全 文 ：河北农业大学学报
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19 9 4
月刊增l 第 1 7卷
19 9 4年
坝上半干旱高寒区土壤水分运行规律
与农田筱麦耗水特征
王殿武 文宏达
(河北农业大学 , 保定 0 7 100 1 )
摘要 于 19 92 ~ l , 94 年在坝上半干旱高寒区主要地貌单元坡梁地和旱滩地上研究了栗钙土周年土
壤水分运行规律和雨养农田筱麦耗水特征 . 结果表明 : 土壤水分时空变化可以分为冬季水分冻结
聚墒期 (从 1 月初至翌年 2月底 ) 、 春季返浆强烈蒸发失墒期 (3 月初至 5月底 ) 、 夏季雨水不淋
水分恢复期 ( 6月初至 8 月底 ) 、 秋季水分缓慢蒸发期 ( 9月初至 10 月底 ) 4 个时期和活跃层 (0
~ 4 (k口土层 ) 、 次活跃层 (40 ~ 8c0 m 土层 ) , 相对稳定层 ( 80c m 以下土层 ) 3 个层位 , 且存在 2
个水分高峰期即冬季水分冻结聚墒期和夏季雨水下淋水分恢复期 , 降水高峰期与土壤水分离峰期
不相吻合 . 其中冬季水分冻结期包括不稳定冻结阶段 ( l卜25 一 1 刁 6) 和稳定冻结阶段 ( 1 刁 7
一翌年 03 刁2) , ·冻后聚墒 , 明显 , 聚墒区呈类似 `倒三角形 ’ ; 春季返浆强烈蒸发失墒期包括不稳
定融化阶段 (坡梁地 03 刁 2 ~ 03 一 14 , 旱滩地 03 刁 2 ~ 0-4 08 ) 和稳定融化阶段 (坡梁地 03 一 14 ~
03 一28 旱滩地 04 刁 8一 04 一 30) , 冻融深度曲线呈倾斜的 ` 凹形 ’ . 筱麦阶段耗水量分析表明 : 拨节
一抽穗一开花一灌浆 ( 5 1d) 耗水量占全生育期 ( 122 d) 耗水量的 65 % 一 68 % , 是作物关键需水
期 。
关键词 半干旱高寒区 ; 土壤水分运行规律 ; 旱地 ; 筱麦 ; 耗水特征
坝上地区农业水资源仅为 0 . 64 亿 m 3 , 旱地面积占总耕地面积的 98 . 5 % , 天然降水是作
物需水的主要给源 , 因此该区立足于旱地农业 , 走旱地雨养农业的道路已成定局 . 由坝上地
区年平均降水量 2 50 一 4 50 m m 之间 ( .C V 二 1.6 85) , 水肥俱缺 , 旱薄相随 , 在牛物生长季降
水不足 , 田间水分难以满足其蒸散要求 , 大气降水 、 作物需水和土壤水分变化规封难 以相吻
合 , 致使整个生长季或主要生育时期内经常受到水分胁迫 , 造成产量低而不稳 . 因此探明该
区周年土壤水分运行规律和主栽作物筱麦的耗水特征 , 对寻求充分利用降水资源 、 发挥该区
`土壤水库 ’ 的蓄调作用和提高水分利用率的有效途径将是该区农业生产上的关键问题 .
