第五章旱地农业蓄水保墒工程技术旱农地区水资源特点和土壤蓄水保墒机制旱农地区水资源特点6Word格式文档下载.docx

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暴雨多集中在6—8月。

单场暴雨持续历时在3小时以内的占70％一80％，历时1小时以内的暴雨强度大，出现的机会也多，是黄土高原水土流失主要降雨类型。

暴雨造成黄土高原水土流失的面积高达81.4％～93.4％．其中强度流失面积占40%以上，土壤侵蚀模数达4000一10000t／km2：

“三跑田”比比皆是。

暴雨还引起严重的洪涝灾害。

（四）土壤水分蒸发量大，蓄水保墒艰难我国旱农地区冬春季节，盛行干燥寒冷的西北风，因而土壤水分剧烈蒸发，蒸发量常成倍地大于降水量，致使春季平均相对湿度偏低。

春季土壤大量失墒，影响春播作物发芽，甚至在半湿润偏早地区，春季土壤耕层水分也常常难以保证全苗。

（五）地形破碎，田高水低，有水难用我国早农地区除部分是平整的川地和低塬外，多为丘陵沟壑地区，占旱农面积较大的黄土高原，高平原既少又高，河床深切，水面低下，高低相差几十米，甚至几百米，有水难利用。

另外，有许多地区地下水埋藏很深，常达一、二百米，打深井提水灌溉也很困难。

一些墚峁纵横的丘陵沟壑区，更不利于灌溉。

从上述各点看到我国旱农地区的水资源在数量上不足、不稳，而且利用难度大。

因此，如何充分地利用全部的天然降水将其蓄于土壤中，以供作物生长发育之需，成为发展旱农生产、提高作物产量的重要课题。

二、早农地区全年土壤墒情季节性变化概况

我国旱农地区主要是雨养农业，作物需水依靠天然降水，但天然降水的数量和季节与作物生长的需要常常不相协调，因而严重地影响作物的产量。

为了搞好旱地农田的蓄水保墒工作，提高降水的生产效率，给旱地作物创造良好的生长发育的土壤环境条件，就需要了解旱农地区土壤水分季节性变化规律。

土壤水分季节性变化除了受气候上雨量分布的影响外．还受气温、地形、植被、土壤性质和耕作措施的影响，因而农田土壤水分的季节变化有与雨量分布不一致之处，如在冬季严寒、高纬皮地区，春季融冻返浆，几乎是一年小土壤最湿的时期，但在气候上春季却是旱季。

我国北方早农地区土壤水分季节变化一般可分为：

墒情相对稳定期或称冻结期，失墒期及墒情恢复期等几个主要时期，但因地理位置、土壤性质等因素，各地有所差异。

一般说土壤墒情恢复期和失墒期由于各地雨季和暖季来临时间不同，自北而南，逐渐提早；

冻结期或墒情稳定期也相应缩短。

下面介绍我国北方主要旱农地区农田土壤水分季节变化规律，以便因地制宜地进行土壤耕作。

（一）东北黑土地区黑土地区年降水量为450一550mm，夏季温暖多雨，有利于作物生长，冬季严寒少雪，土壤冻结时间长，冻土层厚达1.5—2.0m，甚至更厚；

地下水位深，一殷在20一30m甚至100m以下。

所以水分主要来自降水，水分的循环也主要在大气与土壤之间进行。

土壤水分季节变化可分4个主要时期：

1．春季融冻高湿期从3月下旬到5月末。

气候上是干旱时期，但土壤由于融冻而处于湿润返浆阶段，含水量达25％一30％，甚至更高。

这一时期，土壤含水量的高低．持续时间的长短及是否出现旱象主要取决于前——年土壤合水量的多寡及是否进行顶凌耙地等保墒措施。

保墒措施不及时会影响春播，

2．夏季失墒期6一8月。

尽管进人雨季，降水增加，但出于作物旺盛生长．蒸腾强烈，土壤水分人不敷出，贮水下降，达到一年内的最低水平。

上层40m土层可降至调萎湿度（15％一19％），但深层处仍处于融冻——毛管湿润状态。

3．秋季聚水墒情恢复期9一l0月。

作物成熟，开始枯萎收获．耗水量大大降低、又由于气温下降，蒸发量减少，因而土壤水分可得到聚集、墒请可以恢复到田间持水量上下水平，土壤又出现高湿期，含水量达25％一30％或更高。

