呂曉東，馬忠明

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，蘭州　730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，蘭州　730070)

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不同耕作方式下春小麥棵間土壤蒸發(fā)研究

呂曉東1，馬忠明2

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，蘭州730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，蘭州730070)

摘要采用微型棵間土壤蒸發(fā)皿，測(cè)定傳統(tǒng)耕作(CK)、常規(guī)壟作溝灌(FRB)、固定道保護(hù)性耕作(PRB)和固定道平作(ZT)4種耕作模式下棵間土壤蒸發(fā)，研究棵間土壤蒸發(fā)量與蒸騰之間的關(guān)系,蒸發(fā)占蒸散的比例及其隨葉面積指數(shù)(LAI)和表層土壤體積含水量的變化關(guān)系。結(jié)果表明：固定道耕作無(wú)論是平作還是壟作栽培，在拔節(jié)后期均比傳統(tǒng)耕作和常規(guī)壟作溝灌能更好抑制土壤蒸發(fā)。與平作栽培相比，溝壟地形對(duì)壟床和壟溝棵間土壤蒸發(fā)均有促進(jìn)作用，且壟溝棵間土壤蒸發(fā)要大于壟床。春小麥三葉期至拔節(jié)期，CK、ZT、FRB和PRB棵間土壤蒸發(fā)量占田間耗水量的比值分別為64.96%、53.16%、74.99%和51.99%。拔節(jié)后，各處理棵間土壤蒸發(fā)占時(shí)段耗水量的比值均降到45%以下。抽穗至灌漿初期，各處理棵間土壤蒸發(fā)占時(shí)段耗水量的比例在24.46%～31.07%。4種耕作模式相對(duì)棵間土壤蒸發(fā)強(qiáng)度均隨表層土壤體積含水量增大而增加，隨LAI的增加而顯著減小，兩者均呈良好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

關(guān)鍵詞棵間土壤蒸發(fā)；固定道保護(hù)性耕作；春小麥

棵間土壤蒸發(fā)作為農(nóng)田蒸散的主要組成部分，反映土壤-大氣界面上水分與能量的交換過(guò)程[1]，對(duì)準(zhǔn)確估算農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)，制定合理灌溉制度，盡可能減少作物生長(zhǎng)過(guò)程中無(wú)效耗水以及提高土壤水分利用效率等方面具有重要的實(shí)際意義[2]。陳四龍等[3]研究表明，不同的耕作方式可改變土壤界面如土根界面、土氣界面的自然結(jié)構(gòu)狀態(tài)，在增加水分滲入和減少表面蒸發(fā)以及改善土壤濕度水平方面存在差異。免耕秸稈覆蓋后可顯著提高表層土壤含水量，起到明顯蓄水保墑作用，保護(hù)性耕地土壤蓄集水分能力顯著大于翻耕地[4-7]。固定道保護(hù)性耕作技術(shù)是集固定道耕作、壟作、溝灌和少耕、免耕、秸稈覆蓋等單項(xiàng)技術(shù)于一體的新型耕作系統(tǒng)[8]，相對(duì)傳統(tǒng)耕作習(xí)慣，這種耕作方式改變了土壤界面特性，間接影響棵間土壤蒸發(fā)過(guò)程，但該方面相關(guān)的研究報(bào)道較少。本研究測(cè)定4種耕作方式下春小麥棵間土壤蒸發(fā)變化過(guò)程，揭示棵間土壤蒸發(fā)與蒸騰，蒸發(fā)占蒸散的比例以及隨葉面積指數(shù)(LAI)和表層土壤體積含水量變化的關(guān)系，旨在為準(zhǔn)確估算農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)，制定合理灌溉制度，提高土壤水分利用效率提供基本理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

