程立平, 齊 光, 李彥嬌, 劉文兆
(1.平頂山學(xué)院, 河南 平頂山 467000;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)
黃土塬區(qū)土壤供水占旱作冬小麥耗水量的一半左右,土壤水庫(kù)調(diào)蓄功能可有效緩解降水不足和季節(jié)分布不均所導(dǎo)致的旱情,對(duì)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育以及穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)具有重要的意義[1-2]。試驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)黃土區(qū)旱作冬小麥根系可深達(dá)3 m以下[3],但是根系能否利用土壤水還與根系密度和活性相關(guān)[4],因此冬小麥能否利用3 m深度土壤水仍缺乏直接證據(jù)。有關(guān)研究多將2 m或3 m以內(nèi)土壤水分作為整體研究其與冬小麥耗水之間的關(guān)系[5-6],較少關(guān)注冬小麥對(duì)不同土層土壤水分的利用特征,而同位素水分溯源技術(shù)則為定量研究植物對(duì)不同土層水分利用特征提供了可能[7]。植物根系從土壤中吸收水分和水分在植物體內(nèi)運(yùn)輸?shù)竭_(dá)葉片或幼嫩未栓化的枝條之前均不發(fā)生同位素分餾[8],植物莖干水同位素組成是其所利用水源同位素組成的綜合體現(xiàn)。要定量研究植物各水源的利用比例,可采用二源/三源線性混合模型[9],但該模型不能用確定多于3個(gè)以上水源,IsoSource多源混合模型[10]則可用于估算多個(gè)水源對(duì)植物用水的貢獻(xiàn)比例范圍。隨著同位素示蹤技術(shù)的發(fā)展,已有學(xué)者開展了冬小麥水分溯源的試驗(yàn)研究。如有灌溉條件且地下水埋深較淺地區(qū)的冬小麥的水分利用規(guī)律[11-12],地下水埋藏較深地區(qū)0~2 m深度內(nèi)不同土層土壤水對(duì)冬小麥耗水的貢獻(xiàn)[13],以及田間土柱種植試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)冬小麥自抽穗—灌漿期起開始利用2~3 m土層土壤水[14]。但是鮮有研究關(guān)注黃土區(qū)旱作冬小麥對(duì)3 m深度土壤水分的利用問題,尤其是降水不足的條件下,因此本文首先利用遮雨棚遮雨模擬降雨量減少情景,其次對(duì)遮雨樣地和自然樣地3 m深度土壤水標(biāo)記氘水(D2O),通過測(cè)定不同日期冬小麥莖稈水δD值以確定冬小麥?zhǔn)欠窭? m深度土壤水分;并通過測(cè)定冬小麥不同生育期莖稈水、降水和0~4 m土壤剖面不同土層土壤水δ18O值,定量分析旱作冬小麥對(duì)不同土層土壤水分的利用特征及其對(duì)降雨減少的響應(yīng),為旱地農(nóng)田水分研究和管理服務(wù)。
試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站(35°14′N,107°40′E)所在的長(zhǎng)武黃土塬區(qū)進(jìn)行,位于陜西省長(zhǎng)武縣,塬面平坦,海拔1 220 m。研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)易旱大陸性季風(fēng)氣候,多年平均降水量580 mm,降水年際變化較大,年內(nèi)分布不均,7—9月降水量占全年降水總量的55%以上。研究區(qū)黃土堆積深厚,土壤為黑壚土,田間持水量和凋萎濕度分別為22%(質(zhì)量含水量,下同)和9%,容重為1.3 g/cm3,母質(zhì)為中壤質(zhì)馬蘭黃土,土質(zhì)疏松,孔隙度在50%左右,通透性良好,利于水分入滲和植物根系生長(zhǎng)。研究區(qū)地下水埋深40~80 m,不參與土壤—植物水分循環(huán)。
