高寒區(qū)低溫水灌溉春青稞根層水分特征分析

關(guān)迦文， 何 軍， 徐 冰 ， 劉 偉， 湯鵬程， 李澤坤

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.西藏自治區(qū)水文水資源勘測(cè)局山南分局， 西藏 山南 856000；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 牧區(qū)水利科學(xué)研究所， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

融雪水是西藏地區(qū)的重要灌溉水源，然而由于西藏高海拔地區(qū)輻射高、氣壓低、氧含量少，加之土層稀薄，冷熱交換在近地層十分頻繁，低溫融雪水利用不當(dāng)容易對(duì)作物造成寒害[1]。高山融雪水經(jīng)過(guò)較短距離輸水進(jìn)入土壤后水溫仍較低，低溫水會(huì)在一定程度上降低作物的根系活性，進(jìn)而影響根系生長(zhǎng)發(fā)育致使作物減產(chǎn)[2]。西藏地區(qū)全區(qū)60%的播種面積種植的是青稞，所以青稞是西藏地區(qū)主要的糧食作物，屬于典型的特需口糧[3]。藏區(qū)糧食安全問(wèn)題尤其青稞的栽培種植技術(shù)推廣和品種繁育等問(wèn)題一直以來(lái)備受各界關(guān)注[4]。

在土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)中，植物對(duì)不同水源的選擇和利用能力可利用氫氧穩(wěn)定同位素的分布特征反映，通過(guò)分析植物木質(zhì)部中的水及各類(lèi)水分來(lái)源中的同位素組成就可對(duì)植物的水分利用來(lái)源進(jìn)行判斷[5]。全球范圍內(nèi)的專(zhuān)家借助于較為成熟的氫氧同位素研究方法剖析了不同生態(tài)系統(tǒng)中水的運(yùn)移規(guī)律，并取得了一定的成果[5-6]。半干旱黃土高原區(qū)0～120 cm土層供給了鐵桿蒿和荊條全生育期所需75%～80%的水分[7-8]。氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)已被應(yīng)用于落葉松[9]、檸條[10]及棉花[11]等的水分利用來(lái)源及用水策略的研究[12]。樹(shù)木在河岸生態(tài)系統(tǒng)中的水分來(lái)源，其中小部分來(lái)自于河水，大部分的來(lái)源為地下水[13]；植物在荒漠生態(tài)系統(tǒng)中，可通過(guò)測(cè)定植物木質(zhì)部在不同水源條件下的氫氧同位素，得出不同水分來(lái)源對(duì)荒漠植物的貢獻(xiàn)率[14]；冬小麥和夏玉米在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，可利用穩(wěn)定氫氧同位素分布特征，估算主要吸水深度在不同生長(zhǎng)期的變化[15-16]。

西藏地區(qū)早春時(shí)節(jié)(4月—5月)在雨季尚未來(lái)臨且沒(méi)有其他灌水來(lái)源前提下，采用融雪水自流漫灌作為春播作物的出苗水，由于灌水溫度較低(3℃～5℃)，致使多年生作物返青延緩、一年生作物出苗率低等現(xiàn)象[17-19]。而且各土層水分傳遞變化滯后于相應(yīng)土層溫度的變化[20]。土體溫度主要受大氣溫度和太陽(yáng)凈輻射量的影響[21]。因此，本研究針對(duì)西藏高寒區(qū)在春季利用低溫融雪水漫灌這一獨(dú)特生產(chǎn)方式，結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)條件，以春青稞-藏青2000為研究對(duì)象，采用穩(wěn)定氫氧同位素示蹤法，以期揭示低溫水灌溉春青稞根層水分運(yùn)移及分布規(guī)律[22]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于中國(guó)科學(xué)院拉薩農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站，該地屬高原季風(fēng)溫帶半干旱氣候區(qū)。年平均大氣溫度為7.7℃，最高月平均氣溫出現(xiàn)在7月為16.3℃，最低月平均氣溫出現(xiàn)在12月為-1.5℃，無(wú)霜期120 d～130 d。一年內(nèi)降雨時(shí)間分配不均，年均降雨量425 mm。雨季為6月中旬至9月下旬，降水量為400 mm 左右，占全年降水量九成以上，常為夜間降雨。多年平均蒸發(fā)量1 166 mm。沖積、洪積母質(zhì)是該地土壤母質(zhì)主要成分，質(zhì)地比較沙，土壤質(zhì)地為粉砂壤土，土層偏薄。大塊石礫常出現(xiàn)在20 cm以下，土壤密度1.41 g/cm3)，田間持水率22%，pH值7.2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)處理：試驗(yàn)材料為春青稞-藏青2000，該品種春性中晚熟，生育期125 d～135 d，穗長(zhǎng)方型，四棱，長(zhǎng)齒芒，小穗密度中等。穴播，播深1.5 cm～2.0 cm，每桶15穴～18穴，每穴人工點(diǎn)播播種2?！?粒。播種至收獲時(shí)間為2018年4月20日至2019年9月20日。追施尿素187.5 kg/hm2在出苗后。桶栽單元采用直徑32 cm的PVC桶，底部以打孔鐵皮封底，桶高50 cm，頂部設(shè)鐵絲連接以利于稱質(zhì)量。桶中分層填入原狀土，底部20 cm為大塊石礫，上部20 cm為粉砂壤土，預(yù)留10 cm以利于灌水和降雨入滲。桶壁外側(cè)包裹保溫棉，降低太陽(yáng)直射對(duì)桶體溫度變化的影響[23]。