于2010年3-8月，在甘肅張掖綠洲灌區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站固定道保護(hù)性耕作長(zhǎng)期定位試驗(yàn)區(qū)(100°10′ E，38°50′ N，海拔1 570 m)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)地處河西走廊中段，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有無(wú)灌溉即無(wú)農(nóng)業(yè)的典型特征。種植作物以小麥和玉米為主，大田生產(chǎn)長(zhǎng)期采用平作大水漫灌。試驗(yàn)土壤為灌漠土，屬沙質(zhì)壤土，土層厚，蓄水保肥能力強(qiáng)。耕層土壤有機(jī)質(zhì)12.49 g/kg，全氮0.87 g/kg，速效磷13.72 mg/kg，速效鉀223.7 mg/kg，pH 8.58。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)從2005年開(kāi)始，設(shè)置傳統(tǒng)翻耕(CK)、常規(guī)壟作溝灌(FRB)、固定道保護(hù)性耕作(PRB)和固定道平作(ZT)4個(gè)處理。常規(guī)壟作溝灌：上茬作物收獲后翻耕，秸稈全部移出，翌年開(kāi)春播前按壟面寬70 cm，壟溝寬30 cm，壟高20 cm規(guī)格起壟機(jī)起壟，采用2BLM-4型小麥壟作免耕播種機(jī)一次完成播種和施肥操作，播種后進(jìn)行土壤壓實(shí)操作，壟床種植小麥5行，灌水方式溝灌。固定道保護(hù)性耕作：于2005年起壟，壟規(guī)格同F(xiàn)RB處理，連續(xù)多年不翻耕，收獲時(shí)小麥留茬20 cm收割，秸稈還田量2 250 kg/hm2；固定道平作：具體操作與PRB處理一致，僅改壟作為平作，改溝灌為漫灌。種植制度采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣2 a春小麥，1a春玉米輪作方式。小區(qū)面積216 m2(18 m×12 m) ，隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)4次。2010年春小麥供試品種為‘隴幅2號(hào)’，播種量均為450 kg/hm2。施肥量均為純N 225 kg/hm2，純P2O5180 kg/hm2。氮肥用量w=40%做基肥，w=60%做追肥，結(jié)合第1水和第2水施入，磷肥全部做基肥施入。2010-03-24播種，2010-07-25收獲。

灌水量由灌水定額計(jì)算公式確定，計(jì)算公式為：

m=10ρbH(βi-βj)

式中：m為灌水量(mm)；H為該時(shí)段土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層的深度(cm)，本試驗(yàn)計(jì)劃濕潤(rùn)層深度為出苗期至拔節(jié)期0～40 cm，拔節(jié)期至抽穗期0～60 cm，抽穗期至灌漿成熟期0～100 cm；ρb為計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)土壤體積質(zhì)量(g/cm3)；βi為目標(biāo)含水量(田間持水量乘以目標(biāo)相對(duì)含水量)；βj為灌溉前土壤含水量。灌溉量由Oddysee量水槽量水控制。Oddysee量水槽呈“V”字型，有水位自動(dòng)記錄儀。Oddysee記錄水位高度，根據(jù)“V”字口的大小，可以計(jì)算出水流的速度和水量。小麥全生育期灌水3次，分別在2010-05-08、2010-06-10和2010-07-04。傳統(tǒng)翻耕、壟作溝灌、固定道保護(hù)性耕作和固定道平作4個(gè)處理全生育期總灌溉量分別為3 817、2 908、2 677和3 618 m3/hm2。

1.3測(cè)試項(xiàng)目及方法

1.3.1棵間土壤蒸發(fā)測(cè)定參照文獻(xiàn)方法[2,9]，自制小型棵間土壤蒸發(fā)器(Micro-lysimeter)。給水管材料為PVC，內(nèi)徑6.5 cm，外徑7.5 cm，長(zhǎng)30 cm。每小區(qū)埋設(shè)測(cè)點(diǎn)2個(gè)(作物帶和非作物帶各埋1個(gè))，用精度為0.001 g的電子天平稱量。根據(jù)兩次質(zhì)量差，得到單位時(shí)間內(nèi)的棵間土壤蒸發(fā)量。從春小麥三葉期開(kāi)始，測(cè)定頻率為孕穗期前每3 d秤量換土1次。灌漿期每天秤量換土1次。灌漿后期至收獲每3 d秤量換土1次。每日20：00秤量，秤量后即換裝田間原裝土。降雨、灌水日停測(cè),結(jié)果參照灌后第1天棵間土壤蒸發(fā)量與參考作物需水量的比值補(bǔ)齊[10]。