2015年9月下旬在長(zhǎng)武站水肥耦合試驗(yàn)場(chǎng)選擇2個(gè)小區(qū)(3 m×4 m)種植小麥進(jìn)行試驗(yàn)(品種:長(zhǎng)旱58),小麥播種量150 kg/hm2,播前一次性深翻施氮肥(尿素,150 kg/hm2)和磷肥(五氧化二磷,90 kg/hm2)。2016年5月9日起至小麥?zhǔn)斋@(6月下旬)對(duì)2號(hào)小區(qū)進(jìn)行人工遮雨處理,即雨前將遮雨棚推至小區(qū)上方遮雨,雨后推離,模擬降雨量減少情景;1號(hào)小區(qū)接收正常降雨。5月9日在1號(hào)樣地(記為A樣地)和2號(hào)樣地(記為B樣地)中心位置選擇約1 m2樣方,利用土鉆于四角處鉆至3 m深度,鉆孔直徑約5 cm,利用軟管將D2O(99.8%)注入孔底進(jìn)行標(biāo)記,為盡量減小水分輸入對(duì)土壤濕度的擾動(dòng)又能標(biāo)記成功,每個(gè)鉆孔約注入12 ml氘水,然后分層回填。
1.3.1 土壤樣品采集 于2016年5月9日(抽穗期),5月19日(開花期),5月29日(灌漿期)和6月10日(乳熟期)在氘水標(biāo)記樣方內(nèi)使用土鉆采集0—4 m剖面土壤樣品,間隔20 cm。因標(biāo)記樣方面積小,為減少擾動(dòng),每次只取一個(gè)土壤剖面。土壤樣品分為兩份,一份裝入鋁盒利用烘干法(105℃,12 h)測(cè)定土壤含水量;另一份密封于高密度聚乙烯瓶中保存,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用低溫真空抽提系統(tǒng)Li-2000抽提土壤水樣,將抽提的水樣密封于玻璃水樣瓶中,編號(hào)、記錄并冷藏待測(cè)。
1.3.2 小麥莖稈水樣采集 為明確冬小麥?zhǔn)欠窭靡约昂螘r(shí)利用3 m深度以下土壤水分,除在采集土壤樣品日期,又分別于5月13日、5月24日和6月4日在D2O標(biāo)記樣方內(nèi)采集冬小麥樣品。采集方法為隨機(jī)選擇3株長(zhǎng)勢(shì)良好冬小麥連根拔起,采集近根部的莖稈,迅速剔除葉鞘部分,裝入10 ml玻璃瓶?jī)?nèi)密封保存,每次采集3瓶作為重復(fù),實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用低溫真空抽提系統(tǒng)Li-2000抽提小麥莖稈水樣,將抽提的水樣密封于玻璃水樣瓶中,編號(hào)、記錄并冷藏待測(cè)。
1.3.3 降水樣品采集 利用人工雨量筒收集次降水水樣,并記錄降水量。
1.3.4 水樣氫氧穩(wěn)定同位素測(cè)定 小麥水樣δD值測(cè)定:采用LGR IWA-45 EP液態(tài)水同位素分析儀測(cè)定抽提小麥水樣的δD值,分析精度為±0.5‰。土壤、小麥和降水水樣δ18O值測(cè)定:采用質(zhì)譜儀Finnigan MAT253,TC/EA法測(cè)定水樣內(nèi)δ18O值,分析精度為±0.3‰。所有水樣δ值測(cè)定結(jié)果用V-SMOW標(biāo)準(zhǔn)校正。
通過對(duì)比不同日期冬小麥莖稈水δD值變化可以確定冬小麥利用3 m深度土壤水分的時(shí)間;將冬小麥不同生育期莖稈水、降水和0—4 m土壤剖面不同土層土壤水δ18O值輸入IsoSource模型,可定量分析冬小麥對(duì)不同土層土壤水分的利用特征。
