07-第七章-旱地蓄水保墒技术-节水农业概论-山西农业大学

节水农业概论山西农业大学孙敏山西农业大学第七章旱地蓄水保墒技术农田土壤水分状态1作物的水分胁迫与水分调控2农田蓄水保墒3旱地土壤的蓄水技术4旱地土壤的保水技术5我国干旱地区水资源主要依赖于自然降水和人工灌溉。土壤是多孔介质，大小不同的各种颗粒间存在大大小小的许多孔隙，自然降水或人工灌溉后，水分受重力作用沿土壤孔隙下渗，下渗过程中，水分因土粒分子引力或毛细管引力作用而被保持在土体中，形成容量庞大的“土壤水库”。研究结果表明，不同土质土壤的库容能力不同，1米深黄土可蓄水250~300㎜，即1米深黄土层可蓄水2400~3000m3/hm2。土壤耕层构造由耕作土壤及其覆盖物组成，是人类耕作加工土壤后形成的犁地层、内部结构表面形态及覆盖物的总称。其中表面形态和覆盖物决定了大气与土壤水、气、热的关系，造成好气、嫌气性土壤环境，进而控制好气、嫌气性生物学过程，是使耕层土壤养分的消耗积累进程发生变化的主要因素。土壤耕层是“土壤水库”的主要蓄水保墒层，此层中水存在3种形态：固态、气态和液态。其中液态水主要存在于土粒周围及毛细管孔隙内，对作物根系吸收有重要作用。液态水按其在土粒间的理化特性可分为：吸湿水、薄膜水、毛管水、重力水和地下水。第一节农田土壤水分状态吸湿水吸湿水是受土壤颗粒表面分子吸附作用束缚在土粒表面的水分。由于受分子引力达几千甚至上万个大气压，因而不能被植物根系吸收利用。薄膜水土壤颗粒周围与水分接触时的分子引力将水吸附到其表层，形成一层膜状液态水称为薄膜水，薄膜水所受分子引力约633,281.25~3,141,075.00帕，而作物根毛吸水力约为1,519，875帕，因此仅有部分薄膜水可为作物吸收。重力水土壤含水量达田间持水量后，超量水分在重力作用下，沿土壤大孔隙下渗的水分称重力水。重力水很快下渗至耕层以下，不能给作物持续供水。毛管水毛管水是土壤颗粒中细小孔隙的表面张力吸持在土壤中的水分。毛管水所受引力仅为28，371.00~633,281.25帕,可全部为作物吸收利用，具有溶解养分，运动迅速等特点，可不断供给作物耗水。毛管水是土壤水分特别是干旱地区农田土壤水中最重要的部分。它又可分为毛管悬着水和毛管上升水。毛管悬着水指在地形部位较高，地下水位较深，降水或灌水后，借助毛管引力保持在上层土壤中的水分。毛管悬着水达最大时的土壤含水量称田间持水量，它是植物利用有效水的上限，也是计算灌溉量进行节水灌溉的重要参数。毛管上升水系指在地形低洼地区，由于地下水位浅，借毛管作用上升的水分。毛管上升水达最大时的土壤含水量称毛管持水量。第二节作物的水分胁迫与水分调控水是作物体重要的组成部分，在植物的生命活动中起着十分重要的生理生态作用。植物主要通过根系从土壤中吸收水分，靠体内输导系统输送到各个组织中去。植物体的水分状况由水分收入和支出两个方面决定，植物体内的水分入不敷出时，植物处于水分胁迫状态。水分的收入主要依靠作物根系吸取。土壤水分亏缺及作物根系吸水不足，就会产生作物体内的水分胁迫。水分胁迫影响作物一系列的生理生化过程，水分亏缺时，作物气孔开张度将变小，以降低蒸腾作用来调节作物体内水分平衡关系。但气孔变小也减少了光合作用所需的原料——二氧化碳进入叶片，光合强度下降，同时，由于物质与能量交换被削弱，叶片温度升高，容易造成叶绿素结构的破坏，降低光合效率，而且作物的呼吸作用加强，有机物质积累减少，营养物质运输缓慢，造成作物生物产量下降。影响作物光合作用的水分利用效率(指蒸腾1公斤的水所能同化的二氧化碳克数)的四个环境因子是光合有效辐射、土壤水势、气温和土壤盐分。随着气温的升高和土壤水势的降低，水分利用效率提高。当土壤水分亏缺时，土壤水势增大，作物的蒸腾系数变大，水分利用效率下降。虽然土壤缺水时，能量平衡中潜热交换减少。作物冠层气温会有所升高，有利于提高水分利用效率，但可能会造成升温幅度过大，超出适宜温度范围，反而限制了同化作用，影响水分利用效率的提高。