1.3.2氣象資料觀測(cè)太陽(yáng)輻射、氣溫、空氣濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、蒸發(fā)量以及天氣變化等，由試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)自動(dòng)氣象站測(cè)定。

1.3.3葉面積指數(shù)(LAI)測(cè)定在小麥三葉期、拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期、成熟期利用AccuPAR冠層結(jié)構(gòu)分析儀(Decagon公司)測(cè)定小麥葉面積指數(shù)。

1.3.4土壤體積含水量測(cè)定在春小麥播種前,第1次灌水前,第1次灌水后3、6、9 d,第2次灌水前,第2次灌水后,第3次灌水前,第3次灌水后和收獲后，用土鉆分別采集0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～160、160～200 cm土層土樣，采用烘干法測(cè)定各土層土壤質(zhì)量含水量。播前采用環(huán)刀法測(cè)定上述土層體積質(zhì)量，土壤體積含水量=土壤質(zhì)量含水量×干體積質(zhì)量，根據(jù)上式計(jì)算土壤體積含水量。壟作處理采樣位置，從壟中向壟邊每隔10 cm取1個(gè)點(diǎn),共取3個(gè)點(diǎn)，其平均值代表壟床土壤體積含水量。壟溝中間取1個(gè)點(diǎn)。平作處理采樣深度同上，采樣呈對(duì)角線5點(diǎn)采樣法，同層土樣混合。

2結(jié)果與分析

2.1不同耕作處理棵間土壤蒸發(fā)變化

由圖1可以看出，三葉期各處理日棵間土壤蒸發(fā)均較低，CK、ZT、FRB-B(FRB處理壟床)、PRB-B(PRB處理壟床)、FRB-F(FRB處理壟溝)和PRB-F(PRB處理壟溝)日平均棵間蒸發(fā)量分別為1.39 、1.35 、1.85 、1.04 、1.84 和1.39 mm/d。拔節(jié)至抽穗期，各處理日棵間蒸發(fā)逐漸增大。CK、ZT、FRB-B、PRB-B、FRB-F和PRB-F平均日棵間土壤蒸發(fā)量分別為2.97、2.52、3.10、2.07、3.33和2.83 mm/d。抽穗后期至灌漿各處理日棵間蒸發(fā)均降低。與CK相比，ZT處理棵間土壤蒸發(fā)明顯較低(圖1-a)。與FRB-B相比，PRB-B處理棵間土壤蒸發(fā)也明顯較低(圖1-b)，表明固定道耕作無(wú)論是平作還是壟作栽培，均能更好的抑制土壤蒸發(fā)。由圖1-b還可以看出PRB-F的棵間土壤蒸發(fā)較FRB-F低，PRB和FRB處理壟溝的棵間土壤蒸發(fā)都相應(yīng)高于壟床，表明溝壟地形對(duì)壟溝棵間土壤蒸發(fā)有促進(jìn)作用。

