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江南丘陵红壤区的农业水资源特征与调控利用——以江西省余江县为例

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江南丘陵红壤区的农业水资源特征与调控利用——以江西省余江县为例

生态环境2007,162549553http//www.jeesci.comEcologyandEnvironmentEmaileditorjeesci.com基金项目国家863项目(2002AA2Z4331)国家自然科学基金项目(49701008)国际科学基金项目(IFS)(D/28721)作者简介王明珠(1940-),男,研究员,主要从事红壤生态资源研究。Emailwmzissas.ac.cn通讯作者收稿日期20061121①有关资料来源于江西省余江气象站、水文站对工程师李平安和推广研究员陈绍荣的支持帮助致以谢意。江南丘陵红壤区的农业水资源特征与调控利用以江西省余江县为例王明珠,程训强,张斌,周睿中国科学院南京土壤研究所,江苏南京210008摘要农业水资源按分布空间分为大气降水、地表水、土壤水和地下水。江南丘陵红壤区的各类水资源特征是大气降水丰沛而时空分配不均地表水多而径流、蒸发量大红壤贮水库容小、深层水多而有效性差地下潜水较多而承压水少。针对上述特征,应因地制宜通过工程、生物、农艺措施进行水资源调控,针对四水进行人工降雨,地表水集蓄,增加土壤深层水、有效水利用和潜水开发等,以蓄丰补欠、趋利避害,提高水资源的利用率。关键词农业水资源特征调控红壤区江南丘陵中图分类号S27文献标识码A文章编号16722175(2007)02054905江南丘陵红壤区位于长江中下游以南,南岭以北、武夷山以西、雪峰山以东的丘陵平原地带,包括赣、湘、浙、皖等省的全部或部分,总面积27.2万km2,约占我国红壤面积的28。由于受东南季风之惠,该区降水丰沛,只是时空分配不均、水热不完全同季,易出现洪涝和伏秋干旱1。因此,剖析其特征,加以相应调控,对提高农业水资源利用率有重要意义。余江县地处武夷山区向鄱阳湖平原的过渡地段,海拔20512m,丘陵红壤及其发育的红壤性水稻土占全县土地面积90,是该区中北部的一个缩影。1农业水资源特征水资源按分布空间分为大气降水、地表水、土壤水和地下水,即所谓四水。相互间常处于不断的运动和相互转化之中,形成了水文循环并保持着某种水量平衡。1.1降水丰沛而时空分配不均从图1①可见,余江19552004年平均降水量1788.8mm,相对湿度7686,属亚热带湿润气候。但水热不全同季,36月为雨季,降水占全年的58.3,且降水集中、强度大,尤其是56月,日降水100150mm的暴雨、大暴雨年均有0.94图1江西省余江县降水、蒸发、相对湿度、干燥度年内变化Fig.TheChangeofprecipitationandevaporation,relativehumidity,drydegreewithinayearinYujingcounty,JiangxiProvince0.050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0123456789101112月月降水、蒸发量mm相对湿度0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0干燥度降水量蒸发量相对湿度干燥度月降水、蒸发量/mm相对湿度月份550生态环境第16卷第2期(2007年3月)次,34年出现一次洪涝79月又高温少雨,月均温2930℃,土温表层(05cm)3143℃,降水仅占全年雨量的19.6,蒸发量却是同期降水1.63倍月干燥度也由16月的0.350.49骤升至710月的1.591.77。由此,近90年份出现早晚不定、长短不一、轻重不等的伏旱、秋旱或伏秋连旱。按发生重旱标准统计,50年平均伏旱或秋旱2.3年一次,伏秋连旱6年一次。上世纪80年代后,干旱频率和强度加大2,1.9年就有一次伏旱或秋旱,2003年和2004年相继出现百年一遇和50年一遇的伏秋连旱,加剧了作物生长旺季、需水高峰的干旱胁迫。灌草植被也出现逆向演替,向旱生、阳性方向发展。1.2地表水多而径流、蒸发量大余江地表水极为丰富,主要来源于降水产生的地表径流和外来水3。径流量30年平均为8.61亿m3,耕地每公顷均占有37995m3,高于全国平均水平13。从表1可见29年平均径流系数0.6,径流量变化与年降水丰、枯正相关,年际差3.9倍。外来水为信江及其支流白塔河上游流入水量,多年平均167.13亿m3,耕地亩均占有高达49168m3。据余江资料统计,50年的年均温17.6℃,年蒸发量1362.0mm,占年降水量76.14。只是影响蒸发量的气象因子年内变异较大,变异系数(CV)为54.35,尤其是79月占全年蒸发42.9年际变异则不大,仅7.13。1.3土壤贮水库容小、深层水多而难用植物生长发育需要土壤有良好的保水供水性能。但红壤的通透库容大,保水性差,贮水库容小,020cm,050cm,0100cm内贮水库容分别为59.9mm,159.2mm和334.5mm,占其总库容的59.4,64.9和69.3。