图1 研究区地理位置图以及试验地分布图(来自GoogleEarth)
Fig. 1 Location map of study area in Heihe River Catchment and the Satellite image (from Google Earth) of observation
摘要 基于水分收支平衡原理, 观测 2012 年生长季张掖绿洲的水分收支分量动态特征, 探究灌溉对绿洲水分收支的影响。结果表明: 1)无降水及灌溉时, 绿洲内 40~100cm 深度的土壤含水量高于 0~20cm 的土壤, 强降水事件对 0~20cm 的土壤含水量影响较大, 而灌溉事件对 0~100cm 的土壤含水量有明显影响; 2)无降水及灌溉时, 绿洲的日均蒸散发(ET)为 2.83mm/d, 降水事件后 3 日蒸散发量为降水之前的 1.16 倍, 灌溉事件之后 2 日蒸散速率为灌溉之前的 1.88 倍, 说明灌溉对绿洲的蒸散发影响更为显著; 3)绿洲生长季水分收支收入项(降水和灌溉, P+I)中, 灌溉占 89.7%, 水分支出项主要为深层渗漏(DP), DP/(P+I)为 81%; 4)2012 年生长季绿洲灌溉需水量为 213mm, 实际灌溉量比灌溉需水量多出 474mm, 远远超出所需, 水资源浪费严重。
关键词 灌溉; 土壤水分; 蒸散发; 水分收支
良好的绿洲生态系统是支持干旱地区可持续发展的前提。干旱区绿洲的社会经济发展, 尤其是农业发展不断地消耗水资源[1–2]。同时, 用水效率低和水资源浪费等问题加剧绿洲水资源的短缺, 导致下游水量减少和荒漠化现象。灌溉是绿洲农业发展的根本, 没有灌溉就没有干旱区农业[3]。随着灌溉面积的扩大和社会经济的快速发展[4–5], 绿洲生态用水与生产用水的矛盾日益突出[6], 干旱区水系统对人类活动的影响也更加敏感。同时, 大规模引水灌溉造成的灌区地下水位抬升和土壤盐碱化也严重地阻碍区域农业发展[7]。
作为生态系统中物质平衡的一部分, 水分收支可以综合地反映区域环境中植被、土壤和小气候的相互响应以及水文特征[8]。但是, 由于荒漠绿洲过渡带气象要素以及区域内外水热交换的不确定性, 难以获得精确的水分收支动态变化过程。其中, 土壤含水量直接或间接地控制着土壤–植被–大气连续体中的植被条件、土壤理化性质和地下水动态[4–5],因此土壤含水量的变化既关系水分的收入项, 也关系水分的输出项[6–7]。蒸散发是地表水量平衡的重要组成部分, 是地球水循环中关键的水文过程之一[9], 也是陆地表面“土壤–植物–大气”系统水分消耗的主要途径[8]。在全球陆地水循环过程中, 陆地多年平均蒸散发量占多年平均降水量的 61%[10], 在干旱区甚至高达 90%。Contreras 等[11]利用遥感影像研究阿根廷中部的蒸散发, 发现灌溉绿洲的年蒸散量可达 586±22.49mm。Suyker 等[12]发现生长季经过灌溉的玉米地蒸散量为 452mm, 比生长期内降水事件后的蒸散量高 12%。王兵等[13]对民勤绿洲–荒漠区的研究显示, 水分输入大部分靠降水和土壤水分的水平运动补给, 蒸散发是系统的主要输出项。雷志栋等[14]对喀什噶尔河和叶尔羌河绿洲灌溉地的研究结果表明, 消耗项中蒸散发可达 80%~ 90%, 渗漏补给可达 14%, 降水可达2%。
水资源的合理开发利用是维系绿洲生态系统的关键, 水分收支的准确量化是合理利用水资源的前提。因此, 本研究通过野外现场观测, 定量地探究绿洲水分收支规律, 明确绿洲的土壤水分和蒸散发特征, 并探求灌溉这一额外的水分收入项对水分收支状况的影响, 以期为绿洲保护和水资源持续利用提供科学指导。
如图 1 所示, 张掖市地处甘肃河西走廊中部, 黑河流域中上游, 属于温带大陆性气候区, 干旱指数为 15。全年日照时数为 3087 小时, 年太阳辐射量为 133.36~148.42kcal/cm2, 年平均风速为 2.07m/s, 多年平均气温为 7.47°C, 多年平均降水量为 129.43mm, 多年平均湿度为 51.78%。地表水资源包括河流和冰川两部分, 河流主要有黑河及其支流梨园河、洪水河等 26 条, 均发源于祁连山高中山纵深地带; 冰川是地表径流稳定而持久的补给。该区总面积为 4.19×104km2, 适宜发展农业, 但由于降水量较少, 农业需水大多来自黑河。
图1 研究区地理位置图以及试验地分布图(来自GoogleEarth)
