温室大棚内不同灌溉量条件下水分迁移特征研究

钞锦龙张冬晖刘玉鹏路亚敏张鹏飞雷添杰

(1.太原师范学院地理科学学院，山西 晋中 030619；2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081)

引言

农业是我国第一产业，是国民经济中的一个重要产业部门，以土地资源为生产对象，支撑国民经济的建设和发展。在影响农业生产的众多因素当中，合理种植、科学灌溉对农业生产有着至关重要的作用。

目前，农业生产中对土壤和水分的研究越来越多，正是因为土壤和水作为一个系统，不断地与外界进行能量交换。田间土壤含水率的施测和监测是农田用水管理化和区域水资源管理的一项基础工作，对于农田灌溉排水的合理实施、农作物的增产与节约用水、四水转化关系的分析和提高水资源的利用率等均有重要作用[1]。田间土壤存在很大的变异性，灌溉可以对土壤水分进行有针对性的调控[2]。但与此同时，不可忽视的一点是，当今资源短缺问题日益严重，尤其是水资源供需矛盾突出，如何使水资源最大化地被土壤及植物吸收利用便成为了需要关注的一大重点问题。综上分析，研究土壤中水分的迁移特征有利于对土壤中水分变化系统规律的发掘分析，以此来指导田间灌溉，为作物的生长提供更有利的条件；有利于节约资源，使水资源的利用效率发挥到最大化。

自20世纪80年代以来，土壤含水率的空间变异性就受到国内外学者的广泛关注。Seyfried等在研究中就提到过土壤含水量的空间变异性随尺度的增大而增大[3，4]。许多学者针对土壤中水分的变化结合养分迁移以及植物生长状况来进行综合分析，如丁运韬等[5]在研究中通过控制滴灌灌水下限来分析其对农田水盐分布和玉米生长的影响，得出河套灌区夹砂农田的最适膜下滴灌灌水下限。依照目前的相关试验来看，更多的倾向于自然条件下的综合研究，对小尺度水分单独空间变异的分析相对较少。因此，以此为切入点设计实验对土壤中水分的迁移方向、路径及特征进行研究。同时针对山西省所处的地理位置、气候条件和农业发展，温室大棚的应用近几年越来越广泛，因其具有很好的保温、增温效应，所以采用塑料大棚进行保护地栽培，不仅为作物提供了适宜的小环境，而且明显增加了昼夜温差，有利于蔬菜的干物质积累、提高产量和品质[6]。所以，选取山西晋中为研究样地，研究以期为区域设施农业的可持续发展提供指导。

1 研究目标及内容

本次实验研究以当地日光温室大棚中设置的实验样地为对象，安排不同的灌溉梯度，通过对各组样地土壤湿重、干重、蒸发率等数据的测量和整理，得到土壤中不同灌溉量及不同深度土壤含水率的折线图。以此数据为基础分析水分在土壤中的迁移方向(横向与纵向迁移情况)和迁移特征(不同深度的土壤中的含水率)，按照得出的规律来指导田间灌溉，节约用水，创造更有利于作物生长的条件。同时确定植物根系能够获得最有效水分的深度。

2 材料和方法

2.1 研究区概况

榆次区隶属山西省晋中市，处于太原盆地西北端，地形东部高西部低，海拔768～1814m，从东至西依次为中低山区、黄土丘陵区和平川区。土壤以褐土为主，研究区气候类型为典型的暖温带半湿润大陆性季风气候。实验在榆次区北胡村清泰园附近的日光温室大棚中进行，地理坐标为E112°46′12″，N37°40′48″，区域年均气温9.8℃，降水量418～483mm，年日照时数2662h，无霜期158d。该实验区降水有明显的旱、雨两季，该地适宜粮食作物生长。

图1 研究区地理位置

2.2 实验设计

在日光温室大棚中设置有A、B、C 3组样地，每组样地中又有3块1m×1m的样地，A、B、C 3组样地同样都是经过翻耕的，保证了土壤状况符合田间条件，同时将每块灌溉样地东边隔10cm、20cm的区域设置为灌溉样地的过渡区域，与A、B、C 3组对应的过渡区域分别为E、F、G 3组。以人工漫灌的方式对各组样地进行灌溉，在灌溉的过程中保持一定的梯度变化，具体为A组灌水20L·m-2，B组灌水40L·m-2，C组灌水60L·m-2。灌溉完成后经过24h和72h后分别进行取样。整个实验采用地理实验法，设置重复组和对照组，借助各种方法和技术，减少或消除各种可能影响科学的无关因素的干扰。

2.3 测量方法

实验设计好之后，采用随机取样法进行取样，每个灌溉样地随机选取2个点，每个点从表土开始每隔10cm取1个样品直至70cm处，每次取样时，1个点取8个样品，1块样地取16个样品，1组样地取48个样品。过渡区域也按同样的方法每隔10cm、20cm进行取样。24h和72h各取1次样本。将取好的土样先进行称重，之后带回实验室中置于105℃烘箱中烘8h烘干，对烘干后的土样再次进行称重处理。

