關迦文， 何 軍， 徐 冰 ， 劉 偉， 湯鵬程， 李澤坤

(1.內蒙古農業(yè)大學 水利與土木建筑工程學院， 內蒙古 呼和浩特 010018；2.西藏自治區(qū)水文水資源勘測局山南分局， 西藏 山南 856000；3.中國水利水電科學研究院 牧區(qū)水利科學研究所， 內蒙古 呼和浩特 010020)

融雪水是西藏地區(qū)的重要灌溉水源，然而由于西藏高海拔地區(qū)輻射高、氣壓低、氧含量少，加之土層稀薄，冷熱交換在近地層十分頻繁，低溫融雪水利用不當容易對作物造成寒害[1]。高山融雪水經(jīng)過較短距離輸水進入土壤后水溫仍較低，低溫水會在一定程度上降低作物的根系活性，進而影響根系生長發(fā)育致使作物減產[2]。西藏地區(qū)全區(qū)60%的播種面積種植的是青稞，所以青稞是西藏地區(qū)主要的糧食作物，屬于典型的特需口糧[3]。藏區(qū)糧食安全問題尤其青稞的栽培種植技術推廣和品種繁育等問題一直以來備受各界關注[4]。

在土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)中，植物對不同水源的選擇和利用能力可利用氫氧穩(wěn)定同位素的分布特征反映，通過分析植物木質部中的水及各類水分來源中的同位素組成就可對植物的水分利用來源進行判斷[5]。全球范圍內的專家借助于較為成熟的氫氧同位素研究方法剖析了不同生態(tài)系統(tǒng)中水的運移規(guī)律，并取得了一定的成果[5-6]。半干旱黃土高原區(qū)0～120 cm土層供給了鐵桿蒿和荊條全生育期所需75%～80%的水分[7-8]。氫氧穩(wěn)定同位素技術已被應用于落葉松[9]、檸條[10]及棉花[11]等的水分利用來源及用水策略的研究[12]。樹木在河岸生態(tài)系統(tǒng)中的水分來源，其中小部分來自于河水，大部分的來源為地下水[13]；植物在荒漠生態(tài)系統(tǒng)中，可通過測定植物木質部在不同水源條件下的氫氧同位素，得出不同水分來源對荒漠植物的貢獻率[14]；冬小麥和夏玉米在農田生態(tài)系統(tǒng)中，可利用穩(wěn)定氫氧同位素分布特征，估算主要吸水深度在不同生長期的變化[15-16]。

西藏地區(qū)早春時節(jié)(4月—5月)在雨季尚未來臨且沒有其他灌水來源前提下，采用融雪水自流漫灌作為春播作物的出苗水，由于灌水溫度較低(3℃～5℃)，致使多年生作物返青延緩、一年生作物出苗率低等現(xiàn)象[17-19]。而且各土層水分傳遞變化滯后于相應土層溫度的變化[20]。土體溫度主要受大氣溫度和太陽凈輻射量的影響[21]。因此，本研究針對西藏高寒區(qū)在春季利用低溫融雪水漫灌這一獨特生產方式，結合現(xiàn)有試驗條件，以春青稞-藏青2000為研究對象，采用穩(wěn)定氫氧同位素示蹤法，以期揭示低溫水灌溉春青稞根層水分運移及分布規(guī)律[22]。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地點位于中國科學院拉薩農業(yè)生態(tài)試驗站，該地屬高原季風溫帶半干旱氣候區(qū)。年平均大氣溫度為7.7℃，最高月平均氣溫出現(xiàn)在7月為16.3℃，最低月平均氣溫出現(xiàn)在12月為-1.5℃，無霜期120 d～130 d。一年內降雨時間分配不均，年均降雨量425 mm。雨季為6月中旬至9月下旬，降水量為400 mm 左右，占全年降水量九成以上，常為夜間降雨。多年平均蒸發(fā)量1 166 mm。沖積、洪積母質是該地土壤母質主要成分，質地比較沙，土壤質地為粉砂壤土，土層偏薄。大塊石礫常出現(xiàn)在20 cm以下，土壤密度1.41 g/cm3)，田間持水率22%，pH值7.2。

