華麗麗， 遲春明

(塔里木大學(xué)農(nóng)學(xué)院 塔里木大學(xué)南疆綠洲農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究中心，新疆 阿拉爾 843300)

近年來，土壤水分有效性是土壤水分研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一[1-3]。能夠被植物吸收的水分稱為有效水，是指田間持水量(θfc)至凋萎系數(shù)(θwp)范圍內(nèi)的土壤水分[4]。在有效水范圍內(nèi)，能夠被作物快速吸收的水分稱為易效水，反之稱為難效水，二者的分割點(diǎn)稱為毛管水?dāng)嗔蚜?θrc)或生長阻滯點(diǎn)[4-5]。當(dāng)土壤含水量處于θrc～θfc時(shí)，作物生長發(fā)育正常，當(dāng)土壤含水量處于θrc～θwp時(shí)，作物生長發(fā)育受阻[6-8]。因此θrc是判斷作物是否發(fā)生水分脅迫的關(guān)鍵參數(shù)[7]，也是節(jié)水效應(yīng)分析與灌溉制度設(shè)計(jì)的核心指標(biāo)[9-10]，亦是土壤水分有效性評價(jià)的重要依據(jù)[11]。因此，精準(zhǔn)確定θrc具有重要意義。生產(chǎn)實(shí)踐中，常采用θfc的70%～75%大致推算θrc[4-5]。莊季屏等[12]對東北5種耕作土壤研究表明，(70%～75%)θfc對應(yīng)的土壤水吸力(h)范圍在80～100 kPa，因此國內(nèi)通常采用h=100 kPa作為易效水的臨界點(diǎn)[1-3]。但是，100 kPa水吸力值對應(yīng)的土壤含水量并不一定在(70%～75%)θfc的范圍內(nèi)[1]，或者說θrc對應(yīng)的水吸力(hrc)并不一定等于100 kPa?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)對水分管理的精度和準(zhǔn)確度要求越來越高，對θrc的計(jì)算也由經(jīng)驗(yàn)性逐步發(fā)展到定量性。水分函數(shù)突變點(diǎn)或拐點(diǎn)方法逐漸被用于計(jì)算θrc或hrc。例如，邵孝侯等采用最優(yōu)分割理論計(jì)算比水容量曲線的突變點(diǎn)，其對應(yīng)的h值即為θrc對應(yīng)的水吸力值[7]，該方法計(jì)算的33份土樣對應(yīng)的水吸力值為80 kPa或90 kPa[13]；張志川[14]確定土壤含水量與作物生理指標(biāo)間曲線方程的拐點(diǎn)，其對應(yīng)的含水量即為θrc，該方法計(jì)算的小麥和玉米的θrc分別占θfc的59.0%～66.8%和75.6%～78.8%。本文采用黃金分割點(diǎn)的方法對土壤最大水分有效區(qū)間進(jìn)行分割，即θrc為θwp～θfc的黃金分割點(diǎn)，使用θfc和θwp計(jì)算θrc，建立θrc的精準(zhǔn)計(jì)算公式，以期為土壤水分有效性的精準(zhǔn)評價(jià)提供理論與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 理論計(jì)算公式

土壤毛管水?dāng)嗔蚜?θrc)處于土壤最大有效水區(qū)間的黃金分割點(diǎn)，因此，θrc、θfc、θwp間的關(guān)系式為：

(θrc-θwp)/(θfc-θwp)=0.618。

(1)

方程(1)變換后得：

θrc=0.618θfc+0.382θwp。

(2)

式中，θrc為土壤毛管水?dāng)嗔蚜?cm·cm-3)，θfc為田間持水量(cm·cm-3)，θwp為萎蔫系數(shù)(cm·cm-3)。

1.2 土壤數(shù)據(jù)

使用8種質(zhì)地類型土壤的相關(guān)數(shù)據(jù)對本文提出的黃金分割點(diǎn)理論推算θrc的方法進(jìn)行驗(yàn)證。土壤質(zhì)地分類采用國際制法。其中6種質(zhì)地類型土壤數(shù)據(jù)引自嵇慶才[15]，2種質(zhì)地類型土壤數(shù)據(jù)引自俞建榮[16]。原狀土容重(Db)、機(jī)械組成、土壤質(zhì)地具體情況見表1。

表1 土壤基本物理性質(zhì)

采用方程(1)計(jì)算θrc，稱為黃金分割點(diǎn)θrc。其中，θwp采用1 500 kPa水吸力值對應(yīng)的土壤含水量[17]，θfc可采用10 kPa或30 kPa水吸力值對應(yīng)的土壤含水量[18-19]，本文采用二者的平均值20 kPa水吸力值對應(yīng)的土壤含水量作為θfc。根據(jù)土壤含水量與水吸力值數(shù)據(jù)建立土壤水分特征曲線，采用邵孝侯等提出的最優(yōu)分割理論計(jì)算比水容量曲線的突變點(diǎn)，進(jìn)而確定土壤水分特征曲線的分割點(diǎn)，其對應(yīng)的土壤含水量稱為最優(yōu)分割點(diǎn)θrc。分析比較黃金分割點(diǎn)θrc與最優(yōu)分割點(diǎn)θrc是否相等，從而判斷本文提出的黃金分割點(diǎn)方法是否正確。8種質(zhì)地類型土壤的水分常數(shù)(θfc和θwp)和土壤水分特征曲線詳見表2。

