局部根區(qū)灌溉對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)變化的影響

　　摘 要:通過田間試驗(yàn)，采用大棚種植黃瓜，在均勻灌水、虧缺均勻灌水、固定部分根區(qū)灌水和根系分區(qū)交替灌4種方式下對(duì)其進(jìn)行處理。分析不同灌溉方式和灌水條件下，試驗(yàn)田中供試作物生育期內(nèi)土壤水分的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：測(cè)定期間，進(jìn)行均勻灌水處理的A區(qū)和虧缺均勻灌水的B區(qū)，二者壟溝兩側(cè)土壤水分變化無明顯差異，而進(jìn)行交替灌水處理的C區(qū)和固定灌水處理的D區(qū)，隨著時(shí)間推移，干濕兩側(cè)土壤水分趨于平衡狀態(tài)，表明壟溝干濕兩側(cè)都存在明顯的滲透過程，可以根據(jù)植物自身的生長(zhǎng)需要相互補(bǔ)充水分。從整個(gè)分析的結(jié)果得到，交替灌溉不但可以節(jié)約大量水資源，土壤水分消耗慢，還能使水分在土壤內(nèi)儲(chǔ)存時(shí)間較長(zhǎng)，是值得推廣的灌溉技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞：局部根區(qū)灌溉;土壤水分;動(dòng)態(tài)變化

　　Effects of Partial Rootzone Irrigation on the Dynamic Changes of Soil Moisture

　　Abstract: Based on the field experiment in the greenhouse, cucumber was cultivated with 4 different irrigation methods, which were uniform irrigation, deficit irrigation, fixed partial rootzone irrigation and alternate partial rootzone irrigation. The soil moisture variation of the crop growth period was analyzed in different irrigation methods and conditions. The results showed that: during the measurement period, irrigation treatments were uniform and the deficit of A, B, uniform irrigation, soil moisture was no significant difference in furrow between the two sides, while the alternate irrigation and the fixed irrigation, as time goes on, according to the needs of the plant growing, both sides can supply water with each other though the penetration process. The final results showed that: alternative irrigation not only can save a lot of water, but also can hold the storage of water in the soil longer, is worth promoting irrigation technology.

　　1.引言

　　水是生命的源泉，是維系社會(huì)進(jìn)步、生態(tài)環(huán)境和人類文明的基礎(chǔ)因素。而我國(guó)水資源嚴(yán)重匱乏，農(nóng)業(yè)節(jié)約水灌溉技術(shù)仍未得到很好的普及利用。我們必須進(jìn)一步提高認(rèn)識(shí)，抓緊完善節(jié)水灌溉的規(guī)劃設(shè)計(jì),大力推進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用，以更好地服務(wù)“三農(nóng)”,推進(jìn)社會(huì)的現(xiàn)代化進(jìn)程。

　　近年來，中國(guó)的灌溉實(shí)踐表明，作物本身具有生理節(jié)水與抗旱能力，作物各生育階段的需水量不同，各生育階段對(duì)水分的敏感程度也不同，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行水分虧缺調(diào)控，對(duì)于促進(jìn)群體的高產(chǎn)更為有效。已有的試驗(yàn)資料表明，減少棵間蒸發(fā)量不會(huì)影響作物產(chǎn)量，如覆蓋保墑和局部灌溉技術(shù)均可較大幅度減少棵間蒸發(fā)量。在一定條件下，適當(dāng)減少作物植株蒸騰量，也不會(huì)導(dǎo)致減產(chǎn)。相反作物在某些生育階段水分虧缺，對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育與高產(chǎn)反而有利，其它階段短期輕度水分虧缺，也不會(huì)導(dǎo)致減產(chǎn)，甚至產(chǎn)量會(huì)更高。這表明了作物在長(zhǎng)期的進(jìn)化過程中，產(chǎn)生了對(duì)水分暫時(shí)虧缺的適應(yīng)性與補(bǔ)償性。因此，滿足作物充分蒸騰理論、按根系層保持充分適宜的含水量進(jìn)行灌溉及有關(guān)任何階段土壤水分的微小虧缺均會(huì)導(dǎo)致作物減產(chǎn)的假說等等，已經(jīng)不能適應(yīng)節(jié)水灌溉的發(fā)展需要。因此，節(jié)水灌溉模式、土壤水分調(diào)控等對(duì)作物需水量的影響，則隨著節(jié)水灌溉理論與技術(shù)的日新月異，其影響機(jī)理及影響程度的確定，越來越成為新的難題及研究熱點(diǎn)[1]。

