提要:水分是沙区农田的主要限制因子，研究灌溉对沙区农田土壤水分的影响，对该区域农业水资源利用以及农业生产具有指导意义。为揭示乌兰布和沙漠不同土壤类型农田土壤水分规律及深层渗漏损失，分析播种-拔节期土壤体积含水量变化特征与深层渗漏规律。研究结果:1)观测期内不同土壤类型农田土壤含水量大小顺序依次为:砂土农田<壤土农田<粘土农田。4月17日灌溉211.5mm对不同土壤类型0～150cm层土壤含水量均产生显著影响(p<0.01)，影响大小依次为:砂土农田、壤土农田、粘土农田。2)不同土壤类型农田在监测期内150cm土层均持续有深层渗漏，且211.5mm灌溉量使砂土农田与壤土农田深层渗漏量增大，粘土农田无明显变化。观测期内砂土农田共产生深层渗漏138.2mm，壤土农田共产生深层渗漏74.6mm，粘土农田共产生深层渗漏3mm。
关键词:乌兰布和沙漠;土壤体积含水量;渗漏
乌兰布和沙漠东缘为牧区与农区过渡地带，因该地区拥有得天独厚的条件使其成为我国荒漠化防治、农业水土资源利用等相关研究的热点地区[1，2]。该地区地处我国西北内陆，在自然条件下，往往因降水量不足且分布的不均匀，不能满足作物对水分要求[3，4]。因此，在该地区没有灌溉就没有农业。土壤水分是作物生长的重要影响因子，同时也是联系地表水与地下水的纽带，农田土壤水分通常在灌溉与降水后发生变化[5，6]。降水量或灌溉量过多时便会产生作物无法直接利用的深层渗漏水，农田的深层渗漏损失是影响农业用水效率的主要原因之一[7]。研究灌溉农田深层渗漏特征及对灌水量的响应，对农业水资源利用以及农业生产具有指导意义。
土壤水分作为荒漠植被维持生命活动的重要水源保证，只有进行合理充分的利用，才能满足作物生长的需求[8]。针对灌溉对土壤水分的影响，目前国内外学者对农田土壤垂直空间土壤水分及对玉米产量等因素的影响[9-10]做了研究。部分学者研究了灌溉水量和水质对土壤水盐分布及春玉米耗水的影响[11]。但从研究区的空间分布范围看，目前针对干旱区沙区农田土壤水分动态及深层渗漏特征的研究相对缺乏;从研究内容来看，对深层土壤水分的动态平衡及渗漏损失过程研究尚处于探索阶段，对干旱区沙漠农田土壤水分平衡中深层渗漏损失这一关键问题仍需进一步研究;从研究方法上来看，已有研究多为大范围、定时、定点取样观测，缺乏连续性、可持续、系统的动态监测及深层渗漏水量监测，缺乏系统分析干旱区不同土壤类型沙区农田土壤水分对灌溉的响应以及灌溉对土壤水的补给作用。
文中以乌兰布和沙漠东缘不同土壤类型农田为研究对象，研究时间贯穿玉米的播种-拔节期，通过采用自动监测系统，连续监测不同土壤质地农田土壤在灌溉后0～150cm土壤含水量、150cm以下渗漏量以及灌溉量，分析农田土壤水分对灌溉的响应，以及灌溉对农田土壤水分的补给作用。以期望对该地区农业水资源合理利用以及农业生产提供理论依据。
1研究区域与方法
1.1研究区概况
该试验在乌兰布和沙漠东北部磴口县中国林业科学研究院沙漠林业实验中心实验一场进行。地理坐标为北纬40°19'10.78″，东经106°56'13.86″，海拔1056.0m。研究区地处中国西北内陆，属于典型的中温带大陆性气候，多年平均气温7.8℃，≥10℃积温为3289.1℃，年均日照时数3181h，年均无霜期146d，多年平均降水量140.3mm。土壤类型主要为灌淤土、风沙土和盐土[12-13]。该地区具有丰富的黄河水资源，试验区灌溉主要水源为黄河。
1.2实验设计
1.2.1样地设置
农田表层土壤(0～50cm)常年受耕作活动的影响，导致耕作层土壤与耕作层以下的土壤理化性质(土壤容重和机械组成等)发生分异，进而影响到土壤水分的动态变化与保持特征。为模拟该地区自然状态下不同土壤类型的农田，分别将50cm以下土层客土换成典型的风沙土、壤土、粘土。选取普通农田，垂直挖出长:200cm、宽:200cm、深:300cm见方试验坑，150cm以下布设土壤深层渗漏水量记录仪(YWB-01)[14]。土壤深层渗漏水量记录仪毛管持水部以上至50cm土层客土分别换成典型的风沙土、壤土、粘土。为防止因土壤异质性导致的水分误差，土坑四周剖面上用塑料棚膜将客土与原状土壤隔离开。50cm到地表土壤保持原耕作土回填并整平地面，以此来保证作物的正常生长不受影响。
1.2.2测定指标与方法
