水源置换对引洮受益区高原夏芹菜土壤水分及水分利用效率的影响分析

2022-06-17陈志丕李虹彩董海霞李拥军崔循臻

水利规划与设计 2022年6期

陈志丕，李虹彩，董海霞，李拥军，崔循臻

(定西市水利科学研究所，甘肃定西 743000)

1 概述

由于甘肃省定西市具备高原夏菜栽培的特别气候条件，近年来在北部区域，特别是安定区大力培育以高原夏菜为主的蔬菜产业，形成了内官镇为中心，辐射香泉、符川、凤翔、团结、巉口、李家堡等乡镇的标准化种植片带。据统计，2018年全市芹菜种植面积8.3万亩(安定区6.89万亩)，总产量36.16万吨，产值10.08亿元，高原夏芹菜已成为当地农民经济收入的一大支柱，是助推精准脱贫的优势产业。因芹菜种植区地表水资源贫乏，而地下水灌溉具有水量相对稳定等优势。而随着引洮供水项目的全面建成，为加强受益区水生态环境保护，加快地下水资源的恢复和涵养，需分期分批关闭受益区范围内原有自备水源井。

“灌溉水质对高原夏芹菜生长指标和农田土壤理化性质的影响”项目以引洮外调水和浅层地下水分别为灌溉水源，分析不同灌溉水质对夏芹菜和土壤理化性质的影响，评估引洮外调水在安定区夏芹菜灌溉中的可行性，并探索引洮外调水配合施肥的夏芹菜灌溉技术，该项目既符合定西市“引洮供水一期工程受益区地下水取水井关闭”的政策，也可进一步发挥引洮外调水灌溉效益，强化引洮受益区地下水资源的恢复和涵养，并促进水生态环境保护和特色产业发展，在水资源特别是地下水严重匮乏的定西市具有显著的经济、环境和社会效益。

通过试验分析，相比较浅层地下水，芹菜用引洮外调水灌溉后，更有利于根系的呼吸和生长，有利于后期抗旱。同时，能使土壤保持较好的理化性质，显著提高芹菜发芽期土壤表层平均地温，有利于种子萌发和芹菜食用品质的提高。但相比较浅层地下水，引洮外调水源中，部分作物生长所需大量营养元素(氮、磷、钾)不足，易造成产量下降。因此，为确保高原夏芹菜产业的稳定发展和群众收益，在引洮受益区地下水井关闭时，特别在夏芹菜种植区水源置换过程中，需配合水井关闭配合做好芹菜种植测土配方和高效节水研究示范等工作，以确保水源置换之后芹菜特色产业的量和质都能大幅提高。

2 试验方法

2.1 芹菜生育期划分

本次试验主要研究芹菜营养生长阶段不同灌溉水质对芹菜生长指标和农田土壤理化性质的影响，按照SL 13—2015《灌溉试验规范》中作物生育阶段划分标准，并结合当地芹菜作物的实际生育进程，将芹菜营养生长阶段划分为发芽期、幼苗期、叶丛生长期、心叶肥大期4个生育阶段。所有试验小区芹菜于2021年5月23日播种，至6月18日出苗率达到90%以上，6月23日进入幼苗期，7月18日进入叶丛生长期，8月28日进入心叶肥大期，9月16日采收，整个生育期117d。其中：发芽期31d，幼苗期25d，叶丛生长期41d，心叶肥大期20d。

2.2 试验材料

本试验芹菜籽品种为美国西芹，该品种早熟，生长快速，定植后70～75d可收获。收获时，叶片黄绿、叶柄宽厚，表面光滑，不空心，纤维少，品质脆嫩，且耐寒、耐热、抗病，株型紧凑，株高70cm左右，叶柄长30～35cm，单株重可达1kg左右，一般亩产7000～8000kg。经当地农民试种，该品种适合在定西市安定区区域内春、夏、秋露地栽培，是主栽品种之一。

2.3 灌溉水源水质

2.3.1浅层地下水水质

试验区处关川河中上游左岸，区域潜水层随河谷分布，宽度1～1.5km，含水层埋深一级阶地及漫滩2～5m，二级阶级15～25m，含水层为略含泥质的砂砾卵石层，结构松散，厚度3～6m。该河段潜水水质复杂，矿化度在近河床地带一般为3～6g/L，局部可达6～8.5g/L，在河谷边缘均在5g/L以上，属S04“-CI′-Na.-Mg”型水。因潜水量小、水质差，没有开采价值，也未被利用。近年来，随着芹菜大面积的种植，大部分区域开始开采利用。

