不同水分條件下冬小麥農(nóng)田蒸散研究

胡程達(dá)　劉榮花　張永錄

摘要：利用大型稱重式蒸滲儀研究不同水分條件下（T1自然生長，T2土壤相對濕度為50%～60%，T3土壤相對濕度為70%～80%）冬小麥農(nóng)田蒸散狀況，并利用氣象要素建立不同水分條件下蒸散模型。結(jié)果表明，影響冬小麥農(nóng)田蒸散的主要氣象要素在冬小麥不同發(fā)育期、不同水分條件下均有所改變。具體表現(xiàn)為不同水分條件下冬小麥農(nóng)田蒸散日變化總體上呈現(xiàn)單峰變化趨勢，不同發(fā)育期出現(xiàn)峰值的時間點不一致，不同發(fā)育期日總蒸散量均為T3>T1>T2。冬小麥農(nóng)田蒸散量總體表現(xiàn)為拔節(jié)期受氣溫影響較大，孕穗期及發(fā)育期T1、T3處理下總輻射對蒸散量影響較大，空氣濕度對冬小麥農(nóng)田蒸散量具有明顯負(fù)效應(yīng)；T2處理下冬小麥農(nóng)田蒸散量日變化和日總蒸散量受干旱累積效應(yīng)的影響，從孕穗期開始表現(xiàn)出對外界氣象要素的變化響應(yīng)不明顯。建立了不同水分經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，可供作物蒸散量估算?/p>

關(guān)鍵詞：冬小麥；大型稱重式蒸滲儀；農(nóng)田蒸散；氣象要素

中圖分類號： S512.1+10.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0484-04

近年來，我國部分地區(qū)的極端氣候事件如干旱等發(fā)生頻率、強(qiáng)度增加，影響面積大、造成的經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重[1]。蒸散是陸地系統(tǒng)水循環(huán)的重要組成部分，在全球尺度上蒸散量可占總降水量的60%以上，在干旱區(qū)這個比例還要高[2]。農(nóng)田蒸散是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中水分消耗的主要形式，作物用水的99%通過蒸騰而散失。因此準(zhǔn)確地估算農(nóng)田蒸散過程和機(jī)制對于研究作物生育期的水分消耗規(guī)律、提高水分利用效率、發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)有著十分重要的意義[3]。農(nóng)田蒸散研究一直廣受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，已經(jīng)取得了較多的研究成果[4-5]。但是關(guān)于不同水分條件下冬小麥農(nóng)田蒸散特征的研究相對較少。筆者開展了不同水分條件下冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)蒸散試驗研究，從冬小麥自身和水分供給綜合探討了影響蒸散的主要氣象因子，旨在為增強(qiáng)冬小麥適應(yīng)氣候變化能力提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗在鄭州農(nóng)業(yè)氣象試驗站進(jìn)行。該站位于34°43′N、113°39′E，屬半濕潤偏干旱地區(qū)、北溫帶大陸性季風(fēng)氣候。試驗小區(qū)為冬小麥—夏玉米輪作區(qū)，土壤為沙壤土，有機(jī)質(zhì)含量14.1 g/kg，全氮含量0.99 g/kg，堿解氮含量89.2 mg/kg，速效磷含量29.9 mg/kg，速效鉀含量90.6 mg/kg。按 460 kg/hm2 的復(fù)合肥（N、P2O5、K2O含量分別為18%、19%、13%）作基肥一次掩底施入。供試作物為當(dāng)?shù)刂髟云贩N鄭麥366。本研究主要利用2015年拔節(jié)期-灌漿期冬小麥農(nóng)田蒸散資料。試驗小區(qū)總體為自東向西一字排開。共設(shè)置3個水分處理梯度，分別為自然生長（T1）、土壤相對濕度50%～60%（T2）和土壤相對濕度70%～80% （T3），測定土層深度為50 cm。每個小區(qū)長2 m，寬2 m。利用人工防雨棚防止自然降水的影響，人工取土測定試驗小區(qū)內(nèi)0～50 cm土層含水率，每周測定1次土壤濕度，根據(jù)土壤密度計算相對濕度，土壤烘干稱質(zhì)量后回填。人工測墑結(jié)果小于設(shè)定相對濕度5百分點時，開始對小區(qū)定量灌水，確保不同處理下土壤濕度恢復(fù)至預(yù)先設(shè)定值。