(1)渗漏水量监测。利用杨文斌等研发的YWB-01型土壤深层渗漏水量记录仪对不同样地深层渗漏进行连续监测，该仪器能够实时连续准确的监测土壤水分的深层渗漏量[15-17]。为避免仪器安装过程中对土壤扰动的影响，使测试数据尽量符合自然状态下的真实值，因此试验仪器在安装后需要经历一段时间的自然沉降过程(一般采用3个月到1年时间)。本研究选择2017年1月1日-6月15日数据作为结果分析的有效数据。
(2)土壤含水量监测。利用EC-5土壤水分传感器监测土壤体积含水量，105土壤温度传感器监测地表温度同步监测土壤水分与温度情况。分别在距地表5cm、50cm、100cm、150cm土层安装EC-5土壤水分传感器，在距地表5cm安装105土壤温度传感器。
(3)土壤物理性质调查。在安装渗漏仪器时，对渗漏观测深度150cm以上土壤质地进行调查，分别采集土壤粒度和孔隙度样品。土壤机械组成利用Malvernmastersizer2000激光粒度仪测定;土壤持水量与田间持水量利用环刀法测定。在灌溉过程中利用LS300-A型便携式流速测算仪对灌溉水量进行测量。2017年4月17日灌溉211.5mm。
1.3数据处理与分析
1.3.1数据获取与校正
近年来，EC-5土壤水分传感器在森林、沙漠等地区均有运用，但是有学者提出EC-5土壤水分传感器在干旱环境运用时需要对其进行校准。李清河等(2012)在自然条件下考虑多方面因素对EC-5土壤水分传感器进行了更精确的校正，校正地点为乌兰布和沙漠，校正点与本研究试验点相隔20km，自然气候状况一致，土壤物理状况与校正点基本一致，因此可以将其校正方程直接应用于本试验EC-5传感器在砂土和粘土中监测的数据，壤土监测数据需根据李清河等(2012)提供的取样测定方法进行补充校正。即在土壤剖面上每10cm设一个标定点，挖至响应深度，立可埋设EC-5土壤水分传感器，实时读取传感器记录的数值，同时在附近用环刀取土带回室内烘干称重。数据调整后精度达±1%。
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1.3.2数据处理
试验数据采用EXCEL和IBMSPSSStatistics19处理分析。
2结果与分析
2.1土壤含水量对灌溉的动态响应
农田土壤水分变化特征决定了作物对水分的吸收利用强度和难易程度，直接影响着农业用水的利用率，对于水资源的持续利用、农业生产的持续发展有着重要的意义。通过研究农田灌溉后土壤水分状况，可以进一步掌握灌溉水空间分布与转化规律(观测期内共有降水42mm，均为无效降水)。
利用2017年1月1日至6月15日166天土壤体积含水量，分析不同土壤类型农田各层之间土壤含水量动态变化，逐层分析土壤水分垂直变化特征。表1为监测期间不同土壤类型农田各层土壤含水量统计参数。不同土壤类型农田土壤体积含水量(下称含水量)从2017年1月1日至6月15日均值看，不同土壤类型农田土壤含水量大小顺序依次为:砂土农田<壤土农田<粘土农田，其数值依次为10.43%、14.64%和22.42%。不同土壤类型土壤含水量垂直分布规律为，砂土农田:150cm>5cm>100cm>50cm;壤土农田:5cm>100cm>150cm>50cm;粘土农田:100cm>150cm>5cm>50cm。方差分析结果显示，各层土壤体积含水量的日平均最大值与最小值之间均达到极显著性(p<0.01)，表明全年4月17日211.5mm的灌溉水对不同土壤类型农田0～150cm层土壤水分均产生了极显著影响。
变异系数可比较三组数据自身的离散程度，含水量变异系数越大证明灌溉对含水量影响越大。结合三种土壤含水量变异系数分析，含水量变异程度:砂土农田(25.79%)>壤土农田(21.78%)>粘土农田(18.95%)，表明灌溉对各土壤类型农田0～150cm土层含水量影响大小依次为:砂土农田、壤土农田、粘土农田。不同土壤类型土壤含水量垂直变异程度为，砂土农田:50cm>5cm>100cm>150cm;壤土农田:50cm>5cm>150cm>100cm;粘土:5cm>50cm>100cm>150cm。
由图2可知不同土壤类型农田土壤水分变化特征。不同土壤类型农田100cm以上土层1月、2月土壤含水量较低，3月～6月土壤含水量整体较高。三种土壤类型的农田在试验期间均有两次较明显的土壤含水量增高过程，分别在3月和4月。3月份不同土壤类型5cm与50cm土层均出现一次较明显的增高现象，100cm与150cm土壤含水量均无明显波动，4月份不同土壤类型农田0～150cm层土壤均出现较大波动，但不同土壤类型农田与不同土层波幅存在差异。