1.3.5 土壤儲(chǔ)水量計(jì)算 土壤儲(chǔ)水量計(jì)算公式為:
式中:W為土壤儲(chǔ)水量(mm);θ為土壤質(zhì)量含水量(g/g);ρ為土壤容重(g/cm3);h為土層厚度(cm)。
1.3.6 水量平衡方程 黃土塬區(qū)水量平衡計(jì)算公式一般被簡(jiǎn)化為:
ET=P-ΔW
式中:ET為蒸散量(mm);ΔW為土壤儲(chǔ)水量的變化量(mm);P為降水量(mm)。
利用IsoSource多源線性混合模型(V1.3.1)計(jì)算不同水源對(duì)冬小麥耗水的貢獻(xiàn)比例,IsoSource模型參數(shù)中的來源增量(source increment)設(shè)置為2%,質(zhì)量平衡公差(mass balance tolerance)為1%。
采用Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,利用Origin 2018制圖,利用單因素方差分析比較不同時(shí)期土壤水同位素組成差異顯著性。
由于冬小麥的吸收利用,疊加土壤物理蒸發(fā),至抽穗期兩塊樣地0—50 cm土層土壤水分均已低至萎蔫系數(shù)(圖1)。試驗(yàn)起始日,A樣地和B樣地0—4 m剖面平均土壤水分含量分別為15.7%和15.5%,土壤水分剖面分布近乎一致。但是隨著冬小麥生育期推進(jìn),兩塊樣地50 cm深度以下土壤水分剖面均向左移動(dòng),土壤含水率降低,試驗(yàn)終止時(shí)分別降低至15.1%和14.2%,出現(xiàn)明顯差異。研究期內(nèi),雖然A樣地蒸散量(91.5 mm)大于B樣地蒸散量(78.9 mm),但是由于A樣地降水輸入為50.8 mm,其土壤儲(chǔ)水量?jī)H減少了40.7 mm,較B樣地減小量少38.2 mm。說明降水量減少條件下,冬小麥能夠利用更多土壤儲(chǔ)水滿足生育耗水需求,緩解旱情。
圖1 土壤水分剖面動(dòng)態(tài)變化
研究期內(nèi)降水δ18O最小值為-8.26‰,最大值為-2.96‰,平均值為-5.39‰(圖2),與研究區(qū)多年降水δ18O平均值-10.38‰[15]相比明顯富集,原因在于長(zhǎng)武黃土塬區(qū)降水同位素組成具有冬春富集、夏秋貧化的年內(nèi)變化特征。
圖2 研究時(shí)段內(nèi)降水量及降水δ18 O值
受蒸發(fā)效應(yīng)影響,淺層土壤水分重同位素富集[16]。A樣地土壤水δ18O值在20 cm處最大,20—280 cm深度范圍內(nèi)隨深度增加而減小,280 cm以下隨深度增加而逐漸增加,4個(gè)采樣日土壤水δ18O平均值分別為-12.17‰,-12.03‰,-12.49‰和-12.45‰,方差分析表明其無顯著差異(圖3A)。B樣地土壤水δ18O值同樣在20 cm處最大,20—120 cm深度范圍內(nèi)隨深度增加而減小,120 cm以下基本保持穩(wěn)定,4個(gè)采樣日土壤水δ18O平均值分別為-10.11‰、-10.04‰,-10.31‰和-9.98‰,無顯著差別(圖3B)。
5月9日、5月19日、5月29日和6月10日,A樣地冬小麥莖稈水δ18O值分別為(-9.16±0.57‰),(-9.82±0.39‰),(-10.37±0.35)‰和(-10.02±0.51)‰,平均值為(-9.84±0.58)‰(圖3A);B樣地冬小麥莖稈水δ18O值分別為(-8.99±0.13)‰,(-10.59±0.23)‰,(-10.60±0.39)‰和(-10.30±0.29)‰,平均值為(-10.10±0.72)‰(圖3B)。植物根系吸收水分過程不發(fā)生同位素分餾現(xiàn)象,因此植物水的同位素組成是其所利用水源同位素組成的綜合反應(yīng)。雖然A樣地土壤水同位素組成較B樣地偏負(fù),但是由于A樣地冬小麥能夠利用同位素組成偏正的降水,其莖稈水同位素組成卻偏正一些。
