柴達(dá)木盆地灌區(qū)枸杞根系水分吸收來(lái)源研究*

周艷清, 高曉東, 王嘉昕, 趙西寧**

柴達(dá)木盆地灌區(qū)枸杞根系水分吸收來(lái)源研究*

周艷清1,2, 高曉東2,3, 王嘉昕1,2, 趙西寧2,3**

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院 楊凌 712100; 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 楊凌 712100; 3. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所 楊凌 712100)

探討柴達(dá)木盆地灌區(qū)作物水分利用特征, 可為灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)和水資源高效利用提供理論依據(jù)。以柴達(dá)木盆地懷頭他拉灌區(qū)主要作物枸杞為對(duì)象, 將枸杞潛在水源劃分為淺層(0~20 cm)、中層(20~60 cm)和深層(60~100 cm)土壤水, 利用穩(wěn)定氧同位素示蹤技術(shù)以及MixSIAR模型定量研究不同田間管理模式下[平作裸地(CK)、平作覆膜(MF)和壟作覆膜(MR)]枸杞根系水分吸收特征。結(jié)果表明: 萌芽展葉期淺層土壤水分環(huán)境相對(duì)較好, CK和MF處理枸杞主要吸收淺層土壤水分, 利用比例分別為45.9%和37.7%, MR處理對(duì)淺層、中層和深層土壤水源的利用比例相當(dāng); 開(kāi)花坐果期各層土壤水分都有所提高, 相比于CK, MF處理淺層土壤水分利用比例增加13.5%, MR處理淺層土壤水分利用比例減少11.1%; 果熟期枸杞蒸騰耗水量增加, 相比于CK, MF和MR處理對(duì)淺層土壤水分的利用比例分別增加11.7%和24.0%; 落葉期淺層土壤含水量較低, 3個(gè)處理都主要吸收深層土壤水分。淺層土壤水源的利用比例與該層土壤水分呈正相關(guān), 枸杞對(duì)淺層土壤水分變化較敏感。3種管理模式下枸杞根系水分吸收來(lái)源差異明顯。覆膜和壟作措施均提高了土壤含水量。相比于CK, MF和MR處理枸杞都增加了對(duì)淺層水源的利用。MR處理下土壤水分狀況較好且枸杞根系水分吸收利用模式更加靈活, 對(duì)柴達(dá)木盆地灌區(qū)是一種較優(yōu)的田間水分管理模式。

枸杞; 干旱灌區(qū); 根系水分吸收; 土壤水分; 管理模式; MixSIAR模型

青藏高原自然資源豐富, 但是土壤沙漠化日趨嚴(yán)重, 對(duì)高原生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了重大影響[1]。枸杞()不僅具有防風(fēng)固沙、改善土壤結(jié)構(gòu)的功能, 而且經(jīng)濟(jì)效益良好[2?4]。近年來(lái), 柴達(dá)木盆地枸杞產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛, 已成為中國(guó)第二大枸杞種植區(qū)。但柴達(dá)木盆地屬于氣候干旱、沒(méi)有灌溉就沒(méi)有農(nóng)業(yè)的地區(qū), 降雨稀少且蒸發(fā)強(qiáng)烈, 水資源短缺成為制約作物生長(zhǎng)的主要瓶頸[5-7]。隨著枸杞種植規(guī)模擴(kuò)大, 該區(qū)水資源供需矛盾將進(jìn)一步加劇。因此探明枸杞生育期內(nèi)水分利用特征, 對(duì)灌區(qū)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)和水資源高效利用具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

