控制排水对土壤水分状况影响研究

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(1.长江科学院 农业水利研究所，武汉 430010；2.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

1 研究背景

控制排水是一种新型的农田排水管理措施[1]，通过在排水出口处增设控制装置，可以减少排水量。Evans等[2]认为控制排水大幅度地减少了田块边缘氮素运输，主要原因是由于控制排水减少了排水量；俄亥俄州西北Branch试验站提供的该站1996，1997年试验结果[3]表明实行控制排水可以使地表径流和地下排水量减少20%～70%；Ingrid Wesstrom等[4]在瑞典东南部的田间试验表明，控制排水可以减少排水量且不同年份减少量不同。排水量的减少与控制水位不同有关，V. Lalonde等[5]在加拿大东部2 a的大田试验成果表明在沙壤土中实行控制排水，不同的排水水位排水减少量不同。由于排水量的减少，控制排水对土壤和排水中氮素含量也会产生一定影响；Madramootoo等[6]通过土柱试验研究了不同控制水位对土壤中硝氮含量的影响，结果表明，水位在地表以下0.6～0.8 m之间时，与自由排水相比，土壤硝氮含量减少；Kalita和Kanwar[7]对浅水位排水进行为期3 a的观测，结果表明地下水中硝氮浓度持续减少。控制排水也适用于干旱地区，J. E. Ayars等[8]认为干旱地区盐分虽然会在根区累积，但通过细致的水位管理可以调节累积量，实行控制排水将是促进干旱地区农业水管理的一个理智选择。

目前，控制排水措施已在美国、加拿大、瑞典、芬兰、荷兰、欧洲等国得到广泛研究和推广应用，在国内也有广泛的试验研究。罗纨、贾忠华、王南江等[9-16]在宁夏银南灌区开展了大量水稻大田控制排水对照试验，认为实施控制排水可以减少排水量、改善排水水质，同时也提出要进行长期的、更大范围的观测以逐步完善控制排水理论。殷国玺、张展羽等[17]在南方丘陵地区(江苏省句容市)进行地表控制排水小区试验，探讨最佳地表控制排水时间和措施，并提出了一系列简单实用的地表控制排水措施。本文作者[18]前期在湖北四湖进行控制排水对照试验，得出控制排水可以减少排水量和氮素流失量，且排水量随控制水位提高而减少的结论。

控制排水能减少排水量和氮磷流失量，但关于控制排水对作物整个生育期内田间土壤水分状况影响的研究还很少。本文对控制排水条件下棉花整个生育期内田间土壤水分状况进行了观测和研究分析，旨在为全面验证控制排水措施实施效果和进一步制定合理的控制排水管理措施提供依据。

2 材料与方法

2.1 试验站情况简介

试验在湖北四湖工程管理局排灌试验站进行。试验站位于四湖水系中区，E 112°31′，N 30°21′，海拔高程29.4 m，试验场地傍靠四湖总干渠。地势平坦，土壤肥沃，土质为中壤黏土，耕作层氮、磷、钾质量分数分别为2.5，1.5，15 mg/kg。多年平均气温16.5℃，降雨量1 122.0 mm，水面蒸发量为977.4 mm,日照时数为1 552.0 h，无霜期280 d左右，试验区常年地下水埋深在1 m左右，站址在湖北平原湖区具有一定的代表性。试验在2010年的大田内进行，作物为棉花。

大田试验田占地3 800 m2，分成5个田块进行试验，图1为田块平面布置图，其中暗管埋深1 m，排水间距8 m，不透水层深1.8 m。E田块东边为一条灌水渠，E田块作为缓冲带，旨在减少灌水渠对试验区地下水位的影响；D田块外侧为排水沟，混凝土衬砌护坡。相邻田块之间有深1.2 m、宽0.2 m的硬化水泥田埂加防渗膜以防止侧向渗流干扰。

图1 试验小区布置示意图

2.2 试验作物

试验用棉花品种为湘杂棉3号，生育期为175 d，其中苗期为5月30日至7月3日，蕾期为7月4日至7月20日，花铃期为7月21日至8月28日，吐絮期为8月29日至11月20日。