2.2棵間土壤蒸發(fā)與葉面蒸騰及占階段耗水量的比例變化

春小麥生長(zhǎng)期各處理棵間土壤蒸發(fā)(E)和葉面蒸騰(T)在不同生長(zhǎng)階段比例變化很大(表1)。三葉至拔節(jié)期，CK和FRB處理E與T比例相差較大，約2∶1之間,表明每年起壟、耕作等田間操作會(huì)引起較大水分損耗。ZT和PRB處理E與T比例在1∶1之間，表明免耕和秸稈覆蓋有效減少土壤棵間土壤蒸發(fā)。拔節(jié)至抽穗期，植株長(zhǎng)高，葉面積迅速增大，葉面蒸騰量迅速升高，各處理棵間E與T的比例約在1∶2之間，說(shuō)明此階段主要以葉面蒸騰耗水為主。抽穗至灌漿期，各處理棵間E與T的比例在1∶3和1∶2之間變化，葉面蒸騰作用仍起主導(dǎo)作用。

棵間土壤蒸發(fā)占階段耗水量(E/ET)的變化分析表明，春小麥三葉至拔節(jié)，各處理田間耗水以棵間土壤蒸發(fā)為主。CK、ZT、FRB和PRB棵間土壤蒸發(fā)量占時(shí)段耗水量的比值分別為64.96%、53.16%、74.99%和51.99%。拔節(jié)以后，植株生長(zhǎng)迅速，葉面積增大，田間耗水轉(zhuǎn)向以葉面蒸騰為主，各處理棵間土壤蒸發(fā)占時(shí)段耗水量的比值均降到45%以下。抽穗至灌漿初期，葉面積指數(shù)達(dá)到最大，春小麥轉(zhuǎn)入旺盛的生殖生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成階段，需水強(qiáng)度大，葉面蒸騰在階段耗水中占據(jù)重要地位，棵間土壤蒸發(fā)量占階段耗水量的比例明顯減小，各處理棵間土壤蒸發(fā)量占時(shí)段耗水量的比例在24.46%～31.07%。

圖1　春小麥全生育階段各處理棵間土壤蒸發(fā)

生育期Growthstage處理Treatment降雨/mmRaifallET/mmE/mmT/mmE/ET/%三葉期至拔節(jié)期CK8.60124.2480.7143.5364.96TrefoilstagetojointingstageZT8.60131.1269.7061.4253.16FRB8.60108.9481.6927.2474.99PRB8.60106.9155.5851.3351.99拔節(jié)至抽穗期CK11.70219.7578.37141.3835.66JointingstagetoheadingstageZT11.70198.0865.64132.4333.14FRB11.70188.5583.61104.9444.34PRB11.70175.9155.28120.6331.42抽穗至灌漿期CK33.70282.8783.88198.9929.65HeadingstagetofillingstageZT33.70279.1475.08204.0626.90FRB33.70249.8677.64172.2231.07PRB33.70232.4756.87175.6124.46

2.3相對(duì)棵間土壤蒸發(fā)強(qiáng)度與表層土壤體積含水量的關(guān)系

采用相對(duì)棵間土壤蒸發(fā)強(qiáng)度(E/ET0)消除氣象因素的影響，給出各處理相對(duì)棵間土壤蒸發(fā)和表層20 cm土層土壤體積含水量關(guān)系曲線(圖2)?？傮w來(lái)看，相對(duì)棵間土壤蒸發(fā)均隨著表層土壤體積含水量增大而呈線性增加趨勢(shì)。對(duì)于CK處理，當(dāng)表層體積含水量小于15%時(shí),E/ET0隨土壤體積含水量增加而增大的速率變化緩慢；當(dāng)表層土壤體積含水量介于15%～25%時(shí)，E隨土壤體積含水量的增加而迅速增大；當(dāng)表層土壤體積含水量大于25%時(shí),隨土壤體積含水量的增加基本上呈水平直線變化。ZT、FRB-B和PRB-B處理棵間土壤蒸發(fā)與表層土壤體積含水量的關(guān)系與CK類似。但由于耕作方式和地表秸稈覆蓋措施的影響，E/ET0隨土壤體積含水量增加或下降的速率變化不同。與平作處理相比，壟作處理E/ET0受土壤表層體積含水量的影響較小。