实验之前要对土壤的初始条件进行分析，用土钻取未灌溉时的土壤样品。称重且用烘干法得到土壤的干重、湿重及土壤含水率等数据。土壤含水量采用烘干法测定，土壤体积质量采用环刀法测定。

2.4 数据处理

采集并测量各土壤样地中样品的背景值、灌溉后24h以及72h的干重、湿重等数据，计算出样本所测数据的算术平均值，进一步采用公式计算各样地不同时段的土壤含水率。其中，数据处理采用Excel来完成，作图采用Origin 2021软件并进行对比分析，得出相关结论。

3 结果与分析

3.1 背景值不同深度土层土壤含水率特征

本次实验中样地均对表层土壤经过翻耕，通过对大棚土样采样分析，由表1数据对样地的背景值分析可知，试验样地在未经灌溉之前土壤含水率约为6%～12%，在0～40cm深度的土层范围内土壤含水率随土壤深度增加呈先升高后降低的态势，在40～70cm深度的土层范围内土壤含水率持续升高，标准差和变异系数均大致呈现降低趋势，表明随深度的增大离散程度越来越小，即水分扩散越来越稳定。并且土壤含水率在土壤深度达到20～30cm时达到最大值，约为10%～11%。

表1 土壤含水率描述性统计

3.2 土壤含水率空间变异性

3.2.1 垂直方向含水率空间变异特征

为了直观观察试验地块不同深度层次土壤含水率的分布特征，应用Origin 2021软件对各组样地进行作图分析，每组样地求均值后不同深度土壤含水率情况如图2所示。

图2 不同深度土壤含水率

从图2对土壤含水率的变化进行纵向分析可以看出，与灌溉前的背景值相比，A、B、C 3组经过灌溉之后样地土壤含水率均较土壤样地背景值呈现增长趋势，以24h后为例，灌溉后，土壤含水率最大值A组达到22.42%，B组达到26.30%，C组达到29.96%，即表现为灌溉量越大，土壤含水率的最大值也会越大，且不同时间影响程度不同。这一表现与万爽等[7]在研究中的发现一致。

灌溉后随着深度的增加，各组样地大致呈现由表层向下土壤含水率逐步降低的趋势。同样，杨晓潇等[8]在实验研究中发现，随着土层深度的增加，土壤水分变异性递减，其主要原因是表层土壤易受降水及蒸发等因素影响，随土层深度的增加，土壤结构紧实，入渗能力下降，呈现较为稳定的状态。这一结论与本实验结果表现一致。

同时，从时间层面来看，分别观察A、B、C 3组样地24h和72h土壤含水率的变化来看，随着时间的推移，由于蒸发作用和水分下渗作用，72h后样地各深度土壤含水率普遍低于24h时各深度的含水率，得出的这一结果与大部分学者的研究结论是一致的。但B组表现却恰恰相反，72h后土壤含水量仍大于24h后的土壤含水量，这一点具体在后续讨论中分析。

24h后，A、B、C 3组样地的增幅分别达到2.8%～11.01%、2.62%～21.18%和2.79%～26.05%。72h后，A、B、C 3组样地的增幅分别为0.79%～12.87%、3.81%～24.87%和2.86%～23.35%。由此可见，随着灌溉量的增大，土壤含水率增长量幅度也不断扩大。同目前大量研究表明相似，土壤含水量、土水势随着深度的增加，变幅逐渐降低。持续降雨模式、灌溉模式和地下水位波动均影响着包气带土壤水分的运移，使得土壤水分的再分布状况不同[9]。在本次实验中各组样地灌溉后土壤含水率的增幅也有所不同。

以上分析证明，土壤剖面中各土层含水量与灌水量相关，并且水分在土壤中存在垂直方向上的迁移，同时，大量灌水会增加水分向土壤深层迁移。正如郭全忠等[10]和尹志荣等[11]研究认为，试验地农户常规灌水量经常过量，在常规灌水量的基础上再增加灌水量，对水资源是浪费，且不但增加水分向深层土壤的迁移从而降低水分利用率，甚至会降低养分从而降低作物的产量。由此可见，灌溉量不宜求多，因根据作物根系在土壤中的深度选择能被作物进行最大利用的灌溉量。

A、B、C 3组灌溉样地土壤含水率的最大值均出现在0～30cm的土壤深度中，以24h后土壤含水率为例，A、B、C 3组土壤含水率最大值分别可达到22.42%、26.3%以及29.96%，均出现在0～30cm土壤深度处，由此可见浅层土壤的保水性相对深层土壤来说较好。浅层土壤受气象条件和土壤质地本身的影响，土壤水分运动非常活跃，亏损量大的同时增量也很大，受气象要素和耕作方式的影响最为显著。正如贺军奇等[12]在研究中将土壤湿度的垂直变化分层，分别是0～30cm为活跃层，30～60cm为贮水层，60～100cm为缓变层，本次试验样地中所表现出来的特点与这一分类相似。