圖3 土壤水及冬小麥莖稈水δ18 O值
盡管液態(tài)水同位素儀LGR在測(cè)定植物水δD值時(shí)存在甲醇或乙醇類有機(jī)污染[17],但是其測(cè)試結(jié)果仍然可以為冬小麥?zhǔn)欠窭昧藰?biāo)記在3 m深度處的氘水提供有效信息。表1給出了不同日期兩塊樣地冬小麥莖稈水的氫同位素組成變化。可以發(fā)現(xiàn)截至5月19日無論是A樣地還是B樣地,冬小麥莖稈水δD值均沒有富集;但是從5月24日起至6月10日,兩塊樣地冬小麥莖稈水δD值發(fā)生了明顯富集,表明冬小麥已經(jīng)開始利用標(biāo)記在3 m深度處的氘水。因?yàn)槎←湠殡S機(jī)采樣,因此距離鉆孔較近的小麥莖稈水δD值大,距離較遠(yuǎn)的冬小麥莖稈水δD值小。進(jìn)一步對(duì)比兩塊樣地冬小麥莖稈水δD值發(fā)現(xiàn),B樣地較A樣地富集程度高,表明雖然兩塊樣地冬小麥幾乎在同一時(shí)間開始利用3 m深度土壤水分,但是在降水量減少條件下冬小麥能夠吸收利用更多的深層土壤水分來滿足耗水需要。
黃土塬區(qū)地下水埋藏極深,因而旱作冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育僅能依賴降水和土壤水。研究時(shí)段屬于旱季、降水較少,5月1日至6月10日共記錄到13個(gè)降水日,但是降水量大于5 mm的有效降水僅6次(圖2),最大日降水量?jī)H為13.6 mm,很難入滲至20 cm深度土層。本試驗(yàn)中土壤水分測(cè)定從20 cm開始,所以圖1中表現(xiàn)出兩塊樣地0.5 m以上土層含水率與萎蔫系數(shù)持平,幾乎沒有變化,意味該層土壤水分已不能為冬小麥所吸收利用。對(duì)于B樣地,冬小麥只能利用0.5 m深度以下土壤水分。對(duì)于A樣地,降水轉(zhuǎn)化的土壤水集中在0—20 cm深度范圍以內(nèi),研究表明冬小麥能夠優(yōu)先利用降水轉(zhuǎn)化而來的土壤水,然后才利用土壤前期儲(chǔ)水[18],同時(shí)冬小麥根系密度在此范圍以內(nèi)最大,所以該地塊冬小麥能夠直接利用降水轉(zhuǎn)化而來的土壤水。由冬小麥莖稈水樣δD值變化可知,兩塊樣地冬小麥在5月24日起已經(jīng)利用3 m深度土壤水分。因此,本文根據(jù)土壤水同位素剖面分布特征,在抽穗期和開花期將50—300 cm土層分為3組,分別是50—100 cm,100—200 cm和200—300 cm;在灌漿期和乳熟期將50—400 cm土層分為4組,分別是50—100 cm,100—200 cm,200—300 cm和300—400 cm。研究表明干旱地區(qū)植物體內(nèi)在降水之后的7日內(nèi)仍保存有大量的降水[19],因此本文分別利用5月8日、5月13日、5月27日和6月9日降水代替0—50 cm土層土壤水,來計(jì)算不同生育期A樣地冬小麥對(duì)0—50 cm土層土壤水(降水)的利用比例,四日降水量分別為7.7 mm,13.6 mm,5.5 mm和6.4 mm,降水δ18O值分別為-6.03‰,-4.72‰,-6.57‰和-5.67‰。最后將冬小麥不同生育期莖稈水以及各組土壤水δ18O值分別輸入IsoSource模型,計(jì)算旱作冬小麥對(duì)各層土壤水分的利用比例。
表1 冬小麥莖稈水樣δD值 ‰
