不同耕作方式下春小麥棵間土壤蒸發研究

呂曉東，馬忠明

(1.甘肅省農業科學院 土壤肥料與節水農業研究所，蘭州　730070；2.甘肅省農業科學院，蘭州　730070)

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不同耕作方式下春小麥棵間土壤蒸發研究

呂曉東1，馬忠明2

(1.甘肅省農業科學院 土壤肥料與節水農業研究所，蘭州730070；2.甘肅省農業科學院，蘭州730070)

摘要采用微型棵間土壤蒸發皿，測定傳統耕作(CK)、常規壟作溝灌(FRB)、固定道保護性耕作(PRB)和固定道平作(ZT)4種耕作模式下棵間土壤蒸發，研究棵間土壤蒸發量與蒸騰之間的關系,蒸發占蒸散的比例及其隨葉面積指數(LAI)和表層土壤體積含水量的變化關系。結果表明：固定道耕作無論是平作還是壟作栽培，在拔節后期均比傳統耕作和常規壟作溝灌能更好抑制土壤蒸發。與平作栽培相比，溝壟地形對壟床和壟溝棵間土壤蒸發均有促進作用，且壟溝棵間土壤蒸發要大于壟床。春小麥三葉期至拔節期，CK、ZT、FRB和PRB棵間土壤蒸發量占田間耗水量的比值分別為64.96%、53.16%、74.99%和51.99%。拔節后，各處理棵間土壤蒸發占時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占時段耗水量的比例在24.46%～31.07%。4種耕作模式相對棵間土壤蒸發強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函數關系。

關鍵詞棵間土壤蒸發；固定道保護性耕作；春小麥

棵間土壤蒸發作為農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程[1]，對準確估算農田土壤水分動態，制定合理灌溉制度，盡可能減少作物生長過程中無效耗水以及提高土壤水分利用效率等方面具有重要的實際意義[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、土氣界面的自然結構狀態，在增加水分滲入和減少表面蒸發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]。固定道保護性耕作技術是集固定道耕作、壟作、溝灌和少耕、免耕、秸稈覆蓋等單項技術于一體的新型耕作系統[8]，相對傳統耕作習慣，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過程，但該方面相關的研究報道較少。本研究測定4種耕作方式下春小麥棵間土壤蒸發變化過程，揭示棵間土壤蒸發與蒸騰，蒸發占蒸散的比例以及隨葉面積指數(LAI)和表層土壤體積含水量變化的關系，旨在為準確估算農田土壤水分動態，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。

1材料與方法

1.1研究區概況

于2010年3-8月，在甘肅張掖綠洲灌區農業生態環境重點野外科學觀測試驗站固定道保護性耕作長期定位試驗區(100°10′ E，38°50′ N，海拔1 570 m)進行試驗。試驗區地處河西走廊中段，農業生產具有無灌溉即無農業的典型特征。種植作物以小麥和玉米為主，大田生產長期采用平作大水漫灌。試驗土壤為灌漠土，屬沙質壤土，土層厚，蓄水保肥能力強。耕層土壤有機質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試驗設計

田間試驗從2005年開始，設置傳統翻耕(CK)、常規壟作溝灌(FRB)、固定道保護性耕作(PRB)和固定道平作(ZT)4個處理。常規壟作溝灌：上茬作物收獲后翻耕，秸稈全部移出，翌年開春播前按壟面寬70 cm，壟溝寬30 cm，壟高20 cm規格起壟機起壟，采用2BLM-4型小麥壟作免耕播種機一次完成播種和施肥操作，播種后進行土壤壓實操作，壟床種植小麥5行，灌水方式溝灌。固定道保護性耕作：于2005年起壟，壟規格同FRB處理，連續多年不翻耕，收獲時小麥留茬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。種植制度采用當地農戶習慣2 a春小麥，1a春玉米輪作方式。小區面積216 m2(18 m×12 m) ，隨機區組排列，重復4次。2010年春小麥供試品種為‘隴幅2號’，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算公式確定，計算公式為：

m=10ρbH(βi-βj)