材料和方法
试验是在坝上地区具代表性的坡梁地和旱滩地两种地貌单元上进行 . 供试土壤类型为坡
梁地栗钙土和旱滩地草甸栗钙土 , 占总土地面积的 50 % 以上 , 长期从事于旱农雨养农业生
产 . 供试土壤的理化性质如表 1所示 . 坡梁地土壤肥力较低 , 贫磷少氮 , 质地沙性粗骨夹
1 9 9 4阅 9一 2 5 收稿
河北农业大学学报 第 17 卷
有砾石 , 土壤紧实僵硬 , l m 土体有效水贮量仅为 1 1 3 . 4 6m m . 早滩地土壤肥力较高 , 但仍
缺磷少氮 , 冷凉易板结 , l m 土体有效水贮量为 2 36 . 8 m m . 供试作物坡梁地为筱麦 “ 品 6 ’ ,
早滩地为筱麦 “ 品 14 ’ , 均为该区当家品种 , 按照当地传统的方法种植 , 5 月中旬播种 , 播量
巧 o k g / h扩 , 行距 25 cm , 9 月中旬收获 , 播种时以 37 . 5gk / h m Z尿素和 7 5 k g / hm Z二按做
种肥 , 生育期 123 士 3 d , 生育期内除草 2一 3 次 .
表 1 供试耕层土壤的理化性质
有机质 全氮 全磷 碱解磷 速效磷 C a C O ,
(g / k g ) (g / k g ) 住 / k g ) (m g / k g ) (m g / k g ) ( g / k g )
p H <货严 盔 (g咒。壤型土类
坡梁地
栗钙土
滩地草
甸栗钙土
1 1
.
7 0
.
8 9
3 0
.
7 1
.
7 1
0
.
17 8
0
.
4 5 5
72
.
5 2
.
5 0 7
.
4 2 1 4
.
9 4 砂壤
1 16
.
3 9
.
8 4 3
.
6 7
.
70 3 7
.
3 8 中壤
土壤水分采用国内外先进的简便 、 快速适于大批样本测定的中子仪法与重量法相结合 ,
田间长期心位定时监测 , 每 1d0 隔 2 c0 m 土层测定一次 , 测深 1 . Om . 表层土壤水分测定时
由于中子向大气溢出影响测水精度 , 故采用 40 x 25 x sc m 3 体积的聚乙烯板防护 , 并单作一
条标定曲线 (表 2) . 从 1 992 年 10 月开始定位定时观察土壤冻融过程 , 冻层加深后 , 每隔
10 d 用土钻打孔观察其冻层深度 , 同时每隔 2 c0 m 土层采用中子仪法监测其水分运动 . 为防
止土壤水分空 间变异造成 的水分侧定误差 , 试验中保持 中子管相关域大于 26 m (坡梁地 )
和大于 l4 m (旱滩地 ) , 保证了监测样本在统计学上的独立性 .
表 2 L N W一 50 C 智能型中子水分计标定方程
土壤类型 土层深度( e m ) 质地 标定方程 相关系数
0 e 2 0 砂壤 r 二 0 . 9 194
坡梁地
栗钙土 2 0 e 80
Q v = 103
.
35 10 R n一 18 . 6 6 50
Q v = 113
.
3 19 8 R n 一 2 4 . 0 8 33 r = 0 . 9 32 6
80一 100
砂土 (含砾 )
砂土 (粗 ) Q v , 4 9 . 2 6 78 R n一 3 . 6 30 5 r = 0 . 9 60 0
早滩地
草甸栗
钙 土
0 ~ 2 0 中壤
2 0一 80 中壤
80~ 100 中壤
Q v = 4 0
.
500 8 R n一 4 . 4 84 0 r二 0 . 9 193
Q
v = 10 4
.
169 0 R n 一 2 3 . 184 7 T = 0 . 9 18 6
Q v = 5 6
.
94 17 R n一 1 1 . 3 3 67 r = 0 . 83 7 0
注 : Q v— 土壤容积含水量 , R n— 中子计数比率 ,
对于种植作物的土壤 , 筱麦实际耗水量的数值求解方法如下 :
a s / 。 t = , q / 。 z 一 s ( Z , z ) ( 1)
此式为水分质量守恒方程式 , 式中 8 为土壤容积含水量 , t 为时间 , Z 为以地面为参考
面向下为正的垂直坐标 , q 为水流通量 , S 为单位容积土壤 中根的吸水速率 . 假定植物本身
水分的增加和释放可予忽略 , 它便等于作物蒸腾速率 T .