这时期及时采取适当措施，保蓄好这些土壤水分，对下年春播保苗有重要意义。

4．冬季土壤水分冻结期从11月到次年3月。

土壤水分基本处于冻结状态，由于土层出现上冷下暖的温差，使下层土壤水分向表层移动积聚，因而融冻后土壤贮水量较冻结前有所增加，在1m土层中约可增加15一l9mm（见表5—1）．这些水分有利于第—年的春播。

（二）华北褐土地区褐土地区地下水位较深，作物难以利用。

褐土主要分布在燕山、太行山、吕梁山与秦岭等山地及关中、晋南、豫西等山麓及盆地之中。

以其县为例，常年平均降水621.7mm，而蒸发量高达2020.5mm，是半湿润偏旱地区。

土壤水分季节变化可分6个时期：

1、初春土壤“返浆”黑墒期褐土区冻土层浅，一般不超过50cm，2月上旬开始化冻．到3月初完全化通，土壤墒情达到高峰，即“黑墒”期。

这阶段是春季保墒最有利的时机．一股为10天左右。

2、春季强烈失墒期2月中旬到5月上旬，返浆过去，气温升高，地表蒸发加强、出现干土层．土壤水分由黑墒进入黄墒阶段。

这时由毛管运来的水分已不能达到地表，而在于土层以下就汽化，通过于土层散失。

此时宜进行耱地碎土，减少土壤大孔隙，以降低土壤水分的气态损失：

3、初夏严重缺墒期5月下旬到6月中旬。

继春季失墒后，旱情继续发展，干土层逐渐加厚，直至0一40cm或0一50cm底层的有效水分完全丧失，土壤严重缺墒，可使小麦青干枯死、夏播作物不能播种．甚至形成“卡脖旱”：

能否顺利渡过此时期，关键在于前期蓄水保墒及当年雨季来临的迟早。

4．雨季底墒蓄积期6月下旬到9月上旬，是全年降水最多的时期。

此时止值秋作物生长盛期。

此时期的中心任务是利用雨季多蓄水，蓄足水．尽量把降水蓄存于土壤之中．以供冬春旱季利用。

5、秋季快速蒸发失墒期9月中旬到l0月中旬，此时是秋季作物生长末期及冬小麦的播种时期。

雨季已过，降水减少，但气温尚高，所以土壤失水仍较强烈。

6．冬季凝集冻结期11月下旬到次年2月中旬。

此时冬小麦矮小，叶面蒸腾少．但裸露的地面蒸发未停止。

土壤中的下层水分，以气态向上扩散，受地面低温的影响而凝集于上层，使上层土壤含水量增大，形成较厚的陈土层，墒差的地块，冻结得较慢，也较迟缓，干土石冻结。

（三）西北黄土地区西北黄上地区多属半干旱或半湿润偏旱地区，大致是呼和浩特至兰州一线以西以北属半干旱气候，年降水量在400mm以下；

此线以东以南届半湿润偏旱气候．年降水量为400一600mm，全年蒸发量在1200一1800mm。

我国黄土地区范围很广，自阴山山脉以南、秦岭以北，太行山以西，日月山以东均有大面积的黄土分布。

雨量与温度大体上自北而南，由西向东逐渐增加和升高。

降雨主要集中在夏秋季节，占全年降水总量的70％一80％以上。

土壤水分季节变化基本上与降水季节分布一致，可分4个时期：

1、融冻春旱失墒期2月中旬至6月中旬。

冻土层深度在区内的北部及西部为50～60㎝．东部和南部不过l0一20cm。

黄土透水性较好．土壤湿度在冬前巳降至田间持水量以下，所以剖面上冬季水分再分配现象不十分明显，但春季解冻后土壤退潮现象仍有，只是因大气干燥、温度回升快、风大雨少．由融冻水分而潮湿的地表，很快就出现干土层，另外，融冻后冬麦很快进入旺盛生长期，耗水量急剧增加，虽有少量雨水，但失多于入，因而干土层不断加厚。

