膜下滴灌條件下玉米開花期水流阻力分布規(guī)律

雒天峰，吳建東，白有帥

(1.甘肅省水利科學(xué)研究院，蘭州 730000；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，蘭州 730070)

玉米是一種高耗水作物(Vinketal，1969年；Sarrafetal.，1969年；BennettandHammond，1983年；Musicketal.，1990年；Stoneetal.，1996年)，對干旱非常敏感，產(chǎn)量受需水量的影響較大，干物質(zhì)與作物產(chǎn)量隨著灌水量的增大顯著增加(BeggandTurner，1976年；Oteguietal，1995年；Rhoades and Bennett，1990年；Lammetal，1995年；Yazaretal.，1999年)。面對有限的水資源，如何對玉米用水進(jìn)行科學(xué)管理，將直接影響玉米種植業(yè)的發(fā)展。滴灌作為一種施于作物根區(qū)附近的局部灌水技術(shù)，利用最少的灌水量、獲得最合理的作物-土壤-水分關(guān)系，促使作物產(chǎn)量提高，用水量、肥料用量、耕作成本減少(Mostaghimi和Mitchell，1983年； S Elmaloglou，2009年)。為探索水分在土壤—作物—大氣系統(tǒng)中的傳輸規(guī)律，深刻挖掘和認(rèn)識(shí)作物節(jié)水潛力，基于Phillip于1966年提出的土壤—植物—大氣(SPAC)連續(xù)體概念，Steppe et al,2002年；Chuang et al,2006年；Daly et al,2004年; Daly et al,2004年；康紹忠；冷石林；邵明安；張喜英；劉昌明等國內(nèi)外科研人員針對不同的土壤、作物、氣候環(huán)境，開展了大量的研究工作，對作物生長冗余調(diào)控與缺水補(bǔ)償效應(yīng)理論、根冠通訊理論、作物控水調(diào)質(zhì)理論和有限水量最優(yōu)分配理論進(jìn)行了深入的研究。為進(jìn)一步探索膜下滴灌條件下水分流經(jīng)土壤—玉米—大氣系統(tǒng)的運(yùn)移規(guī)律，將滴灌和地膜覆蓋結(jié)合起來，充分考慮局部濕潤對根系分布規(guī)律的影響及地膜覆蓋對田間小氣候的影響，通過田間試驗(yàn)、數(shù)據(jù)觀測和處理，分析了膜下滴灌條件下玉米開花期土壤—植物—大氣連續(xù)體水流阻力與水勢分布規(guī)律。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

為了分析膜下滴灌條件下土壤—玉米—大氣系統(tǒng)中水分傳輸能力關(guān)系，在石羊河下游的民勤在地處綠洲和騰格里沙漠交界地帶，地理坐標(biāo)東經(jīng)130°05′，北緯38°37′，屬典型的大陸性荒漠氣候，氣候干燥、降水稀少、蒸發(fā)量大、風(fēng)沙多、自然災(zāi)害頻繁。多年平均氣溫7.8 ℃，極端最高氣溫39.5 ℃，極端最低氣溫-27.3 ℃，平均濕度45%，多年平均降水110 mm，多年平均蒸發(fā)量2 644 mm，年日照時(shí)數(shù)3 028 h，光熱資源豐富，≥0 ℃積溫3 550 ℃，≥10 ℃積溫3 145 ℃，無霜期150 d，最大凍土深115 cm。試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)0～60 cm為黏壤土，60 cm以下逐漸由黏壤土變?yōu)樯橙劳粒寥榔骄芏葹?.50 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)田布置

試驗(yàn)測坑長、寬、高為1.8 m×1.2 m×1.8 m，測坑之間用混凝土墻體隔開，下底面用混凝土襯砌，上底面采用白色PE膜覆蓋，采用膜下滴灌模式。根據(jù)灌水量，設(shè)置3個(gè)處理，灌水量分別為450 m3/hm2(A)、525 m3/hm2(B)、600 m3/hm2(C)，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，采用地面膜孔灌作為對照，灌水量為825 m3/hm2(CK)。

