当地的原状土壤，土壤结构:0～30 cm为耕作土壤，容重为1.32 g/c m3，30～77 cm为黏土层，容重为1.39 g/cm3，77 ～150 cm 为细沙土，容重为1.46 g/cm3。0～100 cm土壤质地为沙壤土，土壤平均容重1.36 g/cm3，田间持水量26.9%。土壤含盐量平均0.3%，有机质平均1.38% ，速效磷 20.6 mg/kg 。

冬小麦每年10月播种，翌年6月收获。冬小麦的生育期划分为5个阶段，分别为苗期、返青期、拔节期、孕穗期和成熟期。春玉米种植为每年的4月，当年的9月份收获。春玉米的生育期划分为4个阶段，即苗期、拔节期、抽雄期和成熟期。生育期内根据土壤水分状况灌水，采用传统畦灌方法，灌水量用水表计量。为了研究作物在不同地下水埋深条件下的土壤水分动态，在每一个测坑安装有中子管，用中子仪测定试验期间测坑剖面的土壤含水量。

1.3 观测项目及方法

(1)地下水利用量和测坑底部排水量。采用Mariotte补水装置进行观测，每天观测2次。

(2)土壤含水量0～20 cm采用取土烘干法测定，20 cm土层以下采用中子水分仪(L520－D型智能，江苏农科院原子能所)测定每20 cm土层测定一个数据，每10 d测定1次，测定深度到地下水位处，灌水或降水前后加测。

(3)气象资料。试验区内设有常规的气象观测场，主要项目有:降水、蒸发、风速、风向、日照、气温、地温、湿度、气压等，具体的观测方法及要求按国家陆地气象观测规范进行。

(4)作物需水量。采用水量平衡方程计算:

ET=⊿W+P+I+SG－DP

式中:ET为作物生育期内某时段的需水量，mm;⊿W为时段内土壤储水量变化量，mm;P为时段内有效降雨量，mm;I为时段内灌水量，mm;SG为时段内地下水利用量，mm;DP为时段内深层渗漏量，mm。

2 结果与分析

2.1 不同地下水埋深对作物生长和产量构成的影响

2.1.1 对冬小麦生长与产量构成的影响

不同地下水埋深条件下冬小麦出苗、分蘖、穗数、干物质、千粒重等状况的观测结果(以1996年为例)如表1所示。

表1 1996年不同地下水埋深条件下冬小麦生长和产量构成状况

从试验结果可以看出:地下水位严重影响冬小麦的生长和产量构成状况，地下水埋深较浅时，如0.5 m和1.0 m时，出苗、分蘖、亩穗数、干物质都低于地下水埋深大于或等于1.5 m的处理，其中干物质降低1倍多，只有千粒重不受埋深的影响。产生这种结果的原因是，地下水埋深过浅，冬小麦根区长期保持较高的土壤含水率，通气性差，恶化了根际微环境;另一方面，由于冬小麦生育期内的降雨量少，土壤水分运动呈蒸发型，地下水中的盐分不断被带到近地表，产生次生盐碱化，也影响了冬小麦的出苗和分蘖。

2.1.2 对玉米生长和产量构成的影响

表2 1992～1993年不同地下水埋深的玉米生长与产量构成状况

玉米的出苗、株高、穗高、单穗粒重及千粒重等状况如表2所示。由于玉米需水量较大，且生育期内气温较高，蒸发较强，土壤水分运动强烈，维持了根区水、气、热的协调，根系活动层中较高的土壤含水量对玉米生长和产量构成状况影响不大。如在1992年的首次试验中，玉米出苗在所有地下水埋深的处理中一样，在埋深0.5和1.0 m的处理中，由于地下水上升到根系活动层，根区一直保持较高的土壤水分，玉米生长表现出株高较高、单株穗重增大的特点。但在以后的试验中，并没有得到与1992年相同的结果。主要是由于试验区灌溉水和地下水含盐量较高，地下水埋深较浅时容易引起土壤的次生盐碱化，盐害成为玉米生长受抑制的主要原因。1992年为试验小区的首次运行，盐害并不严重，但随着时间的延长，地下水埋深较浅的处理地表盐分的积累不断增加，对玉米生长的影响越来越严重。从1993年试验结果可以看出，出苗和株高已开始受到地下水埋深的影响，与地下水埋深较深(大于1 m)玉米相比，0.5 m埋深的出苗率、株高降低，单株穗重和千粒重也有一定幅度的减少。随后的几年试验中，由于降雨的一定淋洗作用和采取措施处理，玉米生长呈现一定的波动，但都表现出地下水埋深浅(小于1 m)时的玉米生长受到抑制。

在相同地区，玉米和冬小麦生长状况对地下水埋深反应差异产生的原因在于，该地区为1年1熟，种植玉米和冬小麦的试验区总有一定时间为裸地状态，玉米收获以后，降雨量稀少，土壤水分运动为蒸发型，在裸露期间，地下水蒸发使地表盐分不断积累，因此玉米种植时就开始受到盐害;而冬小麦刚好相反，冬小麦收获以后，该地区进入雨季，土壤水分运动呈入渗型，带走了积累在地表的盐分，降低了冬小麦种植以后地下水埋深对出苗和生长的影响。

2.2 不同地下水埋深对作物水分生产效率的影响

2.2.1 冬小麦水分生产效率

地下水埋深对冬小麦生长的影响，多年的试验结果相对比较稳定，埋深在一定范围内(小于1.5 m)，产量和水分生产率随埋深增加而增加，当地下水埋深为0.5 m时，多年平均产量仅为 1 437 kg/hm－2，水分生产效率也仅为 0.24 kg/mm;当地下水埋深大于或等于1.5 m时，产量和水分生产效率大幅度提高(见表3)。总的变化趋势是随着地下水埋深的增加，产量增加，水分生产效率也持续增加。由此，从增产和提高水分利用效率的角度出发，冬小麦生育期内的地下水适宜埋深应控制在1.5 m以下。