1.2 測定指標(biāo)

利用大型稱重式蒸滲儀測定冬小麥農(nóng)田蒸散量。大型稱重式蒸滲儀含原狀土體，質(zhì)量約15 t，面積 4 m2，深 2.5 m，測量精度達(dá) 0.02 mm。利用大型儀器正北方50 m鄭州市氣象局氣象觀測場資料作為氣象要素。蒸散日變化選取的氣溫、總輻射、空氣濕度選取逐小時平均值，不同發(fā)育期選取逐日平均值。選擇的是10 min風(fēng)速的小時和日平均值。冬小麥拔節(jié)前基本沒有降水，拔節(jié)中后期即3月16—26日降水量 15.8 mm，3月31日至4月5日（孕穗期）降水量62.9 mm，4月18日至4月19日降水量16.4 mm，5月1—2日和5月7—8日（灌漿期）降水量80.1 mm。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 19.0軟件并進(jìn)行顯著性檢驗，利用回歸分析構(gòu)建不同水分的蒸散模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同發(fā)育期蒸散量的日變化狀況

選擇典型晴天從當(dāng)日00：00—24：00每1 h記錄1次蒸散量。從圖1可知，不同發(fā)育期不同水分處理條件下，冬小麥農(nóng)田蒸散日變化均呈現(xiàn)先升高后降低的單峰變化趨勢，單峰型主要出現(xiàn)在08：00—20：00。不同發(fā)育期不同水分處理條件下冬小麥農(nóng)田蒸散量日變化特征有所不同。具體表現(xiàn)為，T1和T2處理組蒸散量均是從08：00開始增大，T3處理下蒸散量開始增大的時間略早于T1和T2處理組，其中拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期不同水分處理下日蒸散量變化趨勢基本一致，峰值均出現(xiàn)在12：00—16：00之間，均表現(xiàn)為T3>T1>T2。抽穗期T1處理組峰值出現(xiàn)在10：00，T2處理組沒有明顯峰值出現(xiàn)，這主要是因為水分供給不足和干旱對冬小麥造成一定程度的損害，同時蒸騰作用減少所致。

2.2 蒸散量的日變化與氣象要素之間的關(guān)系

由表1可知，不同水分條件下，拔節(jié)期和灌漿期冬小麥農(nóng)田蒸散量日變化與逐小時平均氣溫、輻射和相對濕度都有較好的相關(guān)性（干旱處理除外），相關(guān)系數(shù)均明顯高于風(fēng)速；而到孕穗期和抽穗期與輻射相關(guān)性較好，風(fēng)速相關(guān)系數(shù)較拔節(jié)期明顯增大。拔節(jié)期，T1處理下冬小麥農(nóng)田蒸散量日變化與平均溫度和空氣濕度均為顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對值無明顯差別，均大于輻射和風(fēng)速；T2和T3處理下蒸散日變化與氣溫、輻射、空氣濕度相關(guān)系數(shù)絕對值無明顯差異，均明顯大于風(fēng)速。這主要是由于拔節(jié)期總體氣溫較低，而且晴好天氣一天溫差相對較大，同時此時也是冬小麥快速生長的階段，溫度在一定程度上決定了冬小麥的生理活性，冬小麥蒸騰作用較強(qiáng)，表現(xiàn)為冬小麥蒸散量與氣溫相關(guān)性較好，同時相關(guān)系數(shù)還表現(xiàn)出隨著土壤濕度的減少而變小。孕穗期-灌漿期，T1和T3處理下冬小麥蒸散日變化與溫度和濕度相關(guān)性明顯低于與輻射的相關(guān)性，并且與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)明顯增大；T2處理下小麥孕穗期與輻射的相關(guān)系數(shù)明顯降低。這主要是由于此時溫度比較適合冬小麥生長，輻射增強(qiáng)更有利于冬小麥光合作用和蒸騰作用，同時風(fēng)速也會降低冬小麥田空氣濕度，導(dǎo)致冬小麥氣孔內(nèi)外氣壓差增大，利于冬小麥蒸騰；但是由于T2處理下冬小麥此時受干旱影響累積效應(yīng)，對冬小麥造成傷害，導(dǎo)致氣孔關(guān)閉、氣孔導(dǎo)度降低、蒸騰速率下降[6]，以致小麥對外界環(huán)境條件不敏感。灌漿期不同水分條件下冬小麥農(nóng)田蒸散量日變化規(guī)律總體與孕穗期和抽穗期一致，只是T2處理下冬小麥農(nóng)田蒸散量與氣溫顯著相關(guān)，這可能是由于此時冬小麥葉面積指數(shù)大幅下降，氣溫較高，棵間蒸發(fā)增大，這與梁文清等研究結(jié)果[7]基本一致。在拔節(jié)期和灌漿期，所有水分處理下冬小麥農(nóng)田蒸散量與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)基本均明顯小于與氣溫和輻射的相關(guān)系數(shù)；在孕穗期和抽穗期，T1和T3處理下蒸散日變化與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)大于氣溫、略小于輻射，T2處理下相關(guān)系數(shù)則表現(xiàn)為風(fēng)速大于氣溫和輻射。這可能是由于風(fēng)速增大雖然會造成冬小麥葉片內(nèi)外飽和水汽壓增大，利于水分以蒸騰形式擴(kuò)散，相關(guān)性明顯增強(qiáng)，但是因風(fēng)速增大而增加的蒸散量遠(yuǎn)小于輻射帶來的蒸散量。拔節(jié)期和灌漿期以晴天為主，孕穗期和抽穗期以陰雨為主。干旱條件下，風(fēng)速除了能增加冬小麥蒸騰作用外還增加了棵間蒸發(fā)量，同時由于總體蒸散量較小，因此風(fēng)速所起的作用相對較大。