低溫水灌溉組設(shè)置3個(gè)溫度水平：分別以灌水當(dāng)日上午9時(shí)(WT1)、中午12時(shí)(WT2)、下午18時(shí)(WT3)進(jìn)行灌水操作，以此作為低溫水灌溉灌水處理的3個(gè)溫度水平。低溫水灌溉春青稞桶栽試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖1。測(cè)定并記錄每次灌水時(shí)的灌水日期、灌水量見(jiàn)表1，灌水溫度如表2所示。

表2 低溫水灌溉春青稞試驗(yàn)各處理灌水溫度

表1 低溫水灌溉春青稞試驗(yàn)灌水時(shí)間與灌水量

圖1 低溫水灌溉春青稞桶栽試驗(yàn)示意圖

1.3 測(cè)定內(nèi)容及方法

氣象數(shù)據(jù)：試驗(yàn)田附近自設(shè)的氣象站自動(dòng)采集記錄氣溫、降雨量、濕度、太陽(yáng)輻射、大氣壓等數(shù)據(jù)。生育期內(nèi)氣溫以及渠水溫度變化見(jiàn)圖2。

圖2 生育期內(nèi)氣溫以及渠水溫度變化圖

降水與灌溉水在被青稞根系吸收之前需要經(jīng)過(guò)入滲等復(fù)雜過(guò)程，最終以土壤水的形式被根系吸收利用[24]。青稞莖干水的氫氧穩(wěn)定同位素值是在雨水與灌溉水發(fā)生同位素分餾作用后的同位素混合值[25]。因此，研究將不同深度的土壤水作為青稞根系的吸水水源，避免了直接將雨水與灌溉水作為潛在水源進(jìn)行水分貢獻(xiàn)率分析而導(dǎo)致分析結(jié)果出現(xiàn)的較大誤差[26]。

在整個(gè)生育期內(nèi)分別于7月1日、7月30日、8月10日、9月10日灌水前后進(jìn)行4次取樣。研究區(qū)的土壤層很薄(20 cm～30 cm)，而在下層則可見(jiàn)礫石。因此，土壤剖面分為5層，從地面向下每5 cm為一層，同位素值是每個(gè)測(cè)量深度的水樣的平均值。采用小型土鉆取樣，以防破壞桶栽青稞土壤結(jié)構(gòu)。同時(shí)采集兩份不同的土壤，其中一份將進(jìn)行含水率檢測(cè)，另一份將放入玻璃瓶?jī)?nèi)，對(duì)其進(jìn)行密封后存儲(chǔ)，避免春青稞出現(xiàn)氣化現(xiàn)象[27-28]。將隨機(jī)選取植株進(jìn)行研究，截取離地面2 cm的不含葉綠素的植株莖稈，并將其密封存儲(chǔ)至4 mL西林瓶?jī)?nèi)，采用三個(gè)不同的密封袋進(jìn)行冷藏存儲(chǔ)，避免春青稞水汽蒸發(fā)。利用取樣品完成灌溉春青稞樣本采集，將其密封存儲(chǔ)至4℃冷藏柜內(nèi)。用保溫裝置將春青稞樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行真空處理，并提取土壤水樣與植株水樣，準(zhǔn)備0.22 μm濾紙和2 mL檢測(cè)瓶進(jìn)行研究[29]。利用Picarro L2140-i超高精度液態(tài)水與水汽同位素分析儀測(cè)定該試驗(yàn)水樣同位素[30]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

