鹽分脅迫條件下制種玉米根系吸水模型參數的推求

袁成福，馮紹元(.江西水利職業學院，南昌 33003；2.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009；3.中國農業大學中國農業水問題研究中心，北京 00083)

0 引 言

石羊河流域地處西北干旱內陸區，那里地表水資源極其短缺，而農業灌溉占了總水量很大一部分。對于地表水資源嚴重短缺的干旱地區，地下水是農業灌溉的重要水源。然而，近年來由于當地人們對地下水資源的過度開采利用，使當地地下水礦化度呈現逐年增加的趨勢，其中石羊河下游民勤縣的湖區地下水礦化度高達3～10 g/L，并且每年以0.12 g/L的速度遞增[1,2]。為了彌補緊缺的淡水資源，使干旱地區的農業生產能夠發展穩定，其中解決水資源緊缺問題的有效方法可以采用咸水資源進行灌溉[3,4]。利用咸水資源進行農田灌溉一方面能夠減少由干旱對農作物產量造成的損失，另一方面也會把鹽分帶入到土壤，會使農田土壤環境發生變化，特別是在土壤耕作層中會累積大量的鹽分，進而會導致土壤次生鹽堿化現象的發生[5]。如果長時期利用咸水進行農田灌溉，會使大量的鹽分富集在作物根系區附近，受鹽分脅迫作用，會抑制農作物根系吸水，也會一定程度上影響農作物的生長和產量。因此，在研究區開展鹽分脅迫條件下制種玉米根系吸水規律的研究，對于提高當地咸水資源的利用效率、制定合理的灌溉施肥方案和改善農田水土環境具有重要的理論意義和實用價值[6]。長時期利用咸水資源進行農田灌溉會導致土壤累積過量的鹽分，且鹽分主要累積在作物的根系區附近，由于溶質勢阻礙作物根系吸水，從而會影響作物的正常生長[7]。國內外研究人員就鹽分脅迫對作物根系吸水的影響進行過研究。Feng等針對不同灌水礦化度和不同灌水間隔時間的農田土壤鹽分分布采用ENVIRO-GRO模型進行數值模擬，研究表明咸水灌溉下根系深度對鹽分分布具有重要的影響[8]。羅長壽等采用數值迭代反求方法對苜蓿的根系吸水規律進了模擬和分析，研究表明土壤累積的鹽分會明顯降低苜蓿的根系吸水速率，當土壤溶液的電導率約為5 dS/m左右時，對苜蓿的根系吸水具有較大的影響[9]。國內外已做過大量關于鹽分脅迫條件下作物根系吸水規律的研究，其中應用較普遍的是由Feddes提出的根系吸水模型[10]。

本文通過設置不同灌水礦化度的咸水灌溉試驗，引入Feddes提出的根系吸水模型，根據田間試驗實測數據，推算該模型的各個參數，建立鹽分脅迫條件下制種玉米根系吸水模型，為該研究區研究制種玉米生長條件下土壤水鹽運動規律奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗區位置與土壤物理參數

田間試驗于2013年4-10月在甘肅省武威市涼州區的中國農業大學石羊河試驗站(102°52′E，37°52′N，海拔1 581 m)內進行，該試驗站位于石羊河流域中游區域。田間試驗在非稱重式蒸滲儀中進行，修建測坑小區6個，每個測坑面積為6.66 m2(3.33 m×2 m)，深為3 m。測坑小區0～60 cm土壤為砂壤土(國際制)，其粒徑組成為：砂粒(0.05～1.00 mm)含量(體積分數，下同)為58.90%，粉粒(0.005～0.05 mm)含量為29.02%，黏粒(﹤0.005 mm)含量為11.59%(采用馬爾文MS2000激光粒度分析儀測定)。測坑小區0～60 cm土壤容重為1.5 g/cm3，飽和含水率為0.37 cm3/cm3(體積含水率，下同)，田間持水率為0.30 cm3/cm3。