2.3.2引洮外调水水质

引洮外调水资源从位于甘肃省临潭、卓泥两县交界处的洮河干流九甸峡峡水利枢纽取水。引洮一期定西市灌区由安定区内官、西寨2个井灌区和东峪沟、秦祁河、大咸河、团结沟、关川河五个河谷灌区组成，设计灌溉面积17.342万亩，其中安定区12.25万亩。目前，安定区芹菜种植片带除东河、西巩河、称沟河沿岸外，其它区域全部在引洮供水一期受益区范围内。通过对九甸峡上游岷县出境段水质分析，洮河干流天然水化学特性矿化度总体在300mg/L左右，除总氮外含量多年平均值1.92mg/L较高外，其它指标全部能达到GB 3838—2020《地表水环境质量标准》中Ⅰ类水质标准。

2.3.3主要化学及有机物含量

选择GB 5084—2005《农田灌溉水质标准》、GB 3838—2020中对土壤理化性质及作物生长发育所需大量元素有影响的全盐量、pH、总氮、氨氮、总磷、铁、钾、钙、镁等指标对不同灌溉水源水质进行检测，结果见表1。

表1 不同灌溉水源主要化学及有机物含量状况

3 试验结论与分析

试验设引洮外调水灌溉(WS)、引洮外调水和浅层地下水交替灌溉(WA)、当地浅层地下水灌溉(WG)3个处理。通过查阅网络信息，有提出芹菜生长适宜土壤相对含水量70%～80%，空气相对湿度为60%～70%的建议。本试验地点处西北黄土高原区，气候及芹菜生长土壤环境与华北及中原区域差异较大，由于无试验设计参考资料，试验以当地群众经验灌溉制度作为试验依据，不设置土壤含水率上下限。土壤水分含量测定的具体办法是每隔3d用土钻取样烘干法测定。

3.1 试验灌水定额

试验小区为4m×4m小畦，试验地田间持水率通过“围框淹灌法”测定为24%，土壤容重平均值1.5g/cm3。土壤湿润比为1，计划湿润层深度为1m，净灌水定额为36m3/亩(54mm)。灌水时用管道输水到小区，水量用水表测得，便于控制。

芹菜在田间水分消耗包括芹菜叶茎的蒸腾、棵间蒸发、土壤深层渗漏、地表浅层径流流失等主要途径。其中芹菜蒸腾是芹菜体内水分通过叶片气孔扩撒到大气中的现象，是芹菜叶茎及根部的有效水量。由于芹菜棵与棵之间的蒸发可以增加地面附近空气的湿度，对芹菜生长周围环境有利，但绝大部分是无益的消耗，在缺水地区或降雨量少的季节尽量采取措施，避免减少棵间蒸发。当叶面积指数较低时，土壤蒸发可占蒸腾蒸发量的很大比例，尤其是在土壤表面经常潮湿的情况下。同时，还随灌水方法、灌水技术的不同而变化显著。该试验研究不同灌溉水质对土壤水分、农田耗水特征的影响，探讨不同灌溉水质下的芹菜的水分利用效率。

3.2 生育期内灌溉及降雨情况

2019年芹菜生育期内各处理共灌水16次(发芽期6次、幼苗期4次、叶丛伸长期4次、心叶肥大期2次)，灌溉定额864mm(发芽期324mm、幼苗期216mm、叶丛伸长期216mm、心叶肥大期108mm)，合576.28m3/亩，全生育期内超过10cm的有效降雨10次200.3mm(发芽期2次41.7mm、幼苗期2次34.7mm、叶丛伸长期5次110.5mm、心叶肥大期1次13.4mm)。如图1所示。

图1 芹菜生育期内灌溉及降雨情况

3.3 生育期内土壤水分变化动态

土壤水分是土壤4大主要生态要素——水、肥、气、热中最为活跃的要素。它不仅是各种土壤养分的溶剂，而且还会影响土壤的通气性和热状况以及土壤养分在土体中的运移和转化。土壤含水量的时空变化也会对土壤的物理、化学和生物过程产生综合影响，而这种综合作用必然会影响土壤气体中O2的消耗、CO2等气体的产生和排放，从而影响土壤通气性。另外，土壤中有效水含量和通气性的时空变化也会影响根系的结构和活性。芹菜生育期内土壤水分变化动态如图2所示。