2.3 不同發(fā)育期蒸散量變化

由圖2可以看出，不同發(fā)育期冬小麥農(nóng)田日總蒸散量均表現(xiàn)為T3>T1>T2，T3處理波動幅度較大，T1和T2波動幅度相對較小。具體表現(xiàn)為，在孕穗期和灌漿期不同水分處理冬小麥農(nóng)田蒸散格局較為明顯，在這2個發(fā)育期后期，T1、T2處理則出現(xiàn)了差異不明顯的狀況；而拔節(jié)期和抽穗期T3明顯高于T1、T2處理，T1、T2處理之間雖然總蒸散量T1>T2，但是在這2個發(fā)育期中間有時差異不明顯，甚至出現(xiàn)T2>T1的情況，產(chǎn)生這樣情況的原因這可能是T2處理當(dāng)水分條件下降到50%后，需要灌水，灌水后可能也會在一定程度上增加蒸散量；而T1、T2處理總體蒸散量較小的原因主要可能是拔節(jié)期冬小麥T1、T2處理土壤相對濕度較小，冬小麥通過減少蒸騰作用而減少土壤水分損失，而在抽穗期出現(xiàn)上述狀況的原因可能是T1處理前期受到干旱影響，雖然到抽穗期干旱解除后，冬小麥已經(jīng)受到較重的影響，氣孔導(dǎo)度降低，蒸騰作用減少，T2處理可能是受土壤濕度和干旱影響共同作用造成蒸散量較小。而到灌漿期后T1處理明顯高于T2處理，主要是由于T1處理干旱解除后，冬小麥自我恢復(fù)效果較明顯，加之土壤濕度較大，后期葉面積指數(shù)相對變小，棵間蒸發(fā)增大等因素共同作用的結(jié)果；T3總體上蒸散量較大，主要可能是冬小麥長勢良好，土壤濕度和蒸騰作用較強(qiáng)造成的。以上研究表明，冬小麥農(nóng)田蒸散量的變化與土壤水分和冬小麥自身長勢狀況密切相關(guān)，這與甘卓亭等研究結(jié)果[8]基本一致。

