汪順生，王康三，孟鵬濤，劉東鑫

(華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，鄭州 450045)

作物根層土壤水分的高低，是影響作物正常生長(zhǎng)的重要因素。水分過(guò)高會(huì)導(dǎo)致作物根系供氧不足，發(fā)生對(duì)作物生長(zhǎng)不利的無(wú)氧呼吸，導(dǎo)致根系腐爛；水分過(guò)低又會(huì)導(dǎo)致作物供水不足，影響作物的正常生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致欠收減產(chǎn)。土壤含水率低于作物的可利用水量的下限(凋萎系數(shù))，則會(huì)造成作物的永久凋萎。關(guān)于土壤水分動(dòng)態(tài)的研究，歷來(lái)是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。陳素英、金友前[1,2]研究了覆蓋小段玉米秸稈條件下冬小麥根層的土壤水分變化，研究發(fā)現(xiàn)采用秸稈覆蓋時(shí)，能夠有效地減少土層蒸發(fā)，小麥生育期內(nèi)儲(chǔ)水量增加顯著；汪明霞[3]在交替隔溝灌夏玉米根層土壤水分實(shí)測(cè)值的數(shù)據(jù)支撐下確定相應(yīng)參數(shù)，對(duì)其水分變化進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，獲得了較好的效果；張?jiān)磁鎇4]通過(guò)測(cè)坑試驗(yàn)，分析了灌溉量對(duì)枸杞100 cm層深內(nèi)土壤水分動(dòng)態(tài)的影響，探明根層土壤水分波動(dòng)受灌水量影響較大，并通過(guò)土壤水分動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)確定了合理的灌溉制度；孫仕軍[5]通過(guò)多年的觀測(cè)資料，分析了井灌區(qū)較大地下水埋深時(shí)的土壤水分變化，得出干旱條件下，灌溉和降雨的水量主要儲(chǔ)蓄在100 cm土層內(nèi)，而降雨雨量較大時(shí)，入滲水分主要積蓄在100～250 cm層深土壤中的結(jié)論。綜上所述，盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者在土壤水分動(dòng)態(tài)方面的研究取得了豐碩的成果，但是在冬小麥、夏玉米周年寬壟溝灌不同土層水分動(dòng)態(tài)的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。小麥、玉米周年連作溝灌作為新型的種植方式，打破了傳統(tǒng)的小麥和玉米各自種植的方法，逐漸受到人們的關(guān)注。近年來(lái)，一些學(xué)者開始探討冬小麥壟作種植的適用性，初步研究了壟作種植條件下冬小麥的土壤水分動(dòng)態(tài)和生理生態(tài)效應(yīng)，取得了一定成果[6-9]。分析小麥、玉米周年連作根層土壤水分動(dòng)態(tài)變化對(duì)衡量該灌水種植模式是否合理十分重要，同時(shí)可以通過(guò)根層土壤水分動(dòng)態(tài)變化來(lái)反推寬壟溝灌條件下冬小麥和夏玉米各生育階段以及整個(gè)生育周年的耗水量。本文通過(guò)開展冬小麥、夏玉米周年連作溝灌的根層不同深度土壤水分動(dòng)態(tài)及耗水量的研究，對(duì)于制定合理灌溉制度，提高作物水分利用效率，具有重要技術(shù)參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013年10月-2014年9月在華北水利水電大學(xué)河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室農(nóng)水試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行。地理位置為北緯34°47′，東經(jīng)113°46′，試驗(yàn)田塊長(zhǎng)度為30 m，土壤為粉沙壤土，土壤密度1.35 g/cm3，田間持水率為24%，地勢(shì)平坦，灌排有序。

小麥、玉米周年連作寬壟溝灌模式(IFI)在前茬玉米收獲后整地滅茬并起壟做溝，溝斷面采用梯形形式，壟高20 cm溝底寬20 cm，溝寬及壟面寬分別為40 cm和70 cm ，相鄰兩溝中距離為1.1 m，壟上種植5行小麥(見(jiàn)圖1)和2行玉米(見(jiàn)圖2)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)比的種植模式為常規(guī)平作畦灌種植(CFI)，設(shè)計(jì)3個(gè)灌水處理，即水分控制下限分別是田間持水量的60%、70%和80%(簡(jiǎn)記為L(zhǎng)-60、L-70、L-80，后同)，共設(shè)6個(gè)處理，隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次。以各生育期計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤水分為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)其下降到水分控制下限時(shí)灌水， 灌水定額為45 mm，各處理灌水日期見(jiàn)表1和表2。主要測(cè)定不同種植模式及水分處理下冬小麥、夏玉米全生育期內(nèi)土壤含水率變化動(dòng)態(tài)、生長(zhǎng)發(fā)育特性指標(biāo)等。試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)遮雨措施，通過(guò)對(duì)2013年10月-2014年9月華北水利水電大學(xué)河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的降雨資料的綜合分析，得出這段時(shí)間內(nèi)的有效降雨量為495.3 mm。其中冬小麥全生育期總降雨量為221.3 mm，多集中于4-6月，夏玉米全生育期總降雨量274 mm，多集中于9月。