增 刊 王殿武等 :坝上半干旱高寒区土壤水分运行规律与农 田筱麦耗水特征
S( Z
,
z )口Z 二 T (2 )
自地面至根界连层 ( z R ) 积分 ( l ) 式得 :
z 孟
一 q 。 一 , 二 , 一 了;’ s ( Z , , ) J z ( 3 )
式中 , J一丁J’ o d z 为地面至根层边界的贮水量 , q 。和 , z , 分另”为通过地面和通过根层
边界的水流通量 .
通过地面的水流通量为 :
q 。 = R -ct E
a ( 4 )
式中 R cf 为进人土壤的有效水流 , E a 为脱离土面的水流 , 等于实际蒸发速率 .
R e f = P+ I叶D S一 S R ( 5)
式中 P 为降雨强度 , R 为有效灌溉速率 , D S 为地面积水减少速率 , S R 为地面径流速
率 .
通过根层边界的水流通量 q z , = C R一D ( 6 )
式中 C R 为地下水进人根层的移动即毛管上升 , D 为根层水分向地下水移动即渗漏 ,
将 ( 2 ) 、 ( 4 ) 、 ( 5 ) 和 ( 6 ) 式分别带人 ( 3 ) 式得
。 s矛·
Q t
= (P + eI + D S 一 S R 一 E a ) 一 ( C R 一 D ) 一 T ( 7 )
从实际 出发 , 由于坝上地区降雨强度小 , 无灌溉 , 试验田地形平坦 , 地下水位低 , 则
cI
、
D S
、
S R
、
C R 和 D 项均可忽略 , 则 ( 7) 式简化为
。 s
J
,
O t
= 伽 一 E : ) (8 )
式中 E J = E a + T , 为农田实际蒸散速率 . 该式即为用于求解实际耗水量的方程式 .
2 结果和分析
2
.
1 不同类型农田土壤水分动态变化
2
.
1
.
1 土壤水分的季节变化
19 9 2 一 19 9 4 年对坡梁地 、 旱滩地筱麦 田进行 了土壤水分 的定位监测 . 19 92 年降水
40 .7 2m m
,
19 9 3 年降水 408 . Om m , 略超过平水年 ( 39 7 . 6m m ) , 19 94 年为丰水年降水为
52 8
.
2m m
,
7
.
8 月份雨热同步 , 夏旱不严重 . 通过对试区土壤水分与季节变化关系的分析 ,
可以把土壤水分季节变化分为四个不同时期 (图 1 、 2) .
河北农业大学学报 第 17卷
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图 1坡梁地筱麦田水分等值图
2 . 1
.
1
.
1冬季水分冻 结聚墒期 ( 1月至翌年 2 月 ) 该期降水极少 , 平均降水占全年的
.4 74 %
, 平均气温一 17 . 4 一 一 .5 3℃ , cs m 地温一 12 . 6一 1 . 4℃ . 由于此期土温和气温最低 , 土壤水分处于冻结 . 土壤冻结可分为两个阶段 : a 、 不稳定冻结阶段 (l 于 25 一 1 1一 0 6) , 该阶
段均表现 “昼消夜冻 ” 或 “ 冻融交替” , 冻层深度最大不超过 1c0 m 。 b 、 稳定冻结阶段 ( 1 1一 07
一翌年 03 一。2) 土壤进人稳定冻结阶段后 , 随着土壤与大气间热量的不断交换或由地上下土
增 刊 王殿武等 :坝上半干旱高寒区土壤水分运行规律与农 田筱麦耗水特征1 9
层温度梯度的差异 , 土壤大部分水分以热毛管运动的方式逐渐流向表层 , 从而被冻结为固体
状态 . 此时冻层深度迅速增大 , 至 2 月 10 日冻层深度达到最大 , 并在一段时 间内保持稳
定 . 其冻结深度曲线呈倾斜的 ` 凹 ”形 (图 3 、 4) .
