唐 霞，崔建垣，趙學(xué)勇，云建英，連 杰，王新源，李衍青

(1.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅 蘭州 730000； 2.中國科學(xué)院研究生院，北京100049；3.中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，廣西 桂林 541004)

玉米(Zeamays)是科爾沁沙地的主要糧食作物，其播種面積占當(dāng)?shù)乜偛シN面積的70%以上[1]。秸稈是冬季重要飼草補(bǔ)充來源，我國籽粒玉米產(chǎn)量中有75%作為能量飼料使用，其產(chǎn)量及飼用價(jià)值對(duì)農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)具有重要意義[2-3]?？茽柷呱车匚挥趦?nèi)蒙古東南部，是我國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶沙漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一[4-5]。該區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)的高溫、強(qiáng)輻射和風(fēng)沙等惡劣天氣，且降雨量極不穩(wěn)定。當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物的生長(zhǎng)主要依靠對(duì)地下水資源的嚴(yán)重開采來維持，普遍出現(xiàn)了以地下水位下降、湖泊水體干涸、河流斷流以及生物生產(chǎn)力下降為主要特征的土地退化過程，基于灌溉的沙漠化治理規(guī)模的擴(kuò)大和灌溉農(nóng)田面積的增加加劇了水資源的制約性[6]。利用有限的水資源發(fā)展農(nóng)業(yè)已成為該區(qū)域面臨的一大難題。只有確定作物蒸散量，才有可能建立田間土壤水平衡關(guān)系和區(qū)域水均衡模式。

作物蒸散量是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤-植被-大氣循環(huán)(SPAC)連續(xù)體水熱傳輸過程中一個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)[7]，也是農(nóng)田灌溉管理的主要依據(jù)。它包括植株蒸騰和棵間土面蒸發(fā)，受土壤條件、灌溉方式、作物品種及氣象因素的影響。長(zhǎng)期以來，作物耗水量及其變化規(guī)律的研究一直受到國內(nèi)外學(xué)者的重視[8-11]。從20世紀(jì)60年代起，國內(nèi)外陸續(xù)提出了多種植物蒸散量測(cè)定方法，并不斷發(fā)展和趨于完善，如水文學(xué)法、微氣象法、植物生理學(xué)法、遙感法等，這些方法技術(shù)原理不同，局限性各異[12]，有的可用于分析水分蒸散與環(huán)境因子的關(guān)系，有的可用于估算和比較不同地區(qū)蒸散耗水量，但往往無法把植物蒸騰和土壤蒸發(fā)分開。已有學(xué)者采用不同方法研究過科爾沁沙地玉米的耗水規(guī)律[13-14]，測(cè)定估算了農(nóng)田玉米總的蒸散量。本研究采用Dynamax莖流測(cè)量系統(tǒng)直接測(cè)定玉米植株的莖稈液流變化速率，并利用LI-6400光合作用系統(tǒng)測(cè)定不同葉位的蒸騰速率，比較分析莖流速率與蒸騰速率的相關(guān)性，用小型蒸滲儀測(cè)定土面蒸發(fā)，了解葉面蒸騰與棵間蒸發(fā)的特性，并且利用水量平衡法求出實(shí)際總蒸散量，旨在闡明玉米在生育中后期的耗水規(guī)律，為提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用水效率以及制定該區(qū)農(nóng)田灌溉制度提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在位于科爾沁沙地中南部的中國科學(xué)院生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)奈曼沙漠化研究站進(jìn)行，地理位置120°41′ E，42°54′ N。該地區(qū)屬半干旱氣候，年平均降水量366 mm，主要集中在6-8月，年蒸發(fā)量1 935 mm，干燥系數(shù)1.4～1.8。地下水位4～15 m, 年均溫度6.5℃，1月平均溫度-12.7℃，7月平均溫度23.7℃，≥10℃年積溫3 000℃·d 以上，無霜期150 d。年太陽輻射總量5 200～5 400 MJ/m，年均風(fēng)速3.5～4.5 m/s，其中4-5月平均風(fēng)速較高,為5.0～6.0 m/s。試驗(yàn)區(qū)農(nóng)田土壤類型主要為沙質(zhì)草甸土(沙壤土)，土壤平均容重為1.51 g/cm3。

2 材料與方法

2.1供試材料 供試玉米品種為鄭單958，2010年5月初播種，9月25日收獲。為防止?jié)B漏，試驗(yàn)玉米種植在1 m×1 m×1 m的鐵桶中，種植密度為5株/m2。試驗(yàn)作物嚴(yán)格按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)措施管理，灌溉采用漫灌方式，共計(jì)灌水5 次，5月20日灌水30 mm，6月18日、8月12日、8月23日、9月6日分別灌水20 mm，使玉米生育期均處于適宜的土壤水分條件下。