1.3 觀測內(nèi)容及方法

(1)土壤含水量與土壤基質(zhì)勢：采用取土烘干法測定土壤含水量，每10天測定1次，每次在各小區(qū)按照0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100、100～110、110～120 cm分層取土，計(jì)算土壤含水量。

圖1是滴灌條件下玉米開花期土壤含水量隨土層深度的變化關(guān)系曲線。由圖1可知，土層深度和灌水量對土壤含水量影響較大。處理W1、W2、W3及CK土壤含水量隨土層變化規(guī)律基本一致，均是隨著土層深度的加深，土壤含水量呈現(xiàn)增-減-增的變化趨勢，而W4處理表現(xiàn)為減-增趨勢，各處理均在40～60 cm土層土壤含水量達(dá)到最小。

圖1 開花期各處理土壤含水量隨土層深度的變化關(guān)系Fig.1 The relationship between soil water content and soil depth of treatments on flowering period

(2)氣孔阻力與蒸騰速率：用美國產(chǎn)LI-6400便攜式光合測定儀測定蒸騰速率，每次在各小區(qū)隨機(jī)抽取3株玉米，在每株玉米上按照分上中下部位隨機(jī)選擇一個(gè)葉片，每次測量過程中，從8∶00開始到20∶00結(jié)束，每小時(shí)觀測1次。

(3)葉水勢：用美國產(chǎn)Psypro露點(diǎn)水勢儀測定土水勢、根水勢、莖水勢、葉水勢。

(4)土壤導(dǎo)水率：利用2800k Guelph入滲儀分層測定0～20、20～40、40～60 cm深度的土壤導(dǎo)水率。

(5)根系參數(shù)：在玉米生育期，分層挖取根部0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm的土樣，利用洗根法測量法，測定不同深度的根系長度和莖粗。

(6)農(nóng)田小氣候：利用DL2e波紋比測量系統(tǒng)測定試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的農(nóng)田小氣候。

試驗(yàn)期全年降雨量102.8 mm，1-12月分別為：0、1.6、0、1.0、6.8、10、15.2、7.8、54、4、2.4、0 mm，其變化趨勢見圖2。

圖2 試驗(yàn)期全年降雨量Fig. 2 Annual precipitation of in test period

2 不同界面阻力計(jì)算方法

SPAC系統(tǒng)中，水流阻力根據(jù)水分在該系統(tǒng)中流動(dòng)所經(jīng)過的環(huán)節(jié)分為土壤阻力、土根接觸阻力、根系吸收阻力、根內(nèi)木質(zhì)部傳導(dǎo)阻力、地上部分的植物內(nèi)部傳導(dǎo)阻力、水汽擴(kuò)散阻力。依據(jù)文獻(xiàn)[1,2]，各阻力采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)土壤阻力計(jì)算公式：

(1)

式中：Rs為土壤阻力；r為植物根系半徑；Lv為根系密度(單位土體中的總根長)；K為土壤導(dǎo)水率；d為根區(qū)總深度。

(2)土根接觸阻力。土根總阻力為：

(2)

土根總阻力包括土壤阻力Rs，土根接觸阻力Rsr，根系吸收阻力Rr和根內(nèi)土質(zhì)部傳導(dǎo)阻力Rc，即：RA=Rs+Rsr+Rr+Rc。

土根接觸阻力計(jì)算公式為：

(3)

式中：θ為土壤容積含水率；θf為田間持水量；ψs為土水勢；ψp為根莖勢；T為蒸騰速率。

(3)根內(nèi)木質(zhì)部傳導(dǎo)阻力。計(jì)算Rc的公式如下：

(4)

式中：v為水的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)，與溫度有關(guān)；z為原點(diǎn)在地面、垂直向下的坐標(biāo)，其最大值為根區(qū)總深度d；g為重力加速度；rH為z處所有根系半徑的調(diào)和平均值。

(4)根系吸收阻力計(jì)算公式為：Rr=RA-(Rsr+Rc+Rs)。

(5)地上部分植物內(nèi)部的傳導(dǎo)阻力植物根莖部到葉片這一段的傳導(dǎo)阻力由下式計(jì)算：

(5)