综合考虑温、水的影响，在土壤缺水时，会降低光合速率与水分利用效率。所以，在北方旱农地区的旱作农田，提高作物产量意味着提高作物的光合效率和水分利用效率，同时也意味着作物耗水量的增加。相反，农田缺水限制了作物产量的提高。因此，在水分来源有限的情况下，需要通过农田水分调控技术来实现有限水源的合理利用。改变下垫面的状况，以影响能量平衡收支状况。不同下垫面的能量平衡状况不一，人类可以通过一系列的农业措施来改造下垫面，使近地气层的能量分配和农田水分状况发生变化，创造出干旱气候下有利于作物生长发育的微气候环境。改变土壤结构和土壤水分常数，培育良好的土壤水分库容结构，通过土壤对季节性水分亏缺进行调节，使作物形成理想的株型，沿着正确地生物学轨道发展。调节农田水肥关系，通过培肥地力，可以有效地改善干旱气候条件下作物的生理生化过程，提高作物光合作用强度和水分利用效率，进而实现理想的作物产量。第三节农田蓄水保墒技术原则我国北方旱农地区农田蓄水保墒技术的选择，应充分考虑到自然资源特点、社会经济特征以及生态环境的保护与改善，对影响旱作农业发展的关键因子和薄弱环节进行改造，以达到节水增产的目的。其中关键技术是充分利用当地的自然资源，控制与利用径流，减轻土壤侵蚀退化，提高自然降水的保蓄率和利用率，抑制无效蒸发，提高作物的水分利用率。首先应以当地资源条件和农田水分状况为依据，建立适宜的作物种植方式，耕作体系和轮作制度，来适应干旱环境，提高水分保需率和利用率；其次是对影响作物生长发育和产量的障碍因子以及薄弱环节实施治理和改造，抗御不利因素的影响，所使用的调控技术要具有可操作性，并能产生较好的经济、社会和生态效益。在我国北方主要旱农地区进行的农田水分调控技术研究表明。只要技术合理，措施得当，农田供水和作物需水的矛盾均可在一定程度上得到缓解和解决。特点自然降水进入土壤后，就转化为土壤中的水分．但这些水分是保留在土壤之内以供作物吸收利用，还是通过土壤蒸发散失于大气之中，这主要取决于蓄水之后保水工作是否进行的及时与合理。据有关黄土高原土壤水分移动性的研究，黄土高原上除在雨后不长的时间内有下行水流的在分配外，全年大部分时间土壤水分处于上移过程中，物理蒸发影响的深度可以达到表层以下2~3m的深处．不同深度的土层，其上移蒸发失水的强度也不相同．上部0~100cm土层的失水率可达到田间持水量的40%~60%。100~200cm土层得失水率仅为田间持水量的5%~25%。在旱地农业生产中，大量的冬闲地或夏闲地，都是蓄墒保墒的重点。如夏闲地随处在雨季，但根据西北农业大学观测结果，雨季末期土壤内水分的补给量往往也仅只占到周期降水量的30%~50%，大量的降水热仍消耗于土壤蒸发．由此可见，如何抑制土壤蒸发，使已蓄存于土壤中的水分能更多地用于作物生长，便成为旱地农业中至为重要的一项问题——即保墒问题．当土壤蓄水较多，毛管孔隙大部分充满水分，土壤表面水分气化蒸发时，则毛管孔隙内的水分受毛管力的牵引，迅速上升，补充蒸发的损失，这一阶段即称为毛管运行阶段。此阶段的土壤水分含量，一般均在毛管断裂含水量以上，约相当于群众所称的“黑墒”或“黑黄墒”的土壤湿度范围。此阶段中如欲抑制或减少土壤水分蒸发的损失，就必须进行松土，减少表层土壤与下层土壤的毛管连系，以阻止毛管水上升至地表。地表土壤因为下层毛管水不能及时补给而很快变干，可减少日光对湿润土表的暴晒及干风的吹袭。从而使蒸发量有所降低。根据土壤科学家们的研究，土壤水分的蒸发可分为三个阶段：即毛管运行阶段、薄膜运行阶段及汽态扩散阶段。当土壤水分含量在毛管断裂含水量以下时（相当于黄墒阶段），土壤水分便只能以薄膜形式作液态移动，由水膜厚处向水膜薄处移动、但由于移动缓慢，蒸发率很低，此一时期称为薄膜运行阶段。在此阶段内土壤水分一方面缓慢地移向地表进行蒸发，另一方面在土壤内各孔隙间也可气化，经干土层的大孔隙向大气扩散。这一阶段内调节土壤水分的耕作方法主要是耱地或镇压。