兩種土壤質(zhì)地麥田貯水量與表層土壤水分的關(guān)系

尹笑笑，王 東

(山東農(nóng)業(yè)大學，作物生物學國家重點實驗室，農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，山東泰安 271018)

土壤貯水是冬小麥耗水的重要來源[1-2]。在農(nóng)田墑情監(jiān)測中，表層土壤含水量容易測得，深層土壤含水量測量難度較大[3-4]。為利用表層土壤含水量預(yù)測深層土壤含水量，前人對二者之間建立了多種數(shù)量關(guān)系模型[5-7]。然而，不同的植物及覆被類型對不同土層土壤水分的消耗及地表蒸發(fā)的影響存在差異，在一定程度上影響表層與深層土壤含水量之間的關(guān)系[8-10]。袁念念等[11]針對棉田建立了表層土壤含水量與耕層以下土壤體積含水量的線性預(yù)測模型。趙 忠等[12]和王振鳳等[13]分別在黃土高原半干旱區(qū)人工檸條林地和半濕潤區(qū)刺槐林地應(yīng)用隔室分析法和非線性回歸方法，建立了土壤水分隨土層深度變化的數(shù)學模型。除了植被因素，由于土壤質(zhì)地對田間持水率的大小、水分入滲過程等影響很大[14-15]，不同土壤質(zhì)地農(nóng)田一定深度土層土壤水分的分布特征可能存在差異。另外，已有研究發(fā)現(xiàn)，在中壤土中玉米根系全生育期平均生長速率和根量最大值顯著高于輕壤土和輕黏土[16]，說明作物根系在不同質(zhì)地土壤中的分布特征亦明顯不同，這對土壤貯水量及其縱向分布亦會造成間接的影響。然而，目前尚缺乏不同質(zhì)地麥田土壤貯水量與表層土壤水分關(guān)系的研究報道。我國黃淮和北部冬麥區(qū)土壤質(zhì)地多屬壤土, 其中以砂粉土最多, 黏土所占比例很小[17]。本試驗選擇粉壤土和砂壤土兩種土壤質(zhì)地麥田，在冬小麥生育期間通過設(shè)置不同的灌溉時期和擬濕潤層深度實施補充灌溉，制造不同生育時期0～200 cm土層土壤貯水量及其縱向分布的差異，探討冬小麥生長期間一定深度土層土壤貯水量變化與表層土壤含水量之間的關(guān)系，以期為黃淮和北部冬麥區(qū)麥田土壤墑情預(yù)測提供理論和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2013-2016年冬小麥生長季進行。其中，2013-2014年在山東兗州小孟鎮(zhèn)史家王子村(116°41′E, 35°40′N)大田進行，2014-2015年在岱岳區(qū)道朗鎮(zhèn)玄莊村(116°54′E, 36°12′N)大田進行，2015-2016年同時在肥城市邊院鎮(zhèn)南仇村(116°88′E, 35°99 ′N)和岱岳區(qū)道朗鎮(zhèn)玄莊村(116°54′E, 36°12′N)大田進行。不同土壤質(zhì)地試驗田0～200 cm各土層土壤顆粒含量如表1所示，土壤容重和田間持水量如表2所示，2013-2016年各試驗點冬小麥生長季逐日降水量和灌水時間如圖1所示。

1.2 試驗設(shè)計

2013-2014和2014-2015年度分別于史家王子村的粉壤土和砂壤土地塊和玄莊村的粉壤土和砂壤土地塊，在播種期水肥管理一致的條件下，設(shè)置補灌時期和擬濕潤層深度處理，創(chuàng)造不同生育時期土壤貯水量和表層土壤含水量的差異。試驗采用裂區(qū)設(shè)計，主區(qū)為補灌時期，副區(qū)為擬濕潤層深度。補灌時期設(shè)拔節(jié)期、冬前期+拔節(jié)期、拔節(jié)期+開花期3個水平。擬濕潤層深度設(shè)置0～10、0～20、0～30、0～40 cm 4個水平，補灌的目標相對含水量均為100%，同時設(shè)置全生育期不灌水處理。補灌水量依據(jù)灌水定額=100Dh·γbd·(θt-θn)[19]計算，式中Dh為擬濕潤層深度(cm)，γbd為該擬濕潤層土壤容重(g·cm-3)，θt為目標土壤含水量(mg·g-1)，即田間持水量乘以目標土壤相對含水量，θn為灌水前擬濕潤層土壤含水量(mg·g-1)。試驗選用高產(chǎn)冬小麥品種濟麥22。