式中：Rpc為地上部分植物內(nèi)部的傳導(dǎo)阻力；ψl為植物葉片水勢。

(6)水汽擴(kuò)散阻力。水分經(jīng)由氣孔或角質(zhì)層進(jìn)入周圍的大氣中去是一個(gè)水汽擴(kuò)散過程，在這一過程中，水汽受到葉片內(nèi)部及周圍空氣的擴(kuò)散阻力，兩者之和由下式?jīng)Q定：

(6)

式中：ψa為大氣水勢；Za為空氣擴(kuò)散阻力；Zs為葉片內(nèi)部擴(kuò)散阻力。

大氣水勢采用田間實(shí)測相對濕度計(jì)算，即：

(7)

式中：Vω為水的偏摩爾體積，其值為0.018×10-3mol-1；R為氣體常數(shù)，其值為8.312 703 Pa/(m3·mol·℃)；Tk為空氣絕對溫度，。

3 結(jié)果分析

3.1 膜下滴灌玉米開花期生理指標(biāo)隨灌水定額的變化規(guī)律

3.1.1 膜下滴灌玉米開花期地上生長指標(biāo)變化規(guī)律

如圖3和圖4所示，分別反映了不同灌水量下玉米開花期玉米株高、單株葉面積的變化情況。在開花期，CK株高長勢優(yōu)于灌水量較少的A、B、C，但A、B、C之間差異不明顯，CK由于灌水量大的緣故，在強(qiáng)蒸發(fā)條件下長勢較好，株高最大，與A、B、C處理呈顯著差異。滴灌條件下單株葉面積隨灌水定額的增大而增大，C處理的葉面積大于CK(膜孔灌)。

圖3 不同灌水量對玉米株高的影響Fig.3 Effects of different irrigation amount on corn height

圖4 不同灌水量對玉米單株葉面積的影響Fig.4 Effects of different irrigation amount on corn plant leaf area

3.1.2 膜下滴灌玉米開花期根系生長動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

圖5反映的是開花期各處理根重隨土層深度的變化規(guī)律。在該生育期，0～20 cm土層根重依然最大，且CK較其他處理大，處理C、B次之，A最小。在開花期，處理A、B、C、CK在0～20 cm土層所占的重量百分比分別為78.33%、 88.81%、88.73%、71.91%，在0～40 cm土層所占的重量百分比分別為83.74%、 92.94%、93.55%、80.83%。

圖5 玉米土層深度與根重之間的變化關(guān)系Fig.5 The relationship between soil depth and corn root weight

由圖6可知，在開花期，隨著土層深度的增加，處理A、B與對照CK的玉米平均根徑變化規(guī)律一致，均為依土層深度增加而減小，處理A在0～60 cm隨土層深度增加，平均根徑減小，在60～80 cm平均根徑反而大于40～60 cm土層，這與上部水分虧缺，吸收地下土壤水分，導(dǎo)致根系發(fā)達(dá)有關(guān)；在0～20 cm土層，處理A的平均根徑最大，CK、C次之，B處理最?。欢鳤灌水量最小，平均根徑最大與其較深土壤干燥，作物必須通過吸收較淺土層水分而致使根系發(fā)達(dá)有關(guān)。由圖7可知，開花期根長主要分布在0～40 cm土層；0～20 cm土層C處理根長最大，20～40 cm土層對照根長最大，40～60 cm土層，處理A根長最大，60～80 cm土層處理B的根長最大，而在80～100 cm土層對照的根長最大。

圖6 玉米土層深度與根徑之間的變化關(guān)系Fig.6 The relationship between soil depth and corn root diameter

圖7 不同處理土層深度與玉米根長之間的變化關(guān)系Fig.7 The relationship between soil depth and corn root length to each treatment

3.2 土壤—玉米—大氣系統(tǒng)中的能量分布

SPAC系統(tǒng)中的能量分布主要指土壤、植物、大氣3部分的水分勢能分布，不同處理中不同水勢分布如圖8所示。

圖8 玉米不同水勢與灌水量的變化關(guān)系Fig.8 The relationship between water potential and irrigation amount