耱地有使表土细碎及轻微压实的作用，可以减少表层及土内的大孔隙，阻止汽态水向外扩散，有一定的保墒作用；同时耱地之后，土壤仍有一层较薄的疏松表层，很快干燥后覆盖在湿润的土层上，亦有一定的保墒功能。在下层土壤湿度较高的情况下，用石碾子、钝子、V型或网状镇压器进行镇压，也可以起到接墒、提墒的作用。镇压后，一方面上层土壤变得较为紧实，可以接通已断裂的毛管水，把土壤下层水分引提至上层，以满足种子萌发对水分的要求。另一方面，在下层土壤水分较少的情况下，亦可压碎表面土块及减少土内的大孔隙，阻止汽态水的扩散。据测定，镇压可使上层土壤水分增加1%~2%，并减少地表土壤的蒸发。如镇压后结合耱地，就更有利于保墒。当土壤水分降低至凋萎点左右时，土壤水分的薄膜运行实际上已接近停止，土壤水分的损失主要以气态水向外扩散的方式进行，蒸发速率又降低很多，这时土壤水分运行的阶段称为气态扩散阶段。此时干土层已相当深，必须再有降水或人工灌溉，才能满足作物生长的需要。第四节旱地土壤的蓄水技术各种耕作措施如覆盖、深耕、少耕、免耕、深松及调整种植结构，实行合理轮作、间作、套作、等高种植等均能有效地改善土壤理化性质，加厚土壤耕层深度，扩大和建立良好的土壤库容量，增加降水或灌溉水的入渗，抑制水分蒸发，达到蓄水保墒的目的，从而为干旱地区农业抗旱耕作及节水灌溉提供了保障。在旱农地区，天然降水是农业生产上用水的主要来源。其到达地面后有三去处，一是来不及渗入土壤的水分在地面径流汇入江河；二是经过土壤渗入地下深层成为地下水；三是被土壤截留变成土壤水。只有第三部分的土壤水可供作物利用。在旱农地区，一般都具有较为深厚的土层，经土壤渗入成为地下水的可能很少，水分损失主要是径流蒸发。因此，最大限度减少水分蒸发，阻止径流的产生，增加土壤入渗，防止水土流失对农业生产来说非常重要。在旱地农业生产条件下，天然降水的数量和季节分布与作物生长的需要常常不协调，从而严重地影响作物的产量。例如，春季正是各种春播作物播种的重要时期，但我国北方各地冬春季节恰正值干旱少雨，往往旱得难以下种。所以农谚有“十年九春旱”及“春雨贵如油”之说。再如，冬小麦在陕西关中地区欲保持正常的产量，一般消耗400mm左右的水分，但在冬小麦播种以后至第二年的麦收前的生长期内，常年降雨仅为150mm~200mm，这就需要将播前季节降水充分集中在土壤之中，以补冬小麦在生长期内降水量的不足，或满足春播的需要。翻耕法是我国及北方土壤耕作的主要方法，具有悠久的历史和旺盛的生命力，它所用的主要工具是铧式犁，—般由畜力或机械牵引。翻耕法需要和耙、耱、镇压等表土耕作措施配套．方能为怍物播种提供平整的田面。我国北方干旱地区降水受季风的影响很大，雨量主要集中在7~9月，土壤水分有明显的周期变化。根据土壤水分的变化规律，我国旱农地区常采用蓄水技术主要有以下几项。翻耕法优点：翻转耕层有助于消灭杂草和病虫害；使原来较紧实的耕层变得比较疏松，对增加耕层厚度，增加土壤通透性，促进好气微生物活动和土壤养分的有效化有重要作用；把作物残茬和有机肥翻到耕层内，地表清洁，再通过耙耱建造松碎的种床层；有利于保证播种质量，伏天深翻晒垡，有利于土壤有机质矿化，又可蓄纳雨水；能够创造深厚的耕作层，增大雨水入渗速度和数量，提高农田的耐旱涝能力。也能促进土壤熟化，增厚活土层，充分发挥肥效。有利于作物的根系发育，适时适度地进行深耕，能显著增产。研究表明，翻耕使土壤容重降低0.1g/cm3～0.2g/cm3，非毛管孔隙率增加3﹪～5﹪，土壤持水量增加2﹪～7﹪。深耕过的田地，蓄水量一般比浅耕地多。且打破了梨地层，更便于作物根系下伸吸收利用深层的水分和养料。据山东省农业科学院的资料表明，深耕34cm的田块，小麦根系可下扎到150cm深，而浅耕17cm的田块，小麦根系仅下扎90cm.，另有资料表明，深耕还可以促进根系利用下层土壤的磷素。这对于促进子粒饱满与根系的发育，都有良好作用。农谚说：“深耕一寸，等于上粪”就是这个道理。弱点：传统翻耕法也有其自身固有的弱点，特别是长期使用大中型拖拉机翻耕，其弱点暴露得更为明显，主要表现