a：史家王子村；b：玄莊村；c：南仇村；A：播種期灌水；B：越冬期灌水；C：拔節(jié)期灌水；D：開花期灌水。

a:Shijiawangzi; b:Xuanzhuang; c:Nanqiu; A:Irrigation at sowing; B:Irrigation at pre-wintering; C:Irrigation at jointing stage; D:Irrigation at anthesis stage.

圖12013-2016年各試驗點冬小麥生長季逐日降水量和灌水時間

Fig.1Dailyprecipitationandirrigationtimeduringthegrowingseasonofwinterwheatin2013-2016

2015-2016年分別在肥城市邊院鎮(zhèn)南仇村的粉壤土地塊和岱岳區(qū)道朗鎮(zhèn)玄莊村的砂壤土地塊進行模型驗證試驗。采用裂區(qū)設(shè)計，主區(qū)為品種，選用山農(nóng)23、山農(nóng)25、山農(nóng)29三個冬小麥品種，副區(qū)為補灌時期，設(shè)拔節(jié)期、開花期、播種期+拔節(jié)期、越冬期+拔節(jié)期、拔節(jié)期+開花期、播種期+拔節(jié)期+開花期、播種期+越冬期+拔節(jié)期+開花期7個水平。各時期均以0～20 cm土層土壤相對含水量達100%為目標補灌，同時設(shè)置全生育期不灌水處理和定額灌溉處理。定額灌溉處理于播種期、拔節(jié)期和開花期灌溉，每次灌水定額為75 mm。

各試驗小區(qū)面積為40 m2(4 m×10 m)，3次重復(fù)。小區(qū)之間設(shè)1.0 m隔離帶，以防處理間水分側(cè)滲影響。灌溉水水源為井水，灌溉時采用輸水帶供水，通過小麥專用微噴帶(ZL2012203 56553.7)[20]均勻噴灑在試驗小區(qū)內(nèi)，微噴帶進水端裝有水表和閘閥，用以計量和控制灌水量。

1.3 田間管理

播種前每公頃底施純氮105 kg、P2O5150 kg和K2O 150 kg，拔節(jié)期每公頃追施純氮135 kg。使用的肥料為尿素(含N 46%)、磷酸二銨(含P2O546%，含N 18%)和氯化鉀(含K2O 60%)。2013-2014年小麥于10月10日播種，5月31日收獲；2014-2015年小麥于10月6日播種，6月10日收獲；2015-2016年南仇村粉壤土地塊小麥于10月10日播種，6月14日收獲；玄莊村砂壤土地塊小麥于10月5日播種，6月10日收獲。各試驗均于小麥4葉期定苗，基本苗為180株·m-2，其他管理措施同一般高產(chǎn)田。

1.4 土壤含水量和貯水量的測定與計算

于小麥播種前1 d，冬前期、拔節(jié)期和開花期每次灌水前1 d與灌水后3 d及成熟期，用土鉆取 0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140、140～160、160～180、180～200 cm土層土樣，裝入鋁盒，稱鮮重后置于烘箱中，110 ℃烘至恒重，稱干土重，計算土壤含水量(%)和貯水量(mm)，每小區(qū)取1個點，每處理取3次重復(fù)。

土壤含水量=(鮮土重-干土重)/干土重×100%。

土壤貯水量= 10×土壤容重×土層厚度×土壤含水量。

1.5 相關(guān)分析與關(guān)系方程預(yù)測精度檢驗

分別用DPS 7.05和Sigma Plot 12.5軟件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析和繪圖。