Fig. 1 Location map of study area in Heihe River Catchment and the Satellite image (from Google Earth) of observation
经过野外勘察, 选取位于张掖市甘州区长安乡的绿洲观测区 1 号观测点, 架设波文比观测系统和土壤水分仪。该观测点地理坐标为 38°53′34.4′′N, 100°21′27.9′′E, 主要植被类型是辣椒, 代表观测区典型的蔬菜种植区域。
根据文献[15], 绿洲农田水分收支方程式为
P+I+CR+DW=ET+ΔQ+R+DP, (1)
式中, P 为降水量(mm), I为灌溉量(mm), CR 为毛管上升水(mm), DW 为凝结水(mm), ET 为波文比实测蒸散发量(ET=E+T, E 为土壤蒸发量, T 为植被蒸腾量)(mm), ΔQ 为土壤含水量的变化量(mm), R 为地表径流量(mm), DP 为下渗量(mm)。
张掖观测区属于农田生态系统, 水分输入项有降水、灌溉和凝结水。同时, 由于降水和灌溉强度较大, 会有渗漏现象发生[16]。即, 输出项为蒸散发和渗漏。毛细上升流的作用可忽略不计, 凝结水因量小且难观测可以假设为0。式(1)简化为:
P+I=ET+ΔQ+DP。 (2)
本研究中, ET 通过波文比实测获得, I 通过实际观测获取, 土壤含水量测定 0~100cm 土层, 通过累计两次灌溉或降水事件之间的土壤含水量变化值, 减去波文比法得出的正蒸散量累积值, 即可得到100 cm以下渗漏量。
采用波文比能量平衡法[17–18]计算平均蒸散发量。2012 年 6—9 月在张掖辣椒地 1 号观测点架设波文比系统, 连续自动观测。观测的基础气象数据包括总辐射、光合有效辐射、净辐射、土壤热通量(5 cm 深度, 2 个重复)、2.5m 和 1.0m 高度的温湿度, 传感器的信息见表 1。气象站采用太阳能驱动, 利用数据采集仪(Campbell CR1000)连续自动观测和记录, 数据采样间隔为 5s, 记录间隔为10分钟。
表1 气象站观测要素
Table 1 Information of meteorological elements
观测要素仪器型号安装高度/m测量精度 相对湿度和气温Skye SKH 20602.5, 1.0± 2%, ±0.2ºC 总辐射Skye SKS 11103<3% 光合有效辐射Skye SKP 2153<3% 净辐射Kipp & Zonen NR Lite 2310 mV/(W∙m−2) 土壤热通量HFP01, HUKSEFLUX−0.0550 μV/(W∙m−2)
土壤水分监测采用时域反射仪法, 观测生长季土壤水分随时间变化及垂直分布, 探讨降雨事件、入渗等对土壤水分影响。土壤水分仪(Delta-T SM300 soil moisture, Delta-T ML2x soil moisture, 英国)的埋深为 2, 4, 10, 20, 40, 60 和 100cm。2012年 6 月 22日至 9 月 16 日, 每 10 分钟记录一次数据, 数据采集器是 Campbell CR1000。
图 2 显示 2012 年 6 月 22 日至 9 月 16 日土壤水分日变化和降水量变化。将土壤分为 0~20, 40~60和 100cm 3 个深度, 观测期内0~20cm 的土壤含水量变化较大, 40~100cm 的土壤含水量整体上变化较小; 0~20, 40~60 和 100 cm 的平均土壤含水量分别为0.368, 0.433 和 0.413 m3/m3。
从图 2 可知, 降水事件对 0~20cm 的土壤含水量影响较大, 6 月 29 日、7 月 9 日和 7 月 28—29 日的降水事件导致 0~20 cm 的土壤含水量急剧增加, 100 cm 处的土壤含水量受到的影响很小。选取观测期内降水强度最大的 2012 年 7 月 9 日(日降水总量为16.9mm), 进一步探讨不同深度土壤含水量的日变化。从图 3 可以看出, 20~100cm 土层对降水几乎无响应, 2~10cm 土层对降水响应较大, 其中 2cm土层土壤含水量增加 0.05m3/m3, 且响应时间随着深度增加而增加, 2cm 响应时间为 40 分钟, 10cm 相应时间则为 2 小时。总的来说, 强降雨(16.9mm 以内)对绿洲观测区土壤含水量的影响限于 2~10cm 土层, 20 cm 以下土层对降水事件几乎无响应。