此阶段进行耕作保墒很重要。

此时期末（5月底，6月上旬）正值越冬作物收获期，一般土壤贮水量出现年内最低值。

而春播作物的农田上土壤水分往往稍高于越冬作物收获后的农田，

2夏秋雨季增墒期6月中旬到10月上旬，此时期为雨季，土壤水分开始恢复与积累，随着雨水下渗，墒层逐渐加厚，到此时期末期整层土壤贮水量达到年内最高慎。

上层蓄水的多少．入渗的深度与当年降水量多少密切相关．也与地形地貌、土壤性质及耕作保墒措施有密切关系。

这—时期是黄土地区蓄墒的重要阶段。

3．秋冬缓慢失墒期lo月上旬到11月下旬。

此时期地面温度还高于0℃．加上雨季后土壤含水量较高，天气多风，因而土壤水分仍有少量损失，平均净损失量可达20一30mm。

应尽可能保好这些冬前墒情，以防春旱。

4．冬季冻结稳墒期12月至2月上旬。

气候特点是干旱，气温—般均在0℃以下，降水很少；

土壤封冻后，随着冻层的加厚凝聚着一定量的固态水，土壤表层有厚薄不等的干土层，整层土壤水分呈稳定状态。

在此时期应尽量减少土壤表面大孔隙反裂隙，以减少这部分土壤水分的损失。

黄土地区土壤水分季节变化．一般均有上述4个时期，但由于各地气候不同，土壤性质各异．因而各时期出现的早晚和时间的长短很不一致。

（四）内蒙古东部栗钙土地区栗钙土主要分布在内蒙古高原的东部相南部．鄂尔多斯高原东部，呼伦贝尔高原西部及大兴安岭东南麓的丘陵平原地区。

根据内蒙古农业科学院作物所栗仲兴等在兴安盟乌兰浩持（科尔沁右前旗）早坡耕地上的观测；

年平均降水足416．9mm（1951—1985年），雨量集中于6—8月，占全年降水量的74.4％，年平均蒸发量为1800mm，属半干旱气候。

根据1984一l956三年来的观测，该地区土壤水分季节变化基本趋势是两谷两峰型，其土壤水分季节变化可分为5个时期：

1．春末夏初跑墒期3月中旬至6月上旬。

春季气温逐渐升高．土壤自上向下解冻，但由于风大风多，土壤水分蒸发强烈，此时期土壤贮水量最低，—舷低于植物生长阻滞含水量．形成第一谷。

2．夏秋蓄墒期6月中旬至7月中旬和8月中旬至9月下旬。

夏秋雨季来临．降水量增加．土壤水分不断得到补充，在6月中旬至7月中旬出现第一次高峰。

秋初（8月中旬至9月下旬），降水虽有减少，但气温逐渐降低，土壤蒸发和作物蒸腾也降低，土壤贮水量出现第二次高峰。

这一时期是土壤水得到补充的主要时期，是年内土壤贮水量最大的时期，一般达到田间持水量水平。

3.夏伏低贮量时期7月下旬至8月上旬。

夏季伏天气温最高，此期内降水虽不少．但蒸发蒸腾也强烈，土壤贮水量急剧下降，可降至植物生长阻滞含水量水平，形成第二谷。

第二谷持续时间短，且不同年份出现时期不相同。

此期若降水少，则会出现伏旱。

农业生产上能否减轻伏旱，与在第一次高峰期采取的农业措施有关，一般在6月中旬至7月中旬进行1次中耕探松，使多接纳降水，以提高土壤水分含量。

4．秋末冬初土壤水分缓慢衰减期10月上旬至11月上旬。

秋末以后．降水减少．气温下降，土壤水分的消耗也随之减缓，土壤水分一般处于田间持水量与植物生长阻滞含水量之间。

5．结冻土壤水分稳定期。

11月中旬至3月上旬。

入冬后，土壤水分冻结，处于基本稳定状态。