2.2測(cè)定項(xiàng)目與方法

2.2.1棵間蒸發(fā) 采用置于行間的小型蒸滲儀測(cè)定。蒸發(fā)器用聚氯乙烯(PVC管)做成，分為內(nèi)外筒。內(nèi)筒高30 cm，內(nèi)徑6.3 cm。每次取土?xí)r將內(nèi)筒垂直壓入土壤內(nèi)，取得原狀土用塑膠袋封底稱質(zhì)量后，置于固定在玉米行間的外筒內(nèi)。外筒高30 cm，內(nèi)徑7.5 cm，其作用是防止破壞蒸發(fā)器周邊的土壤結(jié)構(gòu)，保持筒內(nèi)土面與周圍土面持平。每天8:00用精度為0.01 kg的電子天平稱質(zhì)量。為保證蒸發(fā)器內(nèi)的土壤含水率與田間土壤含水率一致，每5 d換土一次，漫灌時(shí)取出，并在降雨和灌水后及時(shí)換土。

2.2.2蒸騰速率 選擇晴朗天氣采用LI-6400光合作用系統(tǒng)(閉路系統(tǒng)) 測(cè)定，日變化測(cè)定時(shí)間為6:00-20:00，間隔1 h測(cè)一次。測(cè)定時(shí)選取植株向陽面上、中、下3個(gè)不同部位的葉片，每片葉子測(cè)定3次取平均值，并且避開中脈。

2.2.3葉面蒸騰 用Dynamax公司開發(fā)的包裹式莖流計(jì)，選擇2株生長(zhǎng)良好、立地條件基本一致的玉米，將莖流傳感器包裹在第2莖節(jié)。安裝前去掉葉鞘，擦干水分，均勻地涂抹一層硅膠，然后將探頭固定在植株上，最后用鋁箔包裹住探頭(鋁箔用來防雨和阻隔陽光的照射)。在作物生長(zhǎng)旺盛的7-9月對(duì)玉米的液流速率進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為1 h。用莖流計(jì)測(cè)得典型植株的莖稈中液體的流量，根據(jù)作物種植密度計(jì)算試驗(yàn)小區(qū)的平均葉面蒸騰量。

2.2.4作物實(shí)際總耗水量 由于試驗(yàn)玉米種植在1 m×1 m×1 m的鐵桶中，無地下水補(bǔ)給與滲漏，田間水分平衡方程式可以簡(jiǎn)化為：

ET=P+I±ΔW

式中,ET為階段耗水量(mm)；P為降水量(mm)；I為灌溉水量(mm)；ΔW為計(jì)算時(shí)段內(nèi)土壤貯水量的變化(mm)。其中土壤貯水量利用Diviner-2000，5 d測(cè)定一次，累加后用公式計(jì)算出作物的耗水量。

2.2.5葉面蒸騰速率和莖稈液流量的相關(guān)分析 利用SPSS 13.0軟件進(jìn)行Pearson相關(guān)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1玉米逐日葉面蒸騰與土面蒸發(fā)的變化規(guī)律 玉米在拔節(jié)抽穗后其生長(zhǎng)狀況對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)的影響最大，因此研究玉米生育中后期的蒸發(fā)蒸騰對(duì)生產(chǎn)有更大的意義。利用莖流計(jì)所測(cè)的玉米生育中后期葉面蒸騰與根據(jù)小型蒸發(fā)器實(shí)測(cè)求得棵間土面蒸發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，二者變化趨勢(shì)一致，但蒸發(fā)量對(duì)灌溉的反應(yīng)比蒸騰量敏感(圖1)。日最大葉面蒸騰量為3.6 mm，同時(shí)棵間蒸發(fā)量也出現(xiàn)，峰值為2.6 mm，這是由于8月12日灌溉后土壤表層含水率增大，植株供水十分充裕，土壤蒸發(fā)急劇增加，隨即進(jìn)入到土壤水分控制階段后，蒸發(fā)量就逐漸減小。二者變化都呈多峰曲線，峰值出現(xiàn)時(shí)間與降雨、灌溉時(shí)間基本相同(圖2)，說明植株蒸騰和棵間蒸發(fā)量都與土壤含水率之間有著密切的關(guān)系。

