河北平原不同土体构型水分分布和运行规律及灌水模式李进法，王希恩，高广瑞，司丙成，平建立（ 河北省农林科学院土壤肥料研究所，石家庄０５００５１）摘要针对河北平原季风气候和土壤冲积 而成的多层次性构造特点，探讨了均质型和间层土壤水分分布和运行特征，在此基础上，提出不同 土壤构造三种灌溉模式。（１）土壤质地中等或偏粘均质型常规灌溉模式；（２）土壤质地偏轻均 质型少量多次灌水模式；（３）间层土壤少次常量灌溉模式。关键词农田土壤水分分布，运行规律 ，不同土体构型，灌溉模式，河北平原河北平原光照、热量条件良好，年日照时数为２１００～２ ９００ｈ，尤其是春季光照条件好，利于麦类作物进行光合作用，秋季光照充足，利于秋作物成熟 和收获。气温≥０℃积温２３００～３１００℃，能满足中早熟、中熟和中晚熟夏播玉米生长发育 的热量要求，适宜小麦、玉米一年两作［１］。河北平原属于半湿润易旱区，全年降水量６５０ｍ ｍ，降水主要集中于夏季，占全年降水量的５０％～７０％。秋季降水占１３％～２０％，冬季不 足５％，春季低于１５％。降水相对年际变率达２０％～３０％、大气降水是农业生产的主要水分 来源，从１０月到翌年６月份是小麦整个生育期，但往往因降水不足严重减产。以小麦、玉米一年 两茬的轮作方式，特别在小麦生育期，河北平原中南部地区缺水在２００ｍｍ以上，缺水限制了一 年两季作物产量的提高。河北平原由众多河流冲积而成，在冲积平原上形成复杂多变的砂、壤、粘 相间的土壤构造，各种土壤构造的总面积９４７．３３万ｈｍ２，其中壤质均质型５０３．７７３ 万ｈｍ２，占总面积的５３．１８％，粘质均质型５０．６５万ｈｍ２，占５．３５％；砂质均质 型１３９．６万ｈｍ２，占１６．２８％，蒙金型３６．８７万ｈｍ２，占３．８９％，迭加型８ ２．７９万ｈｍ２．占８．７４％，底漏型５５．７６万ｈｍ２，占５．８８％；腰碍型５７．９ ３万ｈｍ２．占６．１２％［２］。土壤剖面中不同质地层次的垂直排列组合，与土壤水、溶质运 行、水肥、气热协调能力关系甚为密切，在旱作种植灌溉时，作物产量出现很大差异。根据河北平 原适宜小麦、玉米一年两作的气候特点，为克服干旱少雨的限制因素，针对不同土体构型，推行节 水型农业种植制度，建立用水量最少、最合理的用水种植模式，具有十分重要的意义。中国、加拿 大合作研究“河北旱地农业”项目中课题之一１研究方法和材料在田间进行微区试验，研究方法采 用对比方法，田间管理按当地大田要求。中子仪法测定土壤水分，数据整理计算及绘图，用计算器 或在计算机上进行。微区纯面积４ｍ２，四壁砖砌和水泥防水粉混合抹面，池深２ｍ。不封底。共 有１０个微区，按１０种土体构型各个土层顺序回填，浇水沉实，土体构型质地层次排列组合见表 １。砂壤，轻壤采自河北省林研所育苗地和河北省农村院石家在果树研究所果园地，中壤、轻粘土 来自农科院院内试验地表层和１ｍ以下土壤，各种质地粒级含量见表２。２研究结果２．１不同土 体构型土壤在旱作、灌溉种植下水分分布特点及运行机制在土壤构造中，层次性土壤土层交界处的 孔隙状况与均质土壤不同，当质地剖面下重上轻时，土层交界处的孔隙上大下小，反之，则上小下 大。孔隙的这种分布影响到土层含水量、水分压力、水力梯度和传导度，从而影响水分运行，影响 程度随土层间孔隙大小差异的增加而增加。