1.5.1 相關(guān)分析與關(guān)系方程的建立

利用2013-2014年度試驗獲取的土壤含水量和土壤貯水量數(shù)據(jù)，采用線性回歸方法，分別建立補灌前和補灌后0～20和0～40 cm土層土壤含水量與0～100和0～200 cm土層土壤貯水量的數(shù)量關(guān)系，及全生育期0～20和0～40 cm土層土壤含水量與0～100和0～200 cm土層土壤貯水量的數(shù)量關(guān)系，并進行顯著性檢驗。

1.5.2 關(guān)系方程預(yù)測精度檢驗

利用2013-2014年度建立的關(guān)系方程，于2014-2015和2015-2016年度，在每次采樣后，用實測的0～20和0～40 cm土層土壤含水量計算0～100和0～200 cm土層土壤貯水量的模擬值。通過以下公式計算根均方差(rootmean square error, RMSE)，并以此判斷相關(guān)方程的擬合度和可靠性。

2 結(jié)果與分析

2.1 麥田土壤貯水量與表層土壤含水量的關(guān)系

2.1.1 補灌前土壤貯水量與表層土壤含水量的數(shù)量關(guān)系

在粉壤土地塊，冬小麥生育期內(nèi)補灌前0～20和0～40 cm土層土壤含水量與0～100 cm和0～200 cm土層土壤貯水量均呈極顯著正相關(guān)；在砂壤土地塊，冬小麥生育期內(nèi)補灌前0～20和0～40 cm土層土壤含水量與0～100 cm土層土壤貯水量均呈極顯著正相關(guān)，與0～200 cm土層土壤貯水量則無顯著線性相關(guān)關(guān)系(圖2)。

2.1.2 補灌后土壤貯水量與表層土壤含水量的數(shù)量關(guān)系

小麥冬前期、拔節(jié)期和開花期補灌后，粉壤土地塊0～20和0～40 cm土層土壤含水量與0～100 cm和0～200 cm土層土壤貯水量均呈極顯著正相關(guān)；砂壤土地塊0～20和0～40 cm土層土壤含水量與0～100 cm土層土壤貯水量均呈極顯著正相關(guān)，與0～200 cm土層土壤貯水量無顯著線性相關(guān)關(guān)系(圖3)。

2.1.3 全生育期土壤貯水量變化與表層土壤含水量的相關(guān)性

將補灌前和補灌后及播種期、成熟期測定的一定深度土層土壤貯水量與表層土壤含水量進行相關(guān)分析，全生育期兩土壤質(zhì)地麥田0～20 cm土層土壤含水量均與0～100 cm和0～200 cm土層土壤貯水量呈極顯著正相關(guān)(圖4)，其中粉壤土地塊的決定系數(shù)分別為0.845 3和0.805 5，砂壤土地塊的決定系數(shù)分別為0.728 8和0.208 2。0～40 cm土層土壤含水量與0～100 cm和0～200 cm土壤貯水量亦呈極顯著正相關(guān)，其中粉壤土地塊的決定系數(shù)分別為0.894 7和0.819 6，砂壤土地塊的決定系數(shù)分別為0.840 5和0.212 6。通過比較決定系數(shù)可知，粉壤土地塊上層土壤含水量與一定深度土層土壤貯水量的相關(guān)性比砂壤土地塊好，說明粉壤土地塊0～20和0～40 cm土層土壤含水量均可較好地反映0～100和0～200 cm土層土壤貯水狀況。

2.2 方程預(yù)測的精度

2014-2015和2015-2016連續(xù)兩年對2013-2014年試驗建立的全生育期0～20和0～40 cm土層土壤含水量與0～100和0～200 cm土層土壤貯水量關(guān)系方程的預(yù)測精度進行檢驗。

圖2 補灌前0～20和0～40 cm土層土壤含水量與0～100和0～200 cm土層土壤貯水量的關(guān)系(2013-2014)

圖3 補灌后0～20和0～40 cm土層土壤含水量與0～100和

圖4 全生育期0～20和0～40 cm土層土壤含水量與0～100和0～200 cm土層土壤貯水量的關(guān)系(2013-2014)