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图 2 草滩地筱麦田水分等值图
坡梁地最大冻深为 8c0 m , 约稳定一个月 , 其稳定冻结速率较小为 .0 6cm · d一 , , 早滩地
土壤含水量偏高最大冻深略大为 9 c0 m , 约稳定 2 个多月 , 稳定冻结速率 1 . c2 m · d一 , . 此外
随冻层不断加厚 , 冻层内贮水量已开始增加 , 在冻层最厚时其贮水量达最高 , 存在明显的冻
后聚墒并呈类似 “倒三角形 ’ 的聚墒区 . 该期 0一 10 c0 m 土壤平均含水量 ( Q v ) 坡梁地和旱
滩地分别增加 1 . 51 % 和 .2 ” % , l m 土体聚墒量则分别增加 15 . 0 6m m 和 27 . 67 m m .
河北农业大学学报 第 17 卷
2
.
1
.
1
.
2 春季返浆强烈蒸发失墒期 ( 3
一 5 月 ) , 此 期 间 降 水 占全 年 的
& 0 8%
, 平均气温一 5 . 1一一 12 . 5℃ , sc m
平均地温一 2 .0 一 14 .7 ℃ , 平均风速 5 . 8
一 .6 4m . 5一 , . 该期 由于气温回升 , 多
风沙 , 土壤进人融化阶段 . 土壤融化过
程可分为两个阶段 : a 、 不稳定融化阶
段 (坡 梁地 03 一 02 一 03 一 14 , 早滩地
03 一 0 2一 0 4一 0 8) 此阶段表层土壤呈现
`融冻交替 ” . b 稳定融化阶段 (坡梁地
0 3一 1 4一 0 3一 2 8 , 旱 滩 地 0 4一 0 8~
04 一 30) `融冻交替 ’ 结束后 , 由于气温
持续上升 , 土壤进人稳定融化阶段 , 其
融化方式 以由上向下为主并由下向上同
1I 2I 2 J 4 月
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图 3 坡梁地栗钙土冻融过程的深度变化
时进行 , 坡梁地由于热容量小稳定融化速率较大为 s cm · d一 , , 而旱滩地 热容量大导热率
小 , 其稳定融化速率低为 .2 3c4 m · d 一 ` . 融化返浆后 , 至 5 月底 由于蒸发强烈土壤明显散
墒 , 0一 10 Ocm 土壤含水量坡梁地和旱滩地分别降低 2 . 35 % 和 .6 72 % , l m 土体贮水量则分
别下降 23 . 47 m m 和 67 . 1 6m m . 因此该期应尽量减少土壤水分蒸发 , 保住极为可贵的 “ 冻后
聚墒 ’ 水 , 这是决定该区能否按时播种和保证出苗质量的关键 .
1 1 12 1 2 3 4 5 月
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图 4 旱滩地草甸栗钙土冻融过程和深度变化
2
.
1
.
1
.
3 夏季雨水下淋水分恢复期 ( 6一 8 月 ) 该期降水占全年的 7 2 . 3 7一 8 .2 43 % ; 平均气
温 15 . 1一 1 .9 7℃ , sc m 平均气温 18 . 3一 2 2 .7 ℃ , 雨热同步 . 该期由于降水集中 , 雨水下淋 ,
同春季相比 , 土壤水分得到暂时恢复 , 从而为作物需水 、 籽粒和生物产量的形成提供了有力
的保证 . 同春季强烈蒸发期相比 。一 l o oc m 土壤含水量变幅 (增加值 ) 坡梁地 、 早滩地分别
增 刊 王般武等 : 坝上半干旱高寒区土壤水分运行规律与农田筱麦耗水特征 21
为 .2 9 %和 .7 24 % , l m 土体贮水量相应增加 29 . 87 m m 和 72 .4 o m m .
2
.
1
.
1
.