由图2中看出，不同灌溉水质，芹菜生育期内土壤含水率变化趋势基本相同，显示为灌水与降雨前后上升和下降的交替出现。所有处理一次灌水或降雨后，土壤水分陡然增大，之后1～2d内快速降低，之后降低速率变缓，并达到较稳定的状态。在发芽期(约30d)，WS、WA处理灌溉后土壤水分含量峰值、谷值明显高于WG处理；在幼苗期前期(约15d)，WS、WA、WG处理灌溉后土壤水分含量峰值、谷值基本重合，之后WG处理灌溉后土壤水分含量峰值、谷值明显高于WS、WA处理，直到心叶肥大期后期。整个生育期内，所有处理土壤水分在20%以上的区间变化，峰值超过24%(田间持水量)，主要原因是灌水后土壤水分未达到稳定状态所致。芹菜生育期内平均土壤水分含量见表2。

图2 芹菜生育期内土壤水分变化动态

在灌溉时间、灌溉次数、灌水定额相同的情况下，各处理生育期内土壤水分含量平均值分别为WS处理22.93%、WG处理23%、WA处理22.91%，分别为田间持水量24%的95.53%、95.83%、95.47%。从表2看出，在发芽期用地表水灌溉的WS、WG处理土壤水分含量23.03%，较用浅层地下水灌溉的WG处理土壤水分含量22.43%高0.6%，有利于种子萌发。而在幼苗期及之后，在保持土壤较高水分含量的情况下，WS处理较WG处理土壤水分含量低，其中：幼苗期WS、WA处理土壤水分含量平均值22.95%，为田间持水量的95.63%，较WG处理23.35%低0.4%。叶丛伸长期WS处理土壤水分含量平均值23.06%，为田间持水量的96.08%，较WG处理23.46%低0.3%。心叶肥大期WS处理土壤水分含量平均值22.93%，为田间持水量的95.54%，较WG处理23%低0.07%，有利于根系的呼吸及作物生长。

表2 芹菜生育期内平均土壤水分含量统计

3.4 灌水对土壤水分变化的影响

以播种后5月24日第一次灌水为例，分析不同灌溉水源水质灌溉前(5月23日)后(5月24日)土壤水分变化情况。第一次灌溉时，田间无作物，灌溉水量主要为蒸发。灌水前后土壤水分含量变化统计见表3，变化趋势如图3所示。

表3 灌水前后土壤水分含量变化统计

图3 灌水前后土壤水分含量变化趋势

从图1灌水后不同深度水分变化曲线看，WG处理水分曲线与灌溉前相似，均呈“S”型，WS处理呈“<”型，WS处理主要增加了土层表面10cm处的土壤水分含量，WG处理增加了20cm及以下土层土壤水分含量。WS处理表层土壤水分含量较高，有利于种子萌发。同时，100cm处土壤水分在第一次灌水后土壤水分含量变化较大，可能存在水分向计划湿润层以下渗漏的可能，应当对田间持水量和灌水定额进行复核。

从表3看，第一次灌水后各处理0～100cm土壤水分含量明显增加，其中WS处理、WG处理灌溉后土壤水分含量分别为21.04%、22.16%，为田间持水量的87.67%、92.33%。较灌溉前土壤水分含量18.68%分别增加了2.36%、3.48%，相比较浅层地下水灌溉的WG处理，WS处理蒸发耗水更多。主要因素是水分的蒸发不但会受到水量的影响，还会对水质也有影响。因此，采用地表水灌溉后，在发芽期，为减少土壤水分蒸发损失，应采取抑制蒸发的措施。

3.5 不同水源灌溉的水质对芹菜种植蒸散量的影响

芹菜在田间水分消耗包括芹菜叶茎的蒸腾、棵间蒸发、土壤深层渗漏、地表浅层径流流失等主要途径。

3.5.1不同灌溉水质对田间水利用系数的影响

田间水利用系数是田间有效利用的水量(指计划湿润层内实际灌入的水量，也即净灌溉水量)与进入毛渠的水量的比值，是衡量田间工程质量和灌水技术水平的指标[7]。各处理生育期内渗漏水量分别为：WS处理383.7mm，WG处理421.8mm，WA处理359.7mm。其中发芽期WS处理146.7mm，WG处理114.3mm，WA处理146.7mm；幼苗期WS处理67.2mm，WG处理102.8mm，WA处理67.2mm；叶丛伸长期WS处理122.1mm，WG处理161.1mm，WA处理89.4mm；心叶肥大期WS处理47.7mm，WG处理43.7mm，WA处理56.4mm。生育期内农田水量变化见表4。