2.2.1 利用0～20 cm土層土壤含水量預(yù)測0～100和0～200 cm土層土壤貯水量

對粉壤土和砂壤土地塊的兩年度檢驗結(jié)果基本一致(圖5和圖6)。在粉壤土地塊，利用0～20 cm土層土壤含水量預(yù)測0～100 cm土層土壤貯水量的RMSE值在兩年度分別為15.33%和18.22%，預(yù)測0～200 cm土層土壤貯水量的RMSE值在兩年度分別為10.56%和11.40%，模擬效果均較好(圖7)。在砂壤土地塊，利用0～20 cm土層土壤含水量預(yù)測0～100 cm土層土壤貯水量的RMSE值在兩年度分別為39.25%和79.90%，模擬值與實測值偏差大，模擬效果差；而利用0～20 cm土層土壤含水量預(yù)測0～200 cm土層土壤貯水量的RMSE值在2014-2015年為20.06%，模擬效果一般，在2015-2016年模擬值與實測值無顯著相關(guān)性。

2.2.2 利用0～40 cm土層土壤含水量預(yù)測的0～100和0～200 cm土層土壤貯水量

在粉壤土地塊上，利用0～40 cm土層土壤含水量預(yù)測0～100 cm土層土壤貯水量的RMSE值在兩年度分別為14.29%和15.58%，模擬效果均較好；預(yù)測0～200 cm土層土壤貯水量的RMSE值在兩年度分別為9.26%和9.75%，模擬值與預(yù)測值一致性非常好(圖8)。在砂壤土地塊，利用0～40 cm土層土壤含水量預(yù)測0～100 cm土層土壤貯水量的RMSE值在兩年度分別為25.84%和64.90%，模擬效果一般或差(圖8)；預(yù)測0～200 cm土層土壤貯水量的RMSE值在2014-2015年為24.01%，模擬效果一般，2015-2016年模擬值與實際值無顯著相關(guān)關(guān)系(圖8)。

圖5 0～100 cm土層土壤貯水量模擬值與實測值的比較(用0～20 cm土層土壤含水量預(yù)測)

圖6 0～200 cm土層土壤貯水量模擬值與實測值的比較(用0～20 cm土層土壤含水量預(yù)測)

3 討 論

土壤水分與土層深度具有明顯的空間相關(guān)性[10,22-23]，探明表層土壤含水量與深層土壤貯水量的數(shù)量關(guān)系，建立預(yù)測模型，是獲取深層土壤貯水量的簡便快捷方法[3]。王國玉等[24]根據(jù)Biswsa土壤水分估算模式，利用表層土壤水分預(yù)測深層土壤水分，平均相對誤差為10%左右。郭慶春和何振芳[25]則基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了表層土壤含水量預(yù)測深層土壤含水量的模型。另有學者基于不同植被和地表覆蓋對土壤水分縱向分布的影響，針對棉花等不同的作物種植田塊進行研究，建立了土壤水分隨土層深度變化的數(shù)學模型[11-13]。本試驗在冬小麥生育期間通過設(shè)置不同的灌水時期和擬濕潤層深度實施補充灌溉，制造不同生育時期0～200 cm土層土壤貯水量及其縱向分布的差異，發(fā)現(xiàn)在粉壤土地塊，冬小麥全生育期0～20和0～40 cm土層土壤含水量均與0～100和0～200 cm土層土壤貯水量呈極顯著正相關(guān)；小麥冬前期、拔節(jié)期和開花期灌水后0～20和0～40 cm土層土壤含水量與0～100和0～200 cm土層土壤貯水量的相關(guān)性與灌水前比較，并沒有發(fā)生明顯的變化，但關(guān)系方程和決定系數(shù)的大小有較大差異。楊靜敬等[26]通過定額灌溉的方式，在冬小麥生育期設(shè)置不同的灌水次數(shù)和總灌水量，亦得到了與之基本一致的結(jié)果。

土壤質(zhì)地在很大程度上決定了土壤的吸水特性[27]，影響土壤水分在土體內(nèi)的運移和貯存量[14-15,28]。灌溉后土壤水分在不同土壤質(zhì)地的入滲深度不同，砂壤土>壤土[29]。陳懷亮等[3]應(yīng)用GIS技術(shù)分別建立了不同土壤質(zhì)地區(qū)表層土壤含水量與一定深度土層土壤貯水量的線性方程，但以50 cm分層，跨度較大。本試驗中，在砂壤土地塊，將補灌前和補灌后及播種期、成熟期測定的數(shù)據(jù)一起分析發(fā)現(xiàn)，0～20和0～40 cm土層土壤含水量與0～200 cm土層土壤貯水量相關(guān)性達到極

