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起壟覆膜條件下夏玉米農(nóng)田耗水過(guò)程分析

2018-09-17 06:49王乃江劉建超褚曉升董勤各
關(guān)鍵詞:蒸騰速率蒸發(fā)量夏玉米

馮 浩 王 杰 王乃江 劉建超 褚曉升 董勤各

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院, 陜西楊凌 712100; 2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所, 陜西楊凌 712100; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院, 陜西楊凌 712100)

0 引言

我國(guó)西北干旱半干旱地區(qū),水資源缺乏并且水分利用效率不高[1],嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展[2]。大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè),提高農(nóng)業(yè)用水效率顯得尤為重要[3]。地面覆蓋是一種應(yīng)用廣泛的節(jié)水農(nóng)業(yè)種植技術(shù),常用的覆蓋材料有塑料地膜、秸稈、砂石等[4]。地面覆蓋常與耕作技術(shù)相結(jié)合,如將起壟種植和地膜覆蓋相結(jié)合的壟作覆膜技術(shù)由于具有顯著的節(jié)水增產(chǎn)效果[5-6],應(yīng)用十分廣泛。李玉玲等[7]發(fā)現(xiàn)起壟覆膜較傳統(tǒng)種植夏玉米增產(chǎn)39.9%,水分利用效率提高33.8%;齊智娟等[8]研究結(jié)果表明壟作全覆膜條件下春玉米增產(chǎn)17.1%;LIU等[9]發(fā)現(xiàn)壟作覆膜條件下春玉米增產(chǎn)39%~89%。

田間耗水是土壤-植物-大氣水分傳輸系統(tǒng)中重要的組成部分[10],研究地面覆蓋條件下田間耗水規(guī)律對(duì)理解其節(jié)水增產(chǎn)機(jī)理有重要意義。目前關(guān)于田間耗水方面的研究集中在作物耗水即蒸發(fā)蒸騰上,如文冶強(qiáng)等[11]基于雙作物系數(shù)法分析了覆膜春小麥耗水規(guī)律,認(rèn)為覆膜春小麥總耗水量比不覆蓋少10.0%~16.0%,蒸騰量占總耗水量的比例比不覆膜提高了25.0%~27.0%;王罕博等[12]通過(guò)渦度相關(guān)系統(tǒng)和微型蒸滲儀得到壟作覆膜的農(nóng)田蒸散量為376.2 mm,比裸地降低了6.0%,其中土壤蒸發(fā)降低了57.7%;DING等[13]、TIAN等[14]、PEREIRA等[15]也分別研究了地膜覆蓋下玉米、棉花、大麥的耗水規(guī)律,得出覆蓋增加作物蒸騰量,減少土壤蒸發(fā)量的結(jié)論。但是,目前關(guān)于整個(gè)田間耗水過(guò)程的研究相對(duì)較少,田間耗水除了作物耗水外,還包括深層滲漏以及其他為創(chuàng)造良好農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境所必須的水量(如水田泡田、沖洗壓鹽等)[16]。有研究認(rèn)為,覆膜高產(chǎn)是建立在高耗水的基礎(chǔ)上[17],長(zhǎng)期覆蓋還會(huì)造成土壤退化[18],覆膜增產(chǎn)是否具有可持續(xù)性還存在爭(zhēng)議。因此,有必要對(duì)覆蓋條件下整個(gè)田間耗水過(guò)程進(jìn)行研究。由于田間耗水過(guò)程難以直接測(cè)量,因此,本文借鑒馬歡等[19]、FILIPOVI等[20]將HYDRUS-2D模型用于農(nóng)田水分量化研究的經(jīng)驗(yàn),采用二維數(shù)值模型HYDRUS-2D,模擬起壟覆膜條件下農(nóng)田水分變化情況,以探究夏玉米生育期土壤蒸發(fā)、作物蒸騰、土壤水分深層滲漏等農(nóng)田耗水過(guò)程的變化規(guī)律,為分析起壟覆膜節(jié)水增產(chǎn)原因和其可持續(xù)性與否問(wèn)題提供依據(jù),并為西北干旱半干旱地區(qū)覆膜種植增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于陜西省楊凌區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室灌溉試驗(yàn)站(108°24′E,34°20′N(xiāo),海拔521 m),該地屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,多年平均氣溫13~15℃,多年平均降水量在630 mm左右,降水量年際分布不均,主要集中在7—10月。供試土壤為中壤土,0~1 m土層的平均田間持水率、凋萎含水率為23%、8.5%(質(zhì)量含水率),pH值為8.20,平均容重為1.37 g/cm3。該站地下水埋深在5 m以下,其向上補(bǔ)給量可忽略不計(jì)。研究對(duì)象為夏玉米,2014年7月4日和2015年6月12日為輔助出苗灌水30 mm,其余時(shí)期不灌水。