穩(wěn)定氫氧同位素技術(shù)被廣泛應(yīng)用到植物水分來(lái)源研究[8-9]。一般植物可利用的水源(降水、徑流、不同深度的土壤水、地下水等)都具有不同的穩(wěn)定氫氧同位素特征[10-11], 因此對(duì)比植物木質(zhì)部水與各潛在水源的穩(wěn)定氫氧同位素組成可以判斷植物水分來(lái)源[12], 并且可采用多源混合模型(如IsoSource模型、貝葉斯混合模型)進(jìn)一步確定植物對(duì)各潛在水源的利用范圍或利用比例[8,13]。目前, 在干旱半干旱地區(qū)利用穩(wěn)定氫氧同位素技術(shù)研究植物土壤水分來(lái)源的報(bào)道主要集中在生態(tài)林、天然和人工灌木等[14-16], 但是對(duì)于生態(tài)經(jīng)濟(jì)型枸杞的研究較為薄弱。此外, 在計(jì)算方法上, IsoSource模型是目前估算多種水分來(lái)源對(duì)植物生長(zhǎng)貢獻(xiàn)的一種重要手段[8-9,17-18], 但該模型未考慮水源的不確定性。針對(duì)此問(wèn)題有學(xué)者提出了貝葉斯混合模型[17-20], 目前, 貝葉斯混合模型主要有3種, 分別為MixSIR、SIAR和MixSIAR, 其中MixSIAR模型融合了MixSIR和SIAR模型的特點(diǎn), 增加了固定和隨機(jī)效應(yīng)(作為協(xié)變量解釋混合比例變化)、過(guò)程誤差+殘差、整合不確定性源和明確比較競(jìng)爭(zhēng)模型或參數(shù)值的支持強(qiáng)度等功能, 使模型在分析植物水分來(lái)源及其貢獻(xiàn)比例上具有更高的準(zhǔn)確性[21]。

雖然穩(wěn)定氫氧同位素技術(shù)在植物水分利用來(lái)源識(shí)別中取得巨大成功, 但是穩(wěn)定氫同位素容易在鹽堿和干旱環(huán)境下發(fā)生分餾[22-23], 相反, 目前鮮有穩(wěn)定氧同位素發(fā)生分餾的報(bào)道。因此, 本研究采用穩(wěn)定氧同位素技術(shù), 通過(guò)采樣和室內(nèi)測(cè)定分析獲得不同田間管理模式下枸杞木質(zhì)部水及其潛在水源的18O值, 使用貝葉斯混合模型(MixSIAR)揭示不同田間管理模式下枸杞根系水分吸收生育期內(nèi)變化特征, 以期為柴達(dá)木盆地灌區(qū)枸杞灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)和水分高效利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于我國(guó)青藏高原東北部, 青海省海西蒙古族藏族自治州德令哈市懷頭他拉灌區(qū)(37°21′14.74″N, 96°41′41.06″E), 海拔2868 m。屬于高原大陸性氣候, 日照時(shí)長(zhǎng)3007 h, 年均氣溫6.5 ℃,多年平均降水量241.3 mm, 年內(nèi)分配不均, 72%的降水集中在6—9月。2018年6—9月降水量分別為50.2 mm、26.4 mm、49.2 mm和7.8 mm。地下水埋深大于50 m。試驗(yàn)區(qū)土壤為礫質(zhì)土, 入滲能力強(qiáng)。試驗(yàn)區(qū)土壤容重和養(yǎng)分含量如表1所示, 全氮、速效磷和速效鉀含量在0~20 cm土層最高, 有機(jī)質(zhì)含量在40~60 cm土層相對(duì)較高。植被組成簡(jiǎn)單, 以具有高抗旱能力的天然荒漠灌叢[駝絨藜(), 白刺()]和人工灌木林(枸杞)為主。

表1 試驗(yàn)區(qū)0~100 cm土層土壤容重及養(yǎng)分含量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以‘寧杞7號(hào)’枸杞作為供試樹(shù)種, 樹(shù)齡5年。地表滴灌為灌區(qū)主要的灌溉方式, 滴頭間距0.5 m, 滴頭流量3.75 L?h?1, 次灌水持續(xù)時(shí)間為4 h。2018年生育期中共灌5次(灌水時(shí)間分別為6月3日、7月4日、7月25日、8月5日和8月24日), 在生育期結(jié)束后進(jìn)行冬灌(2018年10月20日)。