膜下滴灌條件下玉米根水勢、莖水勢、葉水勢均隨灌溉定額增大而減小，土壤與植物根間的水勢差為0.07～0.16 MPa，根與莖間的水勢差為1.07 MPa，根與葉間的水勢差為0.25～1.11 MPa，葉與大氣之間的水勢差約141 MPa，根水勢為葉水勢的5～6倍。相比對照，葉氣水勢差略有所減小，土根、根葉水勢差均有所增大。

3.3 地下部分各阻力隨灌水量的變化規(guī)律

滴灌灌水定額為450～600 m3/hm2，膜孔灌灌水定額為825 m3/hm2時(shí)，土壤阻力為3.46×10-4～6.16×10-4Pa/(W·m-2)，土壤阻力與灌水定額呈冪指數(shù)函數(shù)，土壤阻力隨灌溉定額的增大而減小，土壤阻力占土根總阻力的0.003 7/10 000～0.001 6/10 000(見圖9)；土根接觸阻力為9.58×102～1.03×103Pa/(W·m-2)，土根接觸阻力與灌水定額呈指數(shù)函數(shù)，土根接觸阻力隨灌溉定額的增大而增大，土根接觸阻力占土根總阻力的46.12%～57.15%(見圖10)。

圖9 土壤阻力與灌水量的變化關(guān)系Fig.9 The relationship between soil resistance and irrigation amount

圖10 土根接觸阻力與灌水量的變化關(guān)系 Fig.10 The relationship between soil-root contact resistance and irrigation amount

根內(nèi)木質(zhì)部傳導(dǎo)阻力為6.85～11.45 Pa/(W·m-2)，根內(nèi)木質(zhì)部傳導(dǎo)阻力與灌水定額呈指數(shù)函數(shù)，根內(nèi)木質(zhì)部傳導(dǎo)阻力隨灌溉定額的增大而增大，根內(nèi)木質(zhì)部傳導(dǎo)阻力占土根總阻力的0.409%～0.512%(見圖11)。根系吸收阻力為7.11×102～1.19×103Pa/(W·m-2)，根系吸收阻力與灌水定額呈對數(shù)函數(shù)，根系吸收阻力隨灌溉定額的增大而增大，根系吸收阻力占土根總阻力的42.45%～53.37%(見圖12)。

圖11 根內(nèi)木質(zhì)部傳導(dǎo)阻力與灌水量的變化關(guān)系Fig.11 The relationship between the resistance to water conduction in root xylem and irrigation amount

圖12 根系吸收阻力與灌水量的變化關(guān)系Fig.12 The relationship between the root resistance to water adsorption and irrigation amount

土根總阻力為1.68×103～2.24×103Pa/(W·m-2)，土根總阻力與灌水定額呈對數(shù)函數(shù)，土根總阻力隨灌溉定額的增大而增大(見圖13)。在重要性方面土根接觸阻力、根系吸收阻力、根內(nèi)木質(zhì)部阻力、土壤阻力。

圖13 玉米土根總阻力與灌水量的變化關(guān)系Fig.13 The relationship between the total resistance of soil-root and irrigation amount

3.4 地上部分各阻力隨灌水量的變化規(guī)律

滴灌灌水定額為450～600 m3/hm2，膜孔灌灌水定額為825 m3/hm2時(shí)，地上部分植物內(nèi)部的傳導(dǎo)阻力為1.63×103～2.45×103Pa/(W·m-2)，地上部分植物內(nèi)部的傳導(dǎo)阻力與灌水定額呈對數(shù)函數(shù)，地上部分植物內(nèi)部的傳導(dǎo)阻力隨灌溉定額的增大而增大(見圖14)。水汽擴(kuò)散阻力為1.63×103～2.45×103Pa/(W·m-2)，水汽擴(kuò)散阻力與灌水定額呈對數(shù)函數(shù)，水汽擴(kuò)散阻力隨灌溉定額的增大而增大，水汽擴(kuò)散阻力是地上部分植物內(nèi)部傳導(dǎo)阻力的96～126倍(見圖15)。

圖14 地上部分植物內(nèi)部的傳導(dǎo)阻力與灌水量的變化關(guān)系Fig.14 The relationship between transfer resistance inside the plant above ground and irrigation amoun