式中：m為灌水量(mm)；H為該時段土壤計劃濕潤層的深度(cm)，本試驗計劃濕潤層深度為出苗期至拔節期0～40 cm，拔節期至抽穗期0～60 cm，抽穗期至灌漿成熟期0～100 cm；ρb為計劃濕潤層內土壤體積質量(g/cm3)；βi為目標含水量(田間持水量乘以目標相對含水量)；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，有水位自動記錄儀。Oddysee記錄水位高度，根據“V”字口的大小，可以計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。傳統翻耕、壟作溝灌、固定道保護性耕作和固定道平作4個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測試項目及方法

1.3.1棵間土壤蒸發測定參照文獻方法[2,9]，自制小型棵間土壤蒸發器(Micro-lysimeter)。給水管材料為PVC，內徑6.5 cm，外徑7.5 cm，長30 cm。每小區埋設測點2個(作物帶和非作物帶各埋1個)，用精度為0.001 g的電子天平稱量。根據兩次質量差，得到單位時間內的棵間土壤蒸發量。從春小麥三葉期開始，測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,結果參照灌后第1天棵間土壤蒸發量與參考作物需水量的比值補齊[10]。

1.3.2氣象資料觀測太陽輻射、氣溫、空氣濕度、風速、日照時數、蒸發量以及天氣變化等，由試驗場內自動氣象站測定。

1.3.3葉面積指數(LAI)測定在小麥三葉期、拔節期、孕穗期、灌漿期、成熟期利用AccuPAR冠層結構分析儀(Decagon公司)測定小麥葉面積指數。

1.3.4土壤體積含水量測定在春小麥播種前,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，采用烘干法測定各土層土壤質量含水量。播前采用環刀法測定上述土層體積質量，土壤體積含水量=土壤質量含水量×干體積質量，根據上式計算土壤體積含水量。壟作處理采樣位置，從壟中向壟邊每隔10 cm取1個點,共取3個點，其平均值代表壟床土壤體積含水量。壟溝中間取1個點。平作處理采樣深度同上，采樣呈對角線5點采樣法，同層土樣混合。

2結果與分析

2.1不同耕作處理棵間土壤蒸發變化

由圖1可以看出，三葉期各處理日棵間土壤蒸發均較低，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)日平均棵間蒸發量分別為1.39 、1.35 、1.85 、1.04 、1.84 和1.39 mm/d。拔節至抽穗期，各處理日棵間蒸發逐漸增大。CK、ZT、FRB-B、PRB-B、FRB-F和PRB-F平均日棵間土壤蒸發量分別為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均降低。與CK相比，ZT處理棵間土壤蒸發明顯較低(圖1-a)。與FRB-B相比，PRB-B處理棵間土壤蒸發也明顯較低(圖1-b)，表明固定道耕作無論是平作還是壟作栽培，均能更好的抑制土壤蒸發。由圖1-b還可以看出PRB-F的棵間土壤蒸發較FRB-F低，PRB和FRB處理壟溝的棵間土壤蒸發都相應高于壟床，表明溝壟地形對壟溝棵間土壤蒸發有促進作用。

2.2棵間土壤蒸發與葉面蒸騰及占階段耗水量的比例變化

春小麥生長期各處理棵間土壤蒸發(E)和葉面蒸騰(T)在不同生長階段比例變化很大(表1)。三葉至拔節期，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。拔節至抽穗期，植株長高，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作用。

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

圖1　春小麥全生育階段各處理棵間土壤蒸發

生育期Growthstage處理Treatment降雨/mmRaifallET/mmE/mmT/mmE/ET/%三葉期至拔節期CK8.60124.2480.7143.5364.96TrefoilstagetojointingstageZT8.60131.1269.7061.4253.16FRB8.60108.9481.6927.2474.99PRB8.60106.9155.5851.3351.99拔節至抽穗期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相對棵間土壤蒸發強度與表層土壤體積含水量的關系