2.3 控制水位设计

表1为控制水位设计。

表1 控制水位设计

2.4 观测项目和方法

本研究目的为通过实验观测分析不同排水水位控制对土壤剖面含水率的影响。试验主要测定2004年棉花全生育期内田间土壤剖面含水率和地下水位。选定6个深度的土层进行含水率测定，分别是：表层、地面以下20，40，60，80，100 cm。含水率采用烘干法测定。从棉花移栽后开始，一般5 d取样测1次，降雨后加大取样频率用于分析次降雨后土壤含水率。地下水位采用浮标尺观测，非降雨期间5 d测1次，降雨后加大观测频率，降雨资料来自站内的气象站。

采用变异系数反映观测时段内含水率变异程度，变异系数为观测值标准差与平均值的比值。

图2 棉花生育期内不同土层土壤含水率变化

3 结果与分析

3.1 土壤含水率

图2为大田全生育期内不同土层实测土壤含水率变化图。从图中可以看出，控制排水的处理措施A、B、C田块各层的土壤含水率都显著高于自由排水处理的D田块，控制排水在整个生育期内都能起到保持土壤水分的作用，但控制水位与土壤含水率之间并无明显相关关系。各处理含水率变化过程基本一致，与降雨密切相关；20，40，60，80，100 cm土层土壤含水率变化波动较表层小；20，60，80，100 cm土层自由排水处理含水率明显较控制排水处理低。自由排水处理整个生育期内含水率一般较控制排水处理低；控制排水各处理含水率在9月后差别较大。

表2为试验期内土壤含水率均值和变异系数。从表可知，60 cm及以下土层含水率较60 cm以上土层高；自由排水处理同层土含水率均值最低。各处理表层含水率变异系数最大，自由排水处理表层以下土壤含水率变异较控制排水处理大。

表2 土壤含水率平均值和变异系数

图3 典型降雨前后含水率分析

由于试验期间没有灌溉，含水率与降雨密切相关。表层土壤含水率由于蒸发强烈，因此一般在降雨前迅速增加，而雨后迅速降低，变异系数很大，这与图3反映情况一致。控制排水处理20 cm土层及以下土层含水率变异系数较小，只在0.1左右，说明控制排水处理能在降雨后减小土壤含水率的波动，从而避免了土壤过干或过湿，有利于作物吸收利用。自由排水处理除了表层含水率波动较大外，20 cm土层及以下土层含水率波动都在0.2～0.3之间，较控制排水处理大得多，且同层土均值一般都最低，不利于作物吸收的同时也容易发生干旱或渍害。

3.2 典型降雨前后土壤含水率对比分析

为了分析控制排水措施在降雨前后对田间水分的影响情况，选取与降雨相距最近的几次土壤含水率观测值进行分析，分别为6月26日(6月24—26日共降雨24.4 mm)、7月6日(7月4—5日共降雨22.5 mm)、7月16日(7月8—13日共降雨219.8 mm)、7月27日(7月25日降雨39.3 mm)、8月15日(8月14—15日共降雨26.3 mm)及10月15日(10月10—13日共降雨92.3 mm)。图3为各处理不同土层土壤含水率观测值。各个取样日所观测到的土壤含水率随土层深度变化规律都是表层土壤含水率较高，20 cm和40 cm土层减小，60 cm和80 cm土层增大，100 cm土层又有减小趋势；这与降雨后水分在田间入渗较慢有关。同一土层深度下，土壤含水率与控制水位间并没有表现出明显的相关性；其原因为：由于控制排水各处理间控制水位相差仅为20～30 cm，差异不明显。

从图3可以看出，在降雨后控制排水能较好地保留田间水分，而由于各处理之间的土壤存在水力联系，控制水位与土壤含水率间关系不明显。

4 结 论

通过对土壤含水率实测数据分析和对比，本文得出以下几点结论：①控制排水措施能明显改变土壤含水率；②各处理表层含水率变异系数最大，自由排水处理表层以下土壤含水率变异较控制排水处理大；③控制排水措施在降雨后能较好地保留田间水分，减少降雨后土壤含水率的波动，使土壤不致于过干或过湿，但控制水位与土壤含水率间相关关系不明确。

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