IsoSource模型最終結(jié)果不是唯一解,而是依據(jù)計(jì)算過程中各水源相對(duì)貢獻(xiàn)率的頻率確定可行的概率分布組合[10],即冬小麥對(duì)各水源利用比例的分布范圍,具有一定的不確定性,可利用各潛在水源相對(duì)貢獻(xiàn)率的頻率加權(quán)平均值作為唯一解的體現(xiàn)(圖4)。抽穗期,0—50 cm土壤水(降水),50—100 cm,100—200 cm,200—300 cm土壤水對(duì)A樣地冬小麥耗水的貢獻(xiàn)率分別是36.7%,29.9%,20.6%和12.8%,對(duì)B樣地冬小麥耗水的貢獻(xiàn)率分別為33.4%,27.9%,20.4%和18.3%??梢园l(fā)現(xiàn),雖然兩塊樣地同一土層土壤水對(duì)冬小麥耗水貢獻(xiàn)率有所差異,但是冬小麥對(duì)各層土壤水分的利用狀況表現(xiàn)出了相同的規(guī)律,即冬小麥對(duì)不同土層土壤水分的利用強(qiáng)度隨土層深度的增加而減小。
圖4 不同生育期各層土壤水對(duì)冬小麥耗水的貢獻(xiàn)率
A樣地冬小麥開花期、灌漿期和乳熟期的土壤水分利用規(guī)律與抽穗期一致,利用強(qiáng)度隨深度增加而減小,但是各層水分對(duì)冬小麥耗水的貢獻(xiàn)率在不同生育期不同。圖4A可知0—50 cm土壤水(降水)對(duì)開花期、灌漿期和乳熟期冬小麥耗水的貢獻(xiàn)率分別為28.0%,28.3%和32.6%,50—100 cm土壤水的貢獻(xiàn)率分別為32.3%,25.7%和24.7%,100—200 cm土壤水的貢獻(xiàn)率分別為22.3%,16.9%和15.7%,200—300 cm土壤水的貢獻(xiàn)率分別為17.4%,12.5%和11.4%。冬小麥自開花—灌漿期間開始利用3 m深度土壤水分,300—400 cm土層土壤水對(duì)灌漿期—乳熟期冬小麥耗水的貢獻(xiàn)率為15.6%~16.6%。
雨量減少條件下,冬小麥需要利用更多的深層土壤儲(chǔ)水來滿足生育耗水的需要。由于0—50 cm土層土壤含水率與萎蔫系數(shù)持平且沒有降水輸入,B樣地深層土壤水分對(duì)冬小麥耗水的貢獻(xiàn)率相較A樣地大幅增加。50—100 cm土壤水對(duì)開花期、灌漿期和乳熟期冬小麥耗水的貢獻(xiàn)率分別為31.7%,21.1%和20.6%,100—200 cm土壤水的貢獻(xiàn)率分別為34.2%,32.9%和31.5%,200—300 cm土壤水貢獻(xiàn)率分別為34.1%,24.5%和24%。300—400 cm土層土壤水在灌漿期—乳熟期間的平均貢獻(xiàn)率為22.7%。冬小麥對(duì)深層土壤水分利用強(qiáng)度的增加,導(dǎo)致深層土壤儲(chǔ)水消耗增加。計(jì)算得知,A樣地200—400 cm土層土壤儲(chǔ)水量減少18.7 mm,B樣地則減少了27.4 mm。
相較于地下水淺埋地區(qū)及灌區(qū)冬小麥可利用的眾多水源(降水、土壤水、灌溉水和地下水)[11-12],黃土塬區(qū)旱作冬小麥能夠利用的水源只有降水和土壤水。降水對(duì)抽穗期、開花期、灌漿期和乳熟期冬小麥耗水的貢獻(xiàn)率分別為36.7%,28.0%,28.3%和32.6%(圖4A),受降水時(shí)間以及降水量的顯著影響[19]。隨著生育期的延伸和根系下扎,冬小麥根系吸水峰不斷向深層土壤移動(dòng)[20-21]。在地下水埋深較淺的封丘地下冬小麥從孕穗期開始利用埋深在3 m以下的地下水[12],而在干旱半干旱的山西省南部地區(qū),旱作冬小麥則自抽穗期起開始利用2~3 m土層土壤水[14]。