不同土壤水分條件下夏玉米蒸發(fā)蒸騰特征研究

1、不同土壤水分條件下夏玉米蒸發(fā)蒸騰特征研究林同保 孟戰(zhàn)贏 王志強(qiáng) 曲奕威(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450002摘要:以鄭單 958為材料,在防雨測(cè)坑模擬試驗(yàn)條件下 , 研究了不同土壤水分條件下夏玉米蒸發(fā)蒸 騰特性。 試驗(yàn)結(jié)果表明:夏玉米在不同土壤水分條件下, 土壤蒸發(fā)與土壤水分含量有關(guān), 干旱條件下土 壤蒸發(fā)日變化低于適宜土壤水分條件, 充足水分條件下土壤蒸發(fā)量高于適宜水分處理。 蒸騰速率日變化 則是適宜水分 75%最高,單葉瞬時(shí)蒸騰速率比干旱處理和充足水分處理分別高 11.8%、 4.3%。莖流量 日變化峰值隨水分含量的增高而增高,其峰值比蒸騰峰值要延遲約 2小時(shí)。

2、關(guān)鍵詞:夏玉米; 土壤水分; 土壤蒸發(fā); 葉面蒸騰; 莖流蒸發(fā)蒸騰量, 或稱作物耗水量, 是水以降水形 式落到地面起至到達(dá)海洋或回到大氣中為止的水 文循環(huán)的因素之一。 目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)一個(gè)權(quán)威的定 義,謝賢群(1997把作物耗水量定義為一種作物 在土壤水分適宜、 生長(zhǎng)正常、 產(chǎn)量水平均高條件下 的棵間土壤 (或水面 蒸發(fā)量與植株蒸騰量及組成 植物體、 消耗于光合作用等生理過(guò)程所需水量之和 1。了解植物的蒸發(fā)蒸騰規(guī)律,是作物田間管理的 主要依據(jù), 也是保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的基礎(chǔ)。 土 壤蒸發(fā)是作物耗水的主要方面, 蒸騰耗水量是作物 的生理水分與環(huán)境水分的重要參數(shù)。 包括葉片蒸騰 和莖流。 灌溉用水

3、約 50%消耗在田間, 如何做好田 間節(jié)水, 抑制土壤蒸發(fā)和植物奢侈蒸騰, 提高作物 水分利用效率。 既是節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要方面, 也是節(jié) 水農(nóng)業(yè)發(fā)展的潛力所在。土壤水分狀況是農(nóng)田蒸發(fā)蒸騰大小及變化的 一個(gè)限制因素 2。前人在蒸發(fā)蒸騰計(jì)算方法 3 4和 土壤水分植物蒸發(fā)蒸騰影響 57均有研究。 在夏玉 米的蒸發(fā)蒸騰研究 810結(jié)果表明土壤水分通過(guò)影 響植株生長(zhǎng)而影響棵間蒸發(fā), 通過(guò)影響氣孔導(dǎo)度影 響植株蒸騰速率, 通過(guò)影響土壤水分運(yùn)移而影響莖 流。 但對(duì)全生育期不同土壤水分條件下蒸發(fā)蒸騰的 特性還不很清楚。 作物蒸騰是農(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(guò)程 中一個(gè)極為重

4、要的環(huán)節(jié) 11,如何精確測(cè)定作物的 蒸騰耗水, 成為 SPAC 系統(tǒng)研究的難點(diǎn)和重點(diǎn), 國(guó) 內(nèi)外學(xué)者用莖流計(jì)在樹(shù)木和蔬菜中進(jìn)行了大量研 究 1218。但在作物特別是玉米中研究的還比較 少。 以熱平衡為原理的包裹式莖流計(jì)能連續(xù)精確測(cè) 定整株作物的莖流量, 進(jìn)而分析夏玉米莖流變化特 征, 為作物蒸騰耗水的研究提供了有效的方法。 本 文通過(guò)分析不同土壤水分條件下蒸發(fā)蒸騰變化特 性來(lái)分析不同土壤條件下蒸發(fā)蒸騰特性 , 通過(guò) ICT 莖流計(jì)測(cè)定玉米不同土壤水分條件下莖流日變化, 探討夏玉米在不同水分條件下的蒸騰蒸發(fā)特征, 以 期為黃淮海地區(qū)夏玉米節(jié)水提供依據(jù)。1試驗(yàn)材料與方法1.1試驗(yàn)地概況試驗(yàn)在河南農(nóng)