三、土壤蓄水保墒机制

土壤在农业生产中不仅为作物提供了生长的场所和营养物质，而且能贮蓄天然降水和灌溉水，以满足作物生长对水分的需求，科学家们称农田深厚的土层为“土壤水库”。

“土壤水库”库容量很大，1m探的黄土层一般可蓄存250一300mm深的水层，即每亩在1m深的黄土层内可蓄存160一200m3的水分．2m深的黄土层内即可蓄存全年500一600mm的降水量。

因此早地农业生产中—定要搞好“土壤水库”的蓄水工作。

但水是怎样被保蓄在土层中的呢?

就要了解“土壤水库”的蓄水性能。

（一）土壤水存在的形态农田土壤是多孔体，各种大小不同的颗粒之间，存在着或大或小、或多或少的孔隙，当降雨或灌溉之后，水分受重力作用沿土壤内的孔隙下渗、在下渗过程中、水因土粒分子引力或毛细管引力的作用而被保持在土体内。

一般5一10mm的降水量约可湿润土层2．5—5cm，渗入深度约为降水量的4—5倍。

水分在土壤中存在的形态有固态、气态和液态3种。

固态水是土壤结冻后，水分在土粒间隙中结为冰晶的一种形态；

气态水是以水汽的形态存在于土壤大孔隙内的空气之中；

液态水主要存在于土粒周围、接触点及毛管孔隙之内。

3种形态可随外界环境条件的改变而相互转化，但对植物根系吸收作用有重要意义的是液态水。

由于存在的不同形态及与土粒间的不同的理化特性，土壤水可氛围以下几种类型：

1.吸湿水受土壤颗粒表面吸附作用，束缚在土粒表面的水分。

吸湿水所受的分子引力很大，可达几干甚至上万个大气压力，因而被有力地吸附在土壤颗粒表面上，水分子十分密集，分子间的距离小于液态水分子间的距离，接近固态性质，密度可达1.4—1.7g/cm3，不能呈液态流动，冰点下降到一78℃，汽化温度为l05—110℃，对溶质无溶解能力，导电性极低甚至不导电，热容量低达2.09—3.35J/cm3。

由于吸湿水的上述特性，因而不能被植物根系吸收利用。

土壤吸湿水的多少，决定于单位质量土壤的表面积、胶粒的比例和可溶性物质的量。

土壤质地愈粘重，胶粒愈分散，吸附力就愈强，吸湿水含量就愈高。

另外还与空气相对湿度成正比，空气相对湿度大，吸湿水含量高，当空气相对湿度达到饱和时，吸湿水达最大值，此时的土壤含水量称为吸湿系数或最大吸湿量。

不同质地的土壤吸湿系数不同，细砂土最低为0.034％，粘土为5.40％，而泥炭土可达18．42％。

此外，土壤含盐量及盐的成分对吸湿水也有影响，土塌含盐；

量及盐的成分对吸湿水也有影响，土壤含盐高，尤其是吸湿性强的盐类，如氯化钙、氯化镁、吸湿系数较大。

2.薄膜水即吸湿水外面的水膜。

当土壤湿度达到吸湿系数时，虽然分子引力不能再从空气中吸附水分子．但土粒表面仍有剩余的分子引力，如遇外面降雨，土粒与液态水接触时，剩余分子引力可把液态水继续吸到土壤颗粒周围，在吸湿水的外面形成—层膜状的液态水，称薄膜水。

薄膜水所受的分子引力小，约为31—6．25个大气压力。

薄膜水从内层向外，所受引力逐渐下降，随着薄膜水的厚度增加，逐渐过渡到自由的液态水．因而其性质介于自由水与吸湿水之间，水分子排列较紧密，密度大于1g/cm3，冰点为—15℃上下，粘滞性较高，没有溶解性。