1.2 試驗(yàn)區(qū)布置與測(cè)定

試驗(yàn)設(shè)置不覆蓋平作處理NM(Flat field without mulching)和起壟覆膜處理RM(Ridge-furrow with plastic film mulching planting)。起壟覆膜處理在壟上覆膜,溝內(nèi)種植,壟寬60 cm,壟高20 cm,所用地膜為聚乙烯塑料薄膜,膜厚0.008 mm,地膜覆蓋度約為0.5。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),共6個(gè)小區(qū),小區(qū)面積10 m2(5 m×2 m)(圖1)。播種前,先進(jìn)行人工翻耕、整地、施肥,不同處理小區(qū)施用同一水平肥料:純N 225 kg/hm2、P2O590 kg/hm2作為基肥一次施入,生育期不追肥。供試夏玉米品種為秦龍11,東西行種植,人工穴播,播種密度52 000株/hm2,株距40 cm,行距60 cm。于2014年6月19日播種,10月11日收獲;2015年6月11日播種,10月8日收獲;2016年6月9日播種,9月22日收獲。

圖1 夏玉米種植示意圖Fig.1 Planting diagram of summer maize

生育期中每隔15 d左右用直尺測(cè)量葉面積和株高。玉米成熟后,每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取12株,測(cè)定穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量、穗行數(shù)、穗長(zhǎng)、穗粗等性狀,人工脫粒測(cè)干質(zhì)量,干燥后稱(chēng)總質(zhì)量,然后計(jì)算出單位面積產(chǎn)量。利用時(shí)域反射儀TRIME-TDR測(cè)定土壤體積含水量,測(cè)定深度為260 cm,100 cm以上土層以10 cm為測(cè)量間隔,100 cm以下土層以20 cm為測(cè)定間隔,大約每7 d左右測(cè)一次,降雨前后加測(cè)。

1.3 數(shù)值模擬

1.3.1模型方程

HYDRUS-2D模型可以用來(lái)模擬土壤水分運(yùn)動(dòng)、溶質(zhì)運(yùn)移、熱量傳輸及根系吸水等過(guò)程,該模型能靈活地設(shè)置邊界條件和不規(guī)則的幾何區(qū)域[21],為模擬復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境提供便利。

(1)水流運(yùn)動(dòng)控制方程

水流運(yùn)動(dòng)控制方程Richards方程為

(1)

式中x——橫坐標(biāo),cm

z——縱坐標(biāo),cm

h——土壤水勢(shì),cm

Kh——非飽和土壤導(dǎo)水率,cm/d

t——時(shí)間,s

S——根系吸水項(xiàng),mm/d

土壤水力函數(shù)方程選用Van Genuchten-Mualem公式,以下簡(jiǎn)稱(chēng)VG模型。

(2)蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算

HYDRUS-2D模型需要將潛在蒸騰量和潛在蒸發(fā)量作為輸入項(xiàng)。潛在蒸發(fā)蒸騰量采用單作物系數(shù)法計(jì)算,其中,參考作物蒸發(fā)蒸騰量采用FAO-56推薦的Penman-Monteith[22]公式計(jì)算,作物系數(shù)Kc取值參考當(dāng)?shù)氐难芯拷Y(jié)果[23]。根據(jù)夏玉米生育期實(shí)測(cè)葉面積指數(shù)將潛在蒸發(fā)蒸騰量分割為潛在蒸發(fā)量和潛在蒸騰量[24]。