圖1 小麥、玉米周年連作溝灌模式小麥種植示意圖

圖2 小麥、玉米周年連作溝灌模式玉米種植示意圖

表1 冬小麥灌水日期及灌水量 mm

表2 夏玉米灌水日期及灌水量 mm

1.2 測(cè)試指標(biāo)及方法

(1)土壤水分：包括播前、全生育期和收獲后都進(jìn)行測(cè)定，在冬小麥、夏玉米生育周年內(nèi)，測(cè)墑周期為5 d；其中周年連作溝灌在溝和壟上各取一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，畦灌取一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)；采用土鉆取樣烘干法分層測(cè)定土壤含水率，測(cè)定深度為1 m,分5層(每層20 cm), 降雨和灌水前后加測(cè)一次。

(2)氣象因子：試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)設(shè)有自動(dòng)氣象站，自動(dòng)監(jiān)測(cè)和記錄太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、降雨量、空氣溫度與濕度、風(fēng)速、日照時(shí)長(zhǎng)等相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥、玉米周年連作計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤水分動(dòng)態(tài)

冬小麥和夏玉米生育期內(nèi)的計(jì)劃濕潤(rùn)層(層深1 m)的土壤水分變化主要受到灌溉、降雨和作物蒸騰蒸發(fā)量的影響，觀測(cè)2013年10月至2014年9月冬小麥、夏玉米生育期內(nèi)土壤墑情，以畦灌為對(duì)照，研究小麥、玉米周年連作溝灌模式1 m層深內(nèi)的土壤水分動(dòng)態(tài)變化，兩種灌溉模式不同水分處理的水分變化情況見(jiàn)圖3?？紤]以水分控制下限為基準(zhǔn)的不同種植模式和水分處理的灌溉時(shí)間不一致，因此，圖3中6個(gè)處理1 m層深的土壤含水率變化未顯示灌水和降雨。

圖3 冬小麥、夏玉米生育期內(nèi)計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤水分動(dòng)態(tài)變化

從圖3中可以看出，3種水分處理?xiàng)l件下，計(jì)劃濕潤(rùn)層的土壤水變化存在共同的變化規(guī)律：小麥生育期內(nèi)土壤水分波動(dòng)頻率相對(duì)較小，夏玉米生育期間的土壤含水率則變動(dòng)極為頻繁，但相比于畦灌模式，溝灌的土壤含水率下降速度較畦灌有所減緩；相同水分處理?xiàng)l件下，夏玉米土壤含水率的最大值與最小值的差值更大，最高達(dá)到57.45%，而冬小麥的最大、最小值之差僅為33.62%。進(jìn)一步分析圖3發(fā)現(xiàn)，隨著設(shè)計(jì)土壤水分控制下限的提高，小麥、玉米生育周年內(nèi)的土壤含水率的波動(dòng)頻率越快，原因是土壤水分控制下限越高，土壤表層越濕潤(rùn)，水分蒸發(fā)越大；同時(shí)根層土壤水分供應(yīng)充足，作物的蒸騰作用也隨著增強(qiáng)，導(dǎo)致作物耗水加快，體現(xiàn)在土壤水分變化上，即為計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)的土壤含水率的波動(dòng)頻率越快。

2.2 小麥、玉米周年連作溝灌不同深度土壤水分動(dòng)態(tài)