这与相应粘质的黑土、潮土相比,在同样厚土体内,仅为黑土的69.678.7潮土的85.187.04。在贮水库容中,红壤又以植物萎蔫含水量的无效水为主,红壤有效水库容仅占贮水库容的30.235.9,而黑土和潮土则高达49.458.1。由于红壤导水率(K,cmh1)从饱和态时102降低到非饱和态时104数量级。使土体贮水在空间上,有利于水分下渗而不利于向上传导,造成深层水较多而难于及时供给植物吸收。红壤不同土层中的有效水贮量在年际、年内的时空差异有效水贮量随着土体增厚而增多,贮水量分异也渐小相互间比较则雨季旱季丰水年旱年土壤下层除雨季0100cm100200cm外(与上层容重较低有关),一般也是深层上层。上述表明红壤贮水库容小,有效水库容更小,深层水多而向上传导难,浅根旱作物易受干旱胁迫。1.4地下水中潜水较多而承压水少由于丘陵红壤多处于南方山地向平原过渡的堆积地带或镶嵌于山丘沟谷盆地之中,坡较缓、土较厚,下伏着深(1030m)浅(28m)不一、以第四纪红色粘土和砂页岩、玄武岩等基岩发育的红色风化壳5。再向下,则大部为隔水的白垩纪红色粉砂岩或砂页岩、砂砾岩层,厚层状构造,岩石较致密、裂隙不发育,电阻值高,赋水性弱。据区域资料,红岩层厚度多300m,为寻找承压水,近20年6次用音频大地电场仪等物探,实测35条剖面,1855个点数据,发现中下坡、土层厚处浅层潜水较丰富,其下红砂岩层含水断裂或裂隙甚少,电位均值0.116mV,1030hm2才有1个0.02左右的低电位值异常区、带,可能有含水裂隙或断裂带,由此钻探11处,深达80248m、也未见日出100t以上的承压水。为探明潜水开发潜力,对余江县中南部7口潜水井、进行了连续2年多的水位动态监测。图2(下页)表明其水位变化与降水显著相关,雨季高而旱季低,甚至伴随每次大雨而滞后升高。但其升降幅度即水量变化又受地形、地质、生物等诸多因素影响,结合表2数据分析海拔低、中下坡、土层厚、质地轻、距河渠塘库近、林果植被、覆被率大的井潜水量大,反之则小6。2调控利用、提高水资源利用率针对上述四水资源特征,应因地制宜通过工程、生物、农艺措施进行多水源开发利用。从天上至地下,进行人工降雨地表水集蓄土壤深层、有效水利用和地下潜水开发等调控措施,趋利避害,以提高水资源的利用率和灌水效益。表1余江不同频率的径流特征(耙石水文站)Table1TherunofffeatureofdifferentfrequencyinYujiangcounty(BaShihydrologystation)特征值代表年降水量/mm径流量/亿m3径流深/mm径流系数多年平均1093.626.71028.40.60最丰水年52391.344.71722.80.72丰水年201950.933.81302.50.66平水年501653.526.11003.90.60枯水年751472.021.8873.00.55最枯水年951142.011.4442.00.38王明珠等江南丘陵红壤区的农业水资源特征与调控利用5512.1人工降雨由于降水、蒸发呈现不同步变化,伏秋旱紧接降水集中的雨季,并具有频(近20年1.52a/次)、短(1030d)、快(连晴710d即显旱)、浅(表土2030cm)、急(作物、林、果需水高峰)的特点。人工降雨可隨即缓解这类卡脖子旱。据该区气象站常规探空、云和降水资料分析,旱季常有较多的空中作业机会7。近5年鹰潭连续遭遇百年未遇的伏秋连旱和50年一遇的秋旱,多次发射火箭弹增雨,成功率70以上。每次局部降水1030mm,减轻了花生、大豆等旱作的干旱胁迫,增产34.795.6。2.2集蓄地表水2.2.1工程集蓄由于丘岗多远离山体,盆地中高低起伏,缺乏山前侧向补给,导致降水集蓄少,径流量大,年均径流深达1028.4mm,高出全国平均数2.48倍。对此应以小流域为单元,建造山塘、水库等多样工程,在雨季拦截贮存,就能蓄丰补欠,缓解紧隨而来的伏秋旱。上世纪5060年代,余江县利用信江支流白塔河(流域面积648km2)建造自流灌区,相继兴建东、西、新引水枢纽、77座长藤结瓜水库和30多座拦、提水陂坝,引、蓄、提流量53.0m3/s,占本区河川径流量的9.51有效灌溉面积2.253万hm2,占耕地总数的90.8实际引用灌溉流量22.6m3/s,控灌面积1.433万hm2,占耕地的58.7。2.2.2生物集蓄坡面流与植被类型、覆被率密切相关。对几种土壤利用类型的研究表明,坡面流以覆被率60的南酸枣幼树最高,达6.4花生次之,因耕翻增加了土壤入渗,仅为5.4,但坡面流中却增多了悬移、推移固体物质,侵蚀量高达21.06ta1hm2以苦槠、木荷、剌槐、胡枝子为主的乔灌林,郁闭度高、坡面流1.9,侵蚀量0.92ta1hm2,不足花生地的1/3柑桔或南酸枣与花生复合的均小于花生单作的坡面流、侵蚀量也低,分别为花生地的2/31/3。因此,农林复合与造林、栽果(尤其是杨梅、柑桔等常绿果树)均能有效地拦截径流、减少侵蚀,起到集蓄地表水的生物水库作用8。