ETc=KcET0

(2)

(3)

Tp=ETc-Ep

(4)

式中ET0——參考作物蒸發(fā)蒸騰量,mm/d

ETc——作物潛在蒸發(fā)蒸騰量,mm/d

Ep——潛在蒸發(fā)量,mm/d

Tp——潛在蒸騰量,mm/d

LAI——葉面積指數(shù),cm2/cm2

實(shí)際蒸騰量計(jì)算為潛在蒸騰量乘以水分脅迫系數(shù),即

S(h,hφ,x,z)=α′(h,hφ,x,z)b(x,z)StTp

(5)

其中

b(x,z)=

(6)

(7)

式中hφ——滲壓水頭,cm

α′——水分脅迫因子

b——根系分布函數(shù)

St——與蒸騰有關(guān)的土壤表面寬度,cm

Zm——z方向的根系達(dá)到的最大長(zhǎng)度,cm

Xm——x方向的根系達(dá)到的最大長(zhǎng)度,cm

Pz、Px、z*、x*——經(jīng)驗(yàn)系數(shù),取值參照文獻(xiàn)[25-27]

Ta——實(shí)際蒸騰速率,mm/d

Ω——根系分布區(qū)面積,cm2

土壤蒸發(fā)量的計(jì)算是與蒸騰量計(jì)算相獨(dú)立的過(guò)程。蒸發(fā)量的大小與輸入的氣象相關(guān)[28],在表層土壤負(fù)壓水頭下降至臨界值之前,土壤蒸發(fā)一直以潛在蒸發(fā)速率進(jìn)行,達(dá)到臨界值之后上邊界變?yōu)槎ㄋ^邊界并根據(jù)達(dá)西公式計(jì)算土壤蒸發(fā)量[29]。

1.3.2幾何區(qū)域及邊界條件

模型模擬幾何區(qū)域深度設(shè)置為120 cm, NM處理寬度設(shè)置為30 cm,RM處理寬度設(shè)置為60 cm,在10、30、50、100 cm處設(shè)置觀(guān)測(cè)點(diǎn)。通過(guò)比較觀(guān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)土壤含水量和模擬含水量的差異,可以評(píng)價(jià)模型對(duì)水分動(dòng)態(tài)變化的模擬效果。NM及RM處理未覆膜土壤表面為大氣邊界條件,通過(guò)此界面的水分通量有降雨量、灌溉量、蒸騰量和蒸發(fā)量。RM覆膜部分因?yàn)椴煌杆牡啬で袛嗔怂謧鬏斅窂剑O(shè)定為零通量邊界條件。兩個(gè)處理底部都設(shè)置為自由排水邊界。由于試驗(yàn)地地下水位較深(大于5 m),所以不考慮地下水補(bǔ)給。幾何區(qū)域兩側(cè)均為零通量邊界條件(圖2)。

圖2 HYDRUS-2D模型中幾何區(qū)域及邊界條件的設(shè)定Fig.2 Domain geometry and boundary conditions used in HYDRUS-2D model

1.3.3參數(shù)率定

由于HYDRUS-2D模型不涉及作物生長(zhǎng)過(guò)程,因此僅需要對(duì)土壤參數(shù)進(jìn)行率定。通過(guò)剖面法采集原狀土樣,用離心機(jī)測(cè)定不同含水量對(duì)應(yīng)的壓力水頭值,再借助RETC擬合得到VG模型6個(gè)土壤水力特性參數(shù)初始值:殘余含水率Qr、飽和含水率Qs、擬合參數(shù)α、n、l、飽和導(dǎo)水率Ks。一般Qr、Qs、Ks以實(shí)測(cè)值為準(zhǔn),l取值0.5,所以?xún)H需率定α、n值,率定前后土壤水力參數(shù)如表1所示。

