地下水埋深對作物的影響研究現狀

  我國降雨和水資源時(shí)空分布不均，因此必須在提倡節約用水的基礎上，調控地下水位，減少漬害，使作物最大限度的利用地下水進(jìn)行補給，對發(fā)展農業(yè)節水，提高水分生產(chǎn)效率，實(shí)現高效節水、增產(chǎn)有雙重意義。不同地區、不同作物及其在不同的生育階段對地下水埋深的要求有所不同，需要進(jìn)行合理的水位控制，為作物創(chuàng )造適宜的土壤水分環(huán)境，以促進(jìn)產(chǎn)量的提高。研究不同地下水埋深對作物的影響，對于作物灌溉制度的制定、區域水文循環(huán)模型與農田水量轉化研究、鹽堿地的綜合治理和改良等方面都有著(zhù)十分重要的意義?？刂频叵滤粴v來(lái)是農學(xué)、土壤、水利和氣象專(zhuān)家等關(guān)注和研究的重點(diǎn)。由于地區間生態(tài)條件的差異和研究的側重點(diǎn)不同，對作物適宜的地下水位要求不盡一致。作物適宜的地下水埋深與作物種類(lèi)、土質(zhì)、氣候以及栽培措施等因素有關(guān)。要定量研究不同地下水埋深對作物的影響，一般通過(guò)人工控制地下水位的方法，通過(guò)馬氏瓶來(lái)控制地下水埋深。地下水埋深對作物的影響研究主要集中在三個(gè)方面：一是從水分轉化運移角度來(lái)研究不同的地下水位，土壤條件下作物根系土壤水分的補給，鹽分的運移規律。地下水埋深對作物根系土壤水動(dòng)態(tài)的影響是近年來(lái)研究的重點(diǎn)。二是從作物載培學(xué)和植物生理方面，研究地下水埋深對作物生長(cháng)發(fā)育影響。三是從節水灌溉角度探討地下水埋深對作物產(chǎn)量的影響。地下水埋深影響到作物生長(cháng)發(fā)育各個(gè)方面和階段,作物生長(cháng)發(fā)育狀況的變化會(huì )改變其自身水分消耗反過(guò)來(lái)也影響到土壤水分鹽分狀況及作物產(chǎn)量，這三個(gè)方面相互作用，相互影響的。

 

  1． 地下水埋深對作物根系土壤水分和鹽分運移的影響

 

  對于旱作地區的地下水，并非全部能被作物利用，必須適時(shí)適量的轉化為作物根系吸水層中的土壤水才能被作物利用。地下水一般不允許上升至根系吸水層，否則易造成漬害，只能以上升毛管水的形式補給根系吸水層。

 

  地下水埋深對作物根系土壤水分運動(dòng)影響，主要是在作物土壤水分的季節、垂直變化規律和補給上。巴比江等[8]的研究表明，在季節變化上，地下水埋深影響表層和主要根系層的土壤水分變化規律，越淺對玉米根系層的影響較大；在垂直變化上，越深同層土壤含水率差異越大。李志軍等把地下水埋深對玉米土壤水分的季節變化分為緩慢失墑期、雨季干濕交替期、穩墑恢復期。地下水埋藏越淺，相同層次土壤含水率愈高；垂直變化上，埋藏越深，各層次分布差異越大，且層次界限越明顯。巴比江等把對冬小麥的研究發(fā)現，季節變化分為緩慢消耗期(9~11月)、穩定期(11至翌年3月)、強烈變化期(4~6月)。地下水埋深影響地下水對作物根系土壤水分的補給。如內蒙灌區春小麥地下水補給量，當地下水埋深為1.5～2.5m時(shí)，補給量為40～80m3/畝，河南省人民勝利渠在1957～1958年觀(guān)測資料證明，冬小麥生長(cháng)期內地下水埋深1.0～2.0m，地下水補給量占總耗水量的20％。左強等通過(guò)對蒸發(fā)條件下地下水對lm土體水分補給的數值模擬研究認為，在相同的水分蒸發(fā)條件下，地下水埋埋深越大，則各深度的水分通量越小。當地下水埋深大于3m時(shí)，地下水對1m土體的已基本沒(méi)有補給。

 

