劉浩翔

摘 要：為減少農(nóng)田無效土壤蒸發(fā)，提高水分生產(chǎn)力，亟需綜合利用多種方法準(zhǔn)確區(qū)分農(nóng)田蒸散發(fā)，為優(yōu)化農(nóng)田灌溉管理措施提供科學(xué)依據(jù)。本文采用野外土壤觀測和室內(nèi)同位素分析，并運用水量平衡和同位素守恒定于，獲得了三種不同灌溉施肥條件下的各深度土壤水分動態(tài)和蒸發(fā)蒸騰比例。結(jié)果表明：冬小麥返青-拔節(jié)、拔節(jié)-抽穗、抽穗-灌漿和灌漿-收獲期根系吸水深度分別為0-20、20-70、70-150cm和70-150cm;根系吸水深度隨不同灌溉施肥條件和各生育期變化而不同。表層0-20cm土壤水同位素最為富集，且變化幅度最大?？傮w來說各方案的蒸發(fā)蒸騰比例基本一樣，但是不同生育期變化非常大。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田;生態(tài)系統(tǒng);蒸散發(fā);水量平衡;同位素

中圖分類號：S271 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）06-0224-03

0 引言

我國的農(nóng)業(yè)用水在全社會總用水量中占很大比重。根據(jù)當(dāng)前我國十三五的農(nóng)業(yè)政策、節(jié)水政策，目前應(yīng)大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)。農(nóng)田蒸散發(fā)分割對農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉和水資源管理具有重要的指導(dǎo)意義。為減少農(nóng)田無效土壤蒸發(fā)，提高水分生產(chǎn)力，亟需綜合利用多種方法準(zhǔn)確區(qū)分農(nóng)田蒸散發(fā)，為優(yōu)化農(nóng)田灌溉管理措施提供科學(xué)依據(jù)。

為提高灌溉水利用率，需要研究農(nóng)作物的耗水規(guī)律，傳統(tǒng)的農(nóng)作物耗水規(guī)律的研究多是利用水量平衡和能量收支平衡的方法，本研究選擇結(jié)合水量平衡以及同位素質(zhì)量守恒來對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的蒸散量進行區(qū)分。

其中水量平衡即為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的水在循環(huán)的過程中始終保持著收支平衡，以質(zhì)量守恒定律為原理，通過該方法，可對系統(tǒng)中的蒸散發(fā)分割計算提供基礎(chǔ)。

水體中的氫氧穩(wěn)定同位素，在水循環(huán)過程中存在著明顯的分餾現(xiàn)象，在不同的水循環(huán)過程中具有不同的同位素值，使氫氧穩(wěn)定同位素成為水分運移的天然示蹤劑。在根系吸水及蒸騰過程中，土壤水含量變化而同位素值不變，蒸發(fā)則既改變土壤水含量又改變同位素值，根據(jù)土壤水含量及同位素值的變化可以從蒸散發(fā)總量中分割出蒸發(fā)量與蒸騰量。[1]

本研究以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)-冬小麥為例，結(jié)合氫氧穩(wěn)定同位素及水文監(jiān)測研究冬小麥在不同生長期根系吸水深度的變化，分割灌溉條件下農(nóng)田蒸散發(fā)中的作物蒸騰量和土壤水蒸發(fā)量，計算深層入滲量，評估當(dāng)前灌溉條件下灌溉水的利用率，通過以上耗水規(guī)律的研究，可以為提高農(nóng)業(yè)用水效率提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 田間試驗

研究區(qū)農(nóng)田以棉花-冬小麥-夏玉米種植為主，年平均降水量為540mm，降水多集中于7-9月份，年平均氣溫12.1℃。農(nóng)田地下水埋深較淺，約為16m。土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)壤土，粘粒成分很少，以砂粒和粉粒為主。

分兩次播種后，均于次年夏季初收獲。試驗共設(shè)計3個水肥耦合處理，灌溉施肥方案見表1，其中T3處理參考當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)灌溉施肥水平，總灌溉量和施肥量分別為300mm和315kg/hm2N。試驗分區(qū)進行，每個小區(qū)面積約6m×5m，每個處理3組重復(fù)。兩季小麥返青后的第二次灌水時間不同，分別是在拔節(jié)-抽穗期及抽穗-灌漿期。選取當(dāng)?shù)氐叵滤疄楣喔人礊椋缘孛婀喔葹楣喔确绞?。小麥返青后追施尿素，均于播種后次年春季施肥。