　　隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，而農(nóng)業(yè)用水占水資源總量的比例卻沒有增長(zhǎng)，甚至還在下降[2]。由此，必須對(duì)節(jié)水灌溉條件下主要作物的需水量進(jìn)行試驗(yàn)研究，為水資源的高效利用提供科學(xué)依據(jù)。近年來國(guó)內(nèi)外提出了包括局部根區(qū)灌溉在內(nèi)的許多節(jié)水灌溉新方法與新技術(shù)。局部根區(qū)灌溉在國(guó)外一般稱為局部根區(qū)干燥(partial rootzone drying，PRD)技術(shù)，實(shí)際上包括交替根區(qū)灌溉和固定部分根區(qū)灌溉[3,4]。其中的固定部分根區(qū)灌溉，是指灌溉始終只在根系的一側(cè)進(jìn)行。而交替根區(qū)灌溉則強(qiáng)調(diào)對(duì)不同根區(qū)交替進(jìn)行灌溉或干燥(垂直或水平方向)。與傳統(tǒng)灌溉(全部根區(qū)均勻灌溉)方式比較，局部根區(qū)灌溉技術(shù)是力求從作物根系的功能和改變根系區(qū)域的濕潤(rùn)方式，誘導(dǎo)根系吸收補(bǔ)償效應(yīng)，使其產(chǎn)生水分脅迫的信號(hào)傳遞至葉氣孔，減小田間的蒸騰耗水。同時(shí)可以改善根系的吸收功能，亦可減少棵間全部濕潤(rùn)時(shí)的無效蒸發(fā)和總的灌溉用水量，達(dá)到不犧牲光合產(chǎn)物積累和產(chǎn)量而大幅度提高水肥利用效率[5,6]，從終而達(dá)到節(jié)水、高產(chǎn)[7-10]、優(yōu)質(zhì)的目的。 局部灌溉技術(shù)與傳統(tǒng)灌溉方法的區(qū)別在于對(duì)作物根區(qū)的濕潤(rùn)狀況不同，整個(gè)根系不再處于均一環(huán)境，而是處在非均一且多變的土壤環(huán)境中[11]。這種根區(qū)土壤水分的不同變化對(duì)根際微環(huán)境產(chǎn)生影響，調(diào)節(jié)根際微生態(tài)系統(tǒng)中水分和養(yǎng)分離子的傳導(dǎo)性能。一方面，水分會(huì)影響土壤元素的化學(xué)有效性與動(dòng)力學(xué)有效性。另一方面，局部灌溉下非灌溉側(cè)的適度水分虧缺可抑制作物根系生長(zhǎng)，降低根系的吸收面積和吸收能力，使木質(zhì)部液流粘滯性增大。

　　土壤水同地表水、地下水一樣是水資源的重要組成部分。土壤水指的是由地面向下至地下水面潛水面以上土壤層中的水分。土壤水是土壤重要的組成部分之一。它在土壤形成過程中起著極其重要的作用, 它不僅影響著土壤的物理性質(zhì), 制約著土壤中的養(yǎng)分和溶質(zhì)的溶解、轉(zhuǎn)移和微生物的活動(dòng), 而且是構(gòu)成土壤肥力和土壤性質(zhì)的一個(gè)重要因素[12]。土壤水分也是植物生長(zhǎng)、植被恢復(fù)的主要影響因子，對(duì)作物的生長(zhǎng)、節(jié)水灌溉等有著非常重要的作用。植物通過自身調(diào)節(jié)，有適應(yīng)環(huán)境的潛力。植物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的水分，主要是由土壤來供給。土壤中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和釋放也必須在有水的情況下才能進(jìn)行[13]，因此土壤中含水量的多少直接影響著農(nóng)作物的生長(zhǎng)、發(fā)育及其產(chǎn)量與品質(zhì)。經(jīng)常了解土壤中的水分狀況，可以及時(shí)提出灌排措施，從而保證植物生長(zhǎng)發(fā)育良好，獲得高產(chǎn)[14]，這也是本實(shí)驗(yàn)研究的主要目的之一。

　　2.材料與方法

　　2.1 試驗(yàn)材料

　　本試驗(yàn)在安徽省淮北市杜集區(qū)滂汪蔬菜基地進(jìn)行，基地內(nèi)土壤成土母質(zhì)為砂土，氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶?rùn)性季風(fēng)氣候。雨量適中，氣候溫和、四季分明。供試土壤的理化性質(zhì)見表1。