1.3.4模型評(píng)價(jià)

本文采用均方根誤差(Root mean square error, RMSE)和模型決定系數(shù)R2(Coefficient of determination)兩個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)來(lái)比較土壤含水率模擬值和實(shí)測(cè)值的差異。RMSE越接近于0,表示模擬值和實(shí)測(cè)值的誤差越小,模擬效果越好;R2越接近于1,表示模擬值和實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)越一致,模擬效果越好。

表1 土壤水力特性參數(shù)率定Tab.1 Calibrated parameters of soil hydraulic properties

(8)

(9)

式中Pi——模擬值

Oi——實(shí)測(cè)值

Pmean——模擬值平均值

Omean——實(shí)測(cè)值平均值

N——觀(guān)測(cè)值數(shù)目

2 結(jié)果與分析

2.1 模型率定與驗(yàn)證結(jié)果

本研究以2014年的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)率定模型,2015、2016年的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)驗(yàn)證模型,模擬時(shí)間段為夏玉米全生育期,3年分別為114、120、103 d。模擬和實(shí)測(cè)土壤含水率的1∶1線(xiàn)圖如圖3所示。由圖可知,3年各個(gè)處理模擬土壤含水率與實(shí)測(cè)土壤含水率基本分布在1∶1線(xiàn)附近。其中在2014年,NM和RM處理的R2分別為0.80、0.85,RMSE分別為0.021 3、0.014 7 cm3/cm3;2015、2016年各處理的R2在0.7左右,RMSE最大為0.018 7 cm3/cm3。模型率定和驗(yàn)證的R2和RMSE均在合理的范圍內(nèi),由此表明HYDURS-2D模型可以較好地模擬土壤水分變化,可以進(jìn)一步開(kāi)展與水分有關(guān)的研究。

圖3 土壤含水率模擬值與實(shí)測(cè)值比較Fig.3 Comparison of simulated and measured soil water contents

2.2 蒸發(fā)蒸騰量

2.2.1蒸騰速率與蒸發(fā)速率

夏玉米生育期降雨和氣溫分布以及模擬的蒸騰、蒸發(fā)、總蒸發(fā)蒸騰速率如圖4所示。從圖4中降雨和氣溫變化情況來(lái)看,2014年降雨量多達(dá)380 mm,主要集中在生育中后期,且多為連續(xù)降雨(圖4a)。2015年降雨分布比較均勻,總量為283 mm(圖4b)。2016年降雨主要發(fā)生在生育前期,出現(xiàn)暴雨的次數(shù)較多,降雨量與2015年相近(圖4c)。

圖4 夏玉米生育期降雨量、氣溫及蒸發(fā)、蒸騰、總蒸發(fā)蒸騰速率隨時(shí)間的變化情況Fig.4 Precipitation, air temperature, transpiration, evaporation and evapotranspiration rate during summer maize growth stage

夏玉米蒸騰速率在整個(gè)生育期呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),最大值在3.3~4.5 mm/d之間,出現(xiàn)在抽雄期左右(圖4d~4f)。RM處理下夏玉米的蒸騰速率在各個(gè)時(shí)期基本都大于NM處理,在降雨較少的時(shí)期表現(xiàn)得更為明顯,如2014年播后35~50 d,2015年播后20~50 d和2016年播后60~80 d。RM處理全生育期蒸騰速率平均值為1.3 mm/d,比NM處理的1.1 mm/d大18.2%。蒸發(fā)速率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與蒸騰速率的變化有很大的差別,在苗期較大,苗期之后由于冠層覆蓋度變大使蒸發(fā)速率減小。NM處理最大蒸發(fā)速率3年分別為5.2、4.9、4.3 mm/d,大于RM處理的2.8、2.4、2.5 mm/d。從全生育期平均蒸發(fā)速率來(lái)看,NM處理為1.2 mm/d,比RM的0.8 mm/d大50%??傉舭l(fā)蒸騰速率為蒸騰速率和蒸發(fā)速率之和,NM、RM處理最大總蒸發(fā)蒸騰速率3年分別為5.3、6.0、5.6 mm/d和4.4、5.4、4.4 mm/d,全生育期平均總蒸發(fā)蒸騰速率分別為2.2、2.7、2.1 mm/d和2.0、2.4、2.0 mm/d??梢钥闯?,RM處理能增大蒸騰速率,減小蒸發(fā)速率,并且減小了總蒸發(fā)蒸騰速率,也就是減小了作物耗水量。