  干旱地區，處于區域性積鹽狀態(tài)，當地下水埋藏較淺時(shí)，土壤容易發(fā)生強烈的鹽堿化。在氣候條件相同、土壤質(zhì)地、土壤剖面以及相應的導水性能、水質(zhì)及地面覆蓋狀況相似的情況下土壤水分運動(dòng)及積鹽強度主要取決于地下水的埋深。楊建強，羅先香[4]運用人工網(wǎng)絡(luò )和趨勢線(xiàn)分析建立了土壤鹽漬化與地下水埋深關(guān)系曲線(xiàn)。張展羽等建立了作物生長(cháng)條件下農田水鹽運移模型。在發(fā)生降雨和進(jìn)行灌溉時(shí)，地下水埋深對作物根部土壤的入滲也有影響。地下水位愈高，土壤含水量愈大，入滲速度愈小，雨水或者灌溉入滲總量也愈小，入滲期間自地表所能帶入深層的鹽分愈少，作物根部土壤不容易脫鹽，易發(fā)生鹽漬化。

 

  2．地下水埋深對作物生長(cháng)發(fā)育的影響

 

  地下水埋深對作物生長(cháng)發(fā)育的影響包括生態(tài)指標和生理指標。王曉紅，侯浩波等的研究表明：地下水埋深越深玉米株高越高，不同埋深間玉米的葉面積指數也有較大差異，1m埋深條件下，玉米的騰發(fā)量與別的處理的差異顯著(zhù)。地下水位過(guò)高，作物的蒸騰速率降低，原因是作物根系過(guò)濕，易發(fā)生漬害，影響到作物根系的發(fā)育和吸水能力，從而降低作物騰發(fā)量。水位過(guò)低，很容易形成強烈向表層輸水的毛管作用，通過(guò)土壤表層直接蒸發(fā)散失大量水分，從而提高了作物騰發(fā)量。瞿益民等通過(guò)對辣椒的實(shí)驗得出移栽甜椒騰發(fā)量與地下水埋深之間大致呈二次拋物線(xiàn)關(guān)系。當水位較淺時(shí)，地下水可以不斷地補充根系吸水層中的水分消耗，從而減少灌水定額和灌水次數。趙正宜，王東閣[16]的研究表明把水稻的地下水位控制在0.3m以下，有效莖數，有效分蘗率，干物質(zhì)重，葉面積指數，葉面積指數，呼吸強度等均比對照有所提高。

 

  不同地下水埋深影響作物根系的發(fā)育和在土壤中的分布[7]。地下水埋深的不同影響主根的下扎深度，功能和功能期，這是土壤水分對根系生長(cháng)作用和根系對土壤水分狀況適應性反應的綜合體現。地下水埋深對根系的發(fā)育影響在土壤剖面上的分布，地下水埋深越大，作物根系在土壤層發(fā)育越多，根系發(fā)育漸趨良好，入土深度加大，干物質(zhì)加重。如果地下水位過(guò)高，則易造成土壤通氣不良，作物根部缺氧，呼吸困難。陳勇等的研究認為丘陵地區高產(chǎn)小麥田的地下水位以0.85～0.9m為宜。播種后地下水位可回升至0.5m以下，有利于全苗、齊苗，促早發(fā)冬壯；返青至抽穗期以0.85m以下有利于控旺促壯、發(fā)根；成熟期穩定在0.65～0.7m，有利于養根保葉，活熟到老，積累更多的灌漿物質(zhì)。作物不同的生育期對地下水位的要求也不盡相同。王永林的實(shí)驗[18]認為冬小麥不同生長(cháng)期適宜地下水埋深控制指標為播種出苗期0.4~0.5 m，分蘗越冬期0.5 ～0.6 m，返青期0. 6 ～0. 8 m，拔節至成熟期0.8～1.0m。唐明珍等[32]的研究認為平原和江圩區拔節孕穗期適宜地下水位為0.9～1.3m，丘陵地區為0.9m。因此應根據作物不同的生育期和不同的土壤環(huán)境條件對地下水埋深進(jìn)行合理適時(shí)調控。

 

  3．地下水埋深對作物產(chǎn)量的影響

 

  地下水通過(guò)影響作物的根系生長(cháng)，進(jìn)而影響作物的根冠關(guān)系和冠層的光合作用，對作物的水分利用效率和作物產(chǎn)量發(fā)生作用。目前荷蘭等國根據不同地下水埋深時(shí)作物的產(chǎn)量，求得了地下水埋深與作物產(chǎn)量關(guān)系曲線(xiàn)。如下圖：  Bouman和Kropff等建立了水稻生產(chǎn)模型ORYZA2000，較好的模擬了不同地下水深對水稻產(chǎn)量相關(guān)指標的影響。一些研究表明在地下水作用下作物產(chǎn)量和地下水位之間存在一個(gè)最優(yōu)的地下水位，這一最優(yōu)地下水位是作物、土壤和氣候的函數。

 