研究春青稞的根系在拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期的吸水深度[31]。一種方法是直接對(duì)比，對(duì)比土壤水氫氧穩(wěn)定同位素剖面與春青稞莖水同位素值，認(rèn)為與莖水同位素值相近的土壤水所在的剖面深度為春青稞根系的主要吸水深度[32]。另一種方法是對(duì)同位素質(zhì)量守恒進(jìn)行多元分析[33]。因?yàn)橥霸栽囼?yàn)，不考慮地下水，而且研究區(qū)土層較薄(20 cm～30 cm)，下層可見(jiàn)礫石，故將土壤剖面分成5個(gè)層次:0～5 cm、5 cm～10 cm、10 cm～15 cm、15 cm～20 cm、20 cm～25 cm，每層測(cè)量深度水樣的平均值為該層同位素值。五個(gè)層次土壤水的混合為農(nóng)作物莖水，由水量平衡和同位素質(zhì)量守恒可得到:

δXt=f1δX1+f2δX2+f3δX3+f4δX4+f5δX5

(1)

f1+f2+f3+f4=1

(2)

式中：f1至f4，分別表示5個(gè)層次土壤水對(duì)根系吸水的貢獻(xiàn)和δX1至δX5表示相應(yīng)的氫氧穩(wěn)定同位素值，δXt表示農(nóng)作物莖水的氫氧穩(wěn)定同位素值。利用同位素質(zhì)量守恒進(jìn)行多元分析一般會(huì)得到多個(gè)解。Philips等針對(duì)性地提出了確定各種可能水分來(lái)源比例范圍的方法。該方法是用一個(gè)很小的增量檢驗(yàn)各種水分來(lái)源的所有可能，將同位素值與真實(shí)值相比，如果滿足一個(gè)小的容差就被認(rèn)為是一種可能的組合。最后得到各可能水源的貢獻(xiàn)比例范圍用頻次直方圖表示，某水源在滿足要求的組合次數(shù)用直方圖的縱坐標(biāo)表示[34-36]。

采用Iso Source軟件并結(jié)合Sigma Plot 14.0作圖。分析氫氧穩(wěn)定同位素試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定不同土層水分的貢獻(xiàn)率。該軟件為多源線性混合模型，其原理是按照指定的增量范圍疊加運(yùn)算出所有可能的百分比組合，組合數(shù)量為：

(3)

式中：組合數(shù)量是N；增量是i；水分來(lái)源數(shù)量是s?？尚械慕馐敲拷M合的加權(quán)平均值與混合物實(shí)際測(cè)定的同位素值比較后處于給定的容差范圍內(nèi)的組合。把所有可行解對(duì)各層土壤水貢獻(xiàn)百分比出現(xiàn)的頻率進(jìn)行分析，得出各土層水分可能的貢獻(xiàn)比例范圍，以頻率直方圖表示，見(jiàn)圖3。