試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理: 平作裸地(CK)、平作覆膜(MF)和壟作覆膜(MR)。處理間有1.5 m的保護(hù)行。其中平作裸地為灌區(qū)傳統(tǒng)的田間管理方式; 壟作覆膜處理中壟寬20 cm, 高30 cm, 溝寬20 cm, 枸杞種植在溝中, 所用地膜為黑色園藝地布, 經(jīng)久耐用, 可連續(xù)使用, 于2018年4月上旬整地覆蓋。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 每個(gè)處理3個(gè)重復(fù), 共9個(gè)小區(qū), 每個(gè)小區(qū)面積30 m2(1.5 m′20 m)。所有處理除壟作和覆蓋管理措施外, 其余耕作、果樹(shù)修剪、施肥、灌溉和病蟲(chóng)害防治處理均一致。試驗(yàn)枸杞基本信息如表2所示。

表2 不同處理的枸杞基本信息

每個(gè)處理選取9株測(cè)量樹(shù)高和地徑。Height and ground diameter are mean values of 9 trees in each treatment.

1.3 樣品采集

2018年5月1日至9月30日(植物生長(zhǎng)季), 監(jiān)測(cè)每次降雨歷時(shí)和降雨量, 并收集降雨樣品。分別在枸杞萌芽展葉期(5月25日)、開(kāi)花坐果期(7月9日)、果熟期(7月30日)和落葉期(9月22日)取樣, 每個(gè)小區(qū)分別選取1棵長(zhǎng)勢(shì)良好, 具有代表性的枸杞樹(shù)。

采樣方法: 選取枝葉較多且已栓化的枝條, 除去枝條的外皮和韌皮部并剪去枝條兩端, 將木質(zhì)部剪成1~2 cm, 迅速裝入瓶?jī)?nèi), 裝滿后用封口膜密封放入冷凍室保存(?20 ℃), 每株植物各采集3瓶作為重復(fù)?？紤]枸杞根系分布及冠幅的影響, 選擇在枸杞植株附近30 cm處用直徑40 mm土鉆取樣, 取樣深度為100 cm。0~20 cm土層每10 cm取樣1次, 20~100 cm土層每20 cm取樣1次, 每層取3個(gè)重復(fù), 將取得的每層土樣混合均勻。各土層樣品分為兩部分: 一部分迅速裝入樣品瓶中, 用封口膜密封保存, 取樣完畢后放入冷凍室保存(?20 ℃); 另一部分放入鋁盒, 帶回實(shí)驗(yàn)室用烘干稱質(zhì)量法測(cè)量土壤質(zhì)量含水量。試驗(yàn)區(qū)面積較小, 忽略降水、溫度等氣象要素在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的空間異質(zhì)性, 距試驗(yàn)區(qū)100 m左右的空曠處布設(shè)便攜式自動(dòng)氣象站(Automatic Weather Station AR5, Avolon Scientific, Jersey City, USA), 連續(xù)監(jiān)測(cè)降水量(mm)、大氣相對(duì)濕度(%)、空氣溫度(℃)和太陽(yáng)輻射(W?m?2)等氣象要素。

1.4 水分提取與分析

采用對(duì)樣品同位素組成影響不顯著的低溫真空蒸餾法(LI-2000土壤-植物水真空抽取系統(tǒng))提取土壤水和枸杞木質(zhì)部水[24-25]。在真空狀態(tài)下(或接近真空), 將萃取瓶中的樣品加熱到100 ℃, 水蒸汽經(jīng)過(guò)U型管進(jìn)入浸在液氮中的冷凝管中。West等[25]研究表明在真空蒸餾法中要獲取未分餾的水樣, 植物木質(zhì)部樣品需要加熱60~75 min、砂土需要30 min。因此為了獲取未分餾的水樣, 本研究中植物木質(zhì)部樣抽提時(shí)間大于150 min、土樣抽提時(shí)間大于90 min。提取的水樣用Parafilm膜密封在5 mL的玻璃瓶中, 放在冷藏箱(?2 ℃)中保存直至測(cè)樣, 時(shí)間均控制在1個(gè)月內(nèi)。測(cè)樣時(shí)需要將水樣經(jīng)過(guò)濾塞轉(zhuǎn)移到1 mL標(biāo)準(zhǔn)瓶中, 最后上機(jī)測(cè)定穩(wěn)定氧同位素值。