2.3多用深层、有效水红壤贮水的特点是库容小、时空变化大深层水多、有效性差,应从利用类型、布局、耕作、农4/255/105/256/106/257/107/258/108/259/109/2510/1010/2511/1011/2512/1012/251/101/252/102/253/103/254/10012345678井水位距地面距离m孙家2孙家3孙家4嘉森1嘉森3西坂1邓原54/255/105/256/106/257/107/258/108/259/109/2510/1010/2511/1011/2512/1012/251/101/252/102/253/103/254/10050100150200降雨量mm5d1日期(月/日)图22004年4月至2005年4月降水与井水位对应变化Fig.3ThecorrespondingchangeofprecipitationwithwellwaterlevelfromApril,2004toApril,2005表2各井位置的关环境因素概况Table2Relevantenvironmentfactorgeneralsituationofthewellposition井编号kg孙家3孙家4嘉森1嘉森3西坂1邓原5海拔高程/m54.252.253.145.144.234.335.0相对高差/m1.00.51.11.52.43.21.7坡度5245512土层厚度/m6.67.27.010.011.08.07.8土壤质地轻粘轻粘轻粘壤粘壤粘砂壤砂壤利用类型旱作阔叶林梨园苗圃苗圃水稻水稻覆被率301008060706060离渠塘库远近/m12011010016016558河渠塘库高程/m50.350.850.642.041.634.635.6降雨量/mm5d1,井水位距地面距离/mm552生态环境第16卷第2期(2007年3月)艺等措施调控,多用土壤水,尤其是深层水和提高土壤水的有效性。2.3.1退耕还林、林农复合吸收深层水伏秋旱主要出现在红壤表层。退耕还林、农林复合不仅可拦截地表径流,还能促进深层水利用,减少水土流失量。从表3可见苦储、木荷等阔叶林木或农林复合能比单作花生增加持水量18.548.6,有效水增加40.091.1林地中持水量、有效水的比较是阔叶林南酸枣马尾松荒裸地。2.3.2顶林、腰园、谷农布局多用水丘岗土层相对而言,一般是坡顶薄、旱、瘦,应种抗逆性强、保水土的乔、灌、草坡脚厚、肥、润,宜种需水、肥多的稻、菜、青饲料坡腰过渡地段适宜发展能吸心土水、肥的果、茶、桑园,实现充分用土壤水的顶林、腰园、谷农立体布局。2.3.3耕作、农艺增加有效水据测算该区除雨季土壤水分基本饱和外,降水入渗红壤的潜力尚有19003300m3hm2。采取过渡式梯田、等高草带、截流沟或打洞蓄水、挖坑(1m3)垫薄膜等措施,可截贮蓄减少坡面径流,60cm土层增渗水量310。此外,红壤土质较粘重,萎蔫含水量高达1518。通过覆盖保墒、以肥改土调水等农艺措施也可促进土壤水利用。稻草覆盖可减少地表径流和土壤水蒸发,并能增加土壤渗漏,节水量6000thm2,伏秋旱时延缓旱情57d。种植绿肥、增施猪粪可改良土质结构,减少蒸发与加快深层水向上运行,降低无效水。据试验,旱地红壤有机质含量达1.82.0时,萎蔫含水量仅610,比中低肥力红壤提高有效含水量59。2.4开发浅层地下水红壤通透库容表明,降水入渗土壤后,有14.820.5积聚于土体、风化壳岩石裂隙或断裂带中。开发承压水难度大、风险多,必须先物探选择其音频电场电位值低(0.02mV左右)的异常带、区,蓄水层距地表多30100m,机打管状井或真空井,成本也高,每口井投资58万元,出水2060td1,仅在高效经作、经果、花卉、苗圃区,出水50td1才有实用意义。开发潜水主要在土体红色风化壳厚度10m以上,中下坡位,近河(1000m)、渠(200m)、大中型水库,500m)地段,成功率才能高7090。每口筒井、大口井投资0.31.2万元,伏秋旱期间可供水120170t,轮换抽水浇灌柑桔、花生地0.71.0hm2,增产44.7120.8。参考文献1王明珠,姚贤良,张佳宝,等.低丘红壤区伏秋旱的成因、特征及抗旱体系的研究J.自然资源学报,1997,123250256.WANGMingzhu,YAOXianliang,ZHANGJiabaoetal.AstuddyofthecausesandpropertiesofthemidsummerandautumndroughtandthecombatingdroughtsysteminthelowhillredsoilregionJ.JournalofNaturalResources,1997,123250256.2朱仲麟,赵燮京,王昌桃,等.西南地区干旱规律与节水农业问题J.生态环境,2006,154876880.ZHUZhonglin,ZHAOXiejing,WANGChangtao,etal.TherulesofdroughtandthedevelopmentofwatersavingagricultureinsouthwestChinaJ.EcologyandEnvironment,2006,154876880.3BONIG,PARODIA,RUDARIR.ExtremerainfalleventsLearningfromraingaugetimeseriesJ.JournalofHydrology,2006,327304314.4姚贤良.红壤水问题及其管理J.土壤学报,1996,3311420.YAOXianliang.WaterproblemofredsoilanditsmanagementJ.ActaPedologicaSinica,1996,3311420.5黄镇国,张伟强,陈俊鸿,等.