选取观测期内灌溉事件强度较大的 2012 年 6月 29 日(总灌溉量为 159.97mm), 分析不同深度土壤含水量的日变化(图 4)。可以发现, 土壤含水量在灌溉时刻有明显的突变, 2cm 土层土壤含水量在 30 分钟内增加 0.240m3/m3, 且在各个深度都有明显的响应, 其中 100cm 处土壤含水量 40 分钟内增加 0.050m3/m3。灌溉事件后土壤发生下渗, 各层土壤水分增加, 对土壤水分的影响远大于降水事件。
图2 绿洲区土壤体积含水量和降水量(P)日变化(2012年6月22日—9月16日)
Fig. 2 Daily variation of volumetric soil water content at the 0–100 cm soil profile and precipitation (P) in the oasis (June 22 to Sept. 16, 2012)
图3 绿洲降水日不同深度土壤体积含水量日内变化(2012年7月9日)
Fig. 3 Spatial pattern of volumetric soil water content at the 0–100 cm soil profile in the oasis during the day with precipitation (July 9, 2012)
总的来说, 由于绿洲地表植被覆盖度高, 表层土壤对降水的保持能力较强, 因而强降雨条件下20cm 以下土层不会发生下渗。但是, 由于灌溉强度大, 对土壤含水量及其垂直变化产生较大影响, 这一影响随着深度的增加逐渐变小。
图 5 是 2012 年 6 月 6 日至 9 月 16 日的日蒸散量和日降水量变化。绿洲日蒸散量在 0.59~6.31mm/d之间变化, 平均日蒸散发量为 2.83mm/d。观测期103 天的总蒸散量为 291.6mm, 总降水量 93.4mm, 降水量占蒸散量的 32.0%, 说明绝大部分蒸散量并非来自降水。6—8 月日蒸散量较大, 在 1.37~6.31mm/d 之间变化, 集中在2~5mm/d范围。8—9 月日蒸散量较低, 在 0.59~4.99mm/d 之间变化, 集中在0.6~4mm/d 范围。基于 MODIS 数据和三温模型方法, 计算得出黑河流域的蒸散发量, 中游灌溉绿洲的年蒸散量均值为 331mm[19], 本文结果与之较为一致。何磊等[20]采用波文比–能量平衡方法测得黑河流域中游生长季(6 月 15 日—9 月 20 日)农田蒸散发日均蒸散发为 1.98~4.04 mm/d, 本文测定结果与之较为一致。
观测期内最大的一次降水事件发生在 6 月 26—27 日, 降水总量为 21.0mm。分析该降水事件前后的日降水量和蒸散发量数据可以发现, 6 月 26 日蒸散发量为 3.98mm/d, 6 月 27 和 28 日分别为 1.71和 1.48mm/d, 之后蒸散速率显著提高, 6 月 29 日蒸散发量为 4.63 mm/d, 降水事件后 3 日蒸散量为灌溉前的 1.16 倍, 说明绿洲蒸散发对降水事件的响应有一定的滞后性。这是由于降水事件不会显著地改变植被覆盖度和植被蒸腾, 主要通过增加土壤水分来增加蒸散发量, 而土壤水分的增加需要一定的下渗时间。降水对植被生长的影响在生长季尤为明显。
图4 绿洲灌溉日不同深度土壤体积含水量日内变化(2012年6月29日)
Fig. 4 Diurnal pattern of volumetric soil water content at the 0–100 cm soil profile in the oasis during the day with irrigation (June 29, 2012)
图5 绿洲日蒸散发量和降水量变化
Fig. 5 Variation of daily evapotranspiration and precipitation in the oasis
灌溉等人为活动对绿洲水分收支各项也会产生较大的影响。为了明确灌溉对蒸散速率的影响, 选取观测期最大的一次灌溉事件前后白天蒸散速率和灌溉量数据(图 6)进行分析。灌溉事件发生在 2012年 7 月 11 日和 12 日, 灌溉总量为 226.1mm。灌溉当日蒸散速率变化不大, 11 日白天平均蒸散速率为0.33mm/h, 12 日为 0.19mm/h, 13 日之后明显提高, 13 日白天平均蒸散速率为 0.62 mm/h, 14 日略下降, 为 0.58mm/h。Brunel 等[21]对叙利亚干旱绿洲的研究结果显示洪水事件后田间蒸散发速率显著升高, 本文结果与之较为一致。灌溉日之后两日蒸散速率为灌溉之前的 1.88 倍, 主要是由于灌溉事件提供充足的水分条件, 有利于绿洲地区的蒸散作用。