分析圖4可知，在小麥、玉米生育期內(nèi)，0～20 cm土層內(nèi)土壤含水率不但波動(dòng)頻率大，波動(dòng)幅度也較大，與土壤質(zhì)量含水率的最低值相比，同一灌溉模式土壤含水率的最大值較其高出64.42%～104.83%，主要是由于0～20 cm范圍的土壤最接近位于地表層，受作物棵間蒸發(fā)、降雨、灌溉的影響較顯著。兩種灌溉模式土層越往下，土壤水含量波動(dòng)越小，原因是隨著土壤埋深增大，降雨、灌溉或土面蒸發(fā)等外界因素對(duì)該層土壤水分影響越來(lái)越小，當(dāng)降雨較小時(shí)，對(duì)深土層的土壤含水率幾乎沒(méi)有影響。兩種灌溉模式的土壤水分動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)相近，仔細(xì)觀察依然能夠看出溝灌的土壤含水率下降速度較畦灌有所減緩。進(jìn)一步對(duì)比不同土層土壤含水率的變化特征，容易發(fā)現(xiàn)：從60～80 cm土層開始，兩種灌溉模式的土壤含水率極為穩(wěn)定，始終在70%田間持水量的上下小幅波動(dòng)，且相同灌溉模式下土壤含水率的最高值較最低值僅高出11.36%～17.05%，即使在冬小麥和夏玉米生育最旺盛時(shí)期，該層的土壤含水率變化也不是很大，可知該層并不是兩種作物的根系主要活動(dòng)區(qū)域。80～100 cm范圍內(nèi)土壤水分動(dòng)態(tài)平緩主要是由于該層土壤處于作物計(jì)劃濕潤(rùn)層最底部，無(wú)論是灌溉、降雨，還是植株蒸騰，對(duì)該層的土壤水分影響都十分微小，棵間土面蒸發(fā)幾乎無(wú)法影響該層土壤水分變化。冬小麥和夏玉米不同生育階段根系活動(dòng)層的活動(dòng)范圍是不同的，一般情況下，冬小麥在生育前期的根系活動(dòng)范圍主要在0～40 cm，生育中后期根系活動(dòng)范圍主要是在0～80 cm，而夏玉米在生育初期的根系主要在0～40 cm范圍內(nèi)活動(dòng)，生育中后期主要是在0～100 cm范圍內(nèi)活動(dòng)。

圖4 小麥、玉米周年連作溝灌模式對(duì)不同土層土壤水分變化的影響

2.3 冬小麥、夏玉米不同生育階段耗水規(guī)律

根據(jù)作物生育期內(nèi)土壤水分的觀測(cè)結(jié)果，利用水量平衡方程計(jì)算各處理作物階段耗水量，公式為：

(1)

式中:ET1-2為階段耗水量，mm；i為土層編號(hào)；n為土壤分層總數(shù)；γ為1 m內(nèi)土層平均干密度，g/cm3；Hi為第i層土壤厚度，cm；θi2為第i層土壤時(shí)段末的含水率，%；θi1為第i層土壤時(shí)段初的含水率，%；M為時(shí)段內(nèi)灌溉水量，mm；P為時(shí)段內(nèi)有效降雨量，mm；K為地下水補(bǔ)給量，mm，由于試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)地下水埋深在5 m以下，且通過(guò)雨后測(cè)墑發(fā)現(xiàn)單次降雨量均未造成計(jì)劃濕潤(rùn)層深層滲漏，故地下水補(bǔ)給量可視為0 mm。

根據(jù)冬小麥全生育期的生育狀況可劃分生育期為：播種-出苗期、出苗-越冬期、越冬-返青期、返青-拔節(jié)期、拔節(jié)-抽穗期、抽穗-灌漿期、灌漿-成熟期7個(gè)階段。由表3可知，在冬小麥各生育階段中的耗水量差異明顯，但各個(gè)處理表現(xiàn)規(guī)律相同：拔節(jié)-抽穗期階段耗水最突出，其次為抽穗-灌漿期，兩個(gè)生育階段耗水量之和占全生育期耗水量總量的45.58%～48.09%；越冬-返青期耗水量最少，僅占6.52%～7.71%。從全生育期來(lái)看，同一水分處理CFI的耗水量均表現(xiàn)為大于IFI耗水量，相比L-60、L-70、L-80耗水量分別增加26.26、26.51、31.92 mm。根據(jù)夏玉米全生育期的生育狀況可劃分生育期為：播種-出苗期、出苗-拔節(jié)期、拔節(jié)-抽雄期、抽雄-灌漿期、灌漿-成熟期5個(gè)階段。由表4可知，在夏玉米各生育階段中的耗水量差異明顯，但各個(gè)處理表現(xiàn)規(guī)律相同，灌漿-成熟期階段耗水最突出，再者是拔節(jié)-抽雄期，兩個(gè)生育階段耗水量之和占全生育期耗水量總量的50%左右；播種-出苗期階段的耗水量最少，僅占7.89%～9.54%。從全生育期來(lái)看，畦灌模式各水分處理的耗水量比溝灌模式增加38.15～44.13 mm，相同種植模式下，水分處理越高，耗水量越大。