1.2 試驗設計

田間試驗根據石羊河流域上游、中游、下游典型地區地下水的礦化度設置3種鹽分處理即s1、s2和s3處理，三者分別代表為灌水礦化度為0.71 g/L的淡水、3 g/L的微咸水和6 g/L的咸水。由于受試驗地條件所限，每個處理2個重復，共有6個試驗小區，試驗采用裂區排列方式布置。根據當地制種玉米灌溉經驗，制種玉米生育期內灌水5次分別為：6月8日(拔節期)、6月30 日(抽雄期)，7月20日(開花期)、8月10日(灌漿期)和8月29日(乳熟期)，設置灌溉制度(表1所示)。試驗使用的淡水通過水泵抽取當地地下水獲得，使用的咸水是根據當地地下水化學組成，采用質量比為2∶2∶1的NaCl、MgSO4和CaSO4配置的溶液。供試制種玉米的品種為富農340號，2013年4月20日播種，9月13日收獲，全生育期146 d。測坑小區內的制種玉米按父本與母本1∶7的比例方式種植，種植密度為每小區56株。其他農藝措施均與當地情況保持一致。

表1 各處理灌溉制度Tab.1 Scheme of irrigation under different treatments

1.3 測定項目與方法

選擇制種玉米拔節期(2013年6月23日-6月29日)為研究根系吸水時段1，抽雄期(2013年7月12日-7月19日)為研究根系吸水時段2。分別在時段1和時段2初期和末期通過土鉆獲取土樣，每個處理土層分為3層，分別為[0,20]，(20,40]，(40,60] cm，每次取樣完后回填鉆孔并做標記，采用烘干法測定土壤含水率。采用電導法測定土壤溶液電導率EC1∶5，并根據已有資料的相關公式(S=0.027 5EC1∶5+0.136 6)把EC1∶5轉換成土壤全鹽量S[11]。分別在時段1、2每隔1 d利用鋼卷尺測量制種玉米葉子的長(L)與寬(B)，并采用估算公式得到葉面積指數：

LAI=(K×L×B)∕A

式中：K為葉片擬合系數，玉米取0.75；A為植株葉片所占地面面積。

采用口徑為8 cm的根鉆，利用“十字法”(每株玉米取5鉆，每鉆分3層，每層20 cm，取至60 cm可以把制種玉米大部分根系取盡)取樣，獲取制種玉米根長資料，并經過根系掃描儀掃描和采用WinRHIZO根系分析軟件獲得根長密度的分布資料。土面蒸發量利用自制Microlysimeter(MLS)直接測定，在研究制種玉米根系吸水時間段內埋設MLS，每個處理3個重復。MLS內徑10 cm，高度20 cm，下端采用不封底的形式，呈圓柱狀，采用PVC材料制成。每天早晨8∶00時刻對MLS進行稱重，相鄰兩天的重量之差即為前一天的土面蒸發量。同時收集好試驗站制種玉米全生育期內的氣象資料。

1.4 根系吸水模型

Feddes提出的根系吸水模型為：

S(x,t)=β(φ0)Smax

(1)

式中：S(x,t)為僅在鹽分脅迫下作物根系吸水速率，cm3/(cm3·d)；β(φ0)為鹽分脅迫修正因子，φ0為土壤水滲透勢，cm；Smax為最大根系吸水速率，cm3/(cm3·d)，表示在最優土壤水分(水分、養分充足，無鹽分脅迫)條件下的根系吸水速率。

1.4.1最大根系吸水速率Smax的計算方法

前人研究表明可以采用相對根長密度Lnrd(x,t)和潛在蒸騰速率Tp(cm/d)來計算最大根系吸水速率[12]。即：

(3)

上述兩式中：Lr為最大扎根深度，cm；Ld(x,t)為實測根長密度，cm/cm3。

1.4.2鹽分脅迫修正因子β(φ0)的計算方法

Van Genuchten等采用一種非線性方程，利用S形曲線函數來表示鹽分脅迫修正因子[13]。

(4)

式中：φ050為根系吸水鹽分脅迫修正因子等于0.5時所對應的滲透勢的值，cm；p為擬合參數。

2 結果與分析

2.1 根系吸水模型參數的推算

2.1.1最大根系吸水速率Smax的計算

選擇根系吸水時段2，由于s1處理為淡水充分灌溉且灌溉水量為當地制種玉米的騰發量，所以可以認為s1處理的根系吸水速率為最大根系吸速率。

潛在蒸騰速率Tp由如下公式[14]估算：

Tp=ET0(1-e-kLAI)

(5)