4 秋季水分缓慢蒸发消耗期 ( 9一 10 月 ) 该期降水占全年的 6 . 1 一 1 5 . 24 % , 平均气
温 .2 2一 1.2 2 ℃ , 介 m 平均地温 5 . 1一 15 . 7℃ . 由于降水偏少 , 气渐仍较高 , 土壤水分处于一
个缓慢蒸发期 . 0一 10 cm 土壤含水量坡梁地 、 旱滩地分别下降 1 . 97 % 和 .2 ” % , l m 土体
贮水量则分别下降 19 . 69 m m 和 27 . 68 m m . 该期也应防止土壤蒸发为主 , 并采取相应调控措
施 , 把有限的降水蓄存在 `土壤库容 ” 中 , 翌年为作物利用 , 达到 “秋水春用 ’ 目的 .
2
.
1
.
2 土壤水分的空间变化
2
.
1
.
2
.
1 活跃层 ( 0 ~ 4 c0 m ) 该层土壤结构良好 , 有机质较多 , 土层疏松 , 与大气直接结
触 , 接纳雨水能力强 , 受耕作等影响较大 , 且作物根系主要集中此层 , 干湿变化明显 . 坡梁
地 、 早滩地土壤含水量变幅分别为 2 . 13 一 21 . 27 % 和 .2 03 ~ 28 . 83 % .
2
.
1
.
22 次活跃层 ( 40 一 8c0 m ) 此层虽受人为气候影响较小 , 但仍有一定量的作物根系
分布 , 土壤水分变幅也较大 . 坡梁地 、 旱滩地土壤含水量变幅分别为 1 . 7一 13 . 16 % 5 和 3 . 7
~ 2 6
.
8 3%
。
2
.
1
.
.2 3 相对稳定层 ( 80 cln 以下 ) 该层质地偏轻 , 持水能力较差 , 受降水影响小 , 且又
得不到地下水位的补 , 而根系难以下扎此层 , 根重密度较小 , 从而使土壤水分相对稳定 . 土
壤含水盆变幅坡梁地 、 早滩地分别为 1 . 2 一 10 . 4 % 和 1 . 24 一 9 .4 6% .
乞2 土坡水分与降水的关系
天然降水是坝上土壤水分的主要给源 , 降水因素对土壤水分的变化起着决定作用 . 由图
,
、
6知 , 坡梁地由于地热高 , 砂质土壤结构差等特性决定了该类地接纳涵养水分能力差 ,
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图 5 坡梁地 。~ 10 二 ,土壤贮水盆与降水且的关系
土壤贮水盆小 , 而早滩地则较高 . 继而看出随降水增多 , 土壤贮水量表现增大趋势 , 但在冬
季土壤贮水t 与同期降水关系不大 , 而与雨季降水量的多少有一定的相关性 . 即雨季降水较
高土壤贮水也较高 . 但值得提出的是该区除了雨季土壤贮水达到高峰外 , 在冬季另有一贮水
河北农业大学学报 第7 1卷
高峰 , 这主要是由于该区处于半干早高寒生态类型区 , 冻结期长 , ` 冻后聚墒 ’ 所造成 . 另
外 , 可以看出土壤贮水量高峰期出现的时间与降水高峰期并不同步 .
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图 ` 滩地 O~ 10 0 a 口 ,土滚贮水遥与降水通的关系
幼 筱麦不同生长阶段的耗水特征
表 3 不同类型农田筱麦耗水最分析
项目 第 I 阶段
(播种-苗期一拔节 )
第 1 阶段 第班阶段
(拔节一抽穗一开花一灌浆 ) (灌浆一成熟 )
全生育期
2jl,,心`」-l3276.13.1
土壤供水 △ S (口功 )
降水量 (m m )
耗水量 (m m )
耗水强度
(m m
·
d一勺
土壤供水 △ S (田m )
降水摄 (m m )
耗水龙(m m )
耗水强度
《. m · d-l )
一2 0 . 05 26 . 0 2 一 7 . 17
7 9
.
1
59
.
0 5
19 6 4
2 2 2
.
4 2
5 1
.
8
科 . 6 3
坡地梁
4
.
3 6 1
.