土壤樣品中提取的水樣用液態(tài)水同位素分析儀(TIWA-45EP, Los Gatos Research, Mountain View, USA)測(cè)量, 由于低溫真空蒸餾法提取的木質(zhì)部水樣中可能存在有機(jī)物污染, 從而干擾液態(tài)水同位素分析儀的光譜信號(hào), 導(dǎo)致同位素測(cè)量的誤差超過(guò)儀器精度。因此植物木質(zhì)部水樣采用不受有機(jī)物污染影響的同位素比率質(zhì)譜儀(Finnigan MAT Delta V advantage)進(jìn)行測(cè)量[26]。樣品穩(wěn)定氧同位素值計(jì)算公式為:

液態(tài)水同位素分析儀18O的測(cè)量精度為±0.2‰, 同位素比率質(zhì)譜儀18O的測(cè)量精度為±0.2‰。水分提取和樣品分析均在西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院水同位素分析實(shí)驗(yàn)室完成。

1.5 數(shù)據(jù)處理

本研究采用貝葉斯混合模型(MixSIAR)量化不同土層的吸水比例。MixSIAR模型中木質(zhì)部水和各土層土壤水同位素值輸入全部使用原始數(shù)據(jù)(例如0~20 cm土層數(shù)據(jù)輸入為0~10 cm和10~20 cm的同位素?cái)?shù)據(jù)), TDF數(shù)據(jù)設(shè)為0, 默認(rèn)不發(fā)生同位素分餾, 馬爾可夫鏈蒙特卡羅(MCMC)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為normal, 誤差結(jié)構(gòu)設(shè)定為Residual Only, 模型結(jié)果使用Gelman和Geweke診斷確定模型是否收斂, 模型不收斂則增加MCMC運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)(long, very long), 模型輸出結(jié)果用平均值表示。不同土層的土壤水被認(rèn)為是枸杞的潛在水源, 將土壤含水量和土壤水的同位素組成作為潛在水源的劃分依據(jù), 淺層(0~20 cm)受降雨、灌溉水和蒸發(fā)影響較大, 土壤含水量和土壤水同位素組成變化較大; 中層(20~60 cm)土壤含水量和土壤水同位素組成變化相對(duì)較小; 深層(60~100 cm)土壤含水量變化最小, 土壤水的同位素組成較穩(wěn)定。將3個(gè)潛在水源的18O值代入貝葉斯混合模型(MixSIAR)確定各水源的貢獻(xiàn)比例。

采用Microsoft Excel 2016軟件和SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析, 用Origin 2016軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量及降水、灌溉水同位素組成變化

試驗(yàn)期間(2018年5月1日至9月30日), 試驗(yàn)區(qū)降水量、降水和灌溉水18O值與每日平均氣溫隨時(shí)間的變化如圖1所示。試驗(yàn)期間共有52次降水事件, 總降水量為146.8 mm。且76%以上的降水事件降水量小于5 mm, 對(duì)作物生長(zhǎng)而言屬于無(wú)效降雨。降水集中在6—8月, 降水總量占采樣期間降水總量的84.4%; 6月7日降水量為最大單次降水量, 達(dá)14.8 mm。降水中18O值變化幅度較大, 為?14.4‰~1.7‰, 加權(quán)平均值為?5.6‰。降水的18O值與降水量、降水日平均氣溫的相關(guān)分析表明, 無(wú)降水量效應(yīng), 有微弱的溫度效應(yīng):18O=0.3346+ 21.327 (為降水日平均氣溫,2=0.252,=0.07)。這可能是受大陸性氣團(tuán)的影響, 水汽主要來(lái)源于局地水汽再循環(huán)[27]。灌溉水中的18O值在試驗(yàn)研究期內(nèi)變幅較小, 試驗(yàn)區(qū)灌溉水取自深層地下水, 故灌溉水18O值較穩(wěn)定。