1.2 室內(nèi)同位素分析

冬小麥返青至收獲期間分別采集并測定五水循環(huán)中不同水體D和18O同位素組成。次降水結(jié)束后通過由聚乙烯瓶和漏斗組成的收集器采集降水樣，并在漏斗口放置乒乓球以防止水面蒸發(fā)，收集的水樣迅速轉(zhuǎn)移到50mL聚乙烯塑料瓶中并用封口膜密封。每次灌水時用聚乙烯塑料瓶采集灌溉水50mL并密封保存。土壤水樣通過土壤溶液提取器采集，采集深度10，20，30，50，70，90，110，150cm和200cm平均每周采集一次，灌溉和降雨之后加采。當(dāng)土壤含水量較低無法獲取土壤水時，采用土鉆鉆取土壤樣品并迅速裝入樣品瓶中密封冷凍保存。

土壤和莖稈中的水分采用低溫真空蒸餾系統(tǒng)提取。采用LGR液態(tài)水同位素分析儀測量分析不同水體的氘氧穩(wěn)定同位素比率：[2]

（‰）=（Rsample-Rstandard）/Rstandard×1000? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，δ是樣品中氘（或氧）的同位素組成，Rsample和Rstandard分別是樣品和維也納國際標(biāo)準(zhǔn)平均海水（VSMOW）氫（或氧）的重輕同位素豐度之比（2H/1H或18O/16O），的比值，δD和δ18O的測量精度分別為±1‰和±0.1‰。

1.3 基于水量平衡和氧同位素的蒸散發(fā)分割方法

利用土壤水的水量平衡和同位素質(zhì)量守恒計算灌溉條件下冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的水循環(huán)通量，包括蒸發(fā)量、蒸騰量和深層入滲量。

mf-mi=mP+mI-mET-mD-mR? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

mET=mE+mT? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

δEmE+δTmT=δimi+δPmP+δImI-δfmf-δDmD-δRmR（4）

其中，m和δ分別代表不同水體的水量和氧同位素δ18O值，f和i分別代表每次采樣的初始和結(jié)束時刻，P為降水，D為深層滲漏量（本文中假定為0），R為地表徑流量（本文中為0）。方程（2）中結(jié)束和初始時刻的土壤儲水量（mf和mi）為0-200cm土體內(nèi)的土壤水含量。降雨量通過氣象站測得，灌溉量mI由水表記錄，本文中已給出各階段內(nèi)的降雨量和灌溉量。

2 結(jié)果

2.1 冬小麥不同生育期根系吸水深度

由直接對比法分析可知，冬小麥返青-拔節(jié)、拔節(jié)-抽穗、抽穗-灌漿和灌漿-收獲期根系吸水深度分別為0-20、20-70、70-150cm和70-150cm（如圖1），返青-拔節(jié)期T1和T3處理的根系吸水深度為0-20cm，T2為0-20cm和20-70cm;拔節(jié)-抽穗期T1和T3處理的根系吸水深度為20-70cm;抽穗-灌漿期T2和T3處理的根系吸水深度深達70-150cm，灌漿-收獲期除T1處理吸水深度回到淺層土壤（0-20cm和20-70cm）外，其余處理的吸水深度仍位于70-150cm。

2.2 不同水體同位素分布特征

當(dāng)年冬小麥返青至收獲試驗期間當(dāng)?shù)卮髿饨邓€（LMWL）分別為：

δD=7.3δ18O+3.6（R2=0.97，P<0.01）

由圖2可知，不同深度土壤水同位素值差異顯著，表層0-20cm土壤水同位素最為富集，且變化幅度最大，表明0-20cm土壤水發(fā)生強蒸發(fā)作用，同時受降雨灌溉補給影響。試驗期間150-200cm深度土壤水同位素值接近灌溉水的同位素值且無顯著變化。作物莖水的同位素基本位于土壤水δD—δ18O同位素擬合線附近，總體落在0-150cm深度土壤水同位素值范圍內(nèi)，由此可推測冬小麥吸收利用0-150cm深度的土壤水。