2.2.2各生育階段蒸騰量與蒸發(fā)量

各生育階段蒸發(fā)量、蒸騰量以及蒸發(fā)量占總蒸發(fā)蒸騰量的比例如表2所示。各生育階段蒸發(fā)量、蒸騰量的變化與蒸發(fā)速率和蒸騰速率在生育期中的變化趨勢(shì)一致,蒸騰量在抽雄-灌漿階段最大,約占全生育期蒸騰量的40%,蒸發(fā)量在播種-拔節(jié)階段最大,占總蒸發(fā)量的60%以上。RM處理各生育期蒸騰量基本都大于NM處理,而蒸發(fā)量小于NM處理。從全生育期蒸發(fā)量的情況來(lái)看,RM處理3年分別比NM處理少25.2%、43.6%、20.1%,平均值為29.6%;3年蒸騰量分別比NM處理多8.7%、22.9%、15.1%,平均值為15.6%。由此可以看出,RM處理增大了蒸騰量,減小了蒸發(fā)量,并且減小的蒸發(fā)水量大于增加的蒸騰水量。

蒸發(fā)通常被認(rèn)為是非生產(chǎn)性消耗水,通過(guò)蒸發(fā)量占蒸發(fā)蒸騰量的比例這一指標(biāo)可以了解作物對(duì)水分利用的有效性[14]。蒸發(fā)量占蒸發(fā)蒸騰量的比例在播種至拔節(jié)時(shí)期最大,NM處理不小于0.72,RM處理在0.53~0.72之間,隨著生育期的推移,該值呈現(xiàn)減小趨勢(shì),到收獲期,又有所增大。同一年份,NM處理各個(gè)生育階段蒸發(fā)量占蒸發(fā)蒸騰量的比例基本上都大于RM處理。NM處理全生育期蒸發(fā)量占蒸發(fā)蒸騰量比例平均值為0.51,比RM處理的0.38大34.2%,說(shuō)明起壟覆膜促使無(wú)效水轉(zhuǎn)化為可利用水,改善作物耗水結(jié)構(gòu)。

2.3 深層滲漏量

圖5為通過(guò)研究區(qū)域底部向深層土壤滲漏水分的滲漏速率和累計(jì)滲漏量。深層滲漏的產(chǎn)生是由于降雨或灌溉水量超過(guò)了土層所能儲(chǔ)蓄的最大水量,因此滲漏的產(chǎn)生與降雨或灌溉事件密切相關(guān)。從圖5中可以看出,在2014年,播后87 d水分滲漏速率迅速增大,在這之前,滲漏速率幾乎為零,這是由播后80~90 d共計(jì)174 mm的連續(xù)降雨導(dǎo)致的。NM和RM處理滲漏速率在播后93、91 d達(dá)到峰值4.1、5.8 mm/d,直到收獲時(shí)仍保持較大的速率。整個(gè)生育期,NM處理累積滲漏量為75.0 mm,比RM處理的82.5 mm少7.5 mm。同樣,2015年播后12~19 d,連續(xù)8 d共計(jì)81.9 mm的降雨也導(dǎo)致水分滲漏的發(fā)生,最終,NM處理累積滲漏量為26.3 mm,比RM處理少19.7 mm。在2016年,雖然發(fā)生了幾次大雨或暴雨事件,但是兩個(gè)處理的水分滲漏都非常少,總量不足10 mm,可見(jiàn)連續(xù)降雨才是造成水分滲漏的主要原因。從3年總的情況來(lái)看,起壟覆膜處理的深層滲漏量約為平作不覆膜處理的1.3倍。