3月份5cm与50cm土层出现一次较明显的增高现象可能是因为研究区冬季寒冷，11月～3月土壤结冻，且研究区冻土最大下限为84cm(即100cm以下土层无冻土)。因此2017年1月、2月气温较低，土壤地表水结冻，降雪对土壤水分的补给以及水分入渗均存在时间差，同时冻融与消融作用会影响土壤水分的传导过程，从而导致5cm与50cm土层3月份土壤含水量增加[18]。4月份作物生长需要大量水分，但研究区属干旱区降雨稀少，所以4月份不同土壤类型农田0～150cm层土壤均出现较大波动主要是由于人工灌溉水补给。
2.2不同土壤类型农田深层渗漏量特征
图3为不同土壤类型农田150cm土层深层渗漏变化特征。不同土壤类型农田在监测期内150cm土层均持续有深层渗漏，但在灌溉后砂土农田与壤土农田的渗漏速率明显增大，证明211.5mm灌溉量在砂土农田与壤土农田产生深层渗漏损失。砂土农田在灌溉开始后13h出现深层渗漏，渗漏持续了157h，至观测期结束渗漏量为138.2mm。
壤土农田在灌溉开始后分别在72h出现深层渗漏，至观测期结束渗漏量为50.6mm。壤土农田在观测期结束时，渗漏并未结束，为准确估算该次灌溉壤土农田的渗漏总量，可将渗漏最大值(4月27日)至观测期结束(6月15日)深层渗漏日变化数值进行拟合，可得简单回归方程，表达式为:y=0.0003x2-0.0373x+1.4858
式中:y为土壤水深层渗漏量(mm);x为渗漏天数(d)。回归方程可决系数R2为0.8497，表现出较好的拟合度。根据拟合方程可估算出该次灌溉造成深层渗漏量总和为74.6mm。粘土农田在灌溉开始后257h出现深层渗漏，至观测期结束渗漏量为3mm。
砂土农田在灌溉后迅速出现渗漏，渗漏速度先升高后降低，整个过程持续时间短;壤土农田在灌溉到出现渗漏水有一定时间间隔，渗漏总体表现为迅速升高缓慢降低，渗漏持续时间较长;粘土农田渗漏缓慢，灌溉前后渗漏速度变化不大。
3讨论
对于降水稀少的西北干旱区而言，人工灌溉是该地区农业生产的关键。减少农业灌溉过程中的深层渗漏水量是提高水资源利用率的重要途径之一。本研究中，该地区常见三种不同土壤类型农田在播种-拔节期灌溉的211.5mm，均显著影响了0～150cm土层含水量且在150cm以下土层均出现深层渗漏。试验区域地处西北干旱区，冬季与春季降水稀少且无灌溉补给，4月份随着气温上升，降水量却无明显增大，为保证玉米出苗率4月17日灌溉属于“保墒水”，有研究表明播种到出苗适度偏旱可以促进根系纵深发展并且抑制禾苗长高，有利于产量的提高[19]。且该时期玉米处于苗期，作物根系主要分布在浅层土壤，深层土壤水分无法直接被玉米利用。因此，苗期灌溉过多不但不利于玉米产量同时会造成水分深层渗漏损失。三种土壤类型农田因自身性质(机械组成、容重、孔隙度等)不同造成在相同灌溉下深层渗漏量的差异。优化灌溉水量可从减少水资源渗漏损失的角度假设当年所有灌溉水均用于作物生长，无其他损失。因此优化灌溉量应为最大限度减少灌溉水渗漏量与当年农田土壤净蓄水量，因此出苗-拔节期的优化灌水量应该与该时期农田蒸散量相等。
4结论
(1)观测期内不同土壤类型农田土壤含水量大小顺序依次为:砂土农田<壤土农田<粘土农田。4月17日灌溉211.5mm对不同土壤类型0～150cm层土壤含水量均产生显著影响(p<0.01)，影响大小依次为:砂土农田、壤土农田、粘土农田。
(2)不同土壤类型农田100cm以上土层1月、2月土壤含水量较低，3月～6月土壤含水量整体较高。3月份不同土壤类型5cm与50cm土层均出现一次较明显的增高现象，100cm与150cm土壤含水量均无明显波动，该现象主要由冻融引起;4月份不同土壤类型农田0～150cm层土壤均出现较大波动，但不同土壤类型农田与不同土层波幅存在差异，该现象主要原因是春季灌溉补充土壤水分。
(3)不同土壤类型农田在监测期内150cm土层均持续有深层渗漏，且211.5mm灌溉量使砂土农田与壤土农田深层渗漏量增大，粘土农田无明显变化。观测期内砂土农田共产生深层渗漏138.2mm，壤土农田共产生深层渗漏74.6mm，粘土农田共产生深层渗漏3mm。
