农田土壤水分动态及其影响因素分析

武建虎

(山西省运城市水文水资源勘测分局，山西运城 044000)

1 农田土壤水分变化动态及其特征

农田是作物生长发育最基本的场所，农田土壤水分的大小及其变化动态直接影响作物的生长与发育。作物生长过程中，长时间处于过高或过低的农田土壤水分中，对作物的生长都是不利的［1］－［2］。如果农田土壤水分过高，土壤透气性将变差，作物根系由于通气量少水分高，将有可能被腐烂，致使作物无法正常生长，甚至死亡;如果农田土壤水分过低，作物根系由于缺水，将有可能因干旱而无法正常生长，甚至凋萎致死［1］－［2］。因此，保持农田土壤水分处于适宜作物生长状态，是保证作物正常生长发育、作物稳产高产的前提。

1.1 农田土壤水分的变化动态

2004、2005年在太谷小灌区25 km2的监测区内，对农田土壤水分动态以及作物生长情况进行了全面监测。监测资料表明:不同深度农田土壤含水量变化具有相似的波动曲线。特别是10 cm深度的土壤含水量，在降雨和蒸散发的交替作用下，不断发生变化，降雨期土壤含水量增加，无雨期，在蒸散发作用下，土壤含水量缓慢减少，呈现出和降雨周期相似周期性波动。土壤深度越小，波动越明显，土壤深度越大。含水量变化越平缓，30 cm深度的土壤含水量波动已经很小，60 cm深度的土壤含水量基本平稳。2005年无作物覆盖(自然)条件下0～60 cm深度农田土壤平均含水动态以及降雨动态见图1，小麦、玉米、高粱、大豆等作物覆盖条件下0～60 cm深度农田土壤平均含水动态见图2，作物生长期农田土壤含水特征见表1。

图1 2005年无作物覆盖(自然)条件下的农田土壤水分动态

图2 2005年不同作物覆盖条件的下农田土壤水分动态

2005年无论有无作物覆盖、无论何种作物，农田土壤水分动态均呈现出剧烈的季节性变化。无作物覆盖(自然)条件下的农田土壤水分动态，在春季的3、4月份基本能维持在适宜作物生长含水量24.0%附近，5月进入夏季以后，农田土壤水分急剧下降，8月份由于降雨较多，土壤水分才有所增大，5～9月农田土壤水分动态形成了一个持续时间较长的下凹曲线。年内有近80%的时间土壤水分低于适宜作物生长土壤含水量。土壤含水量最大值27.8%、最小值14.2%。土壤平均含水量在小麦生长的3～6月为21.8%，在秋作物生长的5～9月为19.6%，两个时段的土壤平均含水量均小于适宜作物生长含水量。

作物覆盖条件下的农田土壤水分动态:种植小麦的农田土壤水分从3月小麦返青开始就一路走低，3、4月份人为灌水的影响，使农田土壤水分动态曲线形成两个峰值，到6月份小麦成熟时农田土壤平均含水量27.1%，最大值33.3%、最小值22.0%，高于无作物覆盖(自然)条件下的同期土壤平均含水量。生长期内，有近75%的时间土壤含水量维持在适宜作物生长含水量附近，保证了小麦的正常生长。种植玉米的农田在玉米的整个生长期5～9月内，同样由于人为灌溉的作用，土壤平均含水量27.3%，土壤最大含水量33.6%、最小含水量19.6%，生长期内，有近90%的时间土壤含水量基本维持在适宜作物生长含水量附近，保证了玉米的正常生长。而与玉米同期种植的高粱和黄豆，由于没有灌溉，农田土壤水分变化与无作物覆盖(自然)条件下的基本一致。高粱农田土壤平均含水量仅为22.4%，最大值32.7%、最小值仅有19.2%，生长期内仅有近一半的时间土壤含水量维持在

适宜作物生长含水量附近，一定程度上影响了高梁的正常生长。黄豆农田土壤平均含水量20.5%，最大值26.9%、最小值15.0%，生长期内仅有近20%的时间土壤含水量维持在适宜作物生长含水量附近，严重影响了黄豆的正常生长。总体上看，灌溉改变了农田土壤水分动态，有灌溉的农田土壤水分整体高无灌溉的。在排除人为灌溉的影响后，不同作物覆盖的农田土壤水分在时间上与无作物覆盖的农田土壤水分呈基本相似的变化趋势;并且有作物覆盖土壤的持水能力高于无作物覆盖的;高杆作物农田土壤的持水能力高于低杆作物。

表1 作物生长期农田土壤水分特征统计

1.2 农田土壤水分的年内和年际变化

2004、2005年同种作物农田土壤(0～60 cm土层)水分动态对照见图3。由图3可知，由于受降水(灌溉)和蒸散发的影响，同种作物的农田土壤水分随年内季节和年际变化而变化。年份不同、农田土壤水分动态不同;同一年份内，季节不同，农田土壤水分动态也不同。2004年种植小麦、玉米、高粱、黄豆的农田土壤平均含水量分别为 31.9%、32.8%、23.2%和 22.5%，而 2005 年为 27.1%、27.3%、22.4% 和20.5%，2004年的农田土壤含水量普遍高于2005年，说明农田土壤水分动态是随年际变化的。土壤水分的年内变化则更为明显，无论种植何种作物，在作物生长期内，随着季节和作物的生长，蒸散发量逐渐增大，土壤含水量不断下降，只有在有降水、灌溉和作物基本成熟时，土壤含水量才有所增加。因此，农田土壤水分动态呈现出了上下波动状态，波动情况取决于年内季节变化、降水、灌溉和蒸散发情况。