2.3 冬小麥灌溉條件的蒸散發(fā)分割

由表2可知，在T1灌溉施肥條件下，冬小麥在抽穗-灌漿期的蒸散發(fā)量最大，為101.1mm;在T2灌溉施肥條件下，冬小麥拔節(jié)-抽穗期和穗-灌漿期的蒸發(fā)量較大，分別為77.0mm和72.2mm;在T3灌溉施肥條件下，冬小麥蒸散發(fā)高值發(fā)生在拔節(jié)-抽穗期和灌漿-收獲期，分別為93.7mm和95.2mm。另外，在三種不同灌溉施肥條件下，拔節(jié)-抽穗期的土壤蒸發(fā)最小，返青-拔節(jié)期土壤蒸發(fā)最大。對于T1方案，作物耗水最大值在抽穗-灌漿期;T2條件下，拔節(jié)-抽穗期作物耗水量最大，達到74.7mm;在T3條件下，作物在拔節(jié)-抽穗期和灌漿-收獲期耗水量較高，達到了80mm以上。綜合分析，三種灌溉施肥條件的土壤蒸發(fā)大致相同，但是T3方案的灌溉量最大，其作物耗水量也是最大，其灌溉量（240mm）全被消耗完。

表3給出了三種灌溉施肥條件下，不同時期的作物耗水強度和土壤蒸發(fā)強度。對于T1條件，各時期的土壤蒸發(fā)在0.4mm/天-0.8mm/天之間;抽穗-灌漿期作物的耗水強度最大，達到6.1mm/天。對于T2和T3條件，各時期的土壤蒸發(fā)和作物耗水的變化大體一致，在作物生長的后期，土壤蒸發(fā)很小，而作物高強度耗水發(fā)生在拔節(jié)-抽穗期和抽穗-灌漿期。比較三種不同的，在灌溉條件充分條件下，土壤蒸發(fā)強度和作物耗水強度都是最大的。

表4為冬小麥不同灌溉條件下各時期蒸發(fā)與蒸騰比例?？梢钥闯?，T1灌溉施肥條件下，各時期的作物蒸騰比例均大于74.6%;在T2灌溉施肥條件下，拔節(jié)-抽穗期和灌漿-收獲期的作物蒸騰比例較高，高達90%以上，但是其他兩個時期的土壤蒸發(fā)比例相對較高，高達50%。對于T3灌溉施肥條件下，返青-拔節(jié)期蒸發(fā)與蒸騰比例接近1：1，但是其他三個時期蒸騰占比在85%-95%之間。總體來說，整個時期三個方案蒸發(fā)蒸騰比例相差不大。

3 結(jié)語

（1）本文采用野外土壤采樣的辦法，獲得不同埋深的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，運用直接對比法分析冬小麥不同生育期根系吸水深度，冬小麥返青-拔節(jié)、拔節(jié)-抽穗、抽穗-灌漿和灌漿-收獲期根系吸水深度分別為0-20、20-70、70-150cm和70-150cm;根系吸水深度隨不同灌溉施肥條件和各生育期變化而不同。

（2）根據(jù)室內(nèi)同位素分析方法，獲得了不同深度土壤水同位素值差異顯著，表層0-20cm土壤水同位素最為富集，且變化幅度最大，表明表層土壤水蒸發(fā)作用強，同時受降雨灌溉補給影響。

（3）運用水量平衡和同位素守恒定律，分割不同灌溉施肥條件下各生育期的蒸發(fā)蒸騰比例，總體來說各方案的蒸發(fā)蒸騰比例基本一樣，但是不同生育期變化非常大。

參考文獻

[1] 王鵬，宋獻方，袁瑞強，韓冬梅，張應(yīng)華，張兵.基于氫氧穩(wěn)定同位素的華北農(nóng)田夏玉米耗水規(guī)律研究[J].自然資源學(xué)報，2013，28（03）：481-491.

[2] 杜俊杉，馬英，胡曉農(nóng)，童菊秀，張寶忠，孫寧霞，高光耀.基于雙穩(wěn)定同位素和MixSIAR模型的冬小麥根系吸水來源研究[J].生態(tài)學(xué)報，2018，38（18）：6611-6622.