局部根區灌溉對土壤水分動態變化的影響

　　摘 要:通過田間試驗，采用大棚種植黃瓜，在均勻灌水、虧缺均勻灌水、固定部分根區灌水和根系分區交替灌4種方式下對其進行處理。分析不同灌溉方式和灌水條件下，試驗田中供試作物生育期內土壤水分的動態變化規律。試驗結果表明：測定期間，進行均勻灌水處理的A區和虧缺均勻灌水的B區，二者壟溝兩側土壤水分變化無明顯差異，而進行交替灌水處理的C區和固定灌水處理的D區，隨著時間推移，干濕兩側土壤水分趨于平衡狀態，表明壟溝干濕兩側都存在明顯的滲透過程，可以根據植物自身的生長需要相互補充水分。從整個分析的結果得到，交替灌溉不但可以節約大量水資源，土壤水分消耗慢，還能使水分在土壤內儲存時間較長，是值得推廣的灌溉技術。

　　關鍵詞：局部根區灌溉;土壤水分;動態變化

　　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，是維系社會進步、生態環境和人類文明的基礎因素。而我國水資源嚴重匱乏，農業節約水灌溉技術仍未得到很好的普及利用。我們必須進一步提高認識，抓緊完善節水灌溉的規劃設計,大力推進節水灌溉技術的研究、生產和應用，以更好地服務“三農”,推進社會的現代化進程。

　　近年來，中國的灌溉實踐表明，作物本身具有生理節水與抗旱能力，作物各生育階段的需水量不同，各生育階段對水分的敏感程度也不同，適當地進行水分虧缺調控，對于促進群體的高產更為有效。已有的試驗資料表明，減少棵間蒸發量不會影響作物產量，如覆蓋保墑和局部灌溉技術均可較大幅度減少棵間蒸發量。在一定條件下，適當減少作物植株蒸騰量，也不會導致減產。相反作物在某些生育階段水分虧缺，對作物生長發育與高產反而有利，其它階段短期輕度水分虧缺，也不會導致減產，甚至產量會更高。這表明了作物在長期的進化過程中，產生了對水分暫時虧缺的適應性與補償性。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行灌溉及有關任何階段土壤水分的微小虧缺均會導致作物減產的假說等等，已經不能適應節水灌溉的發展需要。因此，節水灌溉模式、土壤水分調控等對作物需水量的影響，則隨著節水灌溉理論與技術的日新月異，其影響機理及影響程度的確定，越來越成為新的難題及研究熱點[1]。

　　隨著經濟的發展，農業生產規模不斷擴大，而農業用水占水資源總量的比例卻沒有增長，甚至還在下降[2]。由此，必須對節水灌溉條件下主要作物的需水量進行試驗研究，為水資源的高效利用提供科學依據。近年來國內外提出了包括局部根區灌溉在內的許多節水灌溉新方法與新技術。局部根區灌溉在國外一般稱為局部根區干燥(partial rootzone drying，PRD)技術，實際上包括交替根區灌溉和固定部分根區灌溉[3,4]。其中的固定部分根區灌溉，是指灌溉始終只在根系的一側進行。而交替根區灌溉則強調對不同根區交替進行灌溉或干燥(垂直或水平方向)。與傳統灌溉(全部根區均勻灌溉)方式比較，局部根區灌溉技術是力求從作物根系的功能和改變根系區域的濕潤方式，誘導根系吸收補償效應，使其產生水分脅迫的信號傳遞至葉氣孔，減小田間的蒸騰耗水。同時可以改善根系的吸收功能，亦可減少棵間全部濕潤時的無效蒸發和總的灌溉用水量，達到不犧牲光合產物積累和產量而大幅度提高水肥利用效率[5,6]，從最終而達到節水、高產[7-10]、優質的目的。 局部灌溉技術與傳統灌溉方法的區別在于對作物根區的濕潤狀況不同，整個根系不再處于均一環境，而是處在非均一且多變的土壤環境中[11]。這種根區土壤水分的不同變化對根際微環境產生影響，調節根際微生態系統中水分和養分離子的傳導性能。一方面，水分會影響土壤元素的化學有效性與動力學有效性。另一方面，局部灌溉下非灌溉側的適度水分虧缺可抑制作物根系生長，降低根系的吸收面積和吸收能力，使木質部液流粘滯性增大。