２．１．１夹粘、夹砂层及同时夹粘、砂层土壤水分分 布特点２．１．１．１中壤蒙金型和轻壤蒙金型中粘土层有效水含量在中壤和轻壤蒙金型中，无论 在旱作和灌溉种植时，粘土夹层有效水含量是最低的。由于夹粘层上下土层的质地差异，轻壤蒙金 型中粘层有效水含量比中壤蒙金型中的粘土层水量还要低，见表４。水分从小孔隙体系流向大孔隙 时，大孔隙体系实际上限制了小孔隙体系中水分的流动，当小孔隙体系水分接触大孔隙层后，大孔 隙层中孔隙被水充满的程度减少，水分的毛管运动会暂时停止，大孔隙体系的土壤在一定时间内有 积蓄过程，土层含水量增加。水分从大孔隙体系流向小孔隙体系时，水分的流动实际上已不受限制 ，蒙金型中的粘土夹层水分由小孔隙体系流向大孔隙体系和由大孔隙体系流向小孔隙体系相互作用 的结果，造成粘土层含水量在剖面中出现较低的结果。２．１．１．２夹砂型中砂层土壤水分含量 夹砂型中包括中壤夹砂型和轻壤夹砂型两种，砂层的水分同样存在水分从大孔隙体系流向小孔隙体 系和从小孔隙体系流向大孔隙体系的双重作用。夹粘层和夹砂层在夹层上下质地相同时，夹砂层的 土壤含水量高于夹粘层。中壤夹砂型中的砂壤层有效水含量高于轻壤夹砂型中的砂壤层，表面上看 ，似因砂壤层的厚度引起含水量增高，通过计算，轻壤夹砂型中的砂壤层含水量乘以中、轻壤夹砂 层的厚度系数，结果中壤夹砂型中的含水量仍高于轻壤夹砂型中砂壤层的含水量，见表５。２．１ ．１．３轻壤迭加型中，夹粘夹砂层位置颠倒对剖面各层有效水含量影响迭加型是指土体内，砂、 壤、粘不同质地层次多而薄，交互迭加而成。各个土层孔隙体系大小不一，在剖面内变换频繁，水 分受大小孔隙体系的多重作用，情况异常复杂，我们把这一过程减化，以轻壤夹砂夹粘加以研究。 当砂壤层出现在粘上层下面时，砂壤层有效水含量高于粘土层，低于上下轻壤层，若粘上层和砂壤 层位置颠倒，砂壤层有效水不仅高于粘土层，还高于粘土层下面的轻壤层含水量，见表６。２．１ ．２不同土体构型水分运行机制蒙金型、夹砂型、迭加型层次性土壤与均质型土壤不同之处，影响 水分在各个层次的含量，同时也影响水分在剖面中运行的整体性，有整体性的土壤中，水分为一整 体，土表蒸发时土体下部的水分也随之减少，没有整体性的土壤。土表蒸发时，土体下部的水分不 减少或减少的不显著，一般均质型土体构型，水分运行有明显的整体性，同一土体构型细质地比粗 质地整体性强些，整体性强的土壤蒸发快，作物利用深层土壤水分多。层次性土壤如蒙金型、夹砂 型和迭加型土壤没有明显的整体性。１０种土体构型整体性排列顺序，见表７。如上所述，在层次 性土壤中，土壤水分含量和水分运行不仅取决于上面土层的性质，也取决于水分活动各个土层的性 质，厚度及它们相互排列情况。２．２不同土体构型节水灌溉模式２．２．１试验池农田水分平衡 方程式及平衡结果农田水分在作物一土壤一大气连续系统内，在一给定时段内隔离体的流入水量和 流出水量之差就等于周期蓄水变化量△Ｗ。式中Ｐ──降水量；Ｉｇ──土壤中水流入量；Ｉｓ─ ─灌溉水量；Ｕ──地下水上升补给量；Ｅｓ──土壤蒸发量；Ｒｓ──地表产生的径流量；Ｅｃ ──作物蒸腾量；Ｒｇ──土壤中水流出量；Ｄ──深层渗漏量。