第二节 农田水分状况
一、农田水分存在的形式
农田水分存在三种基本形式,即地面水、土壤水和地下水,而土壤水是与作物生长关系最密切的水分存在形式。
土壤水按其形态不同可分为固态水、气态水、液态水三种。固态水是土壤水冻结时形成的冰晶;气态水是存在于土壤孔隙中的水汽,有利于微生物的活动,故对植物根系有利,由于数量很少,故在计算时常略而不计。液态水是储存在土壤中的液态水分,是土壤水分存在的主要形态,对农业生产意义最大。在一定条件下,土壤水可由一种形态转化为另一种形态。液态水按其受力和运动特性可分为吸着水、毛管水、重力水三种类型。
(一)吸着水
吸着水包括吸湿水和膜状水。吸湿水是土壤孔隙中的水汽在土粒分子的吸引力作用下,被吸附于土粒表面的水分。它被紧束于土粒表面,不能呈液态流动,也不能被植物吸收利用,是土壤中的无效含水量。吸湿水达到最大时的土壤含水率称为吸湿系数。不同质地土壤的吸湿系数不同,吸湿系数一般为0.034%～6.5%(以占干土质量的百分数计)。
当土壤含水率达到吸湿系数后,若再遇到土壤孔隙中的液态水,就会继续吸附并在吸湿水外围形成水膜,这层水称为膜状水。膜状水吸附于吸湿水外部,只能沿土粒表面进行速度极小的移动,只有少部分能被植物吸收利用。通常在膜状水没有完全被消耗之前,植物已呈凋萎状态。作物下部叶子开始萎蔫时的土壤含水率,称为初期凋萎系数,若补水充分,作物的叶子又会舒展开来。植物产生永久性凋萎时的土壤含水率,称为凋萎系数。凋萎系数不仅取决于土壤性质,而且与土壤溶液浓度、根毛细胞液的渗透压力、作物种类和生育期有关。凋萎系数难以实际测定,一般取吸湿系数的1.5～2倍作为凋萎系数的近似值。膜状水达到最大时的土壤含水率,称为土壤的最大分子持水率。它是土壤借分子吸附力所能保持的最大土壤含水率,它包括全部的吸湿水和膜状水,其值为吸湿系数的2～4倍。
(二)毛管水
土壤借毛管力作用而保持在土壤孔隙中的水称为毛管水,即在重力作用下不易排除的水分中超出吸着水的部分。毛管水能溶解养分和各种溶质,较易移动,是植物吸收利用的主要水源。依其补给条件的不同,可分为悬着毛管水和上升毛管水。
悬着毛管水是指不受地下水补给时,由于降雨或灌溉渗入土壤并在毛管力作用下保持在上部土层毛管孔隙中的水。悬着毛管水达到最大时的土壤含水率称为田间持水率,它代表在良好排水条件下,灌溉后土壤所能保持的最高含水率。田间持水率是有效水分的上限。生产实践中,常将灌水两天后土壤所能保持的含水率作为田间持水率。
上升毛管水是指地下水沿土壤毛细管上升的水分,毛管水上升的高度和速度与土壤的质地、结构和排列层次有关,上升毛管水的最大含量称为毛管持水量。土壤黏重,毛管水上升高,但速度慢;质地轻的土壤,毛管水上升低,但速度快。不同土壤的毛管水最大上升高度见表1-4。
(三)重力水
当土壤水分超过田间持水率后,多余的水分将在重力作用下沿着非毛管孔隙向下层移动,这部分水分称为重力水。重力水在土壤中通过时能被植物吸收利用,只是不能为土壤所保持。当土壤全部孔隙为水分所充满时土壤便处于水分饱和状态,这时土壤的含水率称为饱和含水率或全持水率。重力水渗到下层较干燥土壤时,一部分转化为其他形态的水(如毛管水),另一部分继续下渗,但水量逐渐减少,最后完全停止下渗。如果重力水下渗到地下水面,就会转化为地下水并抬高地下水位。
表1-4 毛管水最大上升高度表
二、土壤含水率的测定和表示方法
(一)土壤含水率的表示方法
土壤含水率常用的表示方法有以下几种。
(1)以土壤水分质量占干土质量的百分数表示。
(2)以土壤水分体积占土壤体积的百分数表示。
这种表示方法便于根据土壤体积直接计算土壤中所含水分的体积,或根据预定的含水率指标直接计算出需要向土壤中灌溉的水量。由于土壤水分体积在田间难以测定,生产实践中常用含水率的重量百分数换算为体积百分数。
(3)以土壤水分体积占土壤孔隙体积的百分数表示。
其余符号意义同前。
这种方法能清楚地表明土壤水分占据土壤孔隙的程度,便于直接了解土壤中水、气之间的关系。
(4)以土壤实际含水率占田间持水率的百分数表示。这是以相对概念表示土壤含水率的方法,即