当2个水膜厚度不同的土粒水膜接触时，薄膜水受表面张力的作用能缓慢地从水膜厚的地方移向水膜薄的地方，速度为0.2一0.4mm/h。

由于上述特性。

薄膜水可部分放植物根系吸收利用，因一般作物根毛的吸水力约相当于15个大气压，所以薄膜水中所受引力大于15个大气压的那部分不能被植物吸收利用，而小于15个大气压的那一部分可被利用。

但由于移动非常缓慢，常会在薄膜水尚未消耗完时，作物就会因缺水而凋萎。

薄膜水达最大值时称为土壤的最大分子持水量。

3.毛管水即由毛管力（表面张力）吸持在土壤的细小孔隙中的水分。

土壤颗粒间存在着细小的孔隙，孔隙直径为0.01一0.001mm内，毛管作用最明显，孔隙直径小于0.001mm时，孔隙为薄膜水所充满，不起毛管作用。

土粒对毛管水的吸力为6.25一0.08个大气压，全部可供作物吸收利用，有溶解养分能力，受毛管力的影响也可上下移动，不断供应作物的需要。

所以，毛管水是对农业生产有意义的土壤水分，是旱农保水系统中最主要的部分。

毛管水又可分为毛管悬着水和毛管支持水。

（1）毛管悬着水当地下水位很深，在降雨或灌溉之后借毛管力保持在土壤中的毛管水不与地下木相连，且与下面的干土层有明显的界限，就象悬在毛管中一样．故称毛管悬着水，是高原旱地农作物能够吸收利用的最主要的土壤水形态。

毛管悬着水达最大数量时称田间持水量。

（2）毛管支持水地下水位高，地下水借毛管作用可以上升而进入土壤，被毛管力保持在土壤中的水分称毛管支持水（毛管上升水），它与地下水有水压上的联系。

不同土壤毛管支持水所能上升的高度也不同，在黄土地区—般最高可达200cm以上。

毛管支持水达最大数量时，称毛管持水量。

4.重力水在重力的作用下，沿非毛管下渗的水分。

当进人士壤的水分超过土境所能保持的田问持水量时，那些超出的水分已超过土壤颗粒的分子引力和毛管力的作用范围，不能被土壤所保持，而在重力作用下沿土壤非毛管孔隙下渗，这部分水为重力水。

重力水虽也能为作物利用，但很快就会下渗到根系范围以外，所以对作物持续供水作用不大。

在地下水位较高的地区，重力水最后将转人为地下水，使地下水位上升。

在地下水位深的地区，重力水在下渗过程中会逐渐转化为毛管悬着水或薄膜水而保留在深层土壤中．而且在下渗过程中会引起肥料的流失。

因而在旱作灌溉过程中要避免根系层以下出现下渗的重水。

实际上．各种类型的土壤水分在各种力的作用下处于不断运动和变化之中，各类型的水分之间是可以相互转化，相互联系的。

（二）土塌台水量及土壤水分常数

1．土壤含水量上壤含水量是上壤水的数量指标，又称土壤含水率，它是指土壤中水和土的比率。

常用的表示方法有：

（1）重量含水率．即土壤中水的重量与烘干（在105—110℃下烘干）后土壤固体重量的百分比。

其表示式为

W（％）＝W水／W土×

100％；

（2）体积含水串．即土壤水分体积占土体总体积的百分比。

其表示式为

Qy（％）＝V水／V土×

100％

重量含水率与体积含水率可互相换算，即Qy（％）＝W（%）xρ

式中：

Qy为体积含水率；

w为重量含水率；

ρ为土壤容重（g／cm’）。

重量含水率是最基本的又是最常用的表示方法，但其缺点是，当土壤容重有变化的土壤，用重量含水率表示就不够全面准确。

如土壤表层容重为1.0g/cm3，而犁底层的容重为1.5g/cm3，测得重量含水率均为20％，但换算成体积含水率时，则表层为20％，而犁底层却为30％，二者相差50％。