采用相對棵間土壤蒸發強度(E/ET0)消除氣象因素的影響，給出各處理相對棵間土壤蒸發和表層20 cm土層土壤體積含水量關系曲線(圖2)。總體來看，相對棵間土壤蒸發均隨著表層土壤體積含水量增大而呈線性增加趨勢。對于CK處理，當表層體積含水量小于15%時,E/ET0隨土壤體積含水量增加而增大的速率變化緩慢；當表層土壤體積含水量介于15%～25%時，E隨土壤體積含水量的增加而迅速增大；當表層土壤體積含水量大于25%時,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處理棵間土壤蒸發與表層土壤體積含水量的關系與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棵間土壤蒸發的關系

對相對棵間土壤蒸發強度(E/ET0)與表層土壤體積含水量的關系進行回歸分析,各處理E/ET0與表層土壤含水量存在指數函數關系且決定系數(R2)呈現出極顯著相關性，結果如下：

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為相對棵間土壤蒸發強度(%)，θ為表層20 cm土層的土壤體積含水量(%)。

2.4相對棵間土壤蒸發強度與葉面積指數的關系

為消除土壤水分和氣象因素的影響,根據實測資料從中選取表層20 cm土壤體積含水量為15%～25%的棵間土壤蒸發的觀測結果,繪出相對棵間土壤蒸發強度E/ET0與實測的春小麥LAI的關系,結果見圖3。各處理棵間土壤蒸發強度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與作物蒸發蒸騰的比例關系式為:

Ep/ETp= exp(-δLAI)

式中:δ為冠層削光系數；Ep、ETp為分別為潛在土壤蒸發和潛在騰發量(mm)。本研究建立各處理條件下田間計算棵間蒸發與農田蒸發蒸騰比例關系公式為：

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　相對棵間土壤蒸發強度與LAI的關系

3討論與結論

眾多研究表明，秸稈覆蓋措施可顯著降低棵間土壤蒸發[12-14]，使得更多的水分從無效消耗過程向有效消耗過程轉化。本研究結果表明，固定道耕作無論是平作還是壟作栽培，在春小麥拔節后均比傳統耕作和常規壟作溝灌能更好的抑制土壤蒸發。這與鄧忠等[15]研究表明，秸稈覆蓋地面使得太陽凈輻射分配發生改變是降低棵間土壤蒸發的根本原因結果相符[16]。與平作栽培相比，溝壟地形對壟床和壟溝棵間土壤蒸發均有促進作用，且壟溝棵間土壤蒸發要大于壟床。通過改進耕作方式，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的一種主要措施。

減少棵間土壤蒸發的物理損耗，將節省下來的水分儲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蒸騰中的比例，是提高土壤儲水有效利用率的關鍵。本研究表明，春小麥三葉期至拔節期，各處理總體田間耗水以棵間土壤蒸發為主。拔節后，田間耗水以葉面蒸騰為主，各處理棵間土壤蒸發量占時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量占時段耗水量的比例在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兩個方面結論一致[18]。4種耕作模式相對棵間土壤蒸發強度均隨著表層土壤體積含水量增大而呈增加趨勢。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棵間蒸發的影響較弱。相對棵間土壤蒸發強度均隨著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強度隨LAI增加而變化平緩，這與孫宏勇等[19]研究結果一致。

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，有利于保持土壤水分，提高作物對水分的有效利用。

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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

基金項目：中澳國際合作(SMCN/2002/094)；公益性行業(農業)科研專項(201503125-2)；甘肅省農業科技創新(GNCX-2014-35)。

中圖分類號S275.9;S157.2

文獻標志碼A

文章編號1004-1389(2016)04-0547-07

網絡出版日期：2016-04-02

網絡出版地址：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，研究方向為節水灌溉。E-mail:dongxl1979@163.com