图 7(a)显示生长季水分收支各项的变化。绿洲水分收入项为降水和灌溉, 总量为 765.85mm, 其中灌溉占 89.7%, 降水仅占 10.3%。绿洲农田生态系统主要水分收入项为灌溉。
从图 7(b)可以发现, 水分支出项主要为深层渗漏, DP/(P+I)为 81%, ET/(P+I)仅为 38%, 土壤含水量的变化量为 17%。100cm 以下渗漏远远超出蒸散发, 是主要的水分支出方式, 大部分水分贮存在100 cm 以下土壤中或成为地下水。
绿洲的 ET/P 为 371%, 蒸散量远远超出降水量, 蒸散发的主要来源为灌溉水等其他水源。土壤含水量的变化量 ΔQ 为负值, 原因可能在于观测期是植被生长旺盛期, 蒸发消耗强烈, 虽然生长季有较多灌溉和降水事件, 但大部分灌溉水以下渗水的形式储存在 100 cm 以下土壤中或成为地下水, 因而呈现表层土壤变干的趋势。由于灌溉量和 100cm 以下渗漏量并非实测数据而是通过土壤水分数据估算获得、波文比蒸散量比蒸渗仪蒸散法的测定值偏大[22]、观测期外的降水或灌溉事件对水分平衡有一定程度的影响, 各种因素导致最终的水分收支各项未达到精确的平衡, 余项值(R)为−16.50mm, 但比水分总收入项(R/(P+I) = −2.15%)小。总的来说, 水分收支各项值较为准确, 收支基本上达到平衡。
图6 绿洲灌溉前后白天蒸散速率变化及对应灌溉量(2012年7月11—14日)
Fig. 6 Diurnal variation of evapotranspiration pre- and post-irrigation measured by Bowen Ratio system in the oasis and corresponding irrigation (July 11–14, 2012)
图7 绿洲观测区生长季水分收支各项值(a)及其占总水分收支项的比例(b)
Fig. 7 Water budget components (a) and its ratio (b) during growing season in the oasis
目前, 张掖灌区作物生长需要的水分(ET)主要来源于降水和灌溉, 因此灌溉需水量是作物需水量(ET)与降水量(P)之差[23]。生长季灌溉需水量为213.03mm, 实际灌溉量比灌溉需水量多 474.22 mm, 远远超出所需, 水资源浪费严重。原因在于当地农业大多采用大水漫灌方式, 节水管理措施落后, 节水意识差[24]。建议通过推进亏缺灌溉方式降低农业用水配额, 避免水资源浪费。
本研究选取河西走廊的张掖作为研究区, 通过研究绿洲的水分收支基本特征, 明确绿洲的土壤水分和蒸散发特征, 并探求灌溉这一额外的水分收入项对水分收支状况的影响, 得到结论如下。
1)无降水及灌溉时, 研究区 40~60 和 100cm 的土壤含水量高于 0~20cm 土壤, 但 0~20cm 土壤含水量波动较大。强降水事件对 0~20cm 土壤含水量影响较大; 灌溉事件对 0~100cm 土壤含水量均有明显的影响, 但随着深度增加, 影响逐渐减小。灌溉对土壤含水量的影响远大于降水。
2)无降水及灌溉时, 研究区的日均蒸散发为2.83mm/d, 降水事件后 3 日为降水前的 1.16 倍, 而灌溉事件之后两日蒸散速率为灌溉前的 1.88 倍, 说明灌溉对绿洲的蒸散发影响更显著。此外, 绿洲蒸散发对降水事件响应的滞后性更明显。
3)绿洲水分收入项为降水和灌溉, 其中灌溉占89.7%, 降水仅占 10.3%; 水分支出项主要为深层渗漏, DP/(P+I)为 81%, ET/(P+I)仅为 38%, 土壤含水量的变化量为 17%。绿洲的 ET/P 为 371%, 蒸散量远远超出降水量, 蒸散发的主要来源为灌溉水, 说明过量的灌溉水通过深层渗漏和蒸散发等方式耗散, 绿洲的水循环过程被人为增强。
4) 2012 年生长季绿洲灌溉需水量为 213.03mm, 实际灌溉量比灌溉需水量多 474.22mm。张掖绿洲农业灌溉方式应改进, 建议减少单次灌溉量, 实行亏缺灌溉, 充分利用水资源, 提高农业用水效率。