1.2 試驗設計

試驗處理：試驗材料為春青稞-藏青2000，該品種春性中晚熟，生育期125 d～135 d，穗長方型，四棱，長齒芒，小穗密度中等。穴播，播深1.5 cm～2.0 cm，每桶15穴～18穴，每穴人工點播播種2粒～3粒。播種至收獲時間為2018年4月20日至2019年9月20日。追施尿素187.5 kg/hm2在出苗后。桶栽單元采用直徑32 cm的PVC桶，底部以打孔鐵皮封底，桶高50 cm，頂部設鐵絲連接以利于稱質量。桶中分層填入原狀土，底部20 cm為大塊石礫，上部20 cm為粉砂壤土，預留10 cm以利于灌水和降雨入滲。桶壁外側包裹保溫棉，降低太陽直射對桶體溫度變化的影響[23]。

低溫水灌溉組設置3個溫度水平：分別以灌水當日上午9時(WT1)、中午12時(WT2)、下午18時(WT3)進行灌水操作，以此作為低溫水灌溉灌水處理的3個溫度水平。低溫水灌溉春青稞桶栽試驗示意圖見圖1。測定并記錄每次灌水時的灌水日期、灌水量見表1，灌水溫度如表2所示。

表2 低溫水灌溉春青稞試驗各處理灌水溫度

表1 低溫水灌溉春青稞試驗灌水時間與灌水量

圖1 低溫水灌溉春青稞桶栽試驗示意圖

1.3 測定內容及方法

氣象數(shù)據(jù)：試驗田附近自設的氣象站自動采集記錄氣溫、降雨量、濕度、太陽輻射、大氣壓等數(shù)據(jù)。生育期內氣溫以及渠水溫度變化見圖2。

圖2 生育期內氣溫以及渠水溫度變化圖

降水與灌溉水在被青稞根系吸收之前需要經(jīng)過入滲等復雜過程，最終以土壤水的形式被根系吸收利用[24]。青稞莖干水的氫氧穩(wěn)定同位素值是在雨水與灌溉水發(fā)生同位素分餾作用后的同位素混合值[25]。因此，研究將不同深度的土壤水作為青稞根系的吸水水源，避免了直接將雨水與灌溉水作為潛在水源進行水分貢獻率分析而導致分析結果出現(xiàn)的較大誤差[26]。

在整個生育期內分別于7月1日、7月30日、8月10日、9月10日灌水前后進行4次取樣。研究區(qū)的土壤層很薄(20 cm～30 cm)，而在下層則可見礫石。因此，土壤剖面分為5層，從地面向下每5 cm為一層，同位素值是每個測量深度的水樣的平均值。采用小型土鉆取樣，以防破壞桶栽青稞土壤結構。同時采集兩份不同的土壤，其中一份將進行含水率檢測，另一份將放入玻璃瓶內，對其進行密封后存儲，避免春青稞出現(xiàn)氣化現(xiàn)象[27-28]。將隨機選取植株進行研究，截取離地面2 cm的不含葉綠素的植株莖稈，并將其密封存儲至4 mL西林瓶內，采用三個不同的密封袋進行冷藏存儲，避免春青稞水汽蒸發(fā)。利用取樣品完成灌溉春青稞樣本采集，將其密封存儲至4℃冷藏柜內。用保溫裝置將春青稞樣品運回實驗室內進行真空處理，并提取土壤水樣與植株水樣，準備0.22 μm濾紙和2 mL檢測瓶進行研究[29]。利用Picarro L2140-i超高精度液態(tài)水與水汽同位素分析儀測定該試驗水樣同位素[30]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

研究春青稞的根系在拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期的吸水深度[31]。一種方法是直接對比，對比土壤水氫氧穩(wěn)定同位素剖面與春青稞莖水同位素值，認為與莖水同位素值相近的土壤水所在的剖面深度為春青稞根系的主要吸水深度[32]。另一種方法是對同位素質量守恒進行多元分析[33]。因為桶栽試驗，不考慮地下水，而且研究區(qū)土層較薄(20 cm～30 cm)，下層可見礫石，故將土壤剖面分成5個層次:0～5 cm、5 cm～10 cm、10 cm～15 cm、15 cm～20 cm、20 cm～25 cm，每層測量深度水樣的平均值為該層同位素值。五個層次土壤水的混合為農作物莖水，由水量平衡和同位素質量守恒可得到:

δXt=f1δX1+f2δX2+f3δX3+f4δX4+f5δX5

(1)

f1+f2+f3+f4=1

(2)