表2 土壤水分常數(shù)與土壤水分特征曲線決定系數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 毛管水?dāng)嗔蚜?/h3>

黃金分割點(diǎn)法計(jì)算得到θrc變化幅度為0.251 6～0.335 4 cm·cm-3，平均值為0.292 4 cm·cm-3；最優(yōu)分割點(diǎn)法計(jì)算得到的θrc最小值為0.252 3 cm·cm-3，最大值為0.336 7 cm·cm-3，平均值為0.292 8 cm·cm-3(表3)。2種方法計(jì)算得到的θrc相差很小，二者間最大相差0.010 3 cm·cm-3，最小相差0.000 6 cm·cm-3。

表3 土壤毛管水?dāng)嗔蚜?θrc)及其對應(yīng)水吸力(S)的差值的絕對值

黃金分割點(diǎn)θrc(y)與最優(yōu)分割點(diǎn)θrc間存在極顯著的線性關(guān)系(圖1)，二者間的線性方程為y=0.998 5x(P<0.001，R2=0.999 7)。該方程表明，黃金分割點(diǎn)θrc與最優(yōu)分割點(diǎn)θrc在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上可以看做是完全相等。因此，可以使用黃金分割點(diǎn)θrc代替最優(yōu)分割點(diǎn)θrc。

圖1 黃金分割點(diǎn)法土壤毛管水?dāng)嗔蚜颗c最優(yōu)分割點(diǎn)法土壤毛管水?dāng)嗔蚜筷P(guān)系

2.2 毛管水?dāng)嗔蚜克?/h3>

黃金分割點(diǎn)法計(jì)算的土壤毛管水?dāng)嗔蚜克χ档淖钚≈禐?9.2 kPa，最大值為117 kPa,平均值為92.1 kPa(表3)。最優(yōu)分割點(diǎn)法計(jì)算的土壤毛管水?dāng)嗔蚜克χ底兓瘏^(qū)間為80～100 kPa，平均值為88.8 kPa。2種方法計(jì)算的8種質(zhì)地類型土壤的毛管水?dāng)嗔蚜克χ档钠骄递^為接近，僅僅相差3.7 kPa。但是，最優(yōu)分割點(diǎn)法計(jì)算的土壤毛管水?dāng)嗔蚜克χ底兓刃∮邳S金分割點(diǎn)法計(jì)算的結(jié)果。2種方法計(jì)算的土壤毛管水?dāng)嗔蚜克χ底钚∠嗖?.7 kPa(粉砂質(zhì)黏壤土)，最大相差11.0 kPa(黏土)。

3 討論與小結(jié)

黃金分割點(diǎn)法θrc與最優(yōu)分割點(diǎn)法θrc相差0.000 6～0.010 3 cm·cm-3，二者間的線性回歸方程斜率為0.998 5(P<0.001)，決定系數(shù)R2=0.999 7。這說明在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上黃金分割點(diǎn)法計(jì)算的θrc等于最優(yōu)分割點(diǎn)法計(jì)算的θrc。因此，從土壤水分含量角度而言，可以使用黃金分割點(diǎn)法計(jì)算θrc。

采用最優(yōu)分割點(diǎn)方法計(jì)算得到8種質(zhì)地類型土壤的比水容量曲線突變點(diǎn)水吸力浮動(dòng)區(qū)間為80～100 kPa，這與邵孝侯等[13]的研究結(jié)果相一致。黃金分割點(diǎn)法計(jì)算的8種質(zhì)地類型土壤毛管水?dāng)嗔蚜克ψ兓秶?0.0～117 kPa，這與國內(nèi)通常采用的80～100 kPa的hrc相接近[1,12-13]。因此，從土壤水吸力的角度分析，采用黃金分割點(diǎn)方法計(jì)算θrc是可行的。

本文采用20 kPa土壤水吸力對應(yīng)的含水量作為θfc，國際上通常采用10 kPa或33 kPa水吸力對應(yīng)含水量作為θfc[19]，而國內(nèi)通常采用30 kPa水吸力對應(yīng)含水量作為θfc[13]。10 kPa常用于輕質(zhì)土壤的hfc取值，33 kPa常用于壤質(zhì)和黏質(zhì)土壤的hfc取值[20]。因此，在應(yīng)用時(shí)需要測定土壤質(zhì)地類型。本文采用hfc=20 kPa是一種折中性的選擇，減輕土壤質(zhì)地對土壤毛管水?dāng)嗔蚜坑?jì)算結(jié)果的影響。

基于黃金分割點(diǎn)理論建立了毛管水?dāng)嗔蚜?θrc)的精準(zhǔn)計(jì)算公式，即θrc為θwp～θfc水分區(qū)間的黃金分割點(diǎn)。因此，(θrc-θwp)/(θfc-θwp)=0.618，即θrc=0.618θfc+0.382θwp。