　　表1供試土壤的基本理化性質(zhì)

　　Tab 1 physical and chemical properties of experimental soil

　　有機(jī)質(zhì)

　　g.kg -1全氮

　　g.kg -1全磷

　　g.kg -1全鉀

　　g.kg -1硝態(tài)氮

　　mg.kg -1銨態(tài)氮

　　mg.kg -1pH值

　　17.7226.6415.6925.3151.392.487.69

　　2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

　　2.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　供試作物為黃瓜，采用大棚種植，以避免雨水的干擾。采用小區(qū)種植，4種灌溉方式，每個(gè)處理的一個(gè)重復(fù)作為一個(gè)小區(qū)，小區(qū)間以隔離帶分開，寬60cm，小區(qū)內(nèi)，起壟栽培，每個(gè)小區(qū)內(nèi)設(shè)4溝3壟，壟寬30cm，溝寬30cm，壟長(zhǎng)2m，每壟定植6株，株距為40cm。每個(gè)處理的一個(gè)小區(qū)在其兩側(cè)溝中埋土壤水分測(cè)定管，深度為1.2m，以便于用土壤水分測(cè)定儀進(jìn)行直接測(cè)定。作物以水肥形式進(jìn)行定期灌溉，需要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)水。

　　2.2.2 試驗(yàn)處理與實(shí)施

　　試驗(yàn)處理分為根系分區(qū)交替灌水、固定1/2根區(qū)灌水、傳統(tǒng)的均勻灌水和虧缺均勻灌水4種(文中分別簡(jiǎn)稱交替灌水、固定灌水和均勻灌水、虧缺灌水)分別對(duì)各小區(qū)進(jìn)行不同的處理，對(duì)A區(qū)進(jìn)行充分均勻灌溉，對(duì)B區(qū)進(jìn)行虧缺均勻灌溉，對(duì)C區(qū)進(jìn)行虧缺交替灌溉，對(duì)D區(qū)進(jìn)行虧缺固定灌溉。利用土鉆進(jìn)行取樣，土壤水分測(cè)定深度為100cm，分5層測(cè)定(0 ～20、20～40、40～60、60～80和80～100cm)在每壟的兩側(cè)分別取樣，每隔20cm取一次，混合取樣。每個(gè)樣地做3個(gè)重復(fù)，測(cè)量時(shí)段為2011年3月到5月。

　　2月28日時(shí)開始翻地，施底肥，3月12日開始移苗，每壟定植6株，每株定量澆水2L，定植前一次性灌水2L，保證整壟達(dá)到田間持水率(體積含水率約為30%，土壤為沙壤土)，此后約20 d 的時(shí)間不灌水，以利于蹲苗。4月13日進(jìn)行第一次水肥處理，澆水量按照0～40cm土層持水量與含水量關(guān)系確定，并分別在進(jìn)入開花期和盛果期前各施一次肥，將肥料溶解于水中，隨灌水施入土壤。4月27日進(jìn)行第二次水肥處理，肥料追施量和灌水量同前，交替處理開始進(jìn)行交替，交替后原干區(qū)變?yōu)闈駞^(qū)。5月15日進(jìn)行第三次水肥處理，灌水量開始調(diào)整，5月19日交替處理再次交替。本實(shí)驗(yàn)只對(duì)黃瓜的苗期和開花期的土壤水分進(jìn)行研究。

　　根系分區(qū)交替灌水，在交替之前，維持土壤濕潤(rùn)區(qū)域不變。土壤含水量控制在田間持水量的60%～90%。各處理不同時(shí)期的灌水量見表2，可知與均勻灌水相比， 固定灌水、交替灌水的灌水量減少50%。

　　表2 各處理不同時(shí)期的灌水量

　　Table 2 The amount of irrigation water during different periods for all treatments

　　灌水方式

　　Irrigation methods處理時(shí)期days after treating

　　4/13 4/20 4/27 5/15 5/19

　　均勻灌水 A125L/m2125 L/m2125 L/m241.7 L/m241.7 L/m2

　　虧缺均勻灌水 B62.5 L/m262.5 L/m262.5 L/m220.8 L/m220.8 L/m2

　　虧缺交替灌水 C62.5 L/m262.5 L/m262.5 L/m220.8 L/m220.8 L/m2

　　虧缺固定灌水 D62.5 L/m262.5 L/m262.5 L/m220.8 L/m220.8 L/m2

　　2.2.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

　　本實(shí)驗(yàn)主要采用烘干法，并結(jié)合使用土壤水分測(cè)定儀進(jìn)行土壤水分的測(cè)定。

　　數(shù)據(jù)結(jié)果用Excel 2003進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