　　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。土壤水是土壤最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, 制約著土壤中的養分和溶質的溶解、轉移和微生物的活動, 而且是構成土壤肥力和土壤性質的一個重要因素[12]。土壤水分也是植物生長、植被恢復的主要影響因子，對作物的生長、節水灌溉等有著非常重要的作用。植物通過自身調節，有適應環境的潛力。植物生長發育所需要的水分，主要是由土壤來供給。土壤中養分的轉化和釋放也必須在有水的情況下才能進行[13]，因此土壤中含水量的多少直接影響著農作物的生長、發育及其產量與品質。經常了解土壤中的水分狀況，可以及時提出灌排措施，從而保證植物生長發育良好，獲得高產[14]，這也是本實驗研究的主要目的之一。

　　2.材料與方法

　　2.1 試驗材料

　　本試驗在安徽省淮北市杜集區滂汪蔬菜基地進行，基地內土壤成土母質為砂土，氣候屬于暖溫帶半濕潤性季風氣候。雨量適中，氣候溫和、四季分明。供試土壤的理化性質見表1。

　　表1供試土壤的基本理化性質

　　Tab 1 physical and chemical properties of experimental soil

　　有機質

　　g.kg -1全氮

　　g.kg -1全磷

　　g.kg -1全鉀

　　g.kg -1硝態氮

　　mg.kg -1銨態氮

　　mg.kg -1pH值

　　17.7226.6415.6925.3151.392.487.69

　　2.2 試驗設計及方法

　　2.2.1試驗設計

　　供試作物為黃瓜，采用大棚種植，以避免雨水的干擾。采用小區種植，4種灌溉方式，每個處理的一個重復作為一個小區，小區間以隔離帶分開，寬60cm，小區內，起壟栽培，每個小區內設4溝3壟，壟寬30cm，溝寬30cm，壟長2m，每壟定植6株，株距為40cm。每個處理的一個小區在其兩側溝中埋土壤水分測定管，深度為1.2m，以便于用土壤水分測定儀進行直接測定。作物以水肥形式進行定期灌溉，需要時進行補水。

　　2.2.2 試驗處理與實施

　　試驗處理分為根系分區交替灌水、固定1/2根區灌水、傳統的均勻灌水和虧缺均勻灌水4種(文中分別簡稱交替灌水、固定灌水和均勻灌水、虧缺灌水)分別對各小區進行不同的處理，對A區進行充分均勻灌溉，對B區進行虧缺均勻灌溉，對C區進行虧缺交替灌溉，對D區進行虧缺固定灌溉。利用土鉆進行取樣，土壤水分測定深度為100cm，分5層測定(0 ～20、20～40、40～60、60～80和80～100cm)在每壟的兩側分別取樣，每隔20cm取一次，混合取樣。每個樣地做3個重復，測量時段為2011年3月到5月。

　　2月28日時開始翻地，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 的時間不灌水，以利于蹲苗。4月13日進行第一次水肥處理，澆水量按照0～40cm土層持水量與含水量關系確定，并分別在進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，交替處理開始進行交替，交替后原干區變為濕區。5月15日進行第三次水肥處理，灌水量開始調整，5月19日交替處理再次交替。本實驗只對黃瓜的苗期和開花期的土壤水分進行研究。

　　根系分區交替灌水，在交替之前，維持土壤濕潤區域不變。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 測定項目與方法

　　本實驗主要采用烘干法，并結合使用土壤水分測定儀進行土壤水分的測定。

　　數據結果用Excel 2003進行統計分析。

　　3.實驗結果與分析

　　土壤水分空間分布和動態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， 對土壤水分垂直分布規律和變化的狀況有較深入的認識。

　　A1、A2分別表示A區中某一壟的兩側，同樣B1、B2分別是B區中某一壟的兩側，由于對整個C區進行交替灌水處理，故C區中壟的兩側溝有干區和濕區之分，分別記為C1、C2，D區屬固定灌溉，因此亦有干區和濕區分別記為D1、D2。