2.2 不同管理模式土壤含水量與土壤水δ18O特征

試驗(yàn)區(qū)不同管理模式枸杞樣地的土壤含水量隨土層深度和時(shí)間的變化如圖2所示。枸杞樣地土壤含水量主要受降水、灌溉水和田間管理模式等因素的共同影響。與CK相比, 整個(gè)生長(zhǎng)季MF和MR處理0~100 cm土層平均土壤含水量分別提高了17.7%和21.9%, 但3個(gè)處理的土壤含水量隨時(shí)間變化趨勢(shì)一致。各土層的土壤含水量情況大致可分為3個(gè)區(qū)間: 淺層(0~20 cm)土壤含水量受蒸發(fā)和降水、灌溉水補(bǔ)給的影響較大, 土壤含水量有較明顯的波動(dòng)。萌芽展葉期(5月25日)和落葉期(9月22日)水源補(bǔ)給較少, 3個(gè)處理的土壤含水量均維持在較低水平, 而開(kāi)花坐果期(7月9日)和果熟期(7月30日)在取樣前5 d都有灌溉水補(bǔ)給, 淺層土壤含水量相對(duì)較高。中層(20~ 60 cm)受蒸發(fā)的影響較小, 土壤含水量隨時(shí)間變化與淺層相比波動(dòng)較小, 6月份較豐富的降雨與采樣前5 d的灌溉水補(bǔ)給了開(kāi)花坐果期的土壤水分, 但CK中層仍沒(méi)有劇烈變化。3個(gè)處理在其他生育階段土壤含水量變化都較小。深層(60~100 cm)土壤含水量變化與淺層土壤含水量變化趨勢(shì)相似, 萌芽展葉期3個(gè)處理深層土壤含水量都處于較低水平, 開(kāi)花坐果期深層土壤含水量達(dá)最大值, 3個(gè)處理在果熟期和落葉期深層土壤含水量逐漸減小。

CK: 平作裸地; MF: 平作覆膜; MR: 壟作覆膜。CK: conventional flat planting; MF: flat planting with full film mulching; MR: ridge-furrow planting with full film mulching.

3個(gè)處理土壤水的18O值變化規(guī)律一致, 因此將3個(gè)處理土壤水18O值一同分析, 土壤水18O值時(shí)空變化規(guī)律如圖3所示。受降水、灌溉水和蒸發(fā)的影響, 淺層土壤水18O值呈現(xiàn)較為明顯的變化, 中層土壤水18O值波動(dòng)的幅度相對(duì)表層較小; 深層土壤水18O值各月間無(wú)顯著變化。土壤含水量和土壤水18O值顯著的季節(jié)性波動(dòng)特征意味著枸杞水分利用來(lái)源亦存在季節(jié)性變化。