　　3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　土壤水分空間分布和動(dòng)態(tài)變化的研究有利于田間土壤水分的管理和利用, 在以往的研究中， 對(duì)土壤水分垂直分布規(guī)律和變化的狀況有較深入的認(rèn)識(shí)。

　　A1、A2分別表示A區(qū)中某一壟的兩側(cè)，同樣B1、B2分別是B區(qū)中某一壟的兩側(cè)，由于對(duì)整個(gè)C區(qū)進(jìn)行交替灌水處理，故C區(qū)中壟的兩側(cè)溝有干區(qū)和濕區(qū)之分，分別記為C1、C2，D區(qū)屬固定灌溉，因此亦有干區(qū)和濕區(qū)分別記為D1、D2。

　　4月23日所測(cè)的數(shù)據(jù)是灌水10d后土壤中所含的水分，4月28日所測(cè)的數(shù)據(jù)是灌水后的第二天土壤中的含水率，5月2日所測(cè)數(shù)據(jù)是灌水5d后的土壤水分，5月6日測(cè)得的數(shù)據(jù)是灌水9d后的土壤水分。

　　圖1 不同灌溉方式下土壤水分的變化情況4月23日

　　Fig.1 Change of soil moisture compared to different irrigation methods,23th April

　　圖2 不同灌溉方式下土壤水分的變化情況4月28日

　　Fig.2 Change of soil moisture compared to different irrigation methods,28th April

　　由圖1知，在灌水10d后，在0～50cm處土層，交替灌溉處理下的C區(qū)，其壟溝濕區(qū)土壤含水量大，50～60cm處土層，充分均勻灌溉下的A區(qū)含水量大，60～90 cm處土層，虧缺均勻灌溉下的B區(qū)含水量大，90～100cm處土層，C區(qū)內(nèi)壟溝的干區(qū)土壤含水量大。還可以得出，在0～60cm 的土層內(nèi)，A區(qū)壟溝兩側(cè)土壤水分變化并無較大區(qū)別，而在60～100cm 的土層內(nèi)，呈現(xiàn)明顯差異。0～100cm 的土層范圍內(nèi)，B區(qū)壟溝兩側(cè)土壤水分變化趨勢(shì)無明顯差異。0～60cm、80～100cm范圍內(nèi)C區(qū)壟溝干濕兩側(cè)水分存在明顯區(qū)別。0～60cm，D區(qū)干濕兩側(cè)土壤水分也有明顯差異。

　　由圖2知，在灌水后的第二天，可近似認(rèn)為在0～40cm 的土層內(nèi)，B區(qū)土壤含水量高，40～80cm，C區(qū)干側(cè)土壤含水量高，C區(qū)已進(jìn)行交替，故此時(shí)的C1區(qū)是原來的C2區(qū)。80～90cm，A區(qū)含水量高。在0～100cm 的土層內(nèi)，A區(qū)壟溝兩側(cè)土壤水分變化趨勢(shì)大致相同，B區(qū)也無明顯差異，C區(qū)和D區(qū)壟溝的干濕兩側(cè)土壤水分變化差異都較為明顯。

　　說明C區(qū)、D區(qū)土壤水分都存在明顯的滲透、遷移過程，水分可從高的一側(cè)滲透到低的一側(cè)，相互補(bǔ)充，以滿足作物本身的生長(zhǎng)需要。

　　圖3 不同灌溉方式下土壤水分的變化情況5月2日

　　Fig.3 Change of soil moisture compared to different irrigation methods,2 nd May

　　圖4 不同灌溉方式下土壤水分的變化情況5月6日

　　Fig.4 Change of soil moisture compared to different irrigation methods,6th May

　　由圖3知，4種處理下各土層土壤含水率的變化趨勢(shì)幾乎一致，表明在灌水5d后，作物蒸騰耗水、土壤蒸發(fā)以及土壤水分下滲等影響土壤水分變化的因素，已近乎充分發(fā)揮其各自的影響技能。此時(shí)，各土層土壤含水量已趨于平衡狀態(tài)。