  Kahlown等的研究發(fā)現地下水位埋深為0.5m時(shí)，小麥產(chǎn)量最高，為2m和2m以下甘蔗的產(chǎn)量最高。Hiler等的研究認為地下水位埋深為0.9m時(shí)高粱產(chǎn)量最高。蔡勇，顧正華，周綱運用人工 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )方法建立了棉花適宜地下水分析模型，并成功對江蘇適宜地下水埋深進(jìn)行了預測，得出江蘇常種棉花0.8～0.9m時(shí)產(chǎn)量最高。孫國義，楊中澤等的研究認為：小麥生長(cháng)的適宜地下水位埋深在0.2～0.6m之間，旱年地下水位埋深宜淺，豐水年地下水位埋深宜大。封超年等的研究發(fā)現：不同處理間千粒重的變化趨勢是地下水埋藏越深，千粒重越重，產(chǎn)量不同的原因是拔節后地下水埋深影響生育后期干物質(zhì)的累積。王元華采用動(dòng)態(tài)水位與靜態(tài)水位相結合的方法,研究認為小麥全生育期地下水埋深為0.8m時(shí)產(chǎn)量最高，地下水埋深對小麥產(chǎn)量的影響，主要是增穗，其次是增重，對千粒重的影響較小。俞雙恩等的研究發(fā)現小麥品質(zhì)隨地下水埋深的增大而提高。林賢青等的研究認為地下埋深對稻米蛋白質(zhì)含量的影響不顯著(zhù)。

 

  4．地下水埋深對作物影響的機理

 

  地下水埋深對作物影響機理，從作物栽培學(xué)的角度，一般認為地下水埋深影響作物根系土壤水分的分布，而土壤水分分布控制著(zhù)作物干物質(zhì)的累積與分配，影響著(zhù)作物的水分利用效率。楊建鋒等認為通過(guò)調控地下水位可以協(xié)調作物的根冠關(guān)系，促進(jìn)干物質(zhì)累積，優(yōu)化干物質(zhì)的分配，減少生長(cháng)冗余，提高作物產(chǎn)量，提高水分利用效率。小麥的根系發(fā)育受地下水埋深制約，即埋深愈大，根深和根系密集層深度也愈大，根系發(fā)育就愈好，根深葉茂，根壯苗健，必然促進(jìn)小麥生長(cháng)，使其干物質(zhì)和籽粒產(chǎn)量高[23]。不同的地下水埋深調節了作物根系在土體的分布范圍、下扎深度、功能和功能期，調節產(chǎn)量生產(chǎn)期、光合生產(chǎn)能力，影響花后干物質(zhì)積累，使庫容量和庫的充實(shí)度發(fā)生差異，最終影響產(chǎn)量。通過(guò)降低地下水位，減少土壤水分，可以達到增產(chǎn)的目的，一般認為是改善了土壤通氣狀況，提高了根系活力，使好氣微生物活動(dòng)加強，促進(jìn)肥料和有機質(zhì)分解，進(jìn)而有利于上部植株的生長(cháng)。

 

  5．需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題

 

  目前大多數研究者對地下水埋深對作物影響的研究局限于旱作物，例如小麥，玉米，棉花等，對水稻等喜濕作物進(jìn)行地下水埋深的研究比較少。就農田灌溉而言，人們關(guān)注的焦點(diǎn)大多是根層土壤的水分狀況和其動(dòng)態(tài)過(guò)程。對地下水埋深對作物品質(zhì)的影響研究不多。地下水埋深對作物的影響是一個(gè)復雜的多維的問(wèn)題，它涉及作物種類(lèi)，生長(cháng)階段、農藝措施等因素，而且和土壤中的水、肥、氣、熱有關(guān)。以及和地下水作用下土壤根區的鹽分積累、微生物活動(dòng)等密切相關(guān)。由于作物品種和地區環(huán)境條件的差異，保證作物高產(chǎn)穩產(chǎn)所提出的適宜地下水位不盡一致。另外地下水埋深對作物生態(tài)生理影響的機理有待進(jìn)一步的加強。

 

  對地下水埋深作物影響的研究目前仍處于實(shí)驗探討階段，總的來(lái)說(shuō)，其實(shí)用性尚嫌不足，要在生產(chǎn)上大面積應用更有較大的距離。需要建立不同作物適宜地下水埋深的指標體系，以使對地下水位的管理更加有章可循，促進(jìn)作物穩產(chǎn)高產(chǎn)。以生產(chǎn)實(shí)踐為研究背景，結合地區降水與地下水情況、考慮作物生長(cháng)階段，設計幾種不同的地下水埋深，探索不同作物幾個(gè)主要生長(cháng)階段對地下水埋深敏感性顯得十分必要，對制定科學(xué)的灌排標準也具有重要的理論與實(shí)用價(jià)值。