在人为修建的微区水分池中，土 壤水分循环以垂直方向的水量交换为主，地面产生的径流无损失，降水被拦蓄在疏松土层内，很少 能超蒸发，蒸腾作用层的深度，式中水平方向的水量交换均可忽略不计，Ｉｇ──０，Ｒｇ──０ 。从理论上讲，土壤蒸发Ｅｓ与作物蒸腾量Ｅｃ之和为农田实际蒸散量，即耗水量ＥＴＡ，由于Ｅ ＴＡ采用实测值，因此ＥＴＡ也包括了深层渗漏Ｄ，试验场地下水位埋深１６～１８ｍ，地下水上 升补给量可视为０，所以土壤水分平衡公式化简为（式中分量均以ｍｍ为单位）：△Ｗ＝Ｐ＋Ｉｓ －ＥＴＡ不同土体构型的土壤各个分量，详见表８。小麦、夏玉米一年两作，灌溉仅在小麦生育期 内进行。夏玉米一般不进行灌溉，依靠自然降水能基本满足水分需要，表８是小麦从拔节一成熟期 耗水量最多阶段，０～１５０ｃｍ土层不同土体构型土壤水分平衡结果，生长在中壤质均质型土壤 上的小麦耗水量最高，耗水量为３３３ｍｍ，其次粘质均质型。耗水量为３１３．３ｍｍ，消耗土 壤水依次为１１４．１、９４．５ｍｍ，轻壤夹砂型作物耗水量最低，耗水量１６７．７ｍｍ，不 仅不消耗土壤水，土壤水还增加５１．１ｍｍ。另外从表８还看到．小麦收获时，土壤有效水储量 均较高，其中轻壤夹砂型，轻壤蒙金型，轻壤均质型有效水含量最高，砂质均质型，中壤均质型， 粘质均质型最低。粘质均质型，中壤蒙金型，中壤质均质型无效水含量最高。分别为２７３．５， １８２．８，１８１．８ｍｍ。２．２．２同一作物不同土体构型的不同深度土壤耗水情况不同土 体构型因土壤质地垂直排列顺序的千差万别．土层间孔隙体系大小变化及土层间相互影响，同一时 间作物和土壤蒸发的水分变化数量均有差异，见表９。从表９看出，中壤均质型和粘质均质型土壤 从０～１５０ｃｍ都消耗土壤水分，１０～１３０ｃｍ段是耗水量最大段，耗水量为１０８．１． ８１．９ｍｍ，分别占１５０ｃｍ土层的９４．７９％和８６．６７％。轻壤均质型和砂壤均质型 ，０～３０ｃｍ土层内，作物和土壤消耗量小于供给水量，３０～１３０ｃｍ段，供水量小于作物 和土壤蒸发量，消耗土壤水分较多，分别为４０．６和４９．５ｍｍ，占１５０ｃｍ土层有效水量 的１１１．５３％和１０３．９９％。中壤蒙金型０～３０ｃｍ土层内，供水量大于消耗水量，水 分变化量为正值，３０～１３０ｃｍ消耗水量为６８．１，占１５０ｃｍ上层水分变化量的９８． ８４％。轻壤蒙金型０～３０ｃｍ土层，消耗水量略高于洪水量，３０～５０ｃｍ段，水分变化量 为正值，以下土层直至１３０ｃｍ，水分消耗量为６２ｍｍ，占０～１５０ｃｍ土层水分变化量的 ９５．８３％。中壤夹砂型中，０～３０ｃｍ土层水分变化量为正值，３０～１２０ｃｍ土层耗水 量４６ｍｍ，占１５０ｃｍ土层的２４３．３９％。轻壤夹砂型土壤，０～４５ｃｍ土层为正值， ４５～８０ｃｍ土层耗水０．３ｍｍ，以下土层均为正值。轻壤夹砂，粘迭加型中，０～３０ｃｍ 土层为正值，以下各层为负值。轻壤夹粘、砂迭加型中，０～１０ｃｍ为负值，１０～３５ｃｍ为正值，以下各层均为负值。２．２．３灌溉种植下小麦产量结果通过土壤水分平衡和实际不同土壤层段土壤有效水测定，小麦在生育期水分供应充足，水分的多少不是引起小麦产量差异的主要原因，而是由粗细土壤颗粒排列组合不同，导致水、肥、气、热相互协调的程度不同引起的（表１０）
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