基于水量平衡和氧同位素區分農田生態系統蒸散發

劉浩翔

摘 要：為減少農田無效土壤蒸發，提高水分生產力，亟需綜合利用多種方法準確區分農田蒸散發，為優化農田灌溉管理措施提供科學依據。本文采用野外土壤觀測和室內同位素分析，并運用水量平衡和同位素守恒定于，獲得了三種不同灌溉施肥條件下的各深度土壤水分動態和蒸發蒸騰比例。結果表明：冬小麥返青-拔節、拔節-抽穗、抽穗-灌漿和灌漿-收獲期根系吸水深度分別為0-20、20-70、70-150cm和70-150cm;根系吸水深度隨不同灌溉施肥條件和各生育期變化而不同。表層0-20cm土壤水同位素最為富集，且變化幅度最大。總體來說各方案的蒸發蒸騰比例基本一樣，但是不同生育期變化非常大。

關鍵詞：農田;生態系統;蒸散發;水量平衡;同位素

中圖分類號：S271 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）06-0224-03

0 引言

我國的農業用水在全社會總用水量中占很大比重。根據當前我國十三五的農業政策、節水政策，目前應大力發展節水農業。農田蒸散發分割對農業節水灌溉和水資源管理具有重要的指導意義。為減少農田無效土壤蒸發，提高水分生產力，亟需綜合利用多種方法準確區分農田蒸散發，為優化農田灌溉管理措施提供科學依據。

為提高灌溉水利用率，需要研究農作物的耗水規律，傳統的農作物耗水規律的研究多是利用水量平衡和能量收支平衡的方法，本研究選擇結合水量平衡以及同位素質量守恒來對農田生態系統的蒸散量進行區分。

其中水量平衡即為農田生態系統中的水在循環的過程中始終保持著收支平衡，以質量守恒定律為原理，通過該方法，可對系統中的蒸散發分割計算提供基礎。

水體中的氫氧穩定同位素，在水循環過程中存在著明顯的分餾現象，在不同的水循環過程中具有不同的同位素值，使氫氧穩定同位素成為水分運移的天然示蹤劑。在根系吸水及蒸騰過程中，土壤水含量變化而同位素值不變，蒸發則既改變土壤水含量又改變同位素值，根據土壤水含量及同位素值的變化可以從蒸散發總量中分割出蒸發量與蒸騰量。[1]

本研究以農田生態系統-冬小麥為例，結合氫氧穩定同位素及水文監測研究冬小麥在不同生長期根系吸水深度的變化，分割灌溉條件下農田蒸散發中的作物蒸騰量和土壤水蒸發量，計算深層入滲量，評估當前灌溉條件下灌溉水的利用率，通過以上耗水規律的研究，可以為提高農業用水效率提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 田間試驗

研究區農田以棉花-冬小麥-夏玉米種植為主，年平均降水量為540mm，降水多集中于7-9月份，年平均氣溫12.1℃。農田地下水埋深較淺，約為16m。土壤質地為粉砂質壤土，粘粒成分很少，以砂粒和粉粒為主。

分兩次播種后，均于次年夏季初收獲。試驗共設計3個水肥耦合處理，灌溉施肥方案見表1，其中T3處理參考當地常規灌溉施肥水平，總灌溉量和施肥量分別為300mm和315kg/hm2N。試驗分區進行，每個小區面積約6m×5m，每個處理3組重復。兩季小麥返青后的第二次灌水時間不同，分別是在拔節-抽穗期及抽穗-灌漿期。選取當地地下水為灌溉水源為，以地面灌溉為灌溉方式。小麥返青后追施尿素，均于播種后次年春季施肥。

1.2 室內同位素分析

冬小麥返青至收獲期間分別采集并測定五水循環中不同水體D和18O同位素組成。次降水結束后通過由聚乙烯瓶和漏斗組成的收集器采集降水樣，并在漏斗口放置乒乓球以防止水面蒸發，收集的水樣迅速轉移到50mL聚乙烯塑料瓶中并用封口膜密封。每次灌水時用聚乙烯塑料瓶采集灌溉水50mL并密封保存。土壤水樣通過土壤溶液提取器采集，采集深度10，20，30，50，70，90，110，150cm和200cm平均每周采集一次，灌溉和降雨之后加采。當土壤含水量較低無法獲取土壤水時，采用土鉆鉆取土壤樣品并迅速裝入樣品瓶中密封冷凍保存。

土壤和莖稈中的水分采用低溫真空蒸餾系統提取。采用LGR液態水同位素分析儀測量分析不同水體的氘氧穩定同位素比率：[2]

（‰）=（Rsample-Rstandard）/Rstandard×1000? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，δ是樣品中氘（或氧）的同位素組成，Rsample和Rstandard分別是樣品和維也納國際標準平均海水（VSMOW）氫（或氧）的重輕同位素豐度之比（2H/1H或18O/16O），的比值，δD和δ18O的測量精度分別為±1‰和±0.1‰。

1.3 基于水量平衡和氧同位素的蒸散發分割方法

利用土壤水的水量平衡和同位素質量守恒計算灌溉條件下冬小麥農田生態系統的水循環通量，包括蒸發量、蒸騰量和深層入滲量。

mf-mi=mP+mI-mET-mD-mR? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

mET=mE+mT? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

δEmE+δTmT=δimi+δPmP+δImI-δfmf-δDmD-δRmR（4）

其中，m和δ分別代表不同水體的水量和氧同位素δ18O值，f和i分別代表每次采樣的初始和結束時刻，P為降水，D為深層滲漏量（本文中假定為0），R為地表徑流量（本文中為0）。方程（2）中結束和初始時刻的土壤儲水量（mf和mi）為0-200cm土體內的土壤水含量。降雨量通過氣象站測得，灌溉量mI由水表記錄，本文中已給出各階段內的降雨量和灌溉量。