2.3 不同管理模式枸杞根系水分吸收來(lái)源的定量分析

基于18O值的MixSIAR模型水源分析結(jié)果如圖4所示。CK處理在萌芽展葉期主要吸收淺層土壤水分, 利用比例達(dá)45.9%; 開(kāi)花坐果期主要吸收深層土壤水分, 利用比例為38.2%, 對(duì)淺層和中層的利用比例也接近30%; 果熟期主要吸收中層和深層的土壤水分, 利用比例分別為37.7%和37.3%; 落葉期又增加了對(duì)深層土壤水分的利用, 利用比例達(dá)43.4%。MF處理在萌芽展葉期、開(kāi)花坐果期和果熟期主要吸收淺層土壤水分, 利用比例分別為37.7%、46.1%和36.8%; 落葉期吸收的水分主要來(lái)源為深層, 占38.7%。MR處理枸杞在整個(gè)生育期的主要水分來(lái)源不斷轉(zhuǎn)換, 具有較強(qiáng)的靈活性, 萌芽展葉期對(duì)3個(gè)土壤水源的利用比例均大于30%, 且無(wú)顯著差異; 開(kāi)花坐果期主要吸收中層和深層土壤水分, 利用比例分別為38.4%和40.1%; 果熟期轉(zhuǎn)向利用淺層水源, 利用比例達(dá)49.1%; 落葉期主要利用中層和深層水源, 利用比例分別為35.9%和37.0%。為評(píng)估枸杞對(duì)各土壤水源利用比例與土壤水分之間的關(guān)系, 將每個(gè)采樣點(diǎn)下各層土壤水源利用比例與相應(yīng)土層的土壤含水量做相關(guān)性分析?？傮w而言, 這些變量之間無(wú)顯著相關(guān)性, 但淺層水源利用比例與土壤含水量呈正相關(guān)關(guān)系(圖5)。

CK: 平作裸地; MF: 平作覆膜; MR: 壟作覆膜。CK: conventional flat planting; MF: flat planting with full film mulching; MR: ridge-furrow planting with full film mulching.

3 討論

土壤含水量受灌溉水、降水補(bǔ)給與蒸發(fā)蒸騰作用的影響, 使土壤含水量在生育期內(nèi)不斷變化[9,28]。受蒸發(fā)過(guò)程影響, 土壤水18O值表現(xiàn)為隨土層深度的增加迅速下降并逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì), 這與前人研究結(jié)果相一致[29-31]。土壤含水量與土壤水18O值在不同生育期差異明顯, 根據(jù)穩(wěn)定同位素質(zhì)量守恒定律, 這意味著枸杞水分利用來(lái)源亦將呈現(xiàn)明顯季節(jié)性特征。

萌芽展葉期(5月25日)氣溫低, 蒸發(fā)較弱, 淺層和中層土壤中貯存著冬灌和冬季融雪補(bǔ)充的水分, 使得土壤含水量較高[31], 又因枸杞剛剛度過(guò)休眠期, 葉芽、花芽還在發(fā)育, 僅長(zhǎng)出一些葉子, 枸杞進(jìn)行光合作用的能力較弱, 且枸杞利用淺層土壤水時(shí)消耗能量相對(duì)較少[32], 平作裸地和平作覆膜處理枸杞根系都優(yōu)先吸收淺層土壤水, 但壟作覆膜處理對(duì)3個(gè)土層水源利用比例差別不大, 可能是壟作和覆膜措施提高了土壤溫濕度[33], 從而提高了各土層根系活力[34]。開(kāi)花坐果期(7月9日), 枸杞根系生長(zhǎng)最快[35]且根系活性較強(qiáng)[36], 枸杞可以靈活地運(yùn)用各層土壤水源。平作裸地處理主要利用深層土壤水分, 其主要利用水分來(lái)源與土壤含水量的高值區(qū)吻合, 并且也可能是平作裸地處理枸杞適應(yīng)了長(zhǎng)期干旱少水的環(huán)境, 根系對(duì)灌溉水反應(yīng)敏感性降低, 只有降水或灌溉水增加到一定閾值時(shí), 淺層根系才有響應(yīng), 根系才能形成保持吸收淺層土壤水分的能力[31,37-38]。平作覆膜和壟作覆膜處理各土層土壤含水量都相對(duì)充足, 平作覆膜處理仍主要利用淺層土壤水分, 壟作覆膜處理則主要利用中層和深層的土壤水分, 田間土壤含水量的長(zhǎng)期變化特征可能影響著枸杞的水分利用來(lái)源, 一方面是由于在中層和深層, 壟作覆膜處理枸杞的根系生物量都大于平作覆膜處理的根系生物量[39], 在水分環(huán)境相對(duì)較好的情況下, 壟作覆膜處理枸杞會(huì)優(yōu)先選擇相對(duì)穩(wěn)定的中層和深層土壤水源[31]。果熟期(7月30日), 枸杞地上生物量達(dá)到最大值, 需要吸收更多的養(yǎng)分。取樣5 d前的灌溉水并沒(méi)有顯著增加土壤含水量, 是由于該時(shí)期枸杞蒸散量最大, 枸杞對(duì)土壤水分消耗速率加快[39]。平作裸地處理主要利用中層和深層土壤水分, 雖然表層養(yǎng)分含量最高, 由于淺層土壤水分流失較快, 枸杞仍需要從更深土層吸收土壤水分, 平作覆膜和壟作覆膜處理主要利用淺層土壤水分, 更有利于對(duì)養(yǎng)分的吸收[15]。落葉期(9月22日), 進(jìn)入秋季, 氣溫驟降, 降雨稀少, 枸杞蒸騰耗水量減少, 各處理都增大了對(duì)深層土壤水的利用比例, 可能是淺層土壤溫度和水分降低, 淺層土壤中根系活性也逐漸降低[39-40], 枸杞只能選擇相對(duì)充足和穩(wěn)定的中層和深層土壤水源。不同田間管理模式下枸杞生育期內(nèi)主要吸水土層不同, 證明其根系吸水模式具有較強(qiáng)的可塑性, 枸杞對(duì)土壤水分狀況的適應(yīng)能力較強(qiáng)。植物對(duì)各水源的利用比例與土壤水分有效性、功能根分布密切相關(guān)[41-42]。本研究表明枸杞根系對(duì)淺層水源較為敏感, 并能對(duì)淺層水源的變化做出快速反應(yīng), 這可能與水通道蛋白的活性和豐度有關(guān)[43]。也有研究表明土壤含水量與根系吸水量、木質(zhì)部水同位素值有很好的相關(guān)性[26]。當(dāng)然土壤水分的有效性也能誘導(dǎo)根系朝向土壤水分環(huán)境良好的區(qū)域生長(zhǎng)[44]。