表3 冬小麥不同生育階段耗水量 mm

表4 夏玉米不同生育階段耗水量 mm

2.4 小麥、玉米周年水分利用效率

衡量一種種植方式及灌水標(biāo)準(zhǔn)是否可行，最終體現(xiàn)在作物產(chǎn)量與灌溉水量的對(duì)應(yīng)關(guān)系上，即看其是否滿足節(jié)水高產(chǎn)宗旨。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，全年總產(chǎn)量和總產(chǎn)值受種植方式和水分處理影響較大。由表5可知，6個(gè)處理中，水分生產(chǎn)效率最高的為IFI-L-70，最低為CFI-L-80，分別為1.93和1.66 kg/m3。同一水分處理，IFI的水分生產(chǎn)效率均高于CFI，其中L-60、L-70處理較CFI的增長(zhǎng)10%以上，同樣從表6中可以看出，6個(gè)處理中，水分生產(chǎn)效率最高的為IFI-L-70，最低為CFI-L-80，分別為1.99和1.43 kg/m3。3種水分處理中，L-70處理的平均水分生產(chǎn)效率最高， L-60處理次之， L-80處理最低。L-60處理雖然水分生產(chǎn)效率較高，卻比L-70減產(chǎn)803.87～1 342.61 kg/hm2，這種以降低夏玉米產(chǎn)量為代價(jià)的節(jié)水較不合理；L-80處理的產(chǎn)量占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但其耗水量過(guò)大，導(dǎo)致平均耗水量比L-70水分處理增加436.23 m3/hm2，平均水分生產(chǎn)效率比L-70水分處理低0.22 kg/m3，同一水分處理，IFI的增產(chǎn)率均遠(yuǎn)高于CFI，其中L-70、L-80增產(chǎn)率高達(dá)11%以上，同時(shí)WUE增長(zhǎng)率也達(dá)到22%以上，節(jié)水增產(chǎn)顯著，這體現(xiàn)了小麥、玉米一體化壟作種植模式的節(jié)水優(yōu)越性，其在壟溝中進(jìn)行灌水，水流推進(jìn)迅速并沿溝向兩側(cè)壟體滲透，灌水速度快；再者主要有壟溝水面與大氣接觸蒸發(fā)，與常規(guī)處理相比減少土壤水面 蒸發(fā)。進(jìn)而小麥、玉米一體化壟作種植模式降低冬小麥籽粒單位產(chǎn)出所消耗的水量。3種水分處理中，L-70處理的平均水分生產(chǎn)效率最高，L-60處理次之，L-80處理最低。綜合可知，L-70處理的產(chǎn)量較高，耗水量適度，水分生產(chǎn)效率最高，小麥、玉米分別平均達(dá)到1.84、1.81kg/m3。

表5 冬小麥的水分生產(chǎn)效率

表6 夏玉米的水分生產(chǎn)效率

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)冬小麥和夏玉米全生育期的降雨觀測(cè)、灌溉記錄和定期的100 cm內(nèi)不同層深的土壤含水率測(cè)定，以畦灌為對(duì)照，研究了小麥、玉米溝灌模式的計(jì)劃濕潤(rùn)層總體土壤水分動(dòng)態(tài)和不同層深的土壤水分變化，分析了冬小麥、夏玉米的耗水規(guī)律，取得了良好的效果，結(jié)論如下。

(1)無(wú)論是溝灌模式，還是畦灌模式，均表現(xiàn)為小麥生育期內(nèi)土壤含水率波動(dòng)頻率相對(duì)較小、夏玉米生育期間的土壤含水率波動(dòng)頻率較大；相同水分處理?xiàng)l件下，夏玉米土壤含水率的最大值與最小值的差值更大，達(dá)到57.45%，而冬小麥的最大、最小值之差僅為33.62%。隨著土壤水分控制下限的提高，兩種灌溉模式的土壤水分變化頻率均增大。0～20 cm土層內(nèi)土壤含水率不但波動(dòng)頻率大，波動(dòng)幅度也較大，兩種灌溉模式都是越往下，土壤水含量波動(dòng)越小。

(2)冬小麥和夏玉米全生育期內(nèi)各階段耗水量變化都較大，拔節(jié)-灌漿期達(dá)到耗水量的峰值。同時(shí)，水分控制下限越高的處理，耗水量越大。寬壟溝灌種植條件下的耗水量較畦灌模式發(fā)生了時(shí)間上的改變，但總體耗水量存在不同程度的下降，平均節(jié)水38.15～44.13 mm。L-80處理的產(chǎn)量最高，耗水量也最大， 致使L-80處理的水分利用效率最低；L-70處理的平均水分生產(chǎn)效率最高， L-60處理次之。L-70處理的產(chǎn)量較高，耗水量適度，水分生產(chǎn)效率最高，小麥、玉米分別平均達(dá)到1.84、1.81 kg/m3。

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