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Water Budget Characteristics of Over-Irrigated Oasis in Arid Region of Northwest China
Abstract Based on the water balance equation, a field experiment was carried out to observe the dynamic characteristicof volumetric soil water content during growing season of 2012 and to explore the impact of irrigation on the oasis water budget. The results showed that in the Zhangye oasis, the volumetric soil water content at the depth of 40–60 cm was higher than that at the depth of 0–20 cm during days without precipitation and irrigation. Heavy precipitation has an obvious impact on the volumetric soil water content at the depth of 0–20 cm while irrigation has an obvious impact at the depth of 0–100 cm.The daily evapotranspiration (ET) was 2.83 mm/d during days without precipitation and irrigation. The ET volume of the third day after precipitation increased by 16% compared to the ET volume before precipitation. The ET rate of the second day after irrigation was observed with an increase of 88% compared to the ET rate before irrigation, indicating that the impact of irrigation on ET was more significant than that of precipitation. The primary incomings of the water budget in the oasis was irrigation, which accounted for 89.7% of the total incomings. The main outgoings of the water budget in the oasis was deep percolation (DP), which accounted for 81% of the total outgoings. The irrigation water requirement was only 213 mm during the growing season of 2012, but the real irrigation volume exceeded the irrigation water requirement by 474 mm. Excessive deep percolation and serious water wastage was obvious during growing season due to the heavy irrigation.
Key words irrigation; soil water; evapotranspiration; water budget
doi: 10.13209/j.0479-8023.2020.103
国家自然科学基金(30972421)资助
收稿日期: 2019–11–23;
修回日期: 2019–12–25