体积含水率能科学地表达容重变化较大的土壤含水量，也能了解土壤孔隙被水充填的程度。

（3）贮水深度，即一定厚度土层中含有的水量折算成水层深度可将土壤含水量与降水量及作物耗水量进行比较。

其表示式为：

h（mm）＝Qv×

H＝W×

ρ×

H

h为贮水深度（mm）；

H为土层厚度（mm）。

（4）相对含水量，即重量含水率与田间持水量的百分比。

在作物栽培学中一般用此种表示法．以便看出土壤含水量对作物的影响，一般以土壤相对含水量为60％一80％时作物生长最好。

2．土壤水分常数土壤水分常数是指在一定条件下土壤中某种类型水分的最大值．也是表示土壤水性质的转换点，它与作物生长发育和农作物排灌有关。

常用的土壤水分常数有以下几种：

（1）吸湿系数又称最大吸湿水量，即土壤吸湿水达最大数量时的土壤含水量。

这部分水完全不能被植物利用，是无效水。

．

（2）凋萎系数或称凋萎含水量．即植物因缺水而开始出现水久凋萎特征时的土壤含水量。

由于蒸散作用，土壤水分不断消耗，当土壤水下降到一定程度，不能满足作物的需要时、作物开始萎蔫。

若及时补充水．作物的叶子又舒展开来，这种凋萎称临时凋萎。

若补充水后，叶子仍不能恢复，则称永久调萎。

凋萎含水量包括吸湿水和部分薄膜水．它是作物生长和发育所需最低水分极限。

凋萎系数约为叹湿系数的1.5—2.0倍。

（3）毛管联系断裂含水量（植物生长阻滞含水量），土壤毛管悬着水随着作物根系的吸收和土壤表面的蒸发而不断降低，至一定限度（约为田问持水量的65％），毛管悬着水的联系断裂时的土壤台水量。

此时，作物虽仍能从土壤中吸收水分，但因补给不足而生长迟缓，又称临界含水量。

（4）田间持水量，即在灌溉或降水条件下，在田间一定深度的土层中所能保持的最大毛管悬着水量。

它是植物利用有效水的上限，也是计算灌溉水量的重要参数。

田间持水量包括吸湿水、薄膜水和毛管悬着水。

—般认为从凋萎含水量到田间持水量之间的水分是作物可利用的水分，称有效水量。

不同土壤，田间持水量也不同。

表5一2列出几种土壤的田间含水量。

表5—2不同质地土壤的有效含谁量

质地

地区和土壤

＜0.01mm颗粒（%）

田间持水量

凋萎系数

有效含水量

细砂土

辽西风砂土

2.8

4.5

1.8

2.7

面砂土

11.7

4.2

7.5

砂粉土

嫩江黑土

12.8

12.0

6.6

5.4

粉土

晋西黄锦土

25.0

17.4

6.4

11.0

粉壤土

蒲城垆土

—

20.7

7.8

12.9

粘壤土

武功油土

50.8

19.4

9.2

10.2

57.2

20.0

12.6

7.4

粉黏土

67.8

23.8

（刘才良，1984）

表5—3华北平原不同质地土壤的几种水分常数

质地名称

最大吸湿量

饱和含水量

紧砂土

16-22

砂壤土

1-2

4-6

22-30

30-40

轻壤土

4-9

22-28

28-40

中壤土

2-3

6-10

30-38

重壤土

6-13

28-38

轻黏土

15.0

28-32

32-40

中粘土

12-17

25-35

35-40

重粘土

30-35

38-42

（5）饱和含水量，即土壤中所有孔隙都充满水时的土壤含水量。

它表示土壤最大的容水能力，在土壤改良时，可用来确定盐土洗盐的灌水定额。

以上各种土壤水分常数都随土壤质地不同、耕作和施肥情况不同而变化。

表5—3列出华北平原不同质地土壤的几种土壤水分常数。

（三）降水的入渗和再分配旱农地区土壤水库的水源主要就是天然降水。

雨水落到地面后。

一部分成为地面径流，一部分渗入士壤，入渗土壤中较浅的部分又会通过地面蒸发而返回到大气，只有入渗较深的水分保留在土壤水库中供植物利用，而地面径流和地面蒸发对种植业来说都是水分利