5、業(yè)大學(xué)科教園區(qū)農(nóng)業(yè)部玉米區(qū)域創(chuàng) 新中心全自動(dòng)防雨旱作棚下進(jìn)行。測(cè)坑上口面積 6.7 m2,用 13.5 cm厚的磚墻隔離以防止側(cè)滲。坑 深 2 m,表層是 0.5 m混勻的回田土。測(cè)坑上有活 動(dòng)遮雨棚,以隔絕降雨。土壤基本理化性質(zhì)為:土 壤容重 1.38 g ·cm -3, 田間持水量為 23.1%,土質(zhì)沙 壤,土壤 PH 值為 7.33,土壤有機(jī)質(zhì)含量 0.76%, 土壤全氮 6.51×102mg ·Kg -1, 堿解氮 32.7 mg ·kg -1, 速效磷 47.5 mg ·kg -1。 供試夏玉米品種為鄭單 958, 6月 16日播種,

6、密度為 7.2萬(wàn)株·hm -2。寬窄行種 植,灌水量用水表控制,每坑播前灌水 0.3 m 3以保 出全苗。 底肥一次施足, 每公頃施腐熟有機(jī)肥 15000 Kg, 尿素 480 kg ,過(guò)磷酸鈣 695 kg, 氯化鉀 47 kg 。 9月 22日收獲測(cè)產(chǎn)。1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行全生育期土壤水分灌溉控水, 設(shè) 3個(gè)水分基金項(xiàng)目 :國(guó)家“糧食豐產(chǎn)科技工程”資助項(xiàng)目(2006BAD02A07-2作者簡(jiǎn)介 :林同保,男,河南武陟人,教授,主要從事作物高效用水和生態(tài)安全技術(shù)研究。 E-mail : Linlab處理。 分別為:充分灌水處理 (上限為占田持的 95%, 下限為占田持的 90%;適

7、宜水分處理(上限為占 田持的 75%, 下限為占田持的 70% ; 干旱脅迫處理 (上限為占田持的 50%,下限為占田持的 45%。水 分控制容許誤差為 5%,三次重復(fù),完全隨機(jī)區(qū)組排列。干旱處理除播種前灌水外生育期內(nèi)不灌水。 1.3 調(diào)查項(xiàng)目及方法 1.3.1 土壤水分 用土鉆法分層測(cè)定,層距 20 cm ,每 10天測(cè)定一次。用烘干法算出土壤重量含 水量。 同時(shí) TDR (時(shí)域反射儀 法配和土鉆法測(cè)定。 TDR 用德國(guó) IMKO 公司生產(chǎn)的 TRIME-FM 型時(shí)域反射 儀分層測(cè)定 1.8 m深土壤體積含水量。層距為 20 cm 。上午 9時(shí)左右測(cè)定。每 5天測(cè)定一次,根據(jù)測(cè) 定結(jié)果用水表

8、對(duì)測(cè)坑進(jìn)行嚴(yán)格控水。 每次灌水量按 公式W = CHA( W上 - W0 計(jì)算:式中 C= 容重, H = 土層深度,按 1m 計(jì)算, A=池區(qū)面積,W 上 =設(shè)計(jì)土壤含水量, W 0 =灌前實(shí)測(cè)含水量。 1.3.2 棵間蒸發(fā) 棵間蒸發(fā)用 Micro Lysimeter(MLS直接測(cè)定。選用 PVC 作為 MLS 的材 料,管壁厚 4 mm,高 15 cm,內(nèi)徑 10 cm。 MLS 內(nèi)的 土壤 23天更換一次, 以塑料袋封底, 每個(gè)處理設(shè) 置 3個(gè)重復(fù),每天早晨 8點(diǎn)鐘稱重,電子天平感量 0.1g 。 灌溉后間隔一天換土。 用時(shí)段內(nèi)重量變化除 以體積算得土壤棵間蒸發(fā)。日變化測(cè)定從早上 8:0