表3 不同地下水埋深条件下的冬小麦产量及水分生产效率

2.2.2 玉米水分生产效率

由于在玉米试验过程中，采取了补苗、冲洗压盐，加之生育期降雨量大，玉米产量和水分生产效率多年试验结果存在很大差异，见表4。从总体水平看，0.5 m埋深处理的玉米产量最高，与长期充分供水有关，但水分生产效率最低，仅为0.98，是所有处理中最高水分生产效率的70%;1 m埋深处理的产量最低，主要是因为降雨和灌溉入渗深度未能到达地下水，使表层的盐分积累在根系活动层所致，水分生产效率也比较低。地下水埋深为1.5 m时，虽然产量略低于最高产量，平均产量仅为7 221.0 kg/hm－2，但水分生产效率达到了最高。因此，为了达到节水高产高效目的，从提高作物产量和水分生产效率的双重目标出发，玉米生育期内的适宜地下水埋深应控制在1.0 m以下。

表4 不同地下水埋深条件下的玉米产量及水分生产效率

2.3 不同地下水埋深条件下作物系数的变化

充分供水条件下，作物蒸发蒸腾量的计算采用间接法，即通过计算参考作物蒸发蒸腾量，乘以作物不同生育阶段的作物系数获得。

2.3.1 参考作物蒸发蒸腾量的计算

Penman公式是国内外应用最普遍的综合法公式。本文采用Penman公式计算参考作物蒸发蒸腾量，其形式为:

式中:P0和P分别为海平面标准大气压和计算地点的实际气压(hPa);Rn为太阳净辐射，(w/m2);Δ为饱和水汽压－温度曲线上的斜率(hPa℃－1);γ为湿度计常数(hPa℃－1);ea为空气实际水汽压(hPa);es为饱和水汽压(hPa);u2为2 m高处风速(m/s);C为风速修正系数。

由我国气象站常规高度的风速测定值换算成2 m高处的风速值时需乘以0.75的系数。为了考虑干热空气平流作用和温度层结对风速的影响，需要对风速进行修正，其修正系数值C 如表5所示。

表5 Penman公式中的风速修正系数

2.3.2 作物系数的确定

作物系数Kc是作物本身生物学特性的反映，它与作物种类、品种、生育期、作物群体叶面积指数等因素有关，Kc=ET/ET0，式中符号意义同前。分析结果表明，在地下水埋深较浅条件下，作物系数与地下水埋深有密切的关系，可用下式表示，

式中，H 为地下水埋深，m;a0，b0，a，b，c 为经验系数。

根据试验资料分析，得出的经验系数 a0，b0，a，b，c如表6所示。作物系数变化过程及作物系数与地下水埋深的关系见图1。

表6 作物系数与地下水埋深的关系

图1 冬小麦和玉米生育期作物系数(Kc)的变化过程

由图1可看出，作物系数在整个生育期的变化过程，也有两个峰值，出现的时间基本上也是对应冬小麦和玉米的扬花灌浆期;冬小麦和玉米的最大作物系数值大致相同，都可以达到1.6;随着地下水埋深的变化，作物系数变化较大，仍以需水高峰期的作物系数变化为例，冬小麦作物系数变化于1.1 ～1.6之间，玉米变化于 1.0 ～1.6 之间，其变化幅度可达到0.5～0.6;最大作物系数值，不是出现在最小地下水埋深0.5 m处，也不是出现在地下水埋深3.0 m处，而是出现在1.2 m深度处，主要原因可能是，太浅的地下水位，使得土壤水分长期处于高水分状态，抑制了作物根系生长和吸水，导致作物产量减低的同时，腾发量也不同程度的减小。地下水埋深较大时，毛管水难于上升到作物根系层，常使作物受旱，减小了作物的蒸发蒸腾量，也会使的作物系数减小。

3 结语

(1)地下水埋深对冬小麦生长、产量及水分生产效率的影响规律是:毛管上升水使埋深较浅的作物根系微环境恶化，同时也有盐害作用，但盐害不是主要影响因素;小麦生育期地下水埋深小于1.5 m时，小麦产量和水分利用效率受到地下水埋深的严重影响，其值随埋深减小而减小，小麦生育期的地下水位应控制在1.5 m以下。

(2)地下水埋深对春玉米生长、产量及水分生产效率的影响规律是:影响玉米生长、产量及水分生产效率的主要因素是盐分的运动和累积，1 m埋深的玉米受盐害最重，产量最低;玉米生育期地下水埋深在0.5 m和1.0 m时能获得较高的产量，但作物水分利用效率明显小于埋深大于1.0 m的，从提高作物产量和水分利用效率的双重目标出发，玉米生育期的地下水位应控制在1.0 m以下。

(3)无论冬小麦还是玉米，其作物系数都随地下水埋深的变化而变化，其变化幅度可达到0.5～0.6。作物系数最大值既不在最大埋深处，也不在最小埋深处，而是处于1.2 m埋深处。

［1］郭元裕.农田水利学(第三版)［M］.北京:中国水利水电出版社，1997.

［2］陈玉民，郭国双等.中国主要农作物需水量与灌溉［M］.北京:水利电力出版社，1995.

［3］张书函，康绍忠等.农田潜水蒸发变化规律的研究［J］.西北水资源与水工程，1994，6(1):12 －15.

［4］康绍忠，蔡焕杰.农业水管理学［M］.北京:水利电力出版社，1996.