同时表现出来的还有在0～30cm各样地土壤含水率波动幅度较大，差异明显，在40～70cm各样地土壤含水率幅度变化差异不显著，保持一定的稳定性。即上层土壤含水率明显大于下层且波动幅度大，牛一锦[13]在其研究中也同样表明，降雨条件下各层土壤含水率变化幅度基本上呈现随深度增加而逐渐减小的特征，且随着土壤深度的增加滞后效应越明显。

在本次实验中主要是由于灌溉方式为人工漫灌，且进行实验是几天为阴雨天气，土壤蒸发速率相对较弱，0～30cm土壤的含水量得到有效的补充且蒸发力度不够，同时还因为表层土壤经过翻耕，土壤孔隙度增大，土壤孔隙连通性较好，便于水分迁移和活动。40～70cm的深层土壤未受到翻耕或翻耕作用相对较小，同时在用土钻取土的过程中发现内部含有大颗粒石块和杂物，使垂直方向的孔隙连通性较差，从而对水分的垂直迁移产生一定的影响。魏建涛等[14]研究发现，犁底层可以阻碍水分向下运移，减缓水分向下移动的速度。韦安培等[15]研究发现，深松耕作较传统耕作能提高土壤入渗性能，使土壤中含水量得到明显增加。正如本试验设计，证明深层土壤含水率变化幅度小与未经翻耕、存在犁底层和土壤孔隙连通性差有一定的关系。

3.2.2 水平方向含水率空间变异特征

过渡区域E、F、G 3组样本的土壤含水率在24h和72h内均相较背景值有所升高，以24h后各组过渡区域土壤含水量变化为例，10cm处过渡区域E组最大值为15.14%，G组最大值为17.46%；20cm处E组最大值为21.34%，G组最大值为26.02%，表现为随着灌溉量的增大，受其影响的过渡区域的土壤含水量也逐渐增大，这些都说明水平方向上存在水分的迁移。但随着时间推移，水势梯度逐渐减小，水分含量变化逐渐减小趋于稳定。所以不论是灌溉样地还是过渡区域，土壤含水量随时间变化总会慢慢趋向稳定，见图3。这与马芳等[16]在研究中发现的规律一致。

图3 不同灌溉量样地过渡区域土壤含水率

从时间层面看，各组过渡区域基本表现为72h后的土壤含水量大于24h后，且在20cm深度以下规律更加明显且表现稳定，随着深度的增加，土壤含水量会呈现微小的增加，基本呈现斜向迁移的趋势。即水平迁移和垂直迁移同时存在、同时进行，且水平迁移速率大于垂直。同样的，李建波等[17]研究发现，重力势对垂直方向上的水分迁移作用大于水平方向。同时，与灌溉样地表现的规律相似，过渡区域的水分波动变化情况也是在0～30cm较为显著，证明翻耕对作物生长的有利。

4 结论

以大棚中的实际样地进行试验相对实验室的条件来说更贴近农业生产，对土壤背景值数据的掌握和分析表现出样地的原始状况，易于与灌溉后样地进行对比，并且温室大棚具有很好的保温、增温效应，更有利于试验的下一步进行。

用软件Origin 2021作图对数据进行分析发现与背景值相比，经过灌溉的样地与过渡区域的土壤含水率均有所变化，说明土壤中同时存在水分的横向迁移和纵向迁移，且垂直方向上的迁移速度大于水平方向上的速度。

随着灌溉量的增大，土壤含水率也随之增大，且灌溉后随着深度的增加，各组样地大致呈现由表层向下土壤含水率逐步降低的趋势。同时，土壤含水率的增长变化幅度也逐渐变小。由此得出结论：相较于深层土壤，水分在浅层土壤中较为活跃。

试验样地的表层均经过翻耕，相对于未翻耕的深层土壤来说土壤含水率变动差异明显。李建波等[17]研究表明，在翻耕作用下水平方向的土壤含水率连续性较好。

5 讨论与不足

由于实验是在日光温室大棚中进行的，温室大棚具有一定的保温作用，但本次实验的结果对不同的土壤质地也可能存在不同的表现情况，应具体情况具体对待。同时，本次实验中存在一个较大的问题就是进行实验时间选择存在一定的问题，由于当时山西正处于连绵阴雨天气，大棚出现漏雨情况，导致每组样地设置的3组重复试验有一组数据不可用，所以上述结果建立在2组重复的基础上进行分析。

灌溉样地B组表现出72h后各土层土壤含水量仍大于24h后的含水量，与其他2组表现出来的结果恰恰相反。这一现象可推测为此时由于阴雨天气蒸发量不高的同时，40L的灌溉量未使土壤孔隙达到完全饱和状态以至于形成重力水进行下渗过程。至于具体下渗过程的研究还需要进行进一步探讨。水分迁移与营养元素的迁移结合度较高，实验设计可适当结合，结果会更有说服力。