表4 芹菜生育期内农田水量变化

各处理生育期内田间水利用系数分别为：WS处理0.639，WG处理0.604，WA处理0.662。其中发芽期WS处理0.599，WG处理0.687，WA处理0.599；幼苗期WS处理0.732，WG处理0.590，WA处理0.732；叶丛伸长期WS处理0.626，WG处理0.507，WA处理0.726；心叶肥大期WS处理0.607，WG处理0.640，WA处理0.535。对比分析如图4所示。

田间水利用系数的影响因素较多，而且错综复杂。其主要因素可归纳为4个，即土壤土质的情况、田间布置、计算灌水湿润层深度。本研究在田间工程状况、计划湿润层深度、灌水定额相同的情况下，引起田间水利用系数差异的主要是土壤质地。从图4看出，不同处理田间水利用系数在生育期内变化随机性较大，无明显规律。但从整个生育期来看，利用地表水灌溉的WS处理较浅层地下水灌溉的WG处理田间水利用系数高0.035。

图4 不同灌溉水质田间水利用系数对比分析

3.5.2不同灌溉水质对农田蒸散特征的影响

农田蒸散是指土壤蒸发和植物蒸腾的总和，是土壤-植物-大气连续体系中水分运动的重要过程，是农作物生长发育至关重要的水分和能量来源，是陆面生态系统与水文过程的重要纽带，其强度大小与下垫面条件、植物等有密切的关系。蒸散特征见表5。

由表5可见，芹菜生育期内，WS处理农田蒸散655.3mm，较WG处理604.9mm高50.4mm，较WA处理669.7mm低14.4mm。从各生育期来看，所有处理芹菜在叶丛伸长期农田蒸散量最大，占整个生育期的比例分别为WS处理31.03%、WG处理27.02%、WA处理34.8%。在心叶肥大期农田蒸散量最小，占整个生育期的比例分别为WS处理16.35%、WG处理17.09%、WA处理13.72%。主要原因是叶丛伸长期历时长，达41d，心叶肥大期历时短，仅20d。从生育期耗水强度看，WS处理全生育期平均耗水强度5.6mm/d，较WG处理5.17mm/d高0.4mm/d，较WA处理5.72mm/d低0.12mm/d。从各生育期耗水强度趋势线看，各处理在不同生育均不相同，WS处理呈横向“S”型，WG处理呈“V”型，WA处理呈倒“V”型。WS、WA处理在幼苗期耗水强度最大，达7.12mm/d，较WG处理耗水强度5.54mm/d高1.58mm/d。特别在发芽期，地面裸露无作物覆盖，此时期田间耗水主要以棵间蒸发为主。为确保种子萌发所需湿度要求，同时为节约用水，在这个时段适当采用地面水分蒸发控制方法。

表5 不同灌溉水质芹菜生育阶段农田蒸散特征

3.5.3不同灌溉水质对芹菜水分利用效率的影响

产量是蔬菜耗水(蒸腾蒸发)和产量形成(光合作用)在蔬菜整个生育期积累的结果。蔬菜灌溉不仅对农田蒸发有重要的影响，同时也对蔬菜产量起决定性的作用，因此必须把耗水与蔬菜产量结合起来，才能深层次地分析农田灌溉对蔬菜水分利用的影响。

表6列出了不同灌溉水质在全生育期内的田间蒸散量、产量及水分利用效率。在同一耕作方式、灌溉制度相同的情况下，利用浅层地下水灌溉的WG处理芹菜产量达到9057.97kg/亩，较地表水灌溉的WS处理高1400.31kg/亩，较使用地表水与浅层地下水混灌的WA处理高181.71kg/亩。水分利用效率WG处理为22.48kg/m3，较使用地表水灌溉的WS处理17.52kg/m3高4.96kg/m3，较使用地表水与浅层地下水混灌的WA处理19.86kg/m3低2.34kg/m3。