圖15 水汽擴(kuò)散阻力與灌水量的變化關(guān)系Fig.15 The relationship between the water vapor diffusion resistance and irrigation amount

3.5 SPAC系統(tǒng)總阻力隨灌水量的變化規(guī)律

滴灌灌水定額為450～600 m3/hm2，膜孔灌灌水定額為825 m3/hm2時(shí)，SPAC系統(tǒng)總阻力為2.10×105～2.41×105Pa/(W·m-2)，SPAC系統(tǒng)總阻力與灌水定額呈對數(shù)函數(shù)(見圖16)。在各界面阻力中，葉氣界面阻力占總阻力的98%左右，植物內(nèi)部阻力(根內(nèi)木質(zhì)部傳導(dǎo)阻力、根系吸水阻力、地上部分植物內(nèi)部的傳導(dǎo)阻力)占總阻力的1.11%～1.52%，土根接觸阻力占總阻力的0.43%～0.46%，土壤阻力所占總阻力比重較小。

圖16 玉米開花期SPAC系統(tǒng)總阻力與灌水量的變化關(guān)系Fig.16 The relationship between the totle resistance and irrigation amount on SPAC to corn florescence

4 結(jié) 語

(1)膜下滴灌條件下450、 525、600 m3/hm2的灌水定額對玉米的株高影響不大，但單株葉面積隨著灌水定額的增大而增大；玉米根系主要分布于0～40 cm，在該土層根系重量所占的百分比分別為83.74%、 92.94%、93.55%。

(2)膜下滴灌條件下玉米根水勢、莖水勢、葉水勢均隨灌溉定額增大而減小，根水勢為葉水勢的5～6倍。相比對照，葉氣水勢差略有所減小，土根、根葉水勢差均有所增大。所測結(jié)果與Gardner(1964、1968年)、康紹忠(1993年)、郭慶榮(1994年)、Hilled,D(1974年)提出的結(jié)果較為接近。

(3)土壤阻力與灌水定額呈冪指數(shù)函數(shù)，土根接觸阻力、根內(nèi)木質(zhì)部傳導(dǎo)阻力與灌水定額呈指數(shù)函數(shù)，根系吸收阻力與灌水定額呈對數(shù)函數(shù)；土壤阻力占土根總阻力的0.003 7/10 000～0.001 6/10 000，根內(nèi)木質(zhì)部傳導(dǎo)阻力占土根總阻力的0.409%～0.512%，土根接觸阻力占土根總阻力的46.12%～57.15%，根系吸收阻力占土根總阻力的42.45%～53.37%。因此，在水分在地面以下傳輸過程中的重要性為土根接觸阻力>根系吸收阻力>根內(nèi)木質(zhì)部傳導(dǎo)阻力>土壤阻力，這與文獻(xiàn)[1]提出的在地下部分水流阻力的各個(gè)分量中，根系吸收阻力占主導(dǎo)地位有所差異，但文獻(xiàn)[1]是以冬小麥為研究，而本文以夏玉米為研究對象，因此，這種差異性存在。

(4)地上部分植物內(nèi)部的傳導(dǎo)阻力、水汽擴(kuò)散阻力與灌水定額呈對數(shù)函數(shù)，水汽擴(kuò)散阻力是地上部分植物內(nèi)部傳導(dǎo)阻力的96～126倍。

(5)在各界面阻力中，葉氣界面阻力占總阻力的98%左右，植物內(nèi)部阻力(根內(nèi)木質(zhì)部傳導(dǎo)阻力、根系吸水阻力、地上部分植物內(nèi)部的傳導(dǎo)阻力)占總阻力的1.11%～1.52%，土根接觸阻力占總阻力的0.43%～0.46%，土壤阻力所占總阻力比重較小。葉-氣之間的水流阻力比土-根之間要大50陪，在葉-氣系統(tǒng)中氣孔阻力是邊界層阻力的3～5陪左右(康紹忠，1993年)；水在傳輸過程中，勢能有較大降低，水從葉擴(kuò)散至大氣過程的水流阻力最大(張喜英，1995年)。

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