2 結果

2.1 冬小麥不同生育期根系吸水深度

由直接對比法分析可知，冬小麥返青-拔節、拔節-抽穗、抽穗-灌漿和灌漿-收獲期根系吸水深度分別為0-20、20-70、70-150cm和70-150cm（如圖1），返青-拔節期T1和T3處理的根系吸水深度為0-20cm，T2為0-20cm和20-70cm;拔節-抽穗期T1和T3處理的根系吸水深度為20-70cm;抽穗-灌漿期T2和T3處理的根系吸水深度深達70-150cm，灌漿-收獲期除T1處理吸水深度回到淺層土壤（0-20cm和20-70cm）外，其余處理的吸水深度仍位于70-150cm。

2.2 不同水體同位素分布特征

當年冬小麥返青至收獲試驗期間當地大氣降水線（LMWL）分別為：

δD=7.3δ18O+3.6（R2=0.97，P<0.01）

由圖2可知，不同深度土壤水同位素值差異顯著，表層0-20cm土壤水同位素最為富集，且變化幅度最大，表明0-20cm土壤水發生強蒸發作用，同時受降雨灌溉補給影響。試驗期間150-200cm深度土壤水同位素值接近灌溉水的同位素值且無顯著變化。作物莖水的同位素基本位于土壤水δD—δ18O同位素擬合線附近，總體落在0-150cm深度土壤水同位素值范圍內，由此可推測冬小麥吸收利用0-150cm深度的土壤水。

2.3 冬小麥灌溉條件的蒸散發分割

由表2可知，在T1灌溉施肥條件下，冬小麥在抽穗-灌漿期的蒸散發量最大，為101.1mm;在T2灌溉施肥條件下，冬小麥拔節-抽穗期和穗-灌漿期的蒸發量較大，分別為77.0mm和72.2mm;在T3灌溉施肥條件下，冬小麥蒸散發高值發生在拔節-抽穗期和灌漿-收獲期，分別為93.7mm和95.2mm。另外，在三種不同灌溉施肥條件下，拔節-抽穗期的土壤蒸發最小，返青-拔節期土壤蒸發最大。對于T1方案，作物耗水最大值在抽穗-灌漿期;T2條件下，拔節-抽穗期作物耗水量最大，達到74.7mm;在T3條件下，作物在拔節-抽穗期和灌漿-收獲期耗水量較高，達到了80mm以上。綜合分析，三種灌溉施肥條件的土壤蒸發大致相同，但是T3方案的灌溉量最大，其作物耗水量也是最大，其灌溉量（240mm）全被消耗完。

表3給出了三種灌溉施肥條件下，不同時期的作物耗水強度和土壤蒸發強度。對于T1條件，各時期的土壤蒸發在0.4mm/天-0.8mm/天之間;抽穗-灌漿期作物的耗水強度最大，達到6.1mm/天。對于T2和T3條件，各時期的土壤蒸發和作物耗水的變化大體一致，在作物生長的后期，土壤蒸發很小，而作物高強度耗水發生在拔節-抽穗期和抽穗-灌漿期。比較三種不同的，在灌溉條件充分條件下，土壤蒸發強度和作物耗水強度都是最大的。

表4為冬小麥不同灌溉條件下各時期蒸發與蒸騰比例。可以看出，T1灌溉施肥條件下，各時期的作物蒸騰比例均大于74.6%;在T2灌溉施肥條件下，拔節-抽穗期和灌漿-收獲期的作物蒸騰比例較高，高達90%以上，但是其他兩個時期的土壤蒸發比例相對較高，高達50%。對于T3灌溉施肥條件下，返青-拔節期蒸發與蒸騰比例接近1：1，但是其他三個時期蒸騰占比在85%-95%之間。總體來說，整個時期三個方案蒸發蒸騰比例相差不大。

3 結語

（1）本文采用野外土壤采樣的辦法，獲得不同埋深的土壤水分數據，運用直接對比法分析冬小麥不同生育期根系吸水深度，冬小麥返青-拔節、拔節-抽穗、抽穗-灌漿和灌漿-收獲期根系吸水深度分別為0-20、20-70、70-150cm和70-150cm;根系吸水深度隨不同灌溉施肥條件和各生育期變化而不同。

（2）根據室內同位素分析方法，獲得了不同深度土壤水同位素值差異顯著，表層0-20cm土壤水同位素最為富集，且變化幅度最大，表明表層土壤水蒸發作用強，同時受降雨灌溉補給影響。

（3）運用水量平衡和同位素守恒定律，分割不同灌溉施肥條件下各生育期的蒸發蒸騰比例，總體來說各方案的蒸發蒸騰比例基本一樣，但是不同生育期變化非常大。

參考文獻

[1] 王鵬，宋獻方，袁瑞強，韓冬梅，張應華，張兵.基于氫氧穩定同位素的華北農田夏玉米耗水規律研究[J].自然資源學報，2013，28（03）：481-491.

[2] 杜俊杉，馬英，胡曉農，童菊秀，張寶忠，孫寧霞，高光耀.基于雙穩定同位素和MixSIAR模型的冬小麥根系吸水來源研究[J].生態學報，2018，38（18）：6611-6622.