2.4 不同發(fā)育期蒸散量變化與氣象條件之間的關(guān)系

從表2可知，不同水分處理不同發(fā)育期冬小麥農(nóng)田蒸散量表現(xiàn)為拔節(jié)期與平均氣溫相關(guān)系數(shù)較大，孕穗期及以后發(fā)育期逐漸表現(xiàn)為與輻射相關(guān)性增強(qiáng)（T2處理除外）。不同水分處理下空氣濕度總體與蒸散量負(fù)相關(guān)。T2 處理組下，小麥孕穗期蒸散量與輻射顯著正相關(guān)。拔節(jié)期冬小麥農(nóng)田蒸散量與溫度和總輻射均具有明顯相關(guān)性，不同水分處理下冬小麥農(nóng)田蒸散量與氣溫的相關(guān)系數(shù)均大于輻射。這可能是由于冬小麥拔節(jié)期氣溫相對較低，造成冬小麥自身的生理生化反應(yīng)受到一定程度的抑制，隨著溫度升高，冬小麥自身活性增強(qiáng)，因此蒸散量與氣溫顯著正相關(guān)，這點與日變化的原因基本一致。孕穗期至灌漿期，T1、T3處理下，冬小麥蒸散量與總輻射相關(guān)系數(shù)比與平均氣溫的相關(guān)系數(shù)大，說明日均氣溫逐漸升高，氣溫較適合冬小麥生長，且T1、T3處理下水分條件較好，冬小麥光飽和點較高，輻射增強(qiáng)利于冬小麥進(jìn)行光合作用和蒸騰作用，同時風(fēng)速增大利于水分以蒸騰方式的散失；孕穗期T2處理下，由于冬小麥?zhǔn)艿礁珊档挠绊?，較強(qiáng)輻射容易造成冬小麥氣孔關(guān)閉，冬小麥蒸散量與總輻射相關(guān)系數(shù)較小，冬小麥?zhǔn)艿絺Γ陨碚{(diào)節(jié)能力減弱，溫度升高時，只有通過增強(qiáng)蒸騰作用來降低自身溫度；抽穗期—灌漿期，T2處理下，由于冬小麥?zhǔn)艿礁珊档睦鄯e傷害較為嚴(yán)重，為保護(hù)自身不受傷害，減少水分散失，會關(guān)閉葉片氣孔，以致對外界環(huán)境反應(yīng)不敏感，冬小麥?zhǔn)艿礁珊涤绊?，光飽和點降低，但這時期總輻射總體較強(qiáng)，光強(qiáng)很容易達(dá)到并超過冬小麥光合作用飽和點，出現(xiàn)光抑制[9-10]，這就解釋了在抽穗期和灌漿期冬小麥農(nóng)田蒸散量與輻射具有弱負(fù)相關(guān)的現(xiàn)象?？傮w上，冬小麥農(nóng)田蒸散與空氣濕度存在明顯的負(fù)相關(guān)，主要是由于空氣濕度較大，致使葉片與外界水氣壓差越小，不利于冬小麥葉片蒸騰[11]，這是冬小麥葉片氣孔在不同水分條件下對空氣濕度反應(yīng)不同的主要原因。冬小麥農(nóng)田蒸散量不僅和氣象條件密切相關(guān)，同時還受其生理生化特性的影響。

2.5 冬小麥蒸散耗水模型

經(jīng)SPSS回歸分析，利用日平均溫度（T）、總輻射（R）、空氣濕度（U）和風(fēng)速（V）建立冬小麥不同水分條件蒸散模型形式如下：

ETT1=-0.09T+0.002R-0.12U+0.572V（R2=0.664）； 以上3個模型均通過了P<0.05的顯著性檢驗，從上述不同水分條件下的蒸散模型的R2可以看出，T3處理模擬效果最好，T1次之，T2最差。上述冬小麥農(nóng)田蒸散模型參數(shù)相對較為簡單，只要有每日平均溫度、總輻射、空氣濕度、風(fēng)速即可估算農(nóng)田蒸散量。

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，不同水分條件下冬小麥農(nóng)田蒸散日變化總體上呈現(xiàn)單峰變化趨勢，不同發(fā)育期峰值出現(xiàn)時間有所改變；不同發(fā)育期冬小麥農(nóng)田日總蒸散量總體上表現(xiàn)為T3>T1>T2，T3處理下水分日蒸散量總體波動幅度較大，T1處理和T2處理下波動幅度相對較小。冬小麥農(nóng)田蒸散量總體表現(xiàn)為拔節(jié)期受氣溫影響較大，孕穗期及發(fā)育期T1、T3處理下總輻射對蒸散量影響較大，空氣濕度對冬小麥農(nóng)田蒸散量具有明顯負(fù)效應(yīng)；T2處理下冬小麥農(nóng)田蒸散量日變化和日總蒸散量受干旱累積效應(yīng)的影響，從孕穗期開始表現(xiàn)出對外界氣象要素的變化響應(yīng)不明顯；利用氣象數(shù)據(jù)建立不同水分條件蒸散模型可用于一定土壤水分條件下的蒸散量估算。

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