9、0至晚上 18:00,間隔 2個(gè)小時(shí)。 1.3.3 蒸騰速率 采用 LI-COR 6400光合作用系 統(tǒng) (用閉路系統(tǒng) 測(cè)定,日變化測(cè)定時(shí)間為早上 8:00至晚上 18:00,間隔 2個(gè)小時(shí)。測(cè)定時(shí)選取穗位 的葉片中上部,并且避開(kāi)中脈。1.3.4 莖流 采用澳大利亞 ICT 公司生產(chǎn)的 ICT 包 裹式莖流計(jì), 在測(cè)坑中選取適合于探頭直徑范圍的 玉米莖桿,在第三節(jié)間用美國(guó) Dynamax 公司生產(chǎn)的 包裹式莖流探頭測(cè)定,數(shù)據(jù)采集頻率為 1小時(shí)采集 一次。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用 Excel 軟件處理并作圖。2 結(jié)果與分析2.1 不同處理的土壤水分動(dòng)態(tài)變化從圖 1可以看出,不同水分處理?xiàng)l件下 020 cm

10、土層土壤含水量的變化趨勢(shì)基本一致,土壤含 水量值相差較明顯,特別是后期 50%處理與 75%和 95%相差明顯。 這與土壤表層蒸發(fā)有關(guān)。 2040 cm 、 4060 cm以及隨著土層深入,處理之間的變化差 異趨緩。到了后期,土壤深層水分有較大變異,在 6080 cm和 80100 cm, 75%水分含量還有高于 95%的情況出現(xiàn),這可能是由于深層水分動(dòng)態(tài)變化 的因素影響的結(jié)果。 100120 cm 土層 50%干旱處 理和 75%、 95%處理的土壤含水量變化差異不大, 說(shuō)明了控水處理主要影響 1 m 以內(nèi)的土壤。而對(duì)于 1 m以下水分影響變小。 圖 1 不同水分處理下夏玉米生育期內(nèi)土壤含水

11、量變化Fig.1 Change of soil water content in whole growth period of different soil moisture patterns0-20 cm0.10.2152939495969808920-40 cm0.050.10.150.20.25152939495969808940-60 cm0.050.10.150.20.25152939495969808960-80cm152939495969808980-100cm0.050.10.150.20.2589100-120cm0.050.10.150.20.251529394959698

12、0890.511.522.533.55557616465667072767879818283868990929398播后天數(shù) The day after sowing土 壤 蒸 發(fā) 量 S o i l e v a p o r a t i o n (m m d -1 圖 2 不同水分處理夏玉米生育后期逐日土壤蒸發(fā)量 (2006年 8-10月 Fig. 2 Change of soil evaporation in growing stages of summer corn under different soil moisture patterns(06.8-06.102.2 不同水分處理夏玉米

13、生育后期土壤蒸發(fā)動(dòng)態(tài) 變化玉米在抽雄吐絲(播后約 50天后,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 夏玉米生育后期的蒸發(fā)蒸騰對(duì)生產(chǎn)上有更大的意 義。 不同水分條件下夏玉米逐日土壤蒸發(fā)變化過(guò)程 如圖 2所示。 由圖可知, 在灌水后兩天也即播種后 64天,日蒸發(fā)量各處理均高,同時(shí)干旱處理 50%由于沒(méi)有灌水, 基本沒(méi)有變化, 而適宜水分處理和 充足水分處理則在灌水后土壤蒸發(fā)急劇增大, 此后 日蒸發(fā)速率逐漸減小, 日蒸發(fā)速率維持在較低的水 平, 而在第二次灌水時(shí)由于各處理均灌水, 干旱處 理灌水非常少。 因此各處理土壤蒸發(fā)均先升高后降 低,同時(shí)干旱處理 50%和其他處理比較變化緩慢。

14、 適宜水分處理和充足水分處理相比, 95%處理均高 于 75%處理,說(shuō)明了過(guò)量灌溉后造成了土壤蒸發(fā) 量的增大,對(duì)水分是一種浪費(fèi)。2.3 不同土壤水分條件下土壤蒸發(fā)日變化特 征不同土壤水分處理?xiàng)l件下夏玉米生育后期的 土壤蒸發(fā)日變化如圖 3所示。 不同水分處理?xiàng)l件下 土壤蒸發(fā)日變化趨勢(shì)相似, 呈拋物線趨勢(shì)。 早上和 傍晚較少,中午增加非常明顯,峰值出現(xiàn)在 14:00左右。這可能與中午氣溫高,太陽(yáng)輻射強(qiáng),造 成土壤蒸發(fā)量也隨之增大。 干旱的處理日蒸發(fā)變化 較為平緩, 而適宜水分含量的處理則與干旱處理差 異不是很大。 95%處理和 75%處理變化明顯。 說(shuō)明 了適當(dāng)增加土壤水分含量,既保證作物正常生長(zhǎng)