4
一 38 . 5 7 . 39 17 . 3 3
19 6
.
4 5 1
.
8
4 0
.
6 20 3
.
7 7 69
.
13
早滩地
4
.
0 0 2
.
23
将筱麦的耗水过程划分为 3个阶段 (表 3) , 第一阶段为播种一苗期一拨节 ( 4 0d) 是
蔽麦的营养生长阶段 , 它的耗水量坡梁地和早滩地分别占全生育期 ( 12 2d) 耗未贡的 18%
增 刊 王殿武等 : 坝上半干旱高寒区土壤水分运行规律与农 田筱麦耗水特征3 2
和1 3 % , 此重不大 , 该阶段耗水强度坡梁地和旱滩地分别为 1 . 48 m m · d 一` 和 1 . 02 m m ·
d
一 , ; 第二阶段为拨节一抽穗一开花一灌浆 (5 l d) , 是筱麦的生殖生长阶段 , 其耗水量坡梁地
和旱滩地分别占全生育期耗水量的 68 % 和 65 % , 其耗水强度最大分别为 .4 36 m m · d一 , 和
.o4 om m
·
d一 `; 第三阶段为灌浆一成熟 ( 3 1d) , 其耗水量坡梁地和旱滩地分别占全生育期的
14 % 和 2 % , 耗水强度则分别为 1 . 4 m m · d一 , 和 .2 23 m m · d一 , . 可见拨节至灌浆是筱麦需
水的关键时期 .
3 小结
1 1 不同土地类型雨养农田周年土壤水分时空变化可分为冬季水分冻结聚墒期 ( 1 月至翌
年 2月 ) 、 春季返浆强烈蒸发失墒期 ( 3一 5 月 ) 、 夏季雨水下淋水分恢复期 ( 6一 8 月 ) 、 秋季
水分缓慢蒸发期 ( 9一 10 月 ) 4 个时期和活跃层 ( 0一 4 c0 m ) 、 次活跃层 (40 一 80 cln ) , 相对
稳定层 ( 80 cln 以下 ) 3 个层位 . 且存在两个水分高峰期即冬季水分冻结聚墒期和夏季雨水
下淋水分恢复期 , 降水高峰期与土壤水分高峰期不相吻合 .
1 2 土壤冻融过程研究结果表明 : 冬季水分冻结期包括不稳定冻结阶段 ( 10一 2 5一 1 1一06 )
和稳定冻结阶段 ( 1 1一07 ~ 翌年 03 一 02) , `冻后聚墒” 明显 , O一 l m 土体聚墒量坡梁地 、 旱滩
地分别为 15 . 06 m m 和 27 . 67 m m ; 春季返浆强烈蒸发失墒期包括不稳定融化阶段 (坡梁地
0 3一0 2一 0 3一 14 , 旱滩地 0 3一 0 2一 0 4一0 8 ) 和稳定融化阶段 (坡梁地 0 3一 1 4一 0 3一 2 8 , 早滩地
以一 0 8一 0 4一 3 0 ) , “融后散墒 ” 明显 , O一 l m 土体失墒量坡梁地和旱滩地分别为 2 . 47 m m 和
67
.
1 6m m
. 因此如何保住 “冻后聚墒 ”水 , 尽量减少土壤水分蒸发 , 这是保证按时播种和出苗
质量好坏的关键 .
3 J 筱麦阶段耗水量分析表明 : 拨节一抽穗一开花一灌浆耗水量占全生育期耗水量的 “ 一
68 %
, 是筱麦的关键需水期 .
参考文献
王殿武等 .河北农大学报 , 19 91 , 14 (3) : 7一 10
赵聚宝等 .中国北方早地农业综合发展与对策 , 北京: 中国农业科技出版社 , 1993 , 60 一 63
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葛华臣等 .干早地区农业研究 , 19 8 , ( l) : 79
2 4 河北农业大学学报 第 17 卷
L a w s o f t h e 5 0 11 W
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