　　4月23日所測的數據是灌水10d后土壤中所含的水分，4月28日所測的數據是灌水后的第二天土壤中的含水率，5月2日所測數據是灌水5d后的土壤水分，5月6日測得的數據是灌水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，其壟溝濕區土壤含水量最大，50～60cm處土層，充分均勻灌溉下的A區含水量最大，60～90 cm處土層，虧缺均勻灌溉下的B區含水量最大，90～100cm處土層，C區內壟溝的干區土壤含水量最大。還可以得出，在0～60cm 的土層內，A區壟溝兩側土壤水分變化并無較大區別，而在60～100cm 的土層內，呈現明顯差異。0～100cm 的土層范圍內，B區壟溝兩側土壤水分變化趨勢無明顯差異。0～60cm、80～100cm范圍內C區壟溝干濕兩側水分存在明顯區別。0～60cm，D區干濕兩側土壤水分也有明顯差異。

　　由圖2知，在灌水后的第二天，可近似認為在0～40cm 的土層內，B區土壤含水量最高，40～80cm，C區干側土壤含水量最高，C區已進行交替，故此時的C1區是原來的C2區。80～90cm，A區含水量最高。在0～100cm 的土層內，A區壟溝兩側土壤水分變化趨勢大致相同，B區也無明顯差異，C區和D區壟溝的干濕兩側土壤水分變化差異都較為明顯。

　　說明C區、D區土壤水分都存在明顯的滲透、遷移過程，水分可從高的一側滲透到低的一側，相互補充，以滿足作物本身的生長需要。

　　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幾乎一致，表明在灌水5d后，作物蒸騰耗水、土壤蒸發以及土壤水分下滲等影響土壤水分變化的因素，已近乎充分發揮其各自的影響技能。此時，各土層土壤含水量已趨于平衡狀態。

　　由圖4知，灌水9天后，各層土壤水分變化趨勢差異較大，C區壟溝干濕兩側水分存在明顯區別，表明滲透、蒸發等影響因素在此時期對各種處理的影響再次起主導作用。

　　另外，不同的灌溉方式下，它們的灌水量不同，常規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日交替灌溉進行交替，原來的干區變成濕區，C1、C2與之對應。在處理最初2dC區壟溝的干區含水率高于濕區，但隨著時間的推移，干區和濕區的含水率逐漸趨于平衡，即二者的變化曲線幾乎吻合，這也是土壤內部水分存在滲透的結果。

　　在5月2日的所測結果(圖2)中可以看出，A處理下其0～100cm平均土壤含水量已經接近于B、C、D3種灌溉處理，此時，4種灌溉方式下各樣地土壤水分差異達到最小，0～100cm各層土壤水分變化趨勢也一致。

　　4.討論和結論

　　從以上圖中可以看出，從4月23日到5月6日以來，所測得的數據顯示，從0～100cm深的土層土壤水分變化的趨勢大致是相同的，都有隨著土層深度的增加，土壤含水率先下降再升高，達到最大值又再次下降的趨勢，且最大值都是在80cm處。

　　綜合分析比較這四組圖，可以得到在灌水處理最初幾天時各層土壤的含水率相對較高，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。進行交替灌水處理的C區中干區的含水率在80～100cm的土層均有上升趨勢，而其他兩種處理條件下在該層都呈下降趨勢。說明在該時期，交替灌溉下的壟溝兩側出現滲透過程，這與試驗地沙質土壤的性質有關，從各層土壤水分變化趨勢來看，3種灌水處理不同層次土壤含水率在達到最高值后，均開始呈現緩慢下降的趨勢，其中，在40～80cm土層內，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，土壤含水量呈現出較高水平，固定灌溉下的干區部分土壤含水量相對處于較低水平，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高些，且能有效提高土壤水分，使土壤在較長時間內保持較高的水分含量。

　　綜合以上分析，得出如下結論：

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

　　(2)交替灌溉和固定灌溉處理下的壟溝干濕兩側，其土壤水分動態變化較明顯，隨時間推移，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，短期內土壤表層的含水量越大，但同時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高些，且能有效提高土壤水分，使土壤在較長時間內保持較高的水分含量，是值得廣泛應用的灌溉技術。

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