圖2　表層土壤體積含水量與相對(duì)棵間土壤蒸發(fā)的關(guān)系

對(duì)相對(duì)棵間土壤蒸發(fā)強(qiáng)度(E/ET0)與表層土壤體積含水量的關(guān)系進(jìn)行回歸分析,各處理E/ET0與表層土壤含水量存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系且決定系數(shù)(R2)呈現(xiàn)出極顯著相關(guān)性，結(jié)果如下：

CK：E/ET0=1.273 6e0.160 8θ，R2=0.94

FRB-B：E/ET0=3.436 9e0.124 7θ，R2=0.97

PRB-B：E/ET0= 3.033e0.114θ，R2=0.92

ZT：E/ET0=2.495 6e0.132 4θ，R2=0.95

式中:E/ET0為相對(duì)棵間土壤蒸發(fā)強(qiáng)度(%)，θ為表層20 cm土層的土壤體積含水量(%)。

2.4相對(duì)棵間土壤蒸發(fā)強(qiáng)度與葉面積指數(shù)的關(guān)系

為消除土壤水分和氣象因素的影響,根據(jù)實(shí)測(cè)資料從中選取表層20 cm土壤體積含水量為15%～25%的棵間土壤蒸發(fā)的觀測(cè)結(jié)果,繪出相對(duì)棵間土壤蒸發(fā)強(qiáng)度E/ET0與實(shí)測(cè)的春小麥LAI的關(guān)系,結(jié)果見(jiàn)圖3。各處理棵間土壤蒸發(fā)強(qiáng)度E/ET0均隨著LAI的增加而顯著減小。

Brission等[11]提出的棵間土壤蒸發(fā)與作物蒸發(fā)蒸騰的比例關(guān)系式為:

Ep/ETp= exp(-δLAI)

式中:δ為冠層削光系數(shù)；Ep、ETp為分別為潛在土壤蒸發(fā)和潛在騰發(fā)量(mm)。本研究建立各處理?xiàng)l件下田間計(jì)算棵間蒸發(fā)與農(nóng)田蒸發(fā)蒸騰比例關(guān)系公式為：

CK：E/ET0= 81.138e-0.519 1LAI，R2=0.94

FRB-B：E/ET0= 89.073e-0.642 5LAI，R2=0.89

PRB-B：E/ET0=65.532e-0.547 8LAI，R2=0.80

ZT：E/ET0=75.036e-0.563 2LAI，R2=0.93

圖3　相對(duì)棵間土壤蒸發(fā)強(qiáng)度與LAI的關(guān)系

3討論與結(jié)論

眾多研究表明，秸稈覆蓋措施可顯著降低棵間土壤蒸發(fā)[12-14]，使得更多的水分從無(wú)效消耗過(guò)程向有效消耗過(guò)程轉(zhuǎn)化。本研究結(jié)果表明，固定道耕作無(wú)論是平作還是壟作栽培，在春小麥拔節(jié)后均比傳統(tǒng)耕作和常規(guī)壟作溝灌能更好的抑制土壤蒸發(fā)。這與鄧忠等[15]研究表明，秸稈覆蓋地面使得太陽(yáng)凈輻射分配發(fā)生改變是降低棵間土壤蒸發(fā)的根本原因結(jié)果相符[16]。與平作栽培相比，溝壟地形對(duì)壟床和壟溝棵間土壤蒸發(fā)均有促進(jìn)作用，且壟溝棵間土壤蒸發(fā)要大于壟床。通過(guò)改進(jìn)耕作方式，在保證作物用水的條件下保持土壤表層干燥是減少棵間土壤蒸發(fā)的一種主要措施。