15、, 形成良好冠層結(jié)構(gòu)同時(shí)又能以減少土壤蒸發(fā)。 而若灌水量大,如大水漫灌,則增大了土壤蒸發(fā),同時(shí) 又不利于作物正常生長(zhǎng)。2.4 不同土壤水分條件下玉米蒸騰速率及光合特性差異變化由圖 4可知,在各處理蒸騰速率日變化趨勢(shì)來(lái) 看有一定特征, 也即在 12:00左右有一個(gè)峰值出現(xiàn), 此時(shí)處于玉米抽雄后期, 同時(shí)正當(dāng)中午太陽(yáng)輻射強(qiáng) 烈, 促進(jìn)株株蒸騰失水作物葉片氣孔打開(kāi), 蒸騰速 率達(dá)到最大值, 正常的蒸騰有利于植物產(chǎn)生的蒸騰 拉力使作物吸收水分養(yǎng)分, 但土壤水分過(guò)大, 則造 成奢侈蒸騰,對(duì)水分造成一定的浪費(fèi)。從圖 4中還可以看出隨著土壤水分含量的提 高, 峰值反而越低。 也即水分越高, 蒸騰速率越低。

16、說(shuō)明夏玉米蒸騰速率對(duì)土壤水分虧缺的敏感性隨 水分處理增高而降低蒸騰速率隨著土壤含水量變 化而變化。干旱處理呈遞增趨勢(shì) , 而適宜水分處理 在下午則變化緩慢 , 充分灌水處理隨水分含量增加而降低。不同土壤水分條件下夏玉米光合特性差異從表 1可知, 適宜水分 75%處理的光合各指標(biāo)要比干旱、 充分灌水處理高。光合速率 75%處理分別比 50%和 95%處理的高 39.5%、 20.5%,蒸騰速率分別高 11.8%、 4.3%。 說(shuō)明夏玉米在適宜條件下光合作用 非常活躍,0.000.050.100.150.200.250.300.350.4010:0012:0014:0016:0018:00時(shí)間 T

17、ime土 壤 蒸 發(fā) 強(qiáng) 度S o i l e v a p o r a t i o n(m m d -1 圖 3 不同水分處理下夏玉米生育期內(nèi)土壤蒸發(fā)日變化 Fig. 3 Diurnal change of soil evaporation in growing stagesof summer corn under different soil moisture patterns(2006.09.17 50%LAI=0.86; 75% LAI=1.69, 95% LAI=1.05生長(zhǎng)比較旺盛。 而充分灌水處理 95%的光合速率和 蒸騰速率要比干旱處理 50%高 23.9%和 7.8%。 說(shuō)明

18、夏玉米在充足水分條件下雖比適宜條件下光合作用有所減弱, 但是, 卻比干旱條件下的光合作用要強(qiáng)。而氣孔導(dǎo)度和胞間 CO 2濃度也有相同的趨勢(shì)。 2.5 不同土壤水分條件下玉米莖流變化特征 從圖 5中可以看出,莖流日變化呈單峰曲線關(guān) 系,峰值在 14:00左右。莖流在早上 04:00以前基 本上為 0, 08:00以前莖流量很小同時(shí) 20:00以后莖 流值一般 0.511.522.58:0012:0016:0018:00時(shí)間 Time蒸 騰 速 率 T r a n s p i r a t i o n r a t e (m m o l H 2O m -2 s -1圖 4 不同土壤水分處理夏玉米葉片蒸

19、騰速率的日變化 Fig. 4 Change of transpiration in growing stages of summercorn leaf under different soil moisture content較小,故莖流計(jì)有夜間(20:008:00關(guān)閉加 熱器功能。 隨著土壤水分含量的提高, 莖流峰值也 有所提高。 95%要高于 50%和 75%。 其數(shù)值分別為:62.9 g ·h -1、 28.8 g ·h -1、 54.6 g ·h -1. 干旱處理 50%要比適宜水分處理 75%、 充足水分處理 95%處理的 峰值推遲一個(gè)小時(shí)。 同時(shí) 75

20、%適宜水分處理在早上 05:00左右和 20:00左右在干旱和充足水分莖流值很小的情況下仍有 1020 g ·h -1的莖流量。說(shuō)明了 在適宜水分條件下作物能保持一定的莖流, 以有利于作物對(duì)水分的吸收利用和作物蒸騰。 表 1 不同土壤水分處理對(duì)夏玉米光合特性的影響Table1 The effect of summer corn photosynthesis characteristic of different soil moisture水分處理 trentment光合速率Pn(µmolCO 2·m -2·s -1 蒸騰速率Tr(mmolH2O 