圖3 不同土層深度土壤水對(duì)春青稞根系吸水貢獻(xiàn)率的頻率直方圖

2 結(jié)果與分析

2.1 全生育期青稞根層水分穩(wěn)定氫氧同位素分布

7月10日青稞的水分氫氧同位素在根層剖面分布如圖4所示。各處理根系主要吸水層為植物水樣同位素與同位素剖面的交點(diǎn)。

直接對(duì)比法排除了農(nóng)作物體內(nèi)水分為不同層次的土壤水混合而成的可能，只可以得到農(nóng)作物的主要吸水深度。同位素質(zhì)量守恒的多元分析方法可以提供各水分來(lái)源的可能組合以及某深度土層對(duì)根系吸水的貢獻(xiàn)比例。利用 Iso Source 軟件計(jì)算5個(gè)層次土壤水對(duì)農(nóng)作物根系吸水的貢獻(xiàn)比例范圍。做出某研究層次土壤水滿足條件的所有可能組合的頻次直方圖，如果直方圖呈收斂形狀，則認(rèn)為直方圖的分布范圍為該深度土層對(duì)根系吸水的貢獻(xiàn)比例范圍，土層對(duì)根系吸水貢獻(xiàn)比例的最大可能值為收斂區(qū)域內(nèi)頻次極值對(duì)應(yīng)的數(shù)值。

由圖4氫同位素剖面可知：7月10日WT1處理灌前吸水深度為10 cm～15 cm，灌后吸水深度為5 cm～10 cm和10 cm～15 cm；7月10日WT2處理灌前吸水深度為10 cm～15 cm，灌后吸水深度為5 cm～10 cm和10 cm～15 cm；7月10日WT3處理灌前吸水深度為15 cm～20 cm，灌后吸水深度為5 cm～10 cm；灌水后吸水深度較灌水前吸水深度變淺，分析可知：因灌水改變了淺層土壤(0～15 cm)的含水率，使得淺層根系成為主要吸水部分。

圖4 7月10日青稞根層水分穩(wěn)定氫氧同位素剖面分布

同理，7月30日WT1處理灌前吸水深度為10 cm～15 cm，灌后吸水深度為5 cm～10 cm；7月30日WT2處理灌前吸水深度為15 cm～20 cm，灌后吸水深度為10 cm～15 cm和15 cm～20 cm；7月30日WT3處理灌前吸水深度為15 cm～20 cm和20 cm～25 cm，灌后吸水深度為10 cm～15 cm和15 cm～20 cm。

8月10日WT1處理灌前吸水深度為10 cm～15 cm和15 cm～20 cm，灌后吸水深度為10 cm～15 cm；8月10日WT2處理灌前吸水深度為10 cm～15 cm、15 cm～20 cm和20 cm～25 cm，灌后吸水深度為10 cm～15 cm和15 cm～20 cm；8月10日WT3處理灌前吸水深度為10 cm～15 cm，灌后吸水深度為5 cm～10 cm；整體來(lái)看，灌水后吸水深度較灌水前吸水深度變淺，說(shuō)明灌水改變了淺層土壤(0～15 cm)的含水率，此時(shí)淺層根系作為主要吸水根系。

8月30日WT1處理灌前吸水深度為15 cm～20 cm和20 cm～25 cm，灌后吸水深度為10 cm～15 cm；8月30日WT2處理灌前吸水深度為10 cm～15 cm和15 cm～20 cm，灌后吸水深度為5 cm～10cm和15 cm～20 cm；8月30日WT3處理灌前吸水深度為5 cm～10 cm、10 cm～15 cm和15 cm-20 cm，灌后吸水深度為5 cm～10 cm；整體來(lái)看灌水后吸水深度較灌水前吸水深度變淺，是由于灌水帶來(lái)的淺層土壤(0～15 cm)水分含量上升，使得淺層根系成為主要吸水根系。

2.2 低溫水灌溉春青稞用水策略

利用Iso Source軟件分析各土層青稞在滴灌條件下用水的貢獻(xiàn)率。獲得低溫水灌溉前后根層水分對(duì)春青稞根系吸水貢獻(xiàn)比率統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表3。

表3統(tǒng)計(jì)了青稞根層在低溫水灌溉前后不同深度土壤水的貢獻(xiàn)率。表層土壤水貢獻(xiàn)率較小，其他根層土壤貢獻(xiàn)率比較接近。

表3 根層不同深度土壤水貢獻(xiàn)率

從貢獻(xiàn)率的最大值分析，灌溉前WT1、WT2、WT3處理15 cm～20 cm 深度貢獻(xiàn)率最大，灌溉后WT1、WT2處理10 cm～15 cm 深度貢獻(xiàn)率最大。灌溉前植物水、土壤水中δD比率基本都在相應(yīng)處理的貢獻(xiàn)率峰值深度處出現(xiàn)交會(huì)，數(shù)據(jù)和圖表均說(shuō)明，灌溉前青稞根系吸收水分來(lái)源較多的集中于20 cm左右；灌溉后，植物水、土壤水δD比率 則在10 cm、15 cm分別交會(huì)，并且貢獻(xiàn)率的最大值也出現(xiàn)在這2層土壤中，說(shuō)明灌溉后，青稞根系吸收水分的來(lái)源較多集中在10 cm和15 cm。