干旱地區(qū)水資源嚴(yán)重缺乏, 特別是在氣候變化、生態(tài)需水與生活需水增加的背景下, 水資源供需矛盾愈加突出, 灌溉水的高效利用愈加迫切[45], 干旱地區(qū)灌區(qū)的種植模式和管理方式亟需改變升級(jí)。與傳統(tǒng)的平作裸地模式相比, 壟作覆膜是一種簡(jiǎn)單有效提高土壤水分和溫度的方法[34,39,46], 在干旱半干旱地區(qū)具有很大的節(jié)水潛力, 與平作裸地處理相比, 整個(gè)生長(zhǎng)季中壟作覆膜處理顯著增加了土壤含水量, 提高了淺層和中層水分的利用比例, 有利于養(yǎng)分吸收[15]。因此推薦壟作覆膜種植模式作為柴達(dá)木灌區(qū)枸杞種植的田間管理模式。同時(shí), 為了降低土壤無(wú)效蒸發(fā), 灌區(qū)正在進(jìn)行灌溉系統(tǒng)升級(jí), 將目前的地表滴灌改為地下灌溉, 但如何確定地下灌溉深度尚無(wú)定論。本研究通過(guò)穩(wěn)定氧同位素技術(shù)確定了不同田間管理模式枸杞的主要水分利用土層, 據(jù)此可以確定地下灌水器的埋深, 為地下灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