图3 2004、2005年同种作物农田土壤水分动态对照图

2 影响农田土壤水分动态的主要因素

影响农田土壤水分变化的因素有两方面，一方面是自然因素，另一方面是人为因素。自然因素对农田土壤水分的影响是持续的、不断的，是客观因素;人为因素对农田土壤水分的影响是间断的、有时间性，是辅助因素。自然因素中，气象因子降水和蒸散发是影响农田土壤水分的主要因素;人为因素中，农田灌溉、作物种植种类以及种植密度是影响农田土壤水分的主要因素。

2.1 降水和蒸散发对农田土壤水分动态的影响

根据水量平衡原理，对于每个地下水面以上的土壤柱而言，在某段时间内的水量平衡方程为:

式中:P为降水量(mm);Cg为地下水毛细上升量(mm);Pg为土壤水对地下水入渗量(mm);ET为蒸散发量(mm);△S为土壤蓄存水量变化量(mm)。于是有:

由上式可知，土壤蓄存水量不仅与降水、蒸散发有关，而且还与发生在土壤水—地下水界面上的水分转化包括地下水毛细上升量和土壤水对地下水入渗量有关。有关文献研究表明:地下水毛细上升量微小，仅在地下水浅埋深时存在，并随地下水埋深的加大而减少;土壤水对地下水入渗量稍多，但最大也仅占土壤水总消耗的8.0%左右;土壤水和地下水的交换非常缓慢，当地下水埋深在大于2.5 m时，地下水对0～60 cm深度土壤水分动态没有明显的影响［3］。监测区地下水埋深在25～40 m之间，因此，土壤水和地下水的交换几乎为零，土壤水量平衡的主要要素为降水量和蒸散发量。土壤蒸散发消耗的水分主要来源是降水。在降雨后农田土壤含水动态呈增长态势，在两次降雨期间，农田土壤含水动态呈减少态势。农田土壤水分动态变化主要驱动力是短瞬降雨作用和长时间蒸散发作用的交替进行。

2.2 灌溉对农田土壤水分动态的影响

农田灌溉是除降雨外农田土壤水分增长的又一来源，是为了减少作物受旱而采取的必要的田间管理措施。从前面的分析知道，农田灌溉对农田土壤水分动态的影响是明显的［4］，它可以改变土壤墒情，促进作物生长。农田灌溉的水量和时间一般是由农民根据气候和所种 作物对水分的要求决定的，年灌溉次数与降水量的年内分配有关，灌溉定额没有限制，完全出自经验灌溉。因此，农田灌溉对农田土壤水分动态的影响是人为的、间断的和有时间性的。根据监测资料，对同种作物(春玉米)有灌溉与无灌条件下(灌溉日期为7月2日)的农田土壤含水动态进行了分析(见图4)。由该图可以看出，农田均无灌溉时，有灌溉与无灌条农田的土壤含水动态呈平稳且相似的变化趋势，当其中的一块农田灌溉后，其土壤含水量比无灌溉的农田明显增大，维持一段时间后，两块农田的土壤含水动态变化又基本趋于一致。农田灌溉的作用不但及时补充了土壤水分，缓解了作物旱情，而且使土壤水分较长时间的维持在了适宜作物生长的土壤含水量之上，保证了作物的正常生长。

图4 春玉米有灌溉与无灌溉条件农田土壤水分动态

2.3 作物种植密度对农田土壤水分动态的影响

作物种植密度的大小，影响作物单位面积的株数以及蒸散发量的大小。同种作物种植密度不同时，农田土壤含水动态会有很大差异。图5即为2005年春玉米不同种植密度的农田土壤含水动态对照图。由该图可以看出，定苗前，由于作物种植密度基本相同，苗期的蒸腾量也不大，农田土壤含水动态比较接近。定苗后，由于作物种植密度不同，随着作物生长，需水和耗水有了很大差异，使土壤含水动态呈现出明显的层次变化。在作物生长最旺盛期，大密度的农田，作物相对密集，覆盖度较大，抑制了土壤蒸发，其土壤含水动态超过了比它密度稍小的农田。随着作物的成熟，枝叶枯萎和凋零，覆盖度减小，大密度作物的土壤蒸发恢复，又呈现出按作物密度由小到大，土壤含水动态由大到小的分层变化。总之，作物种植密度，一方面影响作物的散发量，另一方面影响土壤的蒸发量，并且随着作物的生长过程的变化而变化，对农田土壤水分的动态变化影响很大。

图5 作物(春玉米)不同密度土壤水分动态

3 结论

农田土壤水分动态在自然因素和人为因素的作用下，处于上下波动状态，埋深越浅，波动越明显。并且具有年内季节性和年际变化特征。它的变化不仅与降水、蒸散发有关，而且与田间有无种植作物、作物种植种类、作物种植密度以及有无灌溉有关。灌溉改变了农田土壤水分动态，改善了作物生长环境。农田土壤水分就是在短瞬降雨、灌溉和长时间蒸散发的交替作用下，发生着动态变化，供给着作物的生长。

［1］雷志栋，胡和平，杨诗秀.土壤水研究进展与评述［J］.水科学进展，1999，10(3):311 －318.

［2］于艳玲，熊耀湘.降雨条件下旱地土壤水分运动的数值模拟［J］.农村水利水电，2003(11):19 －21.

［3］杨建锋，邓伟，章光新.浅埋深地下水作用下苏打盐土壤水分动态变化特征［J］.水文地质工程地质，2007，34(4):61－65.

［4］张展羽，赖明华，朱成立.非充分灌溉农田土壤水分动态模拟模型［J］，灌溉排水学报.2003，22(1):22－25.