式中：f1至f4，分別表示5個層次土壤水對根系吸水的貢獻和δX1至δX5表示相應的氫氧穩(wěn)定同位素值，δXt表示農作物莖水的氫氧穩(wěn)定同位素值。利用同位素質量守恒進行多元分析一般會得到多個解。Philips等針對性地提出了確定各種可能水分來源比例范圍的方法。該方法是用一個很小的增量檢驗各種水分來源的所有可能，將同位素值與真實值相比，如果滿足一個小的容差就被認為是一種可能的組合。最后得到各可能水源的貢獻比例范圍用頻次直方圖表示，某水源在滿足要求的組合次數(shù)用直方圖的縱坐標表示[34-36]。

采用Iso Source軟件并結合Sigma Plot 14.0作圖。分析氫氧穩(wěn)定同位素試驗數(shù)據(jù)，確定不同土層水分的貢獻率。該軟件為多源線性混合模型，其原理是按照指定的增量范圍疊加運算出所有可能的百分比組合，組合數(shù)量為：

(3)

式中：組合數(shù)量是N；增量是i；水分來源數(shù)量是s。可行的解是每組合的加權平均值與混合物實際測定的同位素值比較后處于給定的容差范圍內的組合。把所有可行解對各層土壤水貢獻百分比出現(xiàn)的頻率進行分析，得出各土層水分可能的貢獻比例范圍，以頻率直方圖表示，見圖3。

圖3 不同土層深度土壤水對春青稞根系吸水貢獻率的頻率直方圖

2 結果與分析

2.1 全生育期青稞根層水分穩(wěn)定氫氧同位素分布

7月10日青稞的水分氫氧同位素在根層剖面分布如圖4所示。各處理根系主要吸水層為植物水樣同位素與同位素剖面的交點。

直接對比法排除了農作物體內水分為不同層次的土壤水混合而成的可能，只可以得到農作物的主要吸水深度。同位素質量守恒的多元分析方法可以提供各水分來源的可能組合以及某深度土層對根系吸水的貢獻比例。利用 Iso Source 軟件計算5個層次土壤水對農作物根系吸水的貢獻比例范圍。做出某研究層次土壤水滿足條件的所有可能組合的頻次直方圖，如果直方圖呈收斂形狀，則認為直方圖的分布范圍為該深度土層對根系吸水的貢獻比例范圍，土層對根系吸水貢獻比例的最大可能值為收斂區(qū)域內頻次極值對應的數(shù)值。

由圖4氫同位素剖面可知：7月10日WT1處理灌前吸水深度為10 cm～15 cm，灌后吸水深度為5 cm～10 cm和10 cm～15 cm；7月10日WT2處理灌前吸水深度為10 cm～15 cm，灌后吸水深度為5 cm～10 cm和10 cm～15 cm；7月10日WT3處理灌前吸水深度為15 cm～20 cm，灌后吸水深度為5 cm～10 cm；灌水后吸水深度較灌水前吸水深度變淺，分析可知：因灌水改變了淺層土壤(0～15 cm)的含水率，使得淺層根系成為主要吸水部分。

圖4 7月10日青稞根層水分穩(wěn)定氫氧同位素剖面分布

同理，7月30日WT1處理灌前吸水深度為10 cm～15 cm，灌后吸水深度為5 cm～10 cm；7月30日WT2處理灌前吸水深度為15 cm～20 cm，灌后吸水深度為10 cm～15 cm和15 cm～20 cm；7月30日WT3處理灌前吸水深度為15 cm～20 cm和20 cm～25 cm，灌后吸水深度為10 cm～15 cm和15 cm～20 cm。

8月10日WT1處理灌前吸水深度為10 cm～15 cm和15 cm～20 cm，灌后吸水深度為10 cm～15 cm；8月10日WT2處理灌前吸水深度為10 cm～15 cm、15 cm～20 cm和20 cm～25 cm，灌后吸水深度為10 cm～15 cm和15 cm～20 cm；8月10日WT3處理灌前吸水深度為10 cm～15 cm，灌后吸水深度為5 cm～10 cm；整體來看，灌水后吸水深度較灌水前吸水深度變淺，說明灌水改變了淺層土壤(0～15 cm)的含水率，此時淺層根系作為主要吸水根系。

8月30日WT1處理灌前吸水深度為15 cm～20 cm和20 cm～25 cm，灌后吸水深度為10 cm～15 cm；8月30日WT2處理灌前吸水深度為10 cm～15 cm和15 cm～20 cm，灌后吸水深度為5 cm～10cm和15 cm～20 cm；8月30日WT3處理灌前吸水深度為5 cm～10 cm、10 cm～15 cm和15 cm-20 cm，灌后吸水深度為5 cm～10 cm；整體來看灌水后吸水深度較灌水前吸水深度變淺，是由于灌水帶來的淺層土壤(0～15 cm)水分含量上升，使得淺層根系成為主要吸水根系。