这种表示方法便于直接判断土壤水分状况是否适宜,以制定相应的灌溉排水措施。
(5)以水层厚度表示。它是将某一土层所含的水量折算成水层厚度来表示土壤的含水率,以mm为单位。这种方法便于将土壤含水量与降雨量、灌水量和排水量进行比较。
(二)土壤含水率的测定方法
土壤含水率(亦称含水量)是衡量土壤含水多少的数量指标。为了掌握土壤水分状况及其变化规律,用以指导农田灌溉和排水,经常需要测定土壤含水率。
测定土壤含水率的方法很多,如称重法(包括烘干法、酒精燃烧法、红外线法)、负压计法、时域反射仪(TDR)法、核物理法(γ射线法、中子散射法)等。下面介绍常用的几种方法。
1.烘干法
将采集的土样称得湿重后,放在105～110℃的烘箱中烘烤8h,然后称重,水重与干土重的比值为土壤含水率。
烘干法是最基本的直接测定土壤含水率的方法,其缺点是土样受到破坏,且不能连续观测某处的土壤含水率。
图1-2 负压计
2.负压计法(又称“张力计法”)
土壤水分是靠土壤吸力(基质势)的作用而存在于土壤中的。在同一土壤内含水率越小,土壤吸力越大;含水率越大,土壤吸力越小。当含水率达到饱和时,土壤吸力等于零。负压计就是测量土壤吸力的仪器。只要事先按不同土壤建立率定的土壤吸力与土壤含水率的关系曲线,即土壤水分特征曲线(可通过同时测定负压计读数和用烘干法测定土壤含水率来建立),而后用负压计测得土壤吸力,再查已建立的土壤水分特征曲线即得土壤含水率。
负压计主要由多孔陶土头、连接管和负压表组成,如图1-2所示。陶土头是整个仪器的感应部件,它具有许多均匀的细孔,能够透水。当陶土头内充水后,其孔隙全部饱和,与空气接触面上形成水膜。在一定的压力范围内,水膜不被击穿,使得空气不能进入陶土头内。
使用时,负压计内全部充水,并保证不留剩余空气,把负压计陶土头埋入土壤中需测定的位置上,并使土壤与陶土头表面充分接触。陶土头最初放入土壤时,负压计中的水处于标准大气压状态中,吸力等于零。而一般土壤吸力大于零,由于吸力不等,负压计中的水就从陶土头外壁渗透出来,直至吸力平衡。这时负压计中出现的负压值(即吸力值)便由真空表指示出来。当土壤水由降雨或灌溉得到补充时,其吸力急剧降低,负压计中的吸力因大于土壤吸力,从土壤中吸得水分,负压计上真空表的读数也随之降低。稳定后,真空表的指示值即为土壤吸力。
负压计结构简单,能定量连续观测土壤含水率,如果分层埋设,可以及时掌握土壤水分运动情况,也可在不同测点多处埋设,配合自动观测设备,同时测得多点的土壤含水率及其变化过程。
3.时域反射仪法(也称TDR法)
时域反射仪法是根据探测器发出的电磁波在不同介电常数物质中的传输时间的不同,计算出被测物的含水率。从探测器发射出的电磁波沿同轴电缆一直传递到电极末端并反射回来,在电极(长度L)中往复的电磁波的传播速度(v)与电极周围介质的介电常数有关,从而可以获得介电常数与传播速度的关系,如当电磁波的频率在1MHz～1GHz时呈如下关系:
电磁波在各点的反射很明确,可以很准确地计测出t,从而用式(1-1)计算出ξ。运用TDR方法进行土壤含水率测定时,首先计测的是介电常数ξ,然后通过介电常数ξ与含水率β之间的标定曲线计算土壤含水率。TDR法与其他的土壤水分计测方法相比,具有测定范围广泛、不破坏土壤结构、测定方法简单、对人体无伤害、能随时捕捉含水率随时间的迅速变化、可实现自动化观测等优点。
三、旱作地区的农田水分状况
旱作地区的地面水和地下水必须适时适量地转化成为作物根系吸水层(可供根系吸水的土层,略大于根系集中层)中的土壤水,才能被作物吸收利用。通常地面不允许积水,以免造成涝灾,危害作物。地下水位不允许上升至作物根系吸水层,以免造成渍害。因此,地下水位必须维持在根系吸水层以下一定深度处,此时地下水可通过毛细管作用上升至根系吸收层,供作物利用,如图1-3所示。