　　由圖4知，灌水9天后，各層土壤水分變化趨勢(shì)差異較大，C區(qū)壟溝干濕兩側(cè)水分存在明顯區(qū)別，表明滲透、蒸發(fā)等影響因素在此時(shí)期對(duì)各種處理的影響再次起主導(dǎo)作用。

　　另外，不同的灌溉方式下，它們的灌水量不同，常規(guī)均勻灌溉的灌水量是其它3種處理的2倍，間接表明灌水量的多少直接決定了不同處理各層土壤含水率的差異大小。比較這幾組圖知，并不是灌水量越多土壤的含水率就越高。

　　4月27日交替灌溉進(jìn)行交替，原來的干區(qū)變成濕區(qū)，C1、C2與之對(duì)應(yīng)。在處理初2dC區(qū)壟溝的干區(qū)含水率高于濕區(qū)，但隨著時(shí)間的推移，干區(qū)和濕區(qū)的含水率逐漸趨于平衡，即二者的變化曲線幾乎吻合，這也是土壤內(nèi)部水分存在滲透的結(jié)果。

　　在5月2日的所測(cè)結(jié)果(圖2)中可以看出，A處理下其0～100cm平均土壤含水量已經(jīng)接近于B、C、D3種灌溉處理，此時(shí)，4種灌溉方式下各樣地土壤水分差異達(dá)到小，0～100cm各層土壤水分變化趨勢(shì)也一致。

　　4.討論和結(jié)論

　　從以上圖中可以看出，從4月23日到5月6日以來，所測(cè)得的數(shù)據(jù)顯示，從0～100cm深的土層土壤水分變化的趨勢(shì)大致是相同的，都有隨著土層深度的增加，土壤含水率先下降再升高，達(dá)到大值又再次下降的趨勢(shì)，且大值都是在80cm處。

　　綜合分析比較這四組圖，可以得到在灌水處理初幾天時(shí)各層土壤的含水率相對(duì)較高，在灌水處理9～10d后表層土壤(20cm處)的含水率差距較明顯，隨著土層深度的增加，其差異在減少。進(jìn)行交替灌水處理的C區(qū)中干區(qū)的含水率在80～100cm的土層均有上升趨勢(shì)，而其他兩種處理?xiàng)l件下在該層都呈下降趨勢(shì)。說明在該時(shí)期，交替灌溉下的壟溝兩側(cè)出現(xiàn)滲透過程，這與試驗(yàn)地沙質(zhì)土壤的性質(zhì)有關(guān)，從各層土壤水分變化趨勢(shì)來看，3種灌水處理不同層次土壤含水率在達(dá)到高值后，均開始呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，其中，在40～80cm土層內(nèi)，不同的灌水處理下各層次土壤含水率增加幅度較明顯，各處理之間不同層次的土壤含水率有較大差異;在40～60cm的土層土壤水分在灌水后土壤水分的增加幅度較60～80cm土層略小，且各處理之間的差異也較小。

　　從4種灌溉處理的全過程來看，均勻灌溉只是在灌水起初，表層土壤含水量稍高些，虧缺均勻灌溉在灌水9d后，土壤含水量呈現(xiàn)出較高水平，固定灌溉下的干區(qū)部分土壤含水量相對(duì)處于較低水平，綜合考慮各方面因素得出，交替灌溉與其它灌溉方式相比土壤含水量相對(duì)高些，且能有效提高土壤水分，使土壤在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持較高的水分含量。

　　綜合以上分析，得出如下結(jié)論：

　　(1)不同灌水試驗(yàn)結(jié)果表明，從0～100cm深的土層土壤水分變化的趨勢(shì)大致相同，隨著土層深度的增加，土壤含水率先下降再升高，達(dá)到大值又再次下降。

　　(2)交替灌溉和固定灌溉處理下的壟溝干濕兩側(cè)，其土壤水分動(dòng)態(tài)變化較明顯，隨時(shí)間推移，含水量的變化曲線逐漸相吻合，主要是滲透過程在起作用。

　　(3)隨著土壤蒸發(fā)和作物耗水，灌水5d后各處理下各土層的土壤水分逐漸趨于一致。另有，灌水量越大，短期內(nèi)土壤表層的含水量越大，但同時(shí)土壤水分的消耗量也在增大。

　　(4)綜合考慮各方面因素得知，交替灌溉與其它灌溉方式相比土壤含水量相對(duì)高些，且能有效提高土壤水分，使土壤在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持較高的水分含量，是值得廣泛應(yīng)用的灌溉技術(shù)。

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