2.2 低溫水灌溉春青稞用水策略

利用Iso Source軟件分析各土層青稞在滴灌條件下用水的貢獻率。獲得低溫水灌溉前后根層水分對春青稞根系吸水貢獻比率統(tǒng)計情況見表3。

表3統(tǒng)計了青稞根層在低溫水灌溉前后不同深度土壤水的貢獻率。表層土壤水貢獻率較小，其他根層土壤貢獻率比較接近。

表3 根層不同深度土壤水貢獻率

從貢獻率的最大值分析，灌溉前WT1、WT2、WT3處理15 cm～20 cm 深度貢獻率最大，灌溉后WT1、WT2處理10 cm～15 cm 深度貢獻率最大。灌溉前植物水、土壤水中δD比率基本都在相應處理的貢獻率峰值深度處出現(xiàn)交會，數(shù)據(jù)和圖表均說明，灌溉前青稞根系吸收水分來源較多的集中于20 cm左右；灌溉后，植物水、土壤水δD比率 則在10 cm、15 cm分別交會，并且貢獻率的最大值也出現(xiàn)在這2層土壤中，說明灌溉后，青稞根系吸收水分的來源較多集中在10 cm和15 cm。

根據(jù)不同處理的灌水后根層水分貢獻表現(xiàn)可以看出，3個處理灌水后的主要的水分貢獻根層深度均較灌前有上升趨勢。且隨著灌水溫度的持續(xù)降低，主要的水分貢獻根層深度隨之上升。WT3處理灌水后主要利用的水分來自淺層(5 cm～15 cm)土壤。進一步證明了低溫水會改變青稞根層水分利用情況。結合當?shù)赝寥罈l件可以知道，沙壤土保水性較壤土等更差，由于比熱容較小且淺層土壤受輻射得影響，導致淺層土壤水分更易蒸發(fā)，更容易出現(xiàn)干旱情況。這也是低溫水灌溉導致青稞的減產的可能原因。

3 討 論

春青稞不同生長期根系吸水深度使用直接對比法和同位素質量守恒多元分析模型會得到基本上是一致的結論，但后者通過定量地描述各種水源的比例組合，減小了由觀察者的偏差導致錯誤的可能性。同位素剖面分布變化趨勢明顯，或各深度同位素值變化范圍大是兩種方法應用的前提。伴隨灌溉引起的土壤水分垂向運動，青稞根區(qū)主要吸水深度由灌水前(15 cm～20 cm)變?yōu)楣嗨?5 cm～10 cm)，整體呈現(xiàn)上升趨勢；隨灌水溫度的降低，上升趨勢減緩(WT1灌水后10 cm～15 cm，WT3灌水后為5 cm～10 cm)。低溫水灌溉較常溫水灌溉會直接導致青稞根區(qū)土壤溫度降低，間接影響青稞根系吸水及生長發(fā)育。低溫水灌溉條件下，青稞淺層根區(qū)(5 cm～10 cm)吸水比例降低，而灌溉水主要集中在5 cm～10 cm土層，說明青稞根系對灌溉水利用效果隨溫度降低而降低。隨灌水溫度的上升，青稞主要吸水根深對應的土層土壤水分貢獻比例增加(WT1處理0.54，WT3處理0.72)。相較于常溫水灌溉，低溫水灌溉減少作物干物質累積、降低株高、抑制作物長勢等。融雪水春灌建議以少量多次為原則，灌水盡量在地溫較高時到達田間，最大程度避免融雪水寒害影響。

4 結 論

(1) 低溫水灌溉條件下，根系吸水活躍程度在灌前以深層根系(20 cm左右)為主，灌后以淺層根系(10 cm)為主說明青稞根系對灌溉水利用效果隨溫度降低而降低。

(2) 灌溉前，青稞根系吸收水分基本集中于20 cm；灌溉后，植物水、土壤水δD比率則分別在10 cm、15 cm交會，并且相對應貢獻率的最大值，因此灌溉后青稞根系吸收水分多集中于此。

(3) 低溫水灌溉條件下，青稞淺層根區(qū)(5 cm～10 cm)吸水比例降低，而灌溉水主要集中在5 cm～10 cm土層，說明青稞根系對灌溉水利用效果隨溫度降低而降低。因此，融雪水灌溉建議盡量在日地溫較高時進行，可從灌水時間角度避免低溫水灌溉產生的寒害影響。