本研究基于穩(wěn)定氧同位素技術(shù), 結(jié)合MixSIAR模型分析柴達(dá)木盆地灌區(qū)不同田間管理模式下枸杞根系水分吸收來(lái)源, 揭示其在不同土壤水分環(huán)境下的水分利用策略, 3種田間管理模式下枸杞生育期內(nèi)水分利用來(lái)源不同, 平作裸地處理根系水分吸收深層土壤水的平均利用比例為36.6%, 平作覆膜處理根系水分吸收淺層土壤水的平均利用比例為37.7%, 壟作覆膜處理對(duì)3層土壤水源的利用比例相當(dāng)。枸杞根系對(duì)淺層土壤含水量的變化較為敏感(<0.05), 根系吸水模式可塑性較強(qiáng), 淺層土壤含水量較低時(shí), 枸杞根系可以通過(guò)吸收更多的深層土壤水分來(lái)滿足植株蒸騰耗水的需求。壟作和覆膜措施提高了枸杞田間淺層土壤含水量, 同時(shí)枸杞也增加了對(duì)淺層土壤水源的利用比例。整個(gè)生育期中壟作覆膜處理土壤水分狀況較好, 枸杞水分利用模式更靈活。因此在枸杞田間水分管理時(shí), 壟作覆膜模式是柴達(dá)木盆地灌區(qū)較為適宜的種植模式。

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root water uptake characteristics in the Qaidam Basin irrigation*

ZHOU Yanqing1,2, GAO Xiaodong2,3, WANG Jiaxin1,2, ZHAO Xining2,3**

(1. College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A & F University, Yangling 712100, China; 2. Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas, Ministry of Education, Northwest A & F University, Yangling 712100, China; 3. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China)

(Chinese wolfberry) helps ecosystems by providing storm protection and sand immobilization, and it is also a cash crop for Qaidam Basin farmers.is a common crop in arid regions, such as the Qaidam Basin, China, but drought and water scarcity have constrained industry development. Identifying crop water-use strategies is important for designing efficient irrigation systems. Seasonalwater-use was investigated in 2018 in the Qaidam Basin Huaiten Tula Irrigation Area. Natural oxygen stable isotope tracers were used to measure the oxygen stable isotope composition (18O) of water in the xylem and soil oforchardswith three field management practices (conventional flat planting, CK; flat-planting full-film mulching, MF; and ridge-furrow full-film mulching, MR). The soil water contribution to root water uptake was analyzed using the MixSIAR Bayesian mixing practices. The soil water and soil water18O profile distribution showed that all soil layers (shallow: 0–20 cm; middle: 20–60 cm; and deep: 60–100 cm) were potential water sources for. During the sprouting period (starting May 25, 2018), CK and MF plants used primarily shallow soil water, accounting for 45.9% and 37.7% of the total water use, respectively, due to the larger amounts of shallow-layer soil water. MR plants used the same amount of water from each layer. During the blossom and fruiting period (starting July 9, 2018), the soil water content increased in all soil layers. Compared with that in CK plants, the shallow-layer soil water use increased by 13.5% in MF plants and decreased by 11.1% in MR plants. During the fruit ripening period (starting July 30, 2018), water consumption increased. Compared with that in CK plants, shallow-layer soil water use increased in MF (by 11.7%) and MR (by 24.0%) plants. During the defoliation period (starting September 22, 2018), the water content in the shallow-layer soil was lower than that in the other soil layers, and all of the treatment groups used primarily deep-layer soil water. These results showed that shallow-layer soil contributions were positively correlated with water content, indicating thatis sensitive to changes in the shallow-layer soil water. There were significant differences in the root water uptake among the three field management practices. Mulching and ridge-furrow treatments increased the soil water content and, compared with that in CK plants, the MF and MR treatments increased the shallow-layer soil water use. The soil water content was higher and the water source was more flexible during the growth period with the MR treatment than with the CK and MF treatments. These results suggest that MR is a better field water management practice for promoting the sustainable and healthy development oforchards.

; Arid oasis irrigation area; Root water uptake; Soil water; Management practices; MixSIAR model

10.13930/j.cnki.cjea.200435

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Q948.1

* 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0403605)資助

趙西寧, 主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土資源利用與調(diào)控。E-mail: xiningz@aliyun.com

周艷清, 主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土資源綜合利用。E-mail: zhouyanq021@163.com

2020-06-08

2020-08-03

* This study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2017YFC0403605).

, E-mail: xiningz@aliyun.com

Jun. 8, 2020;

Aug. 3, 2020