相關(guān)試驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)武塬區(qū)冬小麥越冬前根系可扎至60 cm深度,返青期已生長(zhǎng)至250~280 cm深度,至收獲前依然繼續(xù)向下延伸[3]。本研究氘水標(biāo)記試驗(yàn)表明長(zhǎng)武塬區(qū)旱作冬小麥在開花—灌漿期間開始利用300 cm深度土壤水分,且該時(shí)間點(diǎn)未受降雨量減少的影響。說明,該區(qū)旱作冬小麥根系在開花—灌漿期已生長(zhǎng)至300 cm深度以下,且抽穗期以后的降水量減少不會(huì)對(duì)作物根系下延生長(zhǎng)造成影響。
冬小麥對(duì)土壤水分的利用狀況取決于土層中根系分布量、根系吸水速率及土壤含水量,但是與土壤水分狀況相比,根系在作物吸水過程中起著控制作用,尤其在土壤干旱條件下作用更大[20],冬小麥根系在土壤剖面上的分布呈指數(shù)遞減[21],因此冬小麥對(duì)淺層土壤水分利用強(qiáng)度大于深層土壤水分,但是傳統(tǒng)方法僅是定性描述。本文利用IsoSource得出不同土層土壤水分對(duì)冬小麥耗水的貢獻(xiàn)率隨深度增加而減小(圖4A),從定量角度表明冬小麥對(duì)各層土壤水分利用強(qiáng)度具有隨深度增加而減小的趨勢(shì)。深根習(xí)性的植物能夠吸收更深層水分以避免干旱影響[8,22],而深層土壤水分利用能力使植物克服水分限制并在無雨期生長(zhǎng)成為可能[23]。由于沒有降水可供利用,具有深根習(xí)性的旱作冬小麥調(diào)整了土壤水分利用策略,提升了對(duì)深層土壤水分的利用強(qiáng)度,從而導(dǎo)致深層土壤水對(duì)冬小麥耗水貢獻(xiàn)率的增加(圖4B)。傳統(tǒng)的水量平衡法也觀測(cè)到了類似的結(jié)果,枯水年旱作冬小麥孕穗—抽穗到成熟期,300 cm以下土層水分消耗率為15.4%,遠(yuǎn)高于平水年的3.9%和豐水年的5.2%[24]??梢姡S土塬區(qū)深層土壤儲(chǔ)水對(duì)于緩解降水不足,保障冬小麥水分供給具有重要意義。
氘水標(biāo)記表明,旱作冬小麥自開花—灌漿期開始利用3 m深度土壤水分,且該時(shí)間不受降水量減少的影響。冬小麥對(duì)各層土壤水分的利用強(qiáng)度具有隨深度增加而減小的趨勢(shì),0—50 cm土壤水(降水),50—100 cm土壤水、100—200 cm土壤水、200—300 cm土壤水對(duì)抽穗期、開花期、灌漿期、乳熟期冬小麥耗水的平均貢獻(xiàn)率分別為31.4%,28.2%,18.9%,13.5%;300—400 cm土壤水對(duì)灌漿期—乳熟期冬小麥耗水的平均貢獻(xiàn)率為16.1%。冬小麥可通過調(diào)整土壤水分利用策略,提升對(duì)深層土壤水分的利用強(qiáng)度來響應(yīng)生育期降水量的減少。降水量減少情況下,50—100 cm土壤水、100—200 cm土壤水、200—300 cm土壤水對(duì)開花期、灌漿期、乳熟期冬小麥耗水的平均貢獻(xiàn)率分別為25.3%,29.8%,25.2%;300—400 cm土壤水對(duì)灌漿期—乳熟期冬小麥耗水的平均貢獻(xiàn)率為22.7%。
深層土壤儲(chǔ)水能有效緩解降水不足的影響,對(duì)旱作冬小麥穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。因此,生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)通過夏閑期蓄水保墑措施,減少土壤蒸發(fā)、增加雨水入滲量和入滲深度,促使深層土壤水分恢復(fù),來保證土壤水庫(kù)調(diào)蓄功能的持續(xù)發(fā)揮。