21、3;m -2 ·S -1 氣孔導(dǎo)度Gs(molH2O ·m -2 ·s -1胞間 CO 2濃度Ci(µL ·L -1 WUE(µmol CO2·mmol -1H 2O50% 15.9 2.47 0.103 93 6.42 75% 26.3 2.80 0.218 144 9.41 95% 20.9 2.68 0.181 126 7.812.6莖流量與蒸發(fā)量和蒸騰量的關(guān)系圖 4、 5中可以看出,莖流量日變化峰值比蒸 騰峰值要退后。蒸騰峰值大約在 12:00左右,而 莖流峰值在 14:00左右,而 50%的莖流值要更推 遲。這是由

22、于蒸騰速率 , 反映的是由葉片生理機(jī)能 的改變引發(fā)氣孔開(kāi)閉而產(chǎn)生的葉片散失水分的變 化 , 受周?chē)矔r(shí)環(huán)境因子變化的影響顯著 ; 而利用 莖流計(jì)測(cè)得的莖流速率 , 反映的是被測(cè)莖桿的液流 特征 , 不考慮夏玉米自身代謝所消耗的水分 , 是冠 層所有葉片蒸騰作用的結(jié)果。 而且由于水分輸導(dǎo)過(guò)程的滯后 19 20。莖流峰值比莖流峰值要推遲約 2小時(shí)。3討論已有資料表明: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 2122 23。本實(shí)驗(yàn) 結(jié)果表明

23、50%、 75%、 95%土壤水分處理莖流相 比 較 , 95%>75%>50%, 而 蒸 騰 速 率 則 是 75%>95%>50%。土壤蒸發(fā)是農(nóng)田作物奢侈耗水的重要途徑, 可 通過(guò)降低土壤水分蒸發(fā)途徑來(lái)達(dá)到節(jié)水目的, 一般 -10010203040506070 0 0 0 0 1 1 1 2時(shí)間 (time莖 流 量 (g h -1圖 5 不同水分處理?xiàng)l件下莖流日變化Fig.5 Diurnal change of sap flow under different soil water content通過(guò)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)。 適宜水

24、分處理 75%是作物適宜的 水分處理,可以形成良好的地上冠層。葉片蒸騰 是通過(guò)對(duì)葉片瞬時(shí)蒸騰速率測(cè)定來(lái)代表夏玉米 光合蒸騰特性, 在適宜土壤水分 75%條件下植株 光合特性以及蒸騰數(shù)值均大, 說(shuō)明了作物在適宜 水分處理生長(zhǎng)較旺盛。 植株莖流反映了整個(gè)植株 從根系吸收的水分向上傳輸?shù)牧? 從整體上表觀 作物生長(zhǎng)狀況, 莖流包括作物蒸騰向上吸收的水 分, 還包括作物光合作用等生理代謝所需的水分 運(yùn)輸。從節(jié)水角度來(lái)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。本 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了隨土壤水分含量增加, 土壤蒸發(fā) 和莖流都隨之增加。 但是單

25、葉蒸騰卻因?yàn)樽魑锷?長(zhǎng)狀況而變化,在適宜水分條件下蒸騰速率最 大,因此用單葉瞬時(shí)的蒸騰來(lái)表觀作物水分狀 況, 以此為依據(jù)進(jìn)行水分調(diào)控的方法具有一定的 局限性。通過(guò)蒸騰蒸發(fā)量規(guī)律的探討, 以達(dá)到減少植 物蒸騰和農(nóng)田蒸發(fā),降低水分消耗。最終提高水 分利用效率是節(jié)水農(nóng)業(yè)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。 今后發(fā) 展會(huì)向更細(xì)更深方向探討。 比如植株蒸騰規(guī)律的 內(nèi)在機(jī)理、土壤水分狀況影響、土壤蒸發(fā)的原理 和調(diào)控、 以及如何減少蒸發(fā)蒸騰以達(dá)到節(jié)水目的 的途徑。參考文獻(xiàn):1 謝賢群 , 吳凱 . 麥田蒸騰需水量的計(jì)算模式 J.地理學(xué)報(bào) , 1997, 52(6:529-535.2 李新有 , 梁宗鎖 , 康紹忠 . 節(jié)水灌溉

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