中国南方红色风华壳M.北京海洋出版社,1996135177.HUANGZhenguo,ZHANGWeijiangChenJunhong,etal.RedweatheringcrustofSouthernChinaM.BeijingSeaPress,1996135177.6叶川,贺湘逸,熊国根,等.赣东北低丘红壤坡地浅层地下水活动规律研究J.江西农业学报,2001,1341218.YEChuan,HEXiangyi,XIONGGuogen,etal.StudyonmoveableregularityofshallowsubsurfacewaterinlowhillyredsoilregionofregionofnortheastJiangxiJ.ActaAgriculturaeJiangxi,2001,1341218.7周德平,宫福久,张淑杰,等.辽宁云水资源分布特征及开发潜力分析J.自然资源学报,2005,205644650.ZHOUDeping,GONGFujiu,ZHANGShujie,etal.StudyonthedistributioncharacteristicsanddevelopingpotentialofcloudwaterresourceinLiaoningprovinceJ.JournalofNaturalResources,2005,205644650.8黄道友,王克林,黄新,等.丘陵红壤开发的水土资源保护及农业产业化经营模式J.生态环境,2005,141139144.HUANGDaoyou,WANGKelin,HUANGXinetal.TheprotectionofwaterandsoilresourcesofthehillyredsoildevelopmentandbusinessmodelofagricultureindustriesturnthemodelJ.EcologyandEnvironment,2005,141139144.表3林、农及农林复合的水分效应20012002年Table4ThewatereffectofForest,AgricultureandAgroforestryfrom2001to2002复合方式土壤持水量(mmm1)土体有效水(mmm1)流失量/kghm2年经济效益/元hm2南酸枣花生复合30763624.07750南酸枣26852493.03000花生259451352.56000马尾松24661100.91050苦槠、木荷等阔叶林3858671.37050荒裸地20948108.30王明珠等江南丘陵红壤区的农业水资源特征与调控利用553ControlandexploitationwiththefeatureofagriculturalwaterresourcesinredsoilareaofJiangnanhillsAcasestudyinYujiangcountyofJiangxiprovinceWANGMingzhu,CHENGXunqiang,ZHANGBin,ZHOURuiInstituteofSoilScience,ChineseAcademyofScience,Nanjing210008,ChinaAbstractAccordingtothespacedistribution,theagriculturewaterresourceisdividedintofourpartsatmosphereprecipitation,surfacewater,soilwaterandgroundwater.Atmosphereprecipitationisplentiful.However,theresagreatdifferentinvariousspatialandtemporal.Surfacewaterisexcessive,butitseasytorunoffandtheevaporatequantityisenormous.Thecapacityofstoragewaterinredsoilislow,andthedeepwaterisaffluentwithbadquality.Unconfinedwaterisabundancebutconfinedwaterisscarcity.Aimingatsolvingtheaboveproblems,weshouldstrengthourwaterresourcecontrolwithengineering,biologyandagriculture.Andweshouldraisetheeffectofwaterresourcebysomesciencemethodssuchastheartificialmodificationofrain,theamassmentofsurfacewater,theadjustmentofdeepwaterandtheexploitationofunconfinedwater.KeywordsagriculturalwaterresourcesfeaturecontrolredsoilareaJiangnanhills

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