圖1 玉米葉面蒸騰與棵間土面蒸發(fā)量

從降雨分布時(shí)間來說，在玉米生育后期(灌漿-成熟)幾乎沒有太多降雨，但是植株生長(zhǎng)仍需要水分，日平均葉面蒸騰量在2.1 mm左右，此時(shí)灌溉尤為重要。張銅會(huì)等[1]在科爾沁地區(qū)研究發(fā)現(xiàn),目前的水分管理方式，只注重了拔節(jié)-灌漿期的水分管理，灌漿-成熟期水分缺口高達(dá)55.1 mm，此期不灌溉明顯影響水分生產(chǎn)率?？偟膩碚f，葉面蒸騰占主導(dǎo)地位，適時(shí)灌溉提高水分利用效率。

圖2 降水量和灌溉量的變化

3.2玉米生育中后期土面蒸發(fā)動(dòng)態(tài)變化 玉米棵間蒸發(fā)量占實(shí)際總蒸發(fā)量的比例如圖3所示，降雨和灌溉后土面蒸發(fā)比例加大。8月21-23日降雨和灌水總量為25 mm，棵間蒸發(fā)急劇增加達(dá)到30.7%，此后日蒸發(fā)速率逐漸減小并維持在一定的水平，土壤蒸發(fā)均先升高后降低。同時(shí)也表明一般在大量的降雨或灌溉后表層土壤棵間蒸發(fā)量會(huì)出現(xiàn)較大增加，土壤含水量是主要的影響因素，這與前人的研究結(jié)果相一致[15-16]。隨著植株的成熟衰老，棵間蒸發(fā)量有所增加，占同期總蒸散量的比例為33.6%，主要是由于生育后期玉米葉片開始發(fā)黃，光合作用減弱導(dǎo)致葉面蒸騰減少；另外，植株枯黃覆蓋度明顯下降導(dǎo)致土壤表面蒸發(fā)加劇。適當(dāng)增加土壤水分含量，既保證作物正常生長(zhǎng)，形成良好冠層結(jié)構(gòu)，同時(shí)又不至于因土壤蒸發(fā)而消耗過多水分。

圖3 玉米生育中后期土壤蒸發(fā)占總蒸散量的百分比

3.3玉米莖流速率與蒸騰速率日變化特征 從不同葉位蒸騰速率日變化趨勢(shì)來看(圖4)，3個(gè)位置的葉片均在10:00左右達(dá)到一天中的峰值，隨后略有下降，在12:00太陽輻射最強(qiáng)時(shí)出現(xiàn)一個(gè)低谷，在13:00左右又出現(xiàn)一次峰值，之后隨著太陽輻射的減少而急劇下降。在一天中太陽輻射最強(qiáng)的時(shí)候，植株蒸騰速率反而有所下降，其原因一方面可能是隨著作物蒸騰的進(jìn)行，根際土壤含水量下降，導(dǎo)致氣孔開度減小，另一方面可能是由于葉面溫度過高，呼吸作用加強(qiáng)，光合受抑制致使細(xì)胞間CO2濃度升高導(dǎo)致氣孔開度減小。不同葉位的玉米莖稈液流(圖5)和葉片蒸騰速率(圖4)日變化曲線基本一致，早晨液流和葉片蒸騰速率的上升幅度一樣迅速，在此后的過程中，液流與葉片蒸騰變化開始逐漸表現(xiàn)出差異。在10:00葉片蒸騰速率達(dá)到峰值，而液流的峰值則推遲1 h。這說明在蒸騰作用開始后，由此產(chǎn)生的蒸騰拉力會(huì)迅速帶動(dòng)作物體內(nèi)水分的運(yùn)動(dòng)，但液流對(duì)這種變化的敏感程度降低，響應(yīng)時(shí)間滯后0.5～1.0 h。12:00，蒸騰速率突然下降，而液流卻并未因此受到太大影響，液流速率大小為80.4 g/h。17:00后葉片蒸騰強(qiáng)度迅速減弱，液流也隨之下降。

圖4 玉米不同葉位蒸騰速率日變化進(jìn)程

圖5 玉米莖稈液流速率日變化進(jìn)程

對(duì)不同葉位的葉面蒸騰速率和莖流速率進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)二者呈顯著相關(guān)，與上、中、下層葉片的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.667**(**表示極顯著相關(guān))、0.732**和0.607*(*表示顯著相關(guān))，所以選取中上部的葉片更具代表性。同時(shí)也說明可以通過葉片的瞬時(shí)蒸騰速率測(cè)定來代表玉米莖稈液流的動(dòng)態(tài)變化特征，穗位葉及以上部位的葉片測(cè)定可以間接反映玉米蒸騰特性。