式中：ET0為參考作物蒸散量，cm，由FAO推薦的Penman-monteith公式[15]計算，計算結果為0.412 cm/d；LAI為葉面積指數，取值為3.023 cm2/cm2；k是植物冠層輻射衰減系數，無量綱，對于玉米而言，k常取0.4[16]。計算結果得Tp=0.29 cm/d。

實測根長密度與土層深度的關系如圖1所示。經線性插值擬合后得到Ld(x,t)=-0.011 9x+1.029 2(x為實測根長深度)，制種大扎根深度為100 cm。

圖1 s1處理根長密度分布Fig.1 Root length density distribution of s1 treatment

由式(2)，(3)計算得：

Lnrd(x,t)=-0.027 4x+2.37

Smax=-0.795×10-4x+0.687×10-2

2.1.2鹽分脅迫修正因子β(φ0)的計算

選擇根系吸水時段2，s2處理的灌溉水礦化度為3 g/L，為充分供水鹽分脅迫處理，計算相應的蒸騰強度：

(7)

式中：Ta為s2處理的實際蒸騰強度，cm/d；Ta=ETp-Ep，ETp為潛在蒸散強度，可由Penman-monteith公式求得；Ep為潛在土面蒸發強度，cm/d，可由實測的土面蒸發強度表示。計算得到：ETp=0.40 cm/d；Ep=0.12 cm/d；所以Tp=0.28 cm/d。

理論上，β(φ0)應為S與Smax的比值，由于β(φ0)無法實測，因此根據上式將Ta與Tp的比值近似為鹽分脅迫因子β(φ0)的比值。則：

(8)

φ0為該時段平均土壤水滲透勢，cm，由以下公式[5]計算：

cw=6.7×10-4EC1∶5

(9)

(10)

φ0=-5.63×105cs

(11)

式中：cw為土壤浸出液鹽分質量濃度，g/cm3；EC1∶5為土壤浸出液電導率，dS/m；cs為土壤溶液鹽分質量濃度，g/cm3；v為土壤浸提液的體積，cm3；γ為土壤容重，g/cm3；m為風干土的質量，g；θ為體積含水率，cm3/cm3。

由式(9)-(11)得到計算根系吸水階段的φ0=-4 036.52 cm。則由以上各式可以計算出p=5.49，取φ050=-7 600 cm[17]。因此，鹽分脅迫修正因子為：

2.2 根系吸水模型參數的驗證

分別選擇時段1中s2、s3處理和時段2中s3處理對鹽分脅迫修正因子β(φ0)的參數p進行驗證。其驗證結果見表2。

模型參數p的推算和驗證過程時的吻合程度可以采用均方根誤差(RMSE)和平均相對誤差(MRE)來評價：

(13)

式中：Oi表示模型參數推算值；Pi表示模型參數的驗證值。

表2 參數p推算與驗證時的RMSE和MRE值Tab.2 Root mean square error and mean relative error values in calculation and validation of the parameter (p)

由表2可知，時段1中s2、s3處理與時段2中s3處理β(φ0)的RMSE<0.10，MRE<10%，在允許的誤差范圍20%之內，因此鹽分脅迫修正因子β(φ0)=0.97是合理的，從而鹽分脅迫修正因子的參數p為5.49。所以鹽分脅迫條件下制種玉米根系吸水模型為：

3 結 語

在石羊河流域開展制種玉米生長條件下的咸水灌溉試驗，引入Feddes 提出的根系吸水模型。選擇制種玉米抽雄期為研究制種玉米根系吸水時段1，設置淡水充分灌溉試驗，通過計算相對根長密度和潛在蒸騰速率，推算得到最優灌水條件下的最大根系吸水速率；設置咸水充分灌溉試驗，通過計算蒸騰強度和土壤滲透勢，推算得到咸水灌溉條件下的鹽分脅迫修正因子。

選擇制種玉米拔節期為研究制種玉米根系吸水時段2，對鹽分脅迫修正因子的參數p進行驗證，參數p驗證和推算過程時的RMSE<0.10，MRE<10%，在允許的誤差范圍之內。建立了鹽分脅迫條件下制種玉米的根系吸水模型，為研究區研究制種玉米咸水灌溉條件下土壤水鹽運動規律奠定基礎。

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