表2 各生育階段蒸發(fā)量、蒸騰量以及蒸發(fā)量占總蒸發(fā)蒸騰量的比例Tab.2 Cumulative transpiration and evaporation during summer maize growth stage and ratio between evaporation and evapotranspiration

圖5 夏玉米生育期水分滲漏速率及累積滲漏量Fig.5 Water leakage rate and volume during summer maize growth stage

2.4 水量平衡及產(chǎn)量分析

模擬的水量平衡結(jié)果如表3所示。蒸發(fā)蒸騰量約占田間耗水量的87.0%,表明田間耗水以作物蒸騰耗水和土壤蒸發(fā)耗水為主。RM處理的蒸發(fā)蒸騰量3年平均比NM處理低7.4%,總的田間耗水量平均比NM處理少2.8%。深層滲漏量約占田間耗水量的13.0%,但由于水分滲漏與生育期內(nèi)降雨分布密切相關(guān),所以其年際變化大,如2014年深層滲漏較大,占田間耗水量的25.0%左右,而2015和2016年分別占田間耗水量的11.0%、2.8%。RM處理深層滲漏所占比例平均為14.9%,NM處理為10.7%。以上結(jié)果表明,起壟覆膜雖然導(dǎo)致了水分滲漏增大,但是并沒(méi)有導(dǎo)致田間過(guò)度耗水,原因在于其減小的作物耗水量大于增加的滲漏量。

表3 夏玉米全生育期水量平衡Tab.3 Water balance during summer maize growth season mm

圖6 2014—2016年夏玉米產(chǎn)量及水分利用效率Fig.6 Yield and water use efficiency of summer maize in 2014—2016

從產(chǎn)量的結(jié)果來(lái)看(圖6a),RM與NM處理相比,除2014年減產(chǎn)8.0%外,2015年和2016年分別增產(chǎn)6.6%、17.4%,3年平均增產(chǎn)5.3%。在水分利用效率上,RM處理下夏玉米水分利用效率3年分別比NM高6.4%、18.4%、20.8%(圖6b),3年平均高15.2%。表明起壟覆膜處理能增加產(chǎn)量,并且顯著提高水分利用效率。

3 討論

HYDRUS模型被廣泛應(yīng)用于土壤水分、鹽分和熱運(yùn)移研究中,如LIU等[26]運(yùn)用HYDRUS-2D模型研究了棉花膜下滴灌土壤水分動(dòng)態(tài)變化特征,郝遠(yuǎn)遠(yuǎn)等[29]利用HYDRUS-1D模型研究了地下水埋深和灌溉對(duì)土壤水鹽和玉米產(chǎn)量的影響,結(jié)果都表明HYDRUS模型能較好模擬水熱鹽變化過(guò)程。本研究針對(duì)模型率定和驗(yàn)證結(jié)果的分析也表明該模型在模擬土壤水分運(yùn)動(dòng)時(shí)具有較高的精度,但是該模型沒(méi)有作物生長(zhǎng)模塊,不能模擬作物動(dòng)態(tài)的生長(zhǎng)過(guò)程,并且與根系分布有關(guān)的參數(shù)采用其他文獻(xiàn)推薦值,可能會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果存在誤差。因此,在以后的試驗(yàn)中應(yīng)補(bǔ)充根系的研究。在計(jì)算作物潛在蒸發(fā)蒸騰量時(shí),起壟覆膜和對(duì)照處理采用了相同的作物系數(shù),由于在本試驗(yàn)地區(qū)未見(jiàn)關(guān)于起壟覆膜下作物系數(shù)的報(bào)道,因此沒(méi)有該處理下作物系數(shù)參考值,而實(shí)際上起壟覆膜處理下玉米生長(zhǎng)情況明顯要好于對(duì)照[30],采用相同的作物系數(shù)可能會(huì)引起誤差,所以加強(qiáng)不同耕作措施下作物系數(shù)的研究也是有必要的。