減少棵間土壤蒸發(fā)的物理?yè)p耗，將節(jié)省下來(lái)的水分儲(chǔ)留于土壤中供作物根系吸收利用，提高作物生理需水在總蒸發(fā)蒸騰中的比例，是提高土壤儲(chǔ)水有效利用率的關(guān)鍵。本研究表明，春小麥三葉期至拔節(jié)期，各處理總體田間耗水以棵間土壤蒸發(fā)為主。拔節(jié)后，田間耗水以葉面蒸騰為主，各處理棵間土壤蒸發(fā)量占時(shí)段耗水量的比值均降到45%以下。抽穗至灌漿初期，各處理棵間土壤蒸發(fā)量占時(shí)段耗水量的比例在24.46%～31.07%，這與張永久等[17]研究表明，影響E/ET的主要因素是土壤含水量和LAI兩個(gè)方面結(jié)論一致[18]。4種耕作模式相對(duì)棵間土壤蒸發(fā)強(qiáng)度均隨著表層土壤體積含水量增大而呈增加趨勢(shì)。但與平作漫灌相比，溝灌條件下，壟作處理土壤表層體積含水量對(duì)棵間蒸發(fā)的影響較弱。相對(duì)棵間土壤蒸發(fā)強(qiáng)度均隨著LAI的增加而顯著減小。但受土壤水分因素影響，壟作處理棵間土壤蒸發(fā)強(qiáng)度隨LAI增加而變化平緩，這與孫宏勇等[19]研究結(jié)果一致。

綜上所述，固定道耕作在平作或壟作栽培方式下能更好的抑制土壤蒸發(fā)，有利于保持土壤水分，提高作物對(duì)水分的有效利用。

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Received 2015-03-10Returned2015-06-14

Foundation itemScience and Technology Cooperation Project of China and Australia(No.SMCN/2002/094)；Non-profit Research Foundation for Agriculture(No.201503125-2);Project of Agricultural Science and Technology Innovation of Gansu(No.GNCX-2014-35).

First authorLü Xiaodong,male,Ph.D candidate,associate research fellow.Research area:water-saving irrigation.E-mail:dongxl1979@163.com

(責(zé)任編輯：史亞歌Responsible editor:SHI Yage)

Soil Evaporation of Spring Wheat under Different Tillages

Lü Xiaodong1and MA Zhongming2

(1. Institute of Soil,Fertilizer and Water-saving Agriculture,Gansu Academy of Agricultural Sciences,Lanzhou730070,China；2. Gansu Academy of Agricultural Sciences,Lanzhou730070，China)

AbstractSoil evaporation of spring wheat under conventional tillage (CK),fresh raised bed (FRB) permanent raised bed (PRB) and zero tillage with control traffic on flat field (ZT) was measured by using micro-lysimeters. The relationship among soil evaporation,leaf area index and surface soil moisture was analyzed as well as the equation between soil evaporation and leaf area index and surface soil moisture was established. The results indicated that soil evaporation of PRB and ZT treatment was lower than that of CK and FRB after the spring wheat jointing stage. Compared with conventional flat planting,soil evaporation of bed and furrow were enhanced by ridge and furrow topography of the soil surface obviously. Soil evaporation of furrow was larger than that of bed. From trefoilstage to jointing stage,the ratio of interplant soil evaporation to total field evapotranspiration was 64.96%,53.16%,74.99% and 51.99% for CK,ZT,FRB and PRB treatment,respectively,and less than 45% from jointing to heading stage,and 24.46%-31.07% from heading to filling stage. There was a good exponential function relationship between relative soil evaporation intensity and surface soil water content as well as leaf area index. The relative evaporation intensity increased with the increase of surface soil moisture,while decreased with the increase of leaf area index.

Key wordsSoil evaporation; Controlled traffic farming; Spring wheat

收稿日期：2015-03-10修回日期：2015-06-14

基金項(xiàng)目：中澳國(guó)際合作(SMCN/2002/094)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201503125-2)；甘肅省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新(GNCX-2014-35)。

中圖分類號(hào)S275.9;S157.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1004-1389(2016)04-0547-07

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2016-04-02

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20160402.1112.018.html

第一作者：呂曉東，男，在讀博士，副研究員，研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉。E-mail:dongxl1979@163.com