3.4水量平衡法與莖流計(jì)間接法測(cè)定玉米耗水量的比較 通過利用莖流計(jì)分析農(nóng)田作物葉面蒸騰量與棵間土面蒸發(fā)量求和，同時(shí)在分析時(shí)段內(nèi)田間作物土壤儲(chǔ)水量的差值、降水量、灌溉水量的基礎(chǔ)上，根據(jù)水量平衡方程計(jì)算作物時(shí)段內(nèi)的蒸發(fā)蒸騰量。比較發(fā)現(xiàn)它們之間存在線性相關(guān)，其回歸方程為y=0.332+1.070x，R2=0.788**(y為莖流計(jì)間接法測(cè)的總蒸散量，x為水量平衡法測(cè)的蒸散量)，說明用莖流計(jì)測(cè)定玉米的蒸騰量與小型蒸滲儀測(cè)定土面蒸發(fā)之和求得總蒸散量是可行的。

4 討論與結(jié)論

土壤蒸發(fā)是農(nóng)田作物奢侈耗水的重要途徑，可通過降低土壤水分蒸發(fā)途徑來達(dá)到節(jié)水目的，一般通過調(diào)控地上植株生長(zhǎng)狀況，形成良好的地面覆蓋以減少蒸發(fā)。從節(jié)水角度來講，減少土壤蒸發(fā)，增加作物葉片蒸騰，同時(shí)減少莖流中葉片蒸騰失水的比例，有利于水分的利用，提高水分利用效率[17]。本研究表明，玉米逐日棵間蒸發(fā)量與葉面蒸騰量的變化趨勢(shì)基本相似。拔節(jié)后植株迅速生長(zhǎng)，葉面積增大，作物蒸騰作用增強(qiáng)，加上此時(shí)氣溫升高，土壤蒸發(fā)很強(qiáng)，棵間蒸發(fā)占同期總的騰發(fā)量的平均比例在20%左右，尤其灌溉后蒸發(fā)明顯高達(dá)30%以上。進(jìn)入玉米生育中后期，葉面積指數(shù)基本上達(dá)到最大值，并且比較穩(wěn)定，此時(shí)葉面蒸騰占主導(dǎo)地位。同時(shí)蒸騰耗水在一定范圍內(nèi)是必需的或者是高效的， 而當(dāng)土壤水分含量過高時(shí)，光合速率不再增加，而蒸騰速率持續(xù)增長(zhǎng)必然導(dǎo)致作物耗水過多，所以作物蒸騰也存在無效水分的消耗，這是灌溉導(dǎo)致水分利用效率下降的重要原因之一[18]。在目前的水分管理方式下，要加強(qiáng)中后期(抽穗-成熟)的灌水，保證灌漿順利完成；采取限量灌溉、肥料的合理施用[19]、調(diào)節(jié)植株密度等措施來減少土面蒸發(fā)，降低水分的無效消耗。對(duì)于玉米田間灌溉量與施肥水平的確定有待深入研究。

作物耗水量的99.8%用于作物蒸騰，而作物蒸騰與莖流之間存在著必然的聯(lián)系，當(dāng)作物蒸騰速率等于或小于莖液流速時(shí)，作物處于充分供水狀態(tài)，當(dāng)蒸騰速率大于莖液流速時(shí)，作物將產(chǎn)生不同程度的水分虧缺[20-22]。蒸騰拉力帶動(dòng)植株內(nèi)水分運(yùn)動(dòng)，莖稈液流出現(xiàn)明顯的滯后效應(yīng)。這也與林同保等[17]的研究結(jié)果相似，莖流量日變化峰值比蒸騰峰值要推后約1 h。這可能是由于水分輸送過程的滯后性引起的。在午間強(qiáng)輻射條件下玉米自我調(diào)節(jié)關(guān)閉氣孔造成蒸騰速率下降，出現(xiàn)短暫的午休現(xiàn)象，但是莖流速率對(duì)這種變化敏感程度較低。玉米中上部位的葉片蒸騰速率變化可以較好地代表整個(gè)植株的葉片蒸騰，間接反映莖稈液流的動(dòng)態(tài)變化特征。與水量平衡法相比發(fā)現(xiàn)，用莖流計(jì)測(cè)定玉米的蒸騰量聯(lián)合小型蒸滲儀測(cè)定土面蒸發(fā)求和得到的總蒸散量相關(guān)性較好，從而驗(yàn)證莖流計(jì)間接法可以較好的測(cè)定作物蒸散量。

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