模擬結(jié)果表明,起壟覆膜種植方式較傳統(tǒng)平作不覆膜能減少約29.6%的土壤蒸發(fā)量,增加15.6%的作物蒸騰量,表明該種植方式能促進(jìn)無(wú)效水向有效水轉(zhuǎn)化,改善作物耗水結(jié)構(gòu),與文治強(qiáng)等[11]得到的結(jié)論相似。起壟覆膜能減少土壤蒸發(fā)是因?yàn)榈啬さ牟煌杆宰璧K了水汽向大氣的擴(kuò)散,能增加作物蒸騰是因?yàn)槠饓鸥材ぬ幚砀纳屏俗魑锼疅岘h(huán)境,使植株生長(zhǎng)旺盛,并且地膜的覆蓋還能反射太陽(yáng)輻射,使冠層底部的光照條件得到改善[31]。在降雨較少的情形下,起壟覆膜明顯能提高夏玉米蒸騰速率,可能在于起壟覆膜保墑的特性使得土壤水分的供應(yīng)能力高于對(duì)照處理,這對(duì)于易旱地區(qū)糧食穩(wěn)產(chǎn)有積極的意義。文獻(xiàn)[16-17,32]指出,地膜覆蓋增加作物耗水量,長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致土壤退化,具有不可持續(xù)性,在本研究的3年試驗(yàn)中,起壟覆膜的種植方式較傳統(tǒng)種植方式減少了田間耗水量,增加了產(chǎn)量,說(shuō)明在本試驗(yàn)條件和研究期限下,對(duì)土壤水分而言,并未出現(xiàn)上述研究提到的水分過(guò)度消耗現(xiàn)象,至于對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響,需要進(jìn)一步的研究。

一般情況下,土壤水分的深層滲漏量很小,幾乎可以忽略不計(jì),但是在出現(xiàn)連續(xù)降雨情況下,容易產(chǎn)生深層滲漏量,如2014年總滲漏量達(dá)75.0~82.5 mm,在此情況下忽略深層滲漏量,在計(jì)算玉米根區(qū)水量平衡時(shí)可能會(huì)造成誤差。起壟覆膜處理深層滲漏量大于平作不覆膜處理,是因?yàn)閴诺募晷?yīng)使得壟溝內(nèi)降雨強(qiáng)度更大,水分入滲更深,韓清芳等[33]的研究結(jié)果證明了此結(jié)論,并且其研究還得出在溝壟寬度比例一定時(shí),壟越寬,降雨后水分垂直入滲深度越大的結(jié)論,說(shuō)明壟的型式也會(huì)影響深層滲漏量。因此,下一步研究中,可以在模型中設(shè)置不同壟的參數(shù)(寬度、溝壟比),以便優(yōu)選滲漏量較少、保水效果更好的壟型,更好地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在大田試驗(yàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合HYDRUS-2D模型,分析了起壟覆膜與傳統(tǒng)平作不覆膜處理在蒸騰、蒸發(fā)、水分滲漏等農(nóng)田耗水過(guò)程的差異。HYDRUS-2D模型能較好地模擬土壤水分的動(dòng)態(tài)變化,適用于西北干旱半干旱地區(qū)田間耗水的研究。起壟覆膜處理下夏玉米蒸騰量、蒸發(fā)量、總的蒸發(fā)蒸騰量分別比對(duì)照大15.6%、-29.6%、7.4%,表明起壟覆膜種植能增大蒸騰量,減小蒸發(fā)量,改善作物的耗水結(jié)構(gòu)。起壟覆膜促進(jìn)水分入滲,導(dǎo)致深層滲漏增加。起壟覆膜處理3年平均增產(chǎn)5.3%,水分利用效率提高15.2%,并且未出現(xiàn)過(guò)度消耗土壤水分的情況,表明起壟覆膜具有節(jié)水增產(chǎn)效應(yīng),因此該種植方式適合在本地區(qū)采用。

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