作物根系吸水层中的土壤水,以毛管水最容易被旱作物吸收,是对旱作物生长最有价值的水分形式。超过毛管最大含水率的重力水,在土壤中通过时虽然也能被植物吸收,但由于它在土壤中逗留的时间很短,利用率很低,一般下渗流失,不能为土壤所保存,因此为无效水。同时,如果重力水长期保存在土壤中也会影响到土壤的通气状况(通气不良),对旱作物生长不利。所以,旱作物根系吸水层中允许的平均最大含水率一般为根系吸水层中的田间持水率。
图1-3 地下水位对作物根系吸水层内土壤含水率分布的影响示意图
根系吸水层的土壤含水率过低,对作物生长将造成直接影响。当根系吸水层的土壤含水率下降至凋萎系数时,作物将发生永久性凋萎。所以,凋萎系数是旱作物根系吸水层中土壤含水率的下限值。
当植物根部从土壤中吸收的水分来不及补给叶面蒸腾时,便会使植物体的含水量不断减少,特别是叶片的含水量迅速降低。这种由于根系吸水不足以致破坏了植物体水分平衡和协调的现象,即谓之干旱。根据干旱产生的原因不同,将干旱分为大气干旱、土壤干旱和生理干旱三种。
大气干旱是由于大气的温度过高和相对湿度过低、阳光过强,或遇到干热风造成植物蒸腾耗水过大,使根系吸水速度不能满足蒸腾需要而引起的干旱。我国西北、华北均有大气干旱。大气干旱过久会造成植物生长停滞,甚至使作物因过热而死亡。
土壤干旱是土壤含水率过低,植物根系从土壤中所能吸取的水量很少,无法补偿叶面蒸腾的消耗而造成的。短期的土壤干旱会使产量显著降低,干旱时间过长将会造成植物的死亡,其危害性要比大气干旱更为严重。为了防止土壤干旱,最低的要求就是使土壤水的渗透压力不小于根毛细胞液的渗透压力,凋萎系数便是土壤含水率的临界值。
生理干旱是由于植株本身生理原因,不能吸收土壤水分,而造成的干旱。例如,在盐渍土地区或一次施用肥料过多,使土壤溶液浓度过大,渗透压力大于根细胞吸水力,致使根系吸收不到水分,造成作物的生理干旱。因此土壤根系吸水层的最低含水率,还必须能使土壤溶液浓度不超过作物在各个生育期所容许的最高值,以免发生凋萎。
综上所述,旱作物根系吸水层的允许平均最大含水率不应超过田间持水率,最小含水率不应小于凋萎系数。因此,对于旱作物来说,土壤水分的有效范围是从凋萎系数到田间持水率。不同土壤的田间持水率、凋萎系数、有效水量见表1-5。
表1-5 不同土壤的田间持水率、凋萎系数及有效水量(占干土重的百分数)
四、水稻地区的农田水分状况
由于水稻的栽培技术和灌溉方法与旱作物不同,因此农田水分存在的形式也不相同。我国水稻灌水技术传统上采用田间建立一定水层的淹灌方法,故田面经常(除烤田外)有水层存在,并不断地向根系吸水层中入渗,供给水稻根部以必要的水分。根据地下水埋藏深度、不透水层位置、地下水出流情况(有无排水沟、天然河道、人工河网)的不同,地面水、土壤水与地下水之间的关系也不同。
当地下水埋藏较浅、无出流条件时,由于地面水不断下渗,使原地下水位至地面间土层的土壤孔隙达到饱和,此时地下水便上升至地面并与地面水连成一体。
当地下水埋藏较深、出流条件较好时,地面水虽然仍不断入渗,并补给地下水,但地下水位常保持在地面以下一定的深度,此时地下水位至地面间土层的土壤孔隙不一定达到饱和。
水稻是喜水喜湿性作物,保持适宜的淹灌水层不仅能满足水稻的水分需要,而且能影响土壤的一系列理化过程,并能起到调节和改善湿、热及农田小气候等状况的作用。但长期的淹灌及过深的水层(不合理的灌溉或降雨过多造成的)对水稻生长也是不利的,会引起水稻减产,甚至死亡。因此,合理确定淹灌水层上下限具有重要的实际意义。适宜水层上下限通常与作物品种、生育阶段、自然环境等因素有关,应根据试验或实践经验来确定。
五、农田水分状况的调节措施
在天然条件下,农田水分状况和作物需水要求通常是不相适应的。农田水分过多或水分不足的现象会经常出现,必须采取措施加以调节,以便为作物生长发育创造良好的条件。
调节农田水分的措施主要是灌溉措施和排水措施。当农田水分不足或过少时,一般应采取灌溉措施来增加农田水分;当农田水分过多时,应采取排水措施来排除农田中多余的水分。不论采取何种措施,都应与农业技术措施相结合,如尽量利用田间工程进行蓄水或实行深翻改土、免耕、塑膜和秸秆覆盖等措施,减少棵间蒸发,增加土壤蓄水能力。无论水田或旱地,都应注意改进灌水技术和方法,以减少农田水分的蒸发损失和渗漏损失。