根據(jù)不同處理的灌水后根層水分貢獻(xiàn)表現(xiàn)可以看出，3個(gè)處理灌水后的主要的水分貢獻(xiàn)根層深度均較灌前有上升趨勢(shì)。且隨著灌水溫度的持續(xù)降低，主要的水分貢獻(xiàn)根層深度隨之上升。WT3處理灌水后主要利用的水分來(lái)自淺層(5 cm～15 cm)土壤。進(jìn)一步證明了低溫水會(huì)改變青稞根層水分利用情況。結(jié)合當(dāng)?shù)赝寥罈l件可以知道，沙壤土保水性較壤土等更差，由于比熱容較小且淺層土壤受輻射得影響，導(dǎo)致淺層土壤水分更易蒸發(fā)，更容易出現(xiàn)干旱情況。這也是低溫水灌溉導(dǎo)致青稞的減產(chǎn)的可能原因。

3 討 論

春青稞不同生長(zhǎng)期根系吸水深度使用直接對(duì)比法和同位素質(zhì)量守恒多元分析模型會(huì)得到基本上是一致的結(jié)論，但后者通過(guò)定量地描述各種水源的比例組合，減小了由觀察者的偏差導(dǎo)致錯(cuò)誤的可能性。同位素剖面分布變化趨勢(shì)明顯，或各深度同位素值變化范圍大是兩種方法應(yīng)用的前提。伴隨灌溉引起的土壤水分垂向運(yùn)動(dòng)，青稞根區(qū)主要吸水深度由灌水前(15 cm～20 cm)變?yōu)楣嗨?5 cm～10 cm)，整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；隨灌水溫度的降低，上升趨勢(shì)減緩(WT1灌水后10 cm～15 cm，WT3灌水后為5 cm～10 cm)。低溫水灌溉較常溫水灌溉會(huì)直接導(dǎo)致青稞根區(qū)土壤溫度降低，間接影響青稞根系吸水及生長(zhǎng)發(fā)育。低溫水灌溉條件下，青稞淺層根區(qū)(5 cm～10 cm)吸水比例降低，而灌溉水主要集中在5 cm～10 cm土層，說(shuō)明青稞根系對(duì)灌溉水利用效果隨溫度降低而降低。隨灌水溫度的上升，青稞主要吸水根深對(duì)應(yīng)的土層土壤水分貢獻(xiàn)比例增加(WT1處理0.54，WT3處理0.72)。相較于常溫水灌溉，低溫水灌溉減少作物干物質(zhì)累積、降低株高、抑制作物長(zhǎng)勢(shì)等。融雪水春灌建議以少量多次為原則，灌水盡量在地溫較高時(shí)到達(dá)田間，最大程度避免融雪水寒害影響。

4 結(jié) 論

(1) 低溫水灌溉條件下，根系吸水活躍程度在灌前以深層根系(20 cm左右)為主，灌后以淺層根系(10 cm)為主說(shuō)明青稞根系對(duì)灌溉水利用效果隨溫度降低而降低。

(2) 灌溉前，青稞根系吸收水分基本集中于20 cm；灌溉后，植物水、土壤水δD比率則分別在10 cm、15 cm交會(huì)，并且相對(duì)應(yīng)貢獻(xiàn)率的最大值，因此灌溉后青稞根系吸收水分多集中于此。

(3) 低溫水灌溉條件下，青稞淺層根區(qū)(5 cm～10 cm)吸水比例降低，而灌溉水主要集中在5 cm～10 cm土層，說(shuō)明青稞根系對(duì)灌溉水利用效果隨溫度降低而降低。因此，融雪水灌溉建議盡量在日地溫較高時(shí)進(jìn)行，可從灌水時(shí)間角度避免低溫水灌溉產(chǎn)生的寒害影響。