圖7 0～100 cm土層土壤貯水量模擬值與實測值的比較(用0～40 cm土層土壤含水量預(yù)測)

顯著水平，但決定系數(shù)卻較低，與粉壤土地塊相差較大。小麥冬前期、拔節(jié)期、開花期灌水前和灌水后，砂壤土地塊0～20和0～40 cm土層土壤含水量與0～100 cm土層土壤貯水量均呈極顯著正相關(guān)，與0～200 cm土層土壤貯水量則無顯著線性相關(guān)關(guān)系，說明土壤質(zhì)地對表層土壤含水量與一定深度土層土壤貯水量的相關(guān)關(guān)系影響較大，在土壤墑情預(yù)測中應(yīng)區(qū)別對待。

本試驗砂壤土地塊各土層沙粒含量在53.3%～95.8%范圍內(nèi)，且隨土層深度增加呈增大趨勢，而粉壤土地塊各土層粉粒含量在63.8%～76.0%范圍內(nèi)，且各土層之間差異相對較小(表1)。此外，與粉壤土地塊相比，砂壤土地塊20～140 cm土層土壤田間持水量較高，而0～20 cm 和140～200 cm土層土壤田間持水量較低(表2)。在粉壤土地塊，小麥生育期內(nèi)上層土壤含水量高，1 m和2 m土體的土壤貯水量也高；而在砂壤土地塊，小麥生育期內(nèi)卻出現(xiàn)上層土壤含水量低而2 m土體土壤貯水量高(低含水高貯水)和上層土壤含水量高而2 m土體土壤貯水量低(高含水低貯水)的現(xiàn)象。深入分析發(fā)現(xiàn)，低含水高貯水出現(xiàn)在小麥開花期，在該生育時期之前有灌水的處理，由于砂壤土地塊40～140 cm土層土壤田間持水量較高，所以貯水量也較高，而該地塊0～20 cm土層田間持水量雖然高于其余土層，保水能力較好，但該土層土壤水分受地表蒸發(fā)影響大，再加上0～40 cm土層根系吸水的影響，水分消耗快，從而表現(xiàn)出低含水高貯水現(xiàn)象。砂壤土地塊140～200 cm土層土壤沙粒含量特別高、田間持水量低，保水能力差。夏季較多的自然降水難以在該土層土壤貯存，易下滲進入更深土層。小麥播種期砂壤土地塊2 m土體的土壤貯水量比粉壤土地塊少134.12 mm，至越冬期砂壤土地塊2 m土體的土壤貯水量仍大幅度低于粉壤土地塊。而砂壤土地塊0～20 cm土層土壤的田間持水量明顯高于其余土層，保水性相對較好，恰遇當年小麥越冬期灌水前的土壤樣品采集之前降了24 mm水，雖然上部土層土壤含水量較高，但2 m土體土壤貯水量增加的幅度較小，從而表現(xiàn)出高含水低貯水現(xiàn)象。可見一定深度土體各土層土壤顆粒組成的差異顯著影響土壤水的縱向分布，從而改變表層土壤含水量與一定深度土層土壤貯水量的關(guān)系。從砂壤土地塊小麥各生育時期土壤水在2 m土體的縱向分布看，上層土壤含水量中等而2 m土體土壤貯水量也中等(中含水中貯水)的現(xiàn)象出現(xiàn)幾率比較高(64%)，這與砂壤土地塊40～140 cm土層土壤田間持水量較高，對小麥生育期內(nèi)的自然降水和灌溉水有一定的貯存能力，而0～40 cm土層雖然貯水能力較強，但土壤含水量受地表蒸發(fā)、根系吸水影響大有關(guān)。

F為粉壤土試驗